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图文详解电子膨胀阀原理及其在空调系统中的应用

发布:2024-06-16 浏览:74

核心提示:节流装置,作为制冷循环的四大部件之一,在系统中起着非常关键的作用,通过选择应用合适的节流机构与制冷系统匹配时整个制冷设备降低能耗的重要环节。节流的工作原理是制冷工质流过阀门时流动截面突然收缩,流体流速加快,压力下降,从而到达调节流量、控制过热度及蒸发液位的作用。(如下图)因此,节流机构流量的调节对制冷装置节能降耗起着非常重要的作用,制冷系统中常用的节流机构有毛细管、热力膨胀阀及电子膨胀阀。然而,毛细管只能对流量做微小的调节,故比较适合于负荷较稳定的系统,在负荷变化大时,无法有效及时地改变制冷剂流量。热力膨

节流装置,作为制冷循环的四大部件之一,在系统中起着非常关键的作用,通过选择应用合适的节流机构与制冷系统匹配时整个制冷设备降低能耗的重要环节。
节流的工作原理是制冷工质流过阀门时流动截面突然收缩,流体流速加快,压力下降,从而到达调节流量、控制过热度及蒸发液位的作用。
(如下图)因此,节流机构流量的调节对制冷装置节能降耗起着非常重要的作用,制冷系统中常用的节流机构有毛细管、热力膨胀阀及电子膨胀阀。
然而,毛细管只能对流量做微小的调节,故比较适合于负荷较稳定的系统,在负荷变化大时,无法有效及时地改变制冷剂流量。
热力膨胀阀的感温包有明显的延迟特性,难以配合压缩机排量对流量变化作出迅速而有效的反应,最终导致系统调节的振荡,造成机器运转不稳定,甚至损坏压缩机。
电子膨胀阀是按照预设程序调节蒸发器供液量,因属于电子式调节模式,故称为电子膨胀阀。
电子膨胀阀由控制器、执行器和传感器三部分构成,通常所说的电子膨胀阀大多仅指执行器,即可控驱动装置和阀体,实际上仅有这一部分是无法完成控制功能的。
电子膨胀阀控制器的核心硬件为单片机,如控制器同时要完成压缩机及风机的变频等控制功能,一般采用多机级连的形式。
电子膨胀阀的传感器通常采用热电偶或热电阻。
电子膨胀阀的控制过程为调节进入蒸发器的制冷剂流量,控制目标过热度,从而保证系统经济稳定运行。
它作为电子控制元件,最大特点就是流量调节的及时性,其响应压缩机排量改变是及时的,因此它具有精度高,动作快速、准确、节能效果明显等优点,并能够与其它智能控制方法相结合,在制冷系统中的运用,以实现系统的优化控制。
在产品研制方面,国外电子膨胀阀的主要产品有:丹麦Danfoss电子膨胀阀,美国ALCO公司的EX系列电子膨胀阀,日本鹭宫的EKV、AKV电子膨胀阀FUJIKOKIMFCCO.LTD生产的LAM型电子膨胀阀。
电子膨胀阀的产品研制工作在国内起步较晚,目前国内电子膨胀阀的主要产品有:三花商用O、Q、R、S电子膨胀阀,浙江春晖智能控制股份有限公司研制的DPF系列电子膨胀阀等。
品牌系列及作用产品Danfoss电子膨胀阀ETS、AKV电子膨胀阀用于氟化物制冷剂系统;AKVA、TEAQ电子膨胀阀用于氨系统;KVS电子膨胀阀用于吸气调节控制。
其中,又以ETS系列电子膨胀阀应用最广泛:可用于空调和制冷系统中,精确控制吸入蒸发器的液体冷媒。
阀门活塞和线性定位设计充分平衡,不但能提供双向流平衡,而且同电磁阀一样具有双向截流功能。
美国ALCO 公司EX系列电子膨胀阀的特点是采取全封闭设计,步进电动机驱动可以在极短时间内从全关到全开,启用完全关闭功能时可省去电磁阀。
运用平衡阀口直通形式设计,使流量变化呈线性,可以连续的冷量调节,在制冷回路中无液锤现象。
