引言我国冷链物流市场呈现迅速增长态势[1]。随着冷链物流业务的逐步扩大，终端用户对运输货物的品质要求日益提高[2]，这要求物流车的冷藏冷冻系统在日常运输过程中能够节能高效地运行[3]。电子膨胀阀作为制冷系统的重要元件之一，其调节能力会对系统性能产生巨大影响[4]。国内外学者对物流车电子膨胀阀进行了相应的研究，李海军[5]等研究电子膨胀阀过热度对纯电动客车热泵空调系统的影响，发现在50 ℃的高温环境下，系统主路和补路电子膨胀阀过热度的最佳设定值分别为5 K和20 K。黄俊锋[6]等优化蒸发器出口过热度PID控制器并建立系统仿真模型，发现模糊PID控制器能够快速达到稳定状态。张荣荣[7]等对带电池冷却器的双蒸发器系统进行研究，发现电子膨胀阀能够有效地分配制冷剂流量，提高冷却器或蒸发器的冷却能力。胡鹏荣[8]等研究电子膨胀阀开度对不同压缩机频率下水源热泵系统性能的影响，发现压缩机吸气口过热时电子膨胀阀的调控范围增加，且控制更加方便。徐旻晟[9]对复叠式制冷系统低温级节流机构进行研究，相对于热力膨胀阀，系统使用电子膨胀阀时降温时间更短，蒸发温度更高，制冷量更大，综合性能更优。Wang[10]等研究低温工况下电子膨胀阀开度对汽车CO2热泵系统的影响，结果表明，需要综合考虑排气温度和过热度以确定电子膨胀阀的开度。Rabelo[11]等研究发现，合适的电子膨胀阀开度能够降低系统的压比及压缩机的排气温度。张弛[12]等研究电池冷却电子膨胀阀对三蒸发器系统性能的影响，发现增加电子膨胀阀开度会使系统能效比下降。目前，电子膨胀阀对纯电动物流车冷冻系统制冷性能影响的研究较少。因此，搭建冷冻系统实验台，使用中压补气的方式降低物流车在夏季高温或冬季低温区域排气温度或排气压力过高等问题，采用R404A作为制冷剂，车内蒸发换热器为管翅式换热器，配用一台变频离心式风机，车外冷凝器为平行流式换热器，配用一台定频轴流式风机，节流元件采用电子膨胀阀，以模拟纯电动物流车冷冻系统的运行状况，研究电子膨胀阀对物流车冷冻系统性能的影响。1冷冻系统循环原理轻型物流车的运行场景主要是城市内冷链物流配送，在城市环保要求不断提高以及纯电动车的特殊路权下，未来这些车型的需求量会大幅增加。因此，文中选择轻型纯电动物流车作为研究对象。纯电动物流车冷冻系统流程如图1所示。中压补气原理如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.001.F001图1纯电动物流车冷冻系统流程10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.001.F002图2中压补气原理由图1和图2可知，压缩机将来自蒸发器的主路制冷剂通过做功进行第一步压缩（过程1→9），主路与补路制冷剂混合后（过程7→8、过程9→8），压缩机继续做功将其压缩至高温高压气态（过程8→2），经过四通换向阀进入车外冷凝器，在冷凝器中与外界环境进行换热（过程2→3），之后分为两路。其中，主路制冷剂进入中间换热器换热（过程3→4），通过膨胀阀节流降温（过程4→5），进入蒸发器进行换热（过程5→1），随后流入压缩机；补路制冷剂先经过电子膨胀阀节流（过程3→6），再进入中间换热器，此时其温度较低，与主路制冷剂换热后使主路制冷剂温度降低，而补路制冷剂吸收热量达到中压状态（过程6→7），进入压缩机中压补气口与主路制冷剂混合，进入下一个循环。2纯电动物流车冷冻系统性能实验2.1实验设备根据纯电动物流车冷冻系统的特点搭建实验台，实验在河南省工程实验室的标准焓差实验室进行，实验室所能调控的温度范围为-30~50 ℃，电子膨胀阀型号为DPF(TS1)1.3C-21，额定制冷量为3.6 kW，调节范围：0~100%。