电子膨胀阀对蒸发器的影响.doc

电子式膨胀阀开度对满液式冰水机性能之研究
刘家宏 刘中哲 林振源
工业技术研究院能源与资源研究所
新竹县竹东镇中兴四段195号64馆
摘要
本文探讨电子式膨胀阀开度对于冰水机性能之影响。实验是以100RT R-134a满液式冰水机做为性能分析的对象，并以各种条件来探讨系统效率及制冷能力的变化。结果中发现，调整膨胀阀的开度使液管饱管后，继续增加阀的开度，对于全载的效率与能力影响最小，而在部分负载时影响较大，并以负载50%时最大。
关键词: 电子式膨胀阀、满液式冰水机、制冷能力。

一、前言
在冰水机系统中，主要的四大组件为压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器。对于满液式冰水机系统而言，膨胀阀的掌控最为重要，但难度也最高。目前业界所使用的膨胀装置较常见的为感温式膨胀阀、孔口板以及电子式膨胀阀等三种，前两者存在着许多应用上的问题，包括冷冻能力的限制、冷媒种类的限制、准确度差、控制不易、对极端条件适应性差等缺点。随着控制技术的进步，电子式的膨胀装置已逐渐展露出可应用于各式各样的系统的优点。
电子式膨胀阀依驱动的方式可分为脉冲式、加热式及马达式等。脉冲式利用电压脉冲通过减速齿轮组来传递动力，也由于使用减速齿轮，使得较小的电磁力即可获得足够的输出力矩；加热式的作动方式相似于感温式膨胀阀，其内部填充冷媒或其它流体，并外加电热装置来控制阀体的作动；马达式则使用步进马达或伺服马达，步进马达以磁场控制马达转动，并且为非连续性转动，讯号的传递使用“离散式”步阶讯号，并且由外部控制器加以控制*１。最新型的电子式膨胀阀为伺服马达所驱动，藉由回授控制可精确控制阀的开度，并提供较大扭力，但是其成本较高。电子式膨胀阀与感温式膨胀阀相同，都需要外部讯号做为参考源。一般而言，膨胀阀参考讯号的物理量可为压力、温度，但是电子式膨胀阀的参考源也可以为液位高度、流量等。因此，电子式膨胀阀可以更广泛的应用于其它流量控制系统中。电子式膨胀阀虽然可以达到精确控制的目的，然而整体价格却是其它膨胀装置的数倍甚至数十倍之多。
随着各国对能源效率提升的要求与日俱增，精确控制冷冻空调系统系统的冷媒流量愈显重要。未来电子式膨胀阀将可能成为冷冻空调系统的标准配备，因此本文利用电子式膨胀阀的可变开度特性，针对效率较高的满液式冰水主机，探讨膨胀阀开度对冰水机性能的影响，以供学术界及业界参考。
二、研究方法
本研究以ALCO公司之电子式膨胀阀EX8做为实验系统的膨胀装置，图1为其外观与尺寸。该膨胀阀采用步进式马达，控制系统配置如图2，控制系统中需配置ALCO公司之不断电电源供应器ECP-024及驱动器EXD-U00，外部参考讯号是以高压（冷凝器）冷媒的液位高度做为电子式膨胀阀的控制参考源。高压液位高度是由电阻式浮子液位传感器所监测，并以TOHO公司的TTM-120做为液位的PID控制器。PID控制器将适当的开度讯号以4~20 mA形式(代表0~100%的开度)输出给 EXD-U00驱动器，以控制阀口作动。
电子式膨胀阀装设于由工业技术研究院能源与资源研究所与业界合作开发之100 冷冻吨R-134a满液式冰水机。系统之设计条件为压缩机吐出温度为52℃，冷凝温度38℃，过冷度3℃，蒸发温度6℃，过热度0℃。图3为冰水机冷媒系统图，压缩机为螺旋式压缩机，电子式膨胀阀之参考讯号来源是以液位高度做为参考，电阻式浮子液位传感器置于高压（冷凝器）侧，配合TTM-120 PID控制器与膨胀阀达到流量控制的目的。冰水主机性能于获得CNLA国家标准实验室认证之工研院能资所冰水主机性能测试实验室进行实验，其中，流量计之精度为± 0.5%，温度之精度为±0.1℃。
本研究首先以CNS 12575*3及ARI 550/590*4之标准测试条件进行电子式膨胀阀应用于满液式系统之能力(RT，冷冻吨)与效率(EER，kcal/h/W)测试。进一步，利用电子式膨胀阀可依外部讯号改变不同开度之特性，探讨膨胀阀开度对系统制冷能力与效率的影响。研究中固定冷却水入水温度30℃（冷却水水量3.0 gpm/RT）、冰水出水温度7℃（冰水水量2.4 gpm/RT）做为测试条件，并变化不同压缩机的负载条件，探讨膨胀阀开度在不同负载条件之性能影响。
三、结果与讨论
一般而言，液位浮球传感器可安装于冷凝器与蒸发器壳侧，做为控制电子式膨胀阀的液位参考。研究中发现，蒸发器内冷媒的蒸发沸腾现象，使得液态冷媒的自由液面波动大，蒸发器内的液位稳定性不佳。因此，考虑控制参考源稳定性的条件下，应以高压液位作为控制参考源。研究中所使用的电子式膨胀阀，即利用固定高压液位高度进行PID的自动控制。
