恒温恒湿箱内电子膨胀阀替代毛细管的可行性研究

郝文洋，张华，盛健

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093）

0 引言

随着人类现代经济水平的不断提高，对于生物医药，电子通信和现代科研相关的保存培养精密性与便捷性要求也不断提升。现有恒温恒湿中的空气处理技术对制冷量的调节和精密度稳定性有一定要求，这与恒温恒湿箱内的制冷系统热补偿与加湿系统的工作性能、配合程度和调用逻辑算法相关[1-2]。工作原理是：制冷系统对空气进行降温除湿，再通过电加热器进行热补偿来提高温度、或蒸气加湿器湿补偿提升湿度，以实现对箱内环境温湿度精确控制的需要[3-4]。

近年来国内针对恒温恒湿箱的研究取得一定进展。盛健等[5]在传统恒温恒湿箱内的制冷系统使用压缩机吸气少量喷液方法，降低了压缩机排气温度及压缩机故障率。郭俊等[6]研究了3.6 kW 新型带冷凝热回收的恒温恒湿空调机组，实验证明带有可调节正副电磁膨胀阀的空调机组，在一定程度上能增加机组处理热湿负荷的范围和加强负荷控制能力，并能减少空调运行的能源消耗。除了采用蒸气压缩制冷外，张乔丹等[7]通过搭建半开放式的恒温暖箱，采用半导体制冷，使箱内温度控制基本符合要求，处于适宜温度区间。与此同时将改进型PID（比例、微分、积分）算法运用于半导体制冷片可以精确控制小型空间的温湿度精度[8]。余显冰等[9]基于单片机编程、温度传感器和半导体技术相结合设计了一种可以实现帐篷内自动恒温的装置。

目前恒温恒湿箱能够在一定时间内达到相应的温湿度范围，但在当前的背景下，需要进一步减小运行温湿度偏差和波动范围，从而满足市场对较高精度恒温恒湿箱的需求[10-11]。本实验台在已有的吸气喷液技术恒温恒湿箱基础上，用电子膨胀阀替换节流毛细管进行实验，尝试解决温湿度波动范围较大的问题。

1 电子膨胀阀优势

传统箱内制冷系统采用毛细管作为节流装置。毛细管的孔径设计是基于某种特定工况下的最佳效率，可在一般范围内实现其规定性能。但其并不能根据不同工况而改变内部结构，所以在定频压缩机的变工况（极端外部环境）或变频压缩机的频率上升时，循环系统的冷凝压力上升，蒸发压力下降，采用毛细管的制冷循环比采用电子膨胀阀的压力变化快，蒸发器出口过热度也会相应增大，最终参与循环的制冷剂流量减小。而定频压缩机制冷量设计均有余量，当到达所设定的目标温度时温度控制器会控制压缩机开关机，在开关机之中有一定的时间周期，从而导致制冷设备内部温度波动较大[12]。所以采用毛细管作为节流装置的机器设备，存在调节能力过差和一定时间箱内温度波动较大而导致温度精度较差的情况，并且会带来压缩机排气温度过高、效率低和使用寿命缩短等问题。特别在恒温恒湿箱系统中，存在热补偿和湿补偿高的问题。

在恒温恒湿箱中使用电子膨胀阀代替毛细管，可以在一定程度上解决上述问题。电子膨胀阀结构虽然相对复杂，但能适应变工况条件，动作响应快，调节范围可在最大孔径的15%～100%的范围内进行精确调节[13]。电子膨胀阀对制冷剂流量的调节除了可以控制蒸发器外，还可用来调节冷凝器[14]。当环境工况改变时，电子膨胀阀可按照某一设定，如排气温度或压缩机吸气过热度等自动调节开度，使系统中的制冷剂循环流量保持在一个最佳的状况[15]。

恒温恒湿箱采用逻辑控制系统对箱内系统组合进行指令，工作流程为：箱内目标温湿度低于外界环境温湿度时，通过制冷系统对送风进行降温除湿，再根据目标温湿度进行再热升温或蒸气加湿；箱内目标温湿度高于外界环境温湿度时，通过电加热系统和加湿系统对送风进行加热与加湿；箱内目标温度高于外界环境温度但目标湿度低于环境湿度时，通过制冷系统先对送风进行降温除湿，电加热系统再对送风进行再热升温；箱内目标温度低于外界环境温度但目标湿度高于环境湿度时，制冷系统先对送风进行降温除湿，加湿系统再对送风进行蒸气加湿。图1所示为变工况下恒温恒湿箱空气处理流程。

