节流装置技术提升方向：智能控制、结构优化

   上期我们 分别介绍了EEV、TEV和毛细管三种典型节流装置的工作原理,并从制冷剂流量调节范围、控制方式、动态特性、负荷适应性及成本等多个角度进行了详细的对比分析,总结了不同节流装置的优缺点和适用场合,可为制冷系统节流部件的选型设计提供参考。本期我们再来看一看节流装置的选型应用策略。
          

 

一、节流装置研究方向      

         

未来,随着制冷行业的快速发展和节能环保要求的日益提高,节流装置在提供精确可靠流量调节的同时,还需着眼于全工况优化和智能化。以下是一些具有发展潜力的研究方向:

(1)多级流量调节。

传统EEV在小开度时存在调节死区,可采用大小两级并联阀门,小阀负责微小流量调节,大阀负责宽范围调节[17]。

(2)结构一体化。

将EEV与单向阀、汽液分离器等部件集成设计,减少连接管路,降低泄漏风险[18]。

(3)新型驱动方式。

采用压电陶瓷、磁致伸缩材料等实现阀芯直接驱动,提高响应速度和控制精度[19]。

(4)自适应控制算法。

引入人工智能和机器学习技术,使EEV根据运行工况自主调节控制参数,实现全工况能效优化[20]。

(5)在线故障诊断。

通过分析阀门运行参数变化趋势,及早发现泄漏、堵塞等隐患,实现预测性维护[21]。

随着节能减排和低碳环保意识的增强,发展高效节能的制冷系统已成为行业共识。在不同应用场景采用合理匹配的节流装置,对提升制冷系统能效水平、降低运行成本具有重要意义。以下从节流装置的选型应用、智能控制、结构优化等方面展开补充讨论。

二、节流装置的选型应用策略      

         

不同类型节流装置在制冷系统中所占比例如图4所示[22]。可以看出,在大型商用系统和工业制冷领域,EEV和TEV占据主导;而在家用电器和轻商用领域,毛细管仍然大量存在。究其原因,主要取决于不同场合对节流装置功能的侧重点有所不同,同时成本因素也起到重要作用。

1、对于大型商用系统如超市组合柜、冷库等：

制冷量大,货物品类多,温区复杂,负荷波动大,因此要求节流装置具备精确的流量调节能力和宽广的调节范围,系统能效对运行成本的影响也更加显著。EEV以其优异的控制性能和良好的节能效果而备受青睐。但EEV成本较高,对安装精度和使用环境要求高,在一些中小型商超或餐饮冷柜中受到限制,TEV常作为替代选择。

2、对于家用冰箱、饮水机等小型制冷设备

其制冷量较小,负荷相对恒定,且对成本更为敏感。毛细管以其经济实惠、结构简单可靠而被大量采用。然而,随着变频压缩机在家电领域的快速渗透,毛细管因无法适应频繁启停和宽频负荷波动而逐渐落伍,一些高端冰箱开始配备简化型EEV,平衡能效与成本。

总的来说,在大型变频系统和复杂温区场合,EEV的优势突出;在中小型定频系统和负荷波动不大场合,TEV性价比更高;而在小型低成本的定频系统中,毛细管短期内仍不可取代。未来,随着EEV成本的进一步下降和智能化水平的提高,有望在家用和轻商用领域实现对TEV和毛细管的全面替代。

 

三、智能控制策略与算法优化      

         

EEV凭借其连续可调的特性和精确的控制能力,是实现制冷系统智能化和节能化的关键载体。然而,由于受到气候环境、负荷波动、压缩机频率等多重因素的影响,EEV在实际运行中的调节效果往往难以达到最优,制冷系统能效水平存在进一步提升空间。

针对上述问题,业内学者提出了多种EEV智能控制策略和算法[23],主要包括以下几类:

(1)基于模糊控制的算法。

先对影响系统性能的关键参数(如环境温度、蒸发温度、过热度等)按模糊规则进行分级,然后结合专家经验知识,形成控制规则表,实现EEV开度的模糊推理控制。

(2)基于神经网络的算法。

采用神经网络对制冷系统的输入输出关系进行非线性映射,通过样本数据训练,建立起EEV开度与系统性能(能效比、制冷量等)的映射模型,然后利用学习到的网络参数对EEV进行智能控制。

(3)基于遗传算法的优化控制。

将提高制冷系统能效作为优化目标函数,以EEV开度、压缩机频率等为优化变量,采用遗传算法搜索寻优,得到系统能效最优时的控制参数组合。

(4)基于极限学习机的自适应控制。

利用极限学习机的快速学习能力,使EEV控制器根据负荷变化自适应调整控制参数,以实现系统的实时优化控制。

上述智能控制算法都致力于使EEV紧跟负荷需求,协调系统各部件高效运行,在节能增效方面取得了显著成效。但它们大多基于简化模型,缺乏工程实践验证,距离商业化应用尚有差距。

 

四、创新结构与集成设计      

         

从节流装置的发展历程可以看出,结构创新和集成化设计是其性能优化的重要途径。以往,受限于加工工艺水平,节流装置多采用传统的螺纹密封连接,存在泄漏风险高、可靠性差等问题。近年来,随着精密机械制造和材料技术的进步,密封结构得到很大改善。

例如,采用激光熔覆在阀体上直接成型密封面,避免了螺纹连接,提高了阀门使用寿命[24]。阀芯采用陶瓷球与弹性体软密封,配合精密导向,进一步降低了泄漏风险[25]。这些结构创新有效提升了节流装置的密封性能和运行可靠性。

在集成化设计方面,近年来涌现出不少创新方案。例如,将电子膨胀阀与电磁阀集成设计,增加了冷媒旁通功能,在化霜和负荷变化时分流多余冷媒,减少了蒸发器进液[26]。又如,在EEV前增设可拆式过滤网,对冷媒杂质进行捕集,避免阀芯卡涩[27]。再如,将EEV与汽液分离器集成,简化了系统管路,降低了制冷剂充注量[28]。

上述集成化设计改善了节流装置的运行工况,减少了对系统的负面影响,在提高能效和可靠性的同时,也降低了成本。未来,在模块化和集成化设计理念指引下,有望实现节流、分离、储液、过滤、单向流动等多功能于一体的高度集成化节流部件,最大限度简化系统结构,提高制冷系统的综合性能。

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