主要实验设备参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.001.T001表1主要实验设备参数设备名称规格型号压缩机带补气口的涡旋式压缩机：HIGHLY-DBH250LPB5M；适用工质：R404A车内换热器（管翅式）换热器尺寸：634 mm×460 mm×170 mm；流程数：8；管数：36；管尺寸：58.0 mm×9.2 mm，换热面积：0.6 m2车外换热器（平行流式）换热器尺寸：524 mm×450 mm×25 mm；翅片高度：8 mm；流程数：4；扁管数：43；扁管尺寸：20.0 mm×1.8 mm；换热面积：1.1 m2车内风机（变频离心式）型号：ZHF1101Z；额定风量：1 000 m3/h；转速：(3 800±200) r/min车外风机（定频轴流式）型号：LNF1211BXF2；额定风量：1 200 m3/h，转速：3 200 r/min中间换热器（套管式）型号：TDHE-0305压力传感器PT5-30M/T和PT5-07M/T；测量精度±1％FS温度传感器T型；测量精度±0.5 ℃数据采集仪型号：Agilent 34972A2.2实验工况实验方案工况设定依据的相关标准有《道路运输 食品与生物制品冷藏车 安全要求及试验方法》（GB 29753—2013）、《保温车、冷藏车技术条件及试验方法》（QC/T 449—2010）、《冷库设计标准》（GB 50072—2021）。经过多次实验调试，确定系统的制冷剂充注量为2.55 kg，车内环境干球温度为-18 ℃，车外环境干球温度为32 ℃，车外环境湿球温度为24 ℃，压缩机转速为3 600 r/min，车内风量3 800 m3/h，车外风量3 200 m3/h。实验工况如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.001.T002表2实验工况测试工况主阀开度/％补阀开度/％补气方式工况一100不补气141822工况二1410中压补气1520253实验结果分析3.1主路电子膨胀阀开度对冷冻系统性能的影响主阀开度对制冷量的影响如图3所示。主阀开度在设定范围内逐渐增大时，系统的制冷量先增大后减小；在主阀开度为14％时取得最大值，为1.41 kW；当主阀开度为10％时，制冷量为1.38 kW，开度由10％增加到14％时，制冷量增加了2.13％；开度为18％时，制冷量为1.35 kW；开度为22％时，制冷量为1.23 kW；开度由14％增加到22％时，制冷量降低了12.77％。造成该现象的原因是主阀开度设定值依次增加时，主阀的过热度减小。主阀开度大于最佳值时，蒸发温度升高，换热温差减小，制冷量降低；当其小于最佳值时，主路制冷剂质量流量减少，蒸发温度降低，蒸发器出口过热度增大，换热量减少；主阀开度适当时，制冷量取得最佳值。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.001.F003图3主阀开度对制冷量的影响主阀开度对系统EER和COP的影响如图4所示。主阀开度在设定范围内逐渐增加时，系统的COP和EER变化与制冷量相似，也呈现先增加后减小的趋势。系统的COP和EER在主阀开度为14％时达到最大值，其最大值分别为1.57和1.04。主阀开度由10％增加到14％，COP增加2.55％，EER增加1.93％；开度由14％增加到22％时，COP降低12.74％，EER降低13.46％。出现上述情况的原因是系统COP主要由制冷量和压缩机功率共同作用，EER主要由系统制冷量和系统总功率共同作用，随着主阀开度的增加，主路制冷剂质量流量增加，压缩机功耗增加，但压缩机压比减小，使压缩机功耗减小，其综合作用使得压缩机功率变化不大，因此COP和EER主要由制冷量决定，其趋势也与制冷量变化趋势相似。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.001.F004图4主阀开度对系统EER和COP的影响主阀开度对系统排气温度的影响如图5所示。主阀开度在设定范围内增加时，压缩机的排气温度逐渐降低。主阀开度分别为10％、14％、18％和22％，压缩机排气温度分别为79.7 ℃、78.5 ℃、73.7 ℃和70.2 ℃。排气温度的降低的原因是压缩机排气温度主要与压缩机吸气温度和冷凝压力有关。吸气温度和冷凝压力越低，压缩机排气温度就越低，随着主阀开度设定值的增加，主路制冷剂质量流量增加，其在蒸发器内热交换后温度较低，进入压缩机时过热度减小，压缩机吸气温度降低，从而造成压缩机排气温度降低。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.001.F005图5主阀开度对系统排气温度的影响主阀开度对系统排气压力的影响如图6所示。