3.1 CNS与ARI标准实验结果
进行CNS 12575的标准测试，冷却水侧入水温度29.7℃、出水温度34.5℃（入出水温差4.8℃），冰水侧之入水温度11.8℃、出水温度7.0℃（入出水温差4.8℃），使用380V 三相60 Hz之电源。测试结果冷冻吨数为115.3 RT，EER值为4.52 kcal/h/W。
将膨胀阀开度以手动方式设定至适当大小，使膨胀阀前端之液管观测用窗口刚好达到饱管的状态（无闪气出现），并以ARI 550/590的测试标准进一步进行标准测试，测试条件如表1，并以此方式得到不同负载下膨胀阀的最佳开度值EXVopt。测试的结果如图4，实验结果显示全载时的冷冻能力114.1 RT，效率EER = 4.47；部分负载75%、50%、25%时，冷冻能力分别为94.7、61.9、42.5 RT，效率EER则分别为5.35、5.15、5.32 kcal/h/W。由这样的结果显示，部分负载时的效率较高，对于系统的IPLV值有正面的影响。
3.2膨胀开度实验
研究中在进行变化不同膨胀开度时，以ARI测试标准所测得的最佳开度EXVopt逐渐增加膨胀阀开度，测试负载100%、75%、50%的能力及效率上的变化，水温的测试条件为冷却水入水温度30℃、冰水出水温度7℃。图5为变化不同开度的实验结果，结果显示在不同负载的情形下，随着膨胀阀开度的增加，冷冻吨位及效率随之下降，但以负载50%的影响性最大。
在主机满载时，由TTM-120 控制器手动设定膨胀阀开度由38%（饱管状态无闪气出现）逐渐增加至100%，其结果为冷冻吨的下降约5%，效率值的变动量为下降4%。值得注意的是，在满载时，冷冻吨位与效率的变动量几乎呈现线性的变化，随着膨胀阀开度的增加冷冻能力与效率随之下降。当降低压缩机负载至负载75%手动设定膨胀阀开度由32%变化至68%，冷冻吨位的变化量为下降7%，效率值的变动量为下降5.8%。再进一步降低压缩机负载至负载50%，变化膨胀阀开度由21%至60%，冷冻吨位的变化量为下降19%，效率值的变动量为下降20%。负载能力之变化与冷冻能力及效率之比较，列于表2及图6所示。
以膨胀阀的最佳开度EXVopt为基准，开度大小增加10%以内时，制冷能力与效率的影响相对于最佳开度的性能，在不同负载下（包括负载100%、75%、50%）均可维持在1%以内的变动量。在此情形下，由于系统设计条件的渐近温度约仅相差约0.8℃（蒸发温度6.2℃），蒸发器内大量的低温液态冷媒蒸发，使得少量热气旁通的影响性较小。
然而，膨胀阀开度超过EXVopt 10 %以上时，高压冷媒热气旁通量增加，造成蒸发器的压力升高，使得蒸发器内热交换用的铜管内外温差降低，促使得冷冻吨位下降。另一方面，由于膨胀阀开度过大时，热气旁通量的增加，对压缩机而言增加了额外的消耗功率（虚功），因此造成效率的下降。尤其，在压缩机部分负载时，压缩机的吸入/吐出量降低，膨胀阀的开度大小便成了影响系统运作效率的关键，过大的开度使得热气旁通量增加，负载愈低，对性能的影响性愈大，呈现指数曲线的趋势，至负载50%时到达最大值。
四、结论
本文针对膨胀阀之开度对满液式冰水主机性能之影响进行深入的研究，研究结果包括CNS及ARI标准的主机性能，以及在不同压缩机负载下，膨胀阀开度对主机冷冻能力及效率的影响。研究结果发现，随着膨胀开度的增加，满液式冰水机的性能渐渐下降，在压缩机负载50%时的性能及效率影响性最大，下降约20%。以膨胀阀的最佳开度EXVopt为基准，开度大小增加10%以内，制冷能力与效率的影响相对于最佳开度的性能，在不同负载下（包括负载100%、75%、50%）均可维持在1%以内。因此，经由本研究对膨胀阀开度大小的探讨，可提供满液式冰水机搭配电子式膨胀阀更稳定效率更高的控制模式。
五、致谢
感谢经济部能源委员会对工业技术研究院“高效率空调设备研制技术开发计划”的赞助，特此致谢。
六、参考文献
1. 刘家宏，“冰水机用之各式冷媒膨胀装置应用技术”，冰水机效率管制与系统技术研讨会，中华民国92年11月13日。
2. ALCO公司电子式膨胀阀EX7/EX8产品型录。
3. 中国国家标准，CNS 12575 “容积式冰水机”。
4. 美国冷冻空调学会标准ARI 550/590 “Standard for Water Chilling Packages Using the Vapor Compression Cycle，蒸气压缩式冰水机性能测试标准”。

