R40A電子膨脹閥流量特性實(shí)驗(yàn)

1、R40A電子膨脹閥流量特性實(shí)驗(yàn)    葉奇昉 陳江平 陳芝久摘要：本文電子膨脹閥的流量特性進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同結(jié)構(gòu)的電子膨脹閥在不同工況下的流量特性。在考慮膨脹閥的流通面積、閥頭結(jié)構(gòu)、膨脹閥進(jìn)出口工況、制冷劑性質(zhì)等參數(shù)的影響下，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合了R410A在指定工況下的流量特性關(guān)聯(lián)式，獲得的關(guān)聯(lián)式與實(shí)際數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差在-7.6%0.5%之間。 關(guān)鍵詞：電子膨脹閥 流量特性 制冷劑 1 引言 制冷系統(tǒng)中的節(jié)流機(jī)構(gòu)與壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器并稱為制冷系統(tǒng)的“四大件”，是制冷系統(tǒng)中必不可少的元件之一，起著節(jié)流降壓的作用。它直接控制著蒸發(fā)器制冷劑的流量和蒸

2、發(fā)器出口的過熱度。節(jié)流機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)其它主要部件的良好匹配是改善系統(tǒng)運(yùn)行并適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化的基礎(chǔ)。 由于毛細(xì)管和節(jié)流短管流通面均不可變，對(duì)于流量特性其影響因素相對(duì)較少。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)流量特性研究較多1-5，并總結(jié)了許多流量特性的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式。Wolf5等對(duì)以R22, R134A, 與R410A為工質(zhì)的毛細(xì)管的流量特性提出了無量綱經(jīng)驗(yàn)公式。Melo6等對(duì)以R12, R134A, R600A為工質(zhì)的毛細(xì)管的流量特性提出了經(jīng)驗(yàn)公式。Kim7等人對(duì)以R22, R407C,R410A為工質(zhì)的不同形狀的毛細(xì)管流量特性提出了類似于Wolf的經(jīng)驗(yàn)公式。以上三家的經(jīng)驗(yàn)公式精度都較高。Aaron與Domanski

3、8，Kim與ONeal9針對(duì)以R22為工質(zhì)，Choi與Kim10針對(duì)以R410A為工質(zhì)的節(jié)流短管的流量特性提出了經(jīng)驗(yàn)公式，其公式精度較高。 而對(duì)于其它可變節(jié)流面積的節(jié)流機(jī)構(gòu)熱力膨脹閥和電子膨脹閥，影響流量特性的因素較多，目前鮮有述及。新型制冷劑如R134A、R407C和R410A等的使用，不僅對(duì)膨脹閥制造企業(yè)帶來了新的難題，對(duì)于膨脹閥的用戶也帶來了新的挑戰(zhàn)。 隨著變頻空調(diào)的日益流行，電子膨脹閥的應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)的毛細(xì)管、節(jié)流短管以及熱力膨脹閥相比，電子膨脹閥調(diào)節(jié)精度高，調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前對(duì)于電子膨脹閥流量特性的研究還很薄弱。仍然采用水力學(xué)公式對(duì)它進(jìn)行描述11： （1） 式中：為

4、制冷劑流量， 為流量系數(shù) 為流通面積， 為進(jìn)口制冷劑的密度， 、分別為膨脹閥進(jìn)出口壓力， 迄今為止，對(duì)影響節(jié)流機(jī)構(gòu)流量特性的因素，眾家說法不一，甚至出現(xiàn)了相互矛盾的說法。Kim與ONeal12認(rèn)為節(jié)流機(jī)構(gòu)的流量特性與節(jié)流機(jī)構(gòu)幾何特性，入口條件，出口壓力有關(guān)，并以此擬合出了節(jié)流短管的流量系數(shù)半經(jīng)驗(yàn)公式。Singh13等人認(rèn)為節(jié)流機(jī)構(gòu)的流量特性不僅與上述因素有關(guān)，還與制冷劑物性有關(guān)。市川常雄18認(rèn)為錐閥的流量系數(shù)與閥針的角度，閥的開度，節(jié)流通道直徑等因素有關(guān)。笠井浩爾對(duì)閥進(jìn)行了系統(tǒng)的進(jìn)行了研究19 ,并得出線性閥的流量系數(shù)不僅與工質(zhì)的物性有關(guān),還與閥的幾何參數(shù)有關(guān)。Stone20認(rèn)為球閥的流量系數(shù)

5、與雷諾數(shù)成指數(shù)關(guān)系： (2) 、n的取值與閥的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。 阿武芳朗21等認(rèn)為滑閥的流量系數(shù)不僅與Re數(shù)有關(guān)，而且與閥口開度，徑向間隙等都有關(guān)系。D.D.Wile22研究了熱力膨脹閥的流量特性后認(rèn)為流量系數(shù)與膨脹閥的幾何特性無關(guān)，而與制冷劑物性以及進(jìn)出口條件有關(guān)，并針對(duì)R22為制冷劑時(shí)提出了流量系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式： （3） 式中：制冷劑液體進(jìn)口密度，kg/m3 制冷劑出口比容， m3/ kg 而A.Davies和T.C.Daniels23則認(rèn)為流量系數(shù)僅僅與工質(zhì)的出口干度有關(guān)，并指出飽和的R12制冷劑液體通過薄刃銳孔節(jié)流時(shí)，實(shí)際流量與節(jié)流后的干度成線性反比。 本文通過建立基于液環(huán)法的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)