电动机与阀合为一体,具有较高的可靠性,用陶瓷材料的阀板和阀口部件具有较高的耐磨损性能。
三花O系列、Q系列电子膨胀阀主要用于变频空调系统中,实现制冷剂流量的自动调节,从而使空调系统始终保持在最佳的工况下运行,达到快速制冷、温度精确控制、省电等目的;该阀具有可逆性,能实现制冷、制热状态下流量的自动控制。
电子膨胀阀原理大型冷冻机组节流常用的孔板因其调节性能差,流量亦不能随工况变动而调节;原先的吸气温度通过其感温包所对应的压力与蒸发压力之差所产生的机械位移,进行调节的热力膨胀阀愈暴露其缺点:1.讯号的反馈有较大的滞后;2.在低温的场合下,热力膨胀阀感受温包内的压力变化减小,使阀的动作压力变小,引起控制性能不稳定;3.过热度大使冷冻能力降低;4.新型制冷剂的不断出现。
在这种情势下,一种响应速度快,调节范围宽广,节能效果显著,具备远程控制、故障诊断等;新功能、能满足不同工质的产品——SEV电子膨胀阀应运而生。
(本课件以SEV电子膨胀阀为例)膨胀阀相当于减压阀,存在进口端与出口端的压差。
这个压差对较大口径的阀芯会产生较大的阻止阀开启或关闭的反作用力。
图中是SEV电子膨胀阀的结构,从图中可以看出:当制冷剂从阀体底部进入阀芯后,通过阀芯平衡孔,将压力向上传递,由于阀芯上下截面相等,使压差产生的附加操作力抵消。
同理当制冷剂从右方管口进入时,制冷剂通过阀芯平衡孔,最终亦实现了压力的平衡。
电子膨胀阀的主要运动部件是丝杆和丝杆螺帽,丝杆旋转使丝杆螺帽带动阀芯上下位移进行流量调节,这个摩擦副是决定阀的寿命及可靠性的关键。
SEV电子膨胀阀采用不锈钢和高端陶瓷材料摩擦副,其摩擦系数及小,耐磨性特高,从而提高电子膨胀阀的使用寿命。
电机是外置的,因此不需要担心电机的使用寿命限制和接线处泄露影响;电机与制冷剂完全隔开,避免了电机的腐蚀。
亦可防止因系统冰堵造成电机的损坏。
在系统中的应用与结构该系统为风冷热泵冷热水机组,图示粗黑箭头所示为制冷系统,红管所标记的为高压侧部分,绿管所标记的为低压侧部分,空心箭头所示为制热系统,电子膨胀阀通过对参数进行采集计算,反应速度比热力膨胀阀快,所以特别适合于工况变化剧烈的热泵机组的使用。
阀的总体结构典型应用1.水冷机组这是电子膨胀阀在水冷机组上的应用。
适用于蒸发温度-15~20度,如水冷冷水机组、水源热泵机组等。
这个系统充分利用了电子膨胀阀的液路关闭特性,可省却液路电磁阀。
配套供应的电子膨胀阀具备的最小过热度控制算法能使机组的能效比明显提高;对水源热泵机组还可以调节MOP防止压缩机过载及限制排气温度过高。
机型说明:蒸发温度为-15~25度,水冷冷水机(可不装排气温度传感器)、风冷冷水机、水源热泵机(水侧换向)、水冷直膨单冷机(可不装排气温度传感器)、风冷直膨机。
2.低温机组这是电子膨胀阀在低温制冷时的应用,利用电子膨胀阀宽范围快速调节的特性。
适用于蒸发温度-50~-15度,如水冷卤水机、风冷卤水机、卤水冷却热水机、水冷直膨单冷机(急冻机)、风冷直膨胀单冷机。
在低温情况下,压力的变化已经微乎其微,该系统中采用温度传感器来替代压力传感器。
蒸发温度传感器尽量安置在靠蒸发器入口处。
空调系统中电子膨胀阀的控制及应用电子膨胀阀应用在制冷/制热系统中的优势电子膨胀阀主要用于空调(制冷)系统中,可以实现制冷剂流量的自动调节,从而使空调系统始终保持在最佳的工况下运行,达到快速制冷、温度精确控制、节能等目的。
相对于常用的热力膨胀阀,区别见表1。
电子膨胀阀的控制方法从过热度参数途径划分,可分为温度式控制方法及压力式控制方法。
1 温度式控制方法如图1所示,利用两温度的差近似地代替系统过热度,并用此过热度作为参数进行电子膨胀阀的控制。