The Study of the Application of the Electronic Expansion Valve on Flooded Type Water Chiller
C.-H. Liu, C. C. Liu, J.-Y. Lin
Energy and Resources Laboratories
Industrial technology Research Institute
Bldg. 64, 195,Sec. 4, Chung Hsing Rd., Chutung, Hsinchu, Taiwan 310, R.O.C.
Abstract
This paper describes the study of the application of the electronic expansion valve on a R-134a 100 RT flooded type water chiller. The efficiency and cooling capacity of the chiller were measured in different valve opening positions. The results showed that the chiller performance changed slightly with valve opening while full-load running, but the part-load capacity was influenced by the valve positions significantly.
Keywords: electronic expansion valve, flooded type water chiller, cooling capacity

表 1. ARI 550/590 水温测试条件
负载 (%)
冷却水入水温度 (℃)
冰水出水温度 (℃)
100
29.7
6.7
75
23.9
50
18.3
25
18.3

表2、膨胀阀开度对冷冻能力与效率的影响百分比
负载(%)
冷冻能力(%)
EER(%)
100
5
4
75
7
5.8
50
19
20

图1、Alco电子式膨胀阀外观与尺寸图*２

ECP-024
電源供應器
TTM-120
PID控制器
EXD-U00
驅動器
EX8
電子式膨脹閥
浮子式
液位感測器

图2、电子式膨胀阀控制装置电路

油分離器

壓縮機

冷凝器

液位感測器

蒸發器

液管熱交換器
/
回油

膨脹閥

乾燥砂

TTM-120控制器
驅動器

图3、满液式冰水机系统示意图

图4、ARI550/590 测试结果

图5、膨胀阀开度对冷冻能力(RT)及效率(EER)的变化

图6、膨胀阀开度对负载之影响性分析
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