6、新工質(zhì)R410A電子膨脹閥的節(jié)流特性進(jìn)行研究，獲得了膨脹閥流量系數(shù)與閥體幾何結(jié)構(gòu)，進(jìn)出口條件以及制冷劑物性的關(guān)系。 2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)及電子膨脹閥試樣簡(jiǎn)介 2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介 圖1為試驗(yàn)的原理圖。圖中,實(shí)驗(yàn)臺(tái)的理論循環(huán)為1 - 2 - 3 - 4 -1 ，實(shí)際制冷系統(tǒng)循環(huán)為6 - 5 - 2 - 3 - 6。其中,41 為制冷劑在磁力泵中壓力升高的過程；1 2為低壓換熱器中加熱升溫過程；2 3 為節(jié)流過程；3 4 為高壓換熱器中冷凝放熱過程；6 5 為制冷循環(huán)中壓縮機(jī)壓縮過程；5 2 為制冷循環(huán)中冷凝放熱過程；2 3 為節(jié)流過程；3 6 為制冷循環(huán)蒸發(fā)器中蒸發(fā)過程。 圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖 試驗(yàn)采用新工質(zhì)

7、R410A，試驗(yàn)臺(tái)的裝置如圖2： 圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖 實(shí)驗(yàn)控制的參數(shù)為電子膨脹閥前的溫度、壓力。測(cè)試結(jié)果為制冷劑流量，采用質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量。電子膨脹閥從全關(guān)到全開為500脈沖，開度由PLC控制。閥前溫度通過調(diào)節(jié)熱水泵變頻器頻率改變熱水循環(huán)流量來獲得，閥后溫度和壓力可以通過改變乙二醇泵變頻器頻率來獲得。 2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定 本文對(duì)DPF系列電子膨脹閥進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，選取的膨脹閥有DPF1.6、DPF1.8、DPF2.0、DPF2.2四種膨脹閥,膨脹閥的閥針、閥座結(jié)構(gòu)如圖3。不同膨脹閥的閥針、閥座參數(shù)不同。實(shí)驗(yàn)過程中，將同一個(gè)閥針安放在不同的閥中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。 根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，本文測(cè)試工況點(diǎn)： 閥前壓力：2

8、3.981、27.014、30.333bar，冷凝溫度：40、45、50，過冷度：1.5、5、10。蒸發(fā)溫度分別為0、5、10；本試驗(yàn)中閥前溫度偏差可控制在±0.2；閥前、閥后壓力偏差控制在±20kPa；閥后溫度偏差控制在±1。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 將膨脹閥的開度依次增加50脈沖從100脈沖到500脈沖，將工況穩(wěn)定在設(shè)定點(diǎn)180s，記錄所測(cè)的質(zhì)量流量。 前人對(duì)毛細(xì)管、節(jié)流短管以及膨脹閥的研究結(jié)果表明5-10,12，節(jié)流機(jī)構(gòu)的流量特性與節(jié)流機(jī)構(gòu)的進(jìn)口溫度、壓力，出口壓力、干度，進(jìn)出口的壓力差，節(jié)流機(jī)構(gòu)的流通面積，節(jié)流機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素有關(guān)。因此本文選取，為變量對(duì)膨

9、脹閥流量特性進(jìn)行關(guān)聯(lián)式擬合。可以表示為： （3）式中各項(xiàng)意義如表1： 表1     閥座孔的內(nèi)徑，    流通面積的等效直徑    流通面積    入口過冷度    進(jìn)口壓力    進(jìn)出口壓力差    出口干度    進(jìn)口密度    進(jìn)口動(dòng)

10、力粘度    進(jìn)口汽化潛熱    臨界溫度    臨界壓力 本文選取， 作為基本物理量。對(duì)（3）式進(jìn)行量綱分析可得： （4） 至的意義如表2 表2             本文將（4）式寫成方程（5）的形式： （5） 本文基于DPF1.6，DPF1.8，DPF2.0，DPF2.2四種閥的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出了如（5）式形式的關(guān)聯(lián)式： (6) 并將關(guān)聯(lián)式（6）對(duì)DP

11、F2.2閥座內(nèi)置2.0閥針膨脹閥的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，其關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)偏差如圖3： 圖3 關(guān)聯(lián)式相對(duì)偏差 從圖3中可以看出，關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)偏差在-7.6%0.5%之間，相對(duì)偏差較小。 4 結(jié)論 本文通過液環(huán)法節(jié)流機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)不同閥頭結(jié)構(gòu)的電子膨脹閥使用R410A為制冷劑時(shí)在不同工況下的流量特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在考慮不同流通面積、閥前工況、閥前物性、閥前后壓力差、閥后工況、閥體結(jié)構(gòu)等參數(shù)的影響的情況下，擬合出了電子膨脹閥流量特性的關(guān)聯(lián)式。關(guān)聯(lián)式經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，相對(duì)偏差在-7.6%0.5%之間，能夠較準(zhǔn)確的描述R410A在冷凝溫度40至50之間，過冷度在1.5至10之間，出口溫度在0至

12、10之間經(jīng)過電子膨脹閥的流量特性。 參考文獻(xiàn) 1 Stabler LA. Theory and use of a capillary tube for liquid refrigerant control. Refrigerating Eng 1948;55(1):559. 2 Li RY, Lin S, Chen ZH. Numerical modeling of thermodynamic non-equilibrium flow of refrigerant through capillary tubes. ASHRAE Trans 1990;96(1):5429. 3 Chen ZH,

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