電子膨脹閥流量特性影響因素分析

電子膨脹閥流量特性影響因素分析

由于人們對節(jié)能和舒適度的要求越來越緊迫，機電一體化已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備發(fā)展的必然趨勢。這一變化意味著調(diào)整和控制方法的更新。從傳統(tǒng)的控制轉(zhuǎn)變?yōu)樽顑?yōu)控制。簡單的液體冷凍獨立元的發(fā)展和電子控制元的發(fā)展。節(jié)流機構(gòu)作為制冷系統(tǒng)的工質(zhì)流量調(diào)節(jié)元件,對裝置的運行特性有著重要的影響,改善它對蒸發(fā)器制冷劑流量的控制特性,使之與系統(tǒng)其他部件良好匹配并適應(yīng)裝置的工況和負荷變化要求,一直是人們十分關(guān)注的問題.制冷系統(tǒng)節(jié)流機構(gòu)主要可分為兩類:變截面節(jié)流機構(gòu)和固定截面節(jié)流機構(gòu).變截面節(jié)流機構(gòu)包括熱力膨脹閥、電子膨脹閥和手動節(jié)流閥,三者的區(qū)別在于驅(qū)動方式的不同,但是閥體產(chǎn)生的節(jié)流效應(yīng)和制冷劑流量調(diào)節(jié)機理是相似的,都是通過閥針(閥頭)的上下移動改變閥的流通面積達到制冷劑流量調(diào)節(jié)的目的.膨脹閥因具有較寬的流量調(diào)節(jié)范圍,而廣泛應(yīng)用于制冷行業(yè)的各個方面,尤其是電子膨脹閥作為新一代的智能控制元件和變頻技術(shù)相結(jié)合已成為現(xiàn)代制冷技術(shù)的標志,被應(yīng)用于汽車空調(diào)、家用熱泵空調(diào)器、超市冷柜、冷庫等制冷和空調(diào)領(lǐng)域,但是對其流量特性的研究卻鮮有報道.準確詳細地獲知閥的流量特性對于電子膨脹閥的設(shè)計、系統(tǒng)匹配及系統(tǒng)控制方案有重要指導意義.本文通過實驗分析研究了進出口條件、開度和制冷劑物性參數(shù)對電子膨脹閥制冷劑質(zhì)量流量和流量系數(shù)的影響,為深入量化研究電子膨脹閥的流量特性奠定基礎(chǔ).1流量特性關(guān)聯(lián)式的使用電子膨脹閥的流量特性是指在一定進出口條件下通過電子膨脹閥的制冷劑質(zhì)量流量與閥開度之間的對應(yīng)變化關(guān)系.它可通過兩種方式加以表達:電子膨脹閥的流量特性曲線或流量特性的實驗關(guān)聯(lián)式.在進行電子膨脹閥的設(shè)計和選型時,通常以流量特性曲線來反映其流量特性.在進行系統(tǒng)仿真計算和優(yōu)化設(shè)計時通常以流量特性關(guān)聯(lián)式作為電子膨脹閥的數(shù)學模型.對于電子膨脹閥的流量特性曲線的測定,生產(chǎn)企業(yè)通常根據(jù)機械行業(yè)標準采用簡易的氮氣流量測試法.測定中閥的出口通大氣,調(diào)節(jié)進口處氮氣壓力為0.1MPa(表壓),測量出電子膨脹閥在不同開度條件下正向和逆向的氮氣流量值后繪制曲線圖.由于氮氣與制冷劑在通過節(jié)流機構(gòu)時存在相變與否的本質(zhì)差別,故該方法雖然操作簡單但與電子膨脹閥實際運行特性卻有較大偏差.對于電子膨脹閥流量特性關(guān)聯(lián)式的研究,由于不同流型的速度分布以及汽相和液相之間平衡的程度一般均為未知,在閥道流通截面前后兩相流體總的動量和能量還不能用理論分析的公式來計算,因此在綜合實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上整理關(guān)系式的時候,總是遵循半經(jīng)驗的或純經(jīng)驗處理方法.