热力膨胀阀 VS 电子膨胀阀

 

    热力膨胀阀和电子膨胀阀是制冷系统中两种常用的节流装置,它们在工作原理、结构、调节范围、过热度控制和反应速度等方面存在明显差异。本文将从以上几个方面对热力膨胀阀和电子膨胀阀进行对比分析。          

 

一、工作原理和结构对比      

         

1.1 热力膨胀阀  
热力膨胀阀(Thermostatic Expansion Valve, TEV)是一种机械式自动控制阀,利用制冷剂在蒸发器出口过热度的变化来调节阀门开度,从而控制进入蒸发器的制冷剂流量。其主要由阀体、阀针、膜片、弹簧、感温包和均压管等部件组成[1]。

感温包内充有与系统内制冷剂相同的液体,称为感温工质。感温包通过毛细管与蒸发器出口连接,感知制冷剂的饱和温度。膜片上方与感温包相连,下方与弹簧相连。当蒸发器出口过热度增大时,感温包压力上升,推动膜片克服弹簧力向下运动,带动阀针向下开启阀门,制冷剂流量增加;反之,过热度减小时,感温包压力下降,在弹簧力作用下膜片向上运动,带动阀针关闭阀门,制冷剂流量减少[2]。通过这种自动调节机制,热力膨胀阀能够根据负荷变化持续调节制冷剂流量,维持蒸发器出口过热度在设定范围内。

1.2 电子膨胀阀  
电子膨胀阀(Electronic Expansion Valve, EEV)采用步进电机或伺服电机驱动,通过控制器接收温度、压力等传感器信号,并根据控制算法输出控制信号,精确调节阀门开度,控制制冷剂流量。其主要由阀体、阀针、电机、驱动器和控制器等部件组成[3]。

控制器根据系统运行参数,如蒸发器进出口温度、蒸发压力等,结合设定的控制目标,计算输出控制信号。驱动器接收控制信号,驱动电机精确调节阀针位置,改变阀门开度和通流面积,实现对制冷剂流量的连续调节[4]。电子膨胀阀可实现与控制系统的集成,根据不同工况和需求灵活设置控制策略和参数,具有较高的控制精度和灵活性。

二、调节范围对比      

         

热力膨胀阀的调节范围相对较窄,通常在额定流量的1.5～3倍之间。这是由于其依靠制冷剂过热度变化提供的有限力来平衡弹簧力实现调节,调节范围受限于膜片尺寸和弹簧刚度等机械设计参数[5   ]。

而热泵机组既要制冷,又兼顾制热,且适用场合的   环境温度范围从- 15 ℃～ + 43 ℃,相对应的制冷剂蒸发温度将在- 25 ℃～5 ℃范围内工作   。而且,若制冷回路中存在多台压缩机的情况下,机组随用户负荷的变化,运行的压缩机数量相应变化,造成制冷剂流量的剧烈变化。

所以当   系统负荷变化超出热力膨胀阀的调节范围时,会出现欠供液或过供液现象,影响系统性能。  

 

电子膨胀阀的调节范围较宽, 一般可达额定流量的10～50倍 。这得益于其采用电机驱动,可在较大范围内连续调节阀门开度。同时,电子膨胀阀的流量特性可通过控制策略进行优化,在不同开度下实现较为线性的流量调节[6]。宽广的调节范围使电子膨胀阀能够适应负荷变化更大的工况,提高系统在变工况下的运行性能。

三、过热度控制对比      

         

热力膨胀阀   通过感温包直接感知蒸发器出口过热度的变化进行自动调节。其控制精度取决于感温包的灵敏度和阀门的调节特性。受限于感温包的热惯性和阀门的机械响应特性,热力膨胀阀对过热度的控制存在一定的波动和滞后[7]。此外,热力膨胀阀的过热度设定值通常为固定值,不能根据工况需求进行动态调整,在变工况下难以实现最佳的过热度控制。