压缩机排气压力随主阀开度设定值的增加而减小。主阀开度分别为10％、14％、18％和22％，系统的排气压力分别为1.521 MPa、1.514 MPa、1.508 MPa和1.499 MPa，总体降低0.022 MPa，降低幅度为1.47％。原因是压缩机排气压力主要与制冷剂在压缩机吸气口的状态有关，主阀开度增加时，蒸发温度升高，蒸发压力升高，压缩机吸气压力升高，导致排气压力升高。图中数据显示，排气压力随主阀开度的数值变化幅度很小，说明主阀开度不是影响排气压力的主要因素。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.001.F006图6主阀开度对系统排气压力的影响3.2补路电子膨胀阀开度对冷冻系统性能的影响补阀开度对压缩机排气压力和排气温度的影响如图7和图8所示。随着补阀开启程度的增加，压缩机排气温度和排气压力均降低。补阀开度从10％增加至25％时，排气温度从70.2 ℃下降至61.7 ℃，排气压力从1.617 MPa下降至1.569 MPa。原因为随着补阀开度的增加，补路制冷剂质量流量增加，其在中间换热器的换热量增加，使主阀前制冷剂的过冷度增加，同时主路与补路制冷剂混合后，压缩机吸气温度降低，排气温度也降低，排气压力降低。根据主阀开度对冷冻系统性能的影响可知，主阀开度为14％时，不补气模式下压缩机排气温度为78.5 ℃，说明该系统补阀开启能够明显降低排气温度。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.001.F007图7补阀开度对压缩机排气压力的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.001.F008图8补阀开度对压缩机排气温度的影响补阀开度对系统制冷量和压缩机功率的影响如图9和图10所示。补阀开度增加时，制冷量和压缩机功率的变化呈现相反的趋势，补阀开度为10％、15％、20％和25％时，系统制冷量分别为1.42 kW、1.41 kW、1.40 kW和1.37 kW，总体下降3.51％；压缩机功率分别为1.05 kW、1.07 kW、1.08 kW和1.10 kW，总体升高4.55％。因为补阀开度增大时，补路制冷剂质量流量增加，由于补路制冷剂处于中压状态，其与主路制冷剂混合后会使压缩机吸气压力减小，造成压缩机压缩前后压比增大，功率增加，开度的增加也会使主路制冷剂质量流量减少，造成系统的制冷量降低。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.001.F009图9补阀开度对系统制冷量的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.001.F010图10补阀开度对压缩机功率的影响补阀开度对系统EER和COP的影响如图11所示。补阀开度增加时，系统EER和COP均降低，补阀开度分别为10％、15％、20％和25％时，系统COP分别为1.35、1.32、1.30和1.25；EER分别为0.95、0.93、0.92和0.88。补阀开度由10％升至25％的过程中，系统COP下降7.40％，EER下降7.30％。因为COP是制冷量和压缩机功率的比值，EER是制冷量与系统总功率的比值，由图8和图9分析可知，补阀开度增大，压缩机功率增大，制冷量减小，且制冷量减小幅度逐渐变大，而风机功率在系统运行中基本不变，所以系统的COP和EER随之降低,且降低幅度逐渐增大，其变化趋势与制冷量变化趋势相似。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.001.F011图11补阀开度对系统EER和COP的影响4结语随着主路电子膨胀阀开度由10％增加到22％，系统制冷量先增加后减小，压缩机排气温度降低，COP和EER均先增加后减小，在开度为14％时取得最大值，即系统最佳开度为14％。补路电子膨胀阀开度从10％增加到25％的过程中，排气温度和排气压力下降，制冷量下降，压缩机功率升高，系统COP和EER也相应降低。