制冷过热度=ts-te,即过热度等于吸气温度与室内蒸发器中央两相区温度的差值。
制热过热度=ts-tc,即过热度等于吸气温度与室外冷凝器中央两相区温度的差值。
此种方法适用于冷暖机型,只需要3个温度传感器即可实现控制。
2 压力式控制方法如图1所示,以下式计算的过热度作为参数控制电子膨胀阀:过热度=ts-tps式中:tps为吸气压力ps对应的制冷剂饱和温度,即过热度为吸入温度与饱和温度的差值。
在额定制冷条件下,同时记录在不同的膨胀阀开度时2种过热度的计算值,如图2所示。
可见,在不同的膨胀阀开度、不同过热度的条件下,温度式控制方法计算的过热度与压力式控制方法计算过热度的差值约恒等于3℃。
PID控制算法过热度控制算法一般采用PID控制方式,见图3。
以目标过热度及实际过热度的差值作为输入,进行PID控制。
还有多种过热度控制方法,比如:二分值域搜索法、表格式膨胀阀开度直接设定法等,但PID控制方法以其优越的性能被广泛地运用。
电子膨胀阀控制器在家用空调器中的应用电子膨胀阀控制器在家用空调器中的应用主要有以下几方面:1)变频空调器性能最适化应用图7所示为膨胀阀的流量示意图,图8所示为流量随频率变化的示意图。
由此可见控制电子膨胀阀的开度随频率的变化而变化,可使系统在最佳的状态下运行。
目前家用变频空调器中,能效为一、二级的机种已广泛采用电子膨胀阀控制技术。
而在实际使用中,一些厂家采用表格式把频率与膨胀阀开度对应起来,再配合过热度进行补正从而确定膨胀阀的具体开度;也有一些厂家单纯采用过热度作为参数进行开度调节或采用压缩机排气温度作为参数进行开度的调节,不管采用何种方法,其目的都是实现流量的最适化。
特别是在制冷中间性能的优化中,膨胀阀控制器发挥着很大的作用,有利于提升空调器SEER值。
2)电子膨胀阀在提高空调器低温能力上的应用将在2013年执行的新房间空调器能效标准以APF(全年能源消耗效率)作为能效等级的划分参数,这将对空调器低温性能提出更高的要求。
如图9所示,在空调器低温测试中,利用电子膨胀阀的开度调节可以有效提升除霜后空调器能力的上升速率(虚线部分),以提高积分能力值。
3)电子膨胀阀在提高除霜性能中的应用如图10所示,在制热时膨胀阀以最适的制热开度运转,当除霜开始时,开度快速变更为除霜开度(例如采用三花制Q型500脉冲膨胀阀,开度可设为480),以增加制冷剂流量,使除霜更快,更完全。
待除霜结束后膨胀阀开度又恢复除霜前的开度,以利于制热能力快速恢复。
当然,若要除霜更佳,在除霜过程中,可再细分不同的阶段,不同阶段采用不同的压缩机频率及膨胀阀开度值。
4)电子膨胀阀在空调器中抑制制冷剂噪声的应用在房间空调器中,若采用毛细管节流方式,由于毛细管在节流的过程中制冷剂状态的变化常常会引起毛细管产生不可避免的振动,这种振动传至冷凝器,则表现为断续的极为刺耳的噪声。
当采用电子膨胀阀后,节流的快速性及安装固定,制冷剂噪声将会得到抑制。
5)电子膨胀阀高温保护应用在空调器运行的过程中,可以通过调节电子膨胀阀的开度抑制可能出现的压缩机排气温度过高的情况发生,即当排气温度过高时,膨胀阀将以某一速率增大开度,起到降低排气温度的作用。
6)压力式控制电子膨胀阀低压保护应用在空调器的运行过程中,可以通过调节电子膨胀阀的开度抑制低压过低的情况发生,即低压过低时,膨胀阀将以某一速率增大开度,起到提高低压的作用,并防止负压的产生。
电子膨胀阀及控制器本段引自《空调系统中电子膨胀阀的控制及应用》,作者:叶荣,余水秀,赵鸣;

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