图1 变工况下恒温恒湿箱空气处理流程

图1(a)所示为一种典型的同时运行了制冷、电加热和蒸气加湿3 种系统的送风空气处理焓湿图。采用电子膨胀阀的制冷系统可根据不同的工况对蒸发器制冷量大小进行调节。恒温恒湿箱采用同侧上送下回的全回风系统，箱内空气点即回风点N 掠过蒸发器翅片表冷至状态点L，然后通过电阻式加热管束对流换热至状态点H，最后通过蒸气加湿器产生的湿蒸气对其进行等温加湿至状态S，最终处理好的送风进入箱内状态点N。系统逻辑控制可实时监测箱内储存区的温湿度来控制3 组系统的开启与关闭，如图1(b)所示。

2 实验流程

2.1 实验装置布置

图2所示为恒温恒湿箱内部格局右视图。恒温恒湿箱箱体容积为250 L，内部包括储存区和空气处理系统。制冷系统采用R134a 制冷剂，主要部件包括定频活塞式冰柜冰箱压缩机、风冷式冷凝器、12 排翅片式蒸发器和电子膨胀阀和旁通毛细管；电加热系统主要部件为电阻式电加热器；蒸气加湿系统部件包括水槽和蒸气加湿器。储存区空气循环为上送下回式，回风由下至上经过蒸发器进行降温除湿，电加热补偿或蒸气加湿补偿后，由贯流风机将处理好的空气送入储存区。其中，蒸发器的制冷剂由上部（第1 排）管束流入，最底层管束（第12排）流出，空气由下至上方向掠过蒸发器表面，这种流动方式能保证良好的除湿效果。箱体外部正面安装可触Led 显示屏控制系统，可实时显示储存区瞬时温湿度，并手动对工作参数进行更改设置。

图2 恒温恒湿箱内部格局右视图

图3所示为制冷系统原理。高温高压的气态制冷剂经过风冷冷凝器后变为液态，分为两路。大部分制冷剂经过电子膨胀阀节流降压到蒸发器入口，在蒸发器内气化吸热制冷，少部分制冷剂通过旁通毛细管成为气液两相且压力略高于压缩机入口。在蒸发器出口的气态制冷剂与旁通毛细管出口的气液两相制冷剂在压缩机入口混合后进入压缩机。压缩机出口的高温高压气态制冷剂进入冷凝器，完成制冷系统循环。系统配有热气旁通除霜阀，当蒸发器表面结霜时，阀门打开，高温高压的气体旁通到蒸发器中，融化霜层；蒸发器表面霜层融化后，阀门关闭，重复上述制冷系统循环。

图3 制冷系统原理

电子膨胀阀在制冷循环中根据送风温度调节内部开度。当电子膨胀阀调节制冷剂流量过小时，吸气喷液中旁通节流毛细管中仍有部分液态制冷剂进入压缩机吸气口，保证制冷循环的通畅性。

2.2 实验方案

主要实验参数为箱内干球温度和相对湿度，使用温湿度传感器进行采集检测，仪器温度测量范围为-40～80 ℃，精度为±0.2 ℃，相对湿度测量范围为0～100%，精度为±1.7%。其余实验参数为由压力传感器采集的压缩机排气与吸气压力和由T 型热电偶采集的压缩机吸气与排气温度。以上所有数据由是德（Keysight）数据采集仪34972A 进行30 s/次的数据输出记录得到。

3 实验结果与分析

3.1 稳定控制精度

实验台环境干球温度为30 ℃，相对湿度为60%，共12 个目标工况点，记录在表1 与表2 中。由表1和表2 可知，在相近工况下，在恒温恒湿箱中，以电子膨胀阀作为节流装置比毛细管的温湿度控制精度明显更高，改进前毛细管作为主要节流部件，到达稳定工况后，箱内实际温度与设定温度偏差值≤2.0 ℃，温度不均匀度在±2.0 ℃以内，温度波动度±2.0 ℃以内；电子膨胀阀代替毛细管后，箱内实际温度与设定温度偏差值≤1.0 ℃，温度均匀度在±1.0 ℃以内，温度波动度在±1.0 ℃以内。