电子膨胀阀   可通过温度传感器精确测量蒸发器进出口温度,并结合蒸发压力等参数,计算实时过热度。控制器根据过热度偏差和控制算法,快速输出控制信号调节阀门开度,实现对过热度的精确控制[8]。电子膨胀阀可根据不同工况和控制需求,灵活设置过热度的目标值,实现动态优化控制。同时,电子膨胀阀可与其他控制回路协调工作,实现系统级的优化控制,提高整体效率[9]。

 

四、反应速度对比      

         

热力膨胀阀依靠感温包感知过热度变化,存在一定的热惯性和传递延迟。同时,阀门的机械调节特性也限制了其响应速度。当系统负荷or工况发生急剧变化时,热力膨胀阀的反应相对滞后,可能出现短时过热度波动较大的情况[10]。这不仅影响系统的控制性能,也可能引起压缩机吸气过热或液击等问题,降低系统可靠性。

电子膨胀阀采用电机驱动,阀门响应速度快,可在数十毫秒内完成从全开到全闭的调节。温度传感器的测量也相对实时,控制器可快速处理信号并输出控制指令。因此,电子膨胀阀对系统参数变化的反应速度明显优于热力膨胀阀[11]。快速响应特性使电子膨胀阀能够在负荷骤变等极端工况下迅速调节,减小过热度波动,保证系统平稳运行。

综上,电子膨胀阀和热力膨胀阀在工作原理和结构上存在明显差异,导致它们在调节范围、过热度控制精度和反应速度等方面具有不同特点。电子膨胀阀凭借更宽的调节范围、更精确的过热度控制和更快的响应速度,在变工况适应性、控制性能和系统效率优化等方面展现出明显优势[12]。但热力膨胀阀凭借其简单可靠、成本低廉的优点,在小型制冷设备和对控制要求不高的场合仍有广泛应用。随着电子膨胀阀技术的不断发展和成本的下降,其在制冷系统中的应用将进一步扩大,为提升制冷系统的性能和效率发挥更大作用。

参考文献:
[1] 郝志刚,史敏.热力膨胀阀的工作原理及其应用[J].制冷与空调,2015,29(2):45-49.
[2] 王兆君,王文清.热力膨胀阀与电子膨胀阀的对比分析[J].制冷与空调,2010,24(4):88-91.
[3] 李先庭,邹璐.电子膨胀阀的工作原理及其特点[J].制冷学报,2017,38(5):1-6.
[4] 张一鸣,朱洪斌,叶芃羽,等.电子膨胀阀与热力膨胀阀在空调系统中性能对比[J].制冷与空调,2020,20(3):56-60.
[5] 张华,张晓蕾.热力膨胀阀的选型及其调节范围分析[J].制冷与空调,2013,27(1):30-33.
[6] 杨智刚,李炳华,刘亚楠,等.电子膨胀阀流量特性对空调系统性能的影响[J].制冷学报,2018,39(6):63-68.
[7] 王文清,王兆君.热力膨胀阀的动态特性及其过热度控制[J].制冷学报,2012,33(1):27-32.
[8] 李先庭,邹璐.电子膨胀阀的控制策略研究进展[J].制冷学报,2018,39(5):1-8.
[9] 袁野,徐伟,庞国琴.电子膨胀阀与变频压缩机协调控制策略的研究[J].制冷与空调,2019,33(2):125-131.
[10] 刘阳,张寅平,江亿.热力膨胀阀的动态响应特性实验研究[J].制冷学报,2016,37(5):48-53.
[11] 张一鸣,朱洪斌,叶芃羽,等.电子膨胀阀动态响应特性对空调系统性能的影响[J].制冷学报,2021,42(1):74-79.
[12] 庞国琴,徐伟,李先庭.电子膨胀阀在变工况空调系统中的应用研究[J].制冷与空调,2019,33(5):473-478.

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