表1 毛细管作为节流装置的恒温恒湿箱实验数据[2]

表2 电子膨胀阀作为节流装置的恒温恒湿箱实验数据

在湿度精度方面，改进前，箱内实际湿度与设定湿度偏≤15%，湿度不均匀度在±10%以内，湿度波动度在±15%以内；改进后，箱内实际湿度与设定湿度偏差值≤10%，湿度均匀度在±5%以内，湿度波动度在±10%以内。

综上所述，改进后的恒温恒湿箱能够保持更高的温湿度精度。这是因为电子膨胀阀具有流量调节范围宽、响应速度快和控制精度高的优点。在系统运行到达目标工况点后，电子膨胀阀已经调节至合适于当下工况的最优开度，稳定工况后，箱内温湿度会维持更高的精度。

3.2 温湿度稳定时间

由表1 和表2 分析可知，在相同工况下，相比于毛细管，以电子膨胀阀作为节流装置的制冷系统到达目标工况所用时间均大于或等于毛细管系统。可能的原因在于，温湿度精度提高后，从同一环境工况下到达更高精度的稳定工况，稳定后的温湿度可变范围小于低精度稳定工况，所以捕获第一次稳定点所需时间会略大于低精度的稳定点。

传统电子膨胀阀控制算法具有不确定性。本实验与传统电子膨胀阀均采用传统式增量PID 控制调节[16]。在PID 的调节选取参数中，采样周期过小、调节过于频繁会引起系统的不稳定，采样周期过长则会影响控制精度。对于非线性，有时滞性的制冷系统，传统式增量PID 存在过度时间长以及参数无法实现最优化的问题[17]。所以，电子膨胀阀的自身调节系统需要进一步改进优化。

下一步实验将根据恒温恒湿箱的产品特性（高精度温湿度）进行电子膨胀阀控制算法优化，因此初始以送风温度调节电子膨胀阀内部开度。因未采用过热度调节电子膨胀阀开度，根据实际数据测得制冷循环中过热度过大，因此压缩机吸排气温度升高，制冷量减少。将来实验中考虑将过热度作为第二开度调节判据点并对过热度控制器进行优化[18]。

表2 中吸排气压力小于表1。因电子膨胀阀未采用过热度作为调节条件，所以流量调节有所不当，压缩机吸气排气压力过低。实验证明，同一空调系统的非绝热节流装置中的电子膨胀阀和毛细管有对应的等效关系[19]。因此在同一工况下手动对电子膨胀阀进行开度调节，配合步进电机特性以找到特定工况下的最优开度，并找到不同工况下的最优开度[20]。在制冷系统初始工作时，电子膨胀阀减少反应周期，直接匹配到相近的最优开度。

3.3 系统逻辑改进

表2 中工况设置温度为45 ℃时，制冷压缩机仍在工作，这是由于整个系统逻辑控制存在问题，控制逻辑默认3 个系统在任何工况下均可运行，造成热时补偿和资源浪费。在将来的实验中，进一步改进逻辑控制系统，避免在设置箱内高温高湿工况时开启制冷系统的情况。

4 结论

本文研究了电子膨胀阀在恒温恒湿箱中替代毛细管的可行性与优势性，在12 组变目标工况下进行了毛细管与电子膨胀阀在恒温恒湿箱中作为节流装置的对比实验，分析了对比实验中箱内温度、湿度精度和温湿度稳定时间数据，得出如下结论：

1）改进后的恒温恒湿箱能有效提升温湿度精度；在普通目标工况下，温度精度大约可提升0.5 ℃，湿度精度大约可提升2%～10%；在极端目标工况（低温高湿或高温低湿）下温度精度有较明显的提升，温度精度可由±2.0 ℃提升至±1.0 ℃，湿度精度可由±15%提升至±10%；

2）温湿度稳定时间保持改进前的10～40 min范围内，甚至某些点出现不降反升的情况，这是由于稳定点精度上升后时间数据分析统计的自然结果；同时控制系统逻辑的复杂程度上升，需要优化电子膨胀阀自身的控制算法；

3）电子膨胀阀作为节流装置，在传统的PID控制逻辑中，需要针对不同的系统需求采用不同的控制流程，因此需要对电子膨胀阀的控制算法进行改进优化，使其在提升温湿度精度的同时，能快速响应机组的系统命令。