文獻中采用水力學形式來描述電子膨脹閥流量特性關(guān)聯(lián)式:式中:qm為制冷劑的質(zhì)量流量;CD為流量系數(shù);A為電子膨脹閥的流通截面積;ρ為電子膨脹閥入口制冷劑的密度;p1為電子膨脹閥前制冷劑入口壓力;p2為電子膨脹閥后制冷劑出口壓力.該方程結(jié)構(gòu)簡單,等式兩端量綱一致,因此在系統(tǒng)仿真計算中被廣泛加以采用.但該方程結(jié)構(gòu)形式是在不可壓縮流體的假設(shè)條件下推導得出的,與電子膨脹閥實際流動特性有較大的差別,因此作為修正系數(shù)的CD必須能夠反映出電子膨脹閥自身的流量特性,從而對電子膨脹閥流量特性的研究也就集中在對CD經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的研究上.由于制冷劑在通過電子膨脹閥流道最小截面后部分汽化(產(chǎn)生閃蒸)發(fā)生節(jié)流效應(yīng),因此使它的流動特性較為復(fù)雜.Wile研究了熱力電子膨脹閥的制冷劑流量特性后,認為制冷劑的進口密度和出口比體積決定了電子膨脹閥的流量系數(shù).Davies等認為流量系數(shù)僅與制冷劑的出口干度有關(guān),實際流量與單相液體流量之比與節(jié)流后的干度呈線性反比關(guān)系.市川常雄等對錐閥的流量系數(shù)進行了研究,認為流量系數(shù)與錐閥的幾何參數(shù)有關(guān).黃國強認為電子膨脹閥的流量系數(shù)與閥后的制冷劑干度有關(guān),且與其呈線性下降關(guān)系.田長青對H型熱力膨脹閥的流量特性進行了實驗研究,考慮了閥前制冷劑為兩相流的可能性,因此在電子膨脹閥流量特性公式中加入了一個修正系數(shù)φ,并認為該修正系數(shù)主要受閥前制冷劑干度的影響.電子膨脹閥內(nèi)復(fù)雜的流通特性必然受到多種參數(shù)的影響,但是關(guān)于其流量特性的影響因素學術(shù)界有較大的爭論,翁文兵等對此作了部分實驗工作,但是實驗工況和實驗內(nèi)容都較少.因為制冷劑在通過電子膨脹閥時產(chǎn)生了復(fù)雜的節(jié)流效應(yīng),所以閥的幾何參數(shù)、進出口條件和制冷劑的物性參數(shù)都有可能對電子膨脹閥的流量特性產(chǎn)生影響,只是影響度有待進一步分析.2電子膨脹閥流量特性的測定實驗運行工質(zhì)為R22,調(diào)節(jié)參數(shù)為閥前的壓力和溫度、閥后的壓力和溫度以及閥的開度(脈沖數(shù));測定參數(shù)為制冷劑的質(zhì)量流量.各參數(shù)測量范圍和精度如表1所示.液環(huán)法電子膨脹閥流量特性實驗臺如圖1所示.實驗采用俊樂公司生產(chǎn)的DPF1.8電子膨脹閥,其全開脈沖為500.電子膨脹閥流通截面A的擬合關(guān)系式如下:式中:h為閥桿升程;n為脈沖數(shù).3結(jié)果與分析3.1p2p對電子膨脹閥質(zhì)量流量和流量系數(shù)的影響實驗測試過程中保持電子膨脹閥的入口壓力為1.729MPa,對應(yīng)飽和溫度為45℃,入口溫度為38℃不變,在一定開度條件下調(diào)節(jié)閥的出口壓力,使其變化范圍為0.584～1.250MPa.然后測定此時的質(zhì)量流量.改變開度設(shè)定,重復(fù)上述操作.實驗及計算結(jié)果如圖2所示.由圖2(a)可見,p2升高可造成電子膨脹閥質(zhì)量流量略有降低,且在不同開度條件制冷劑質(zhì)量流量的減少量基本一致.在所有開度條件下,p2升高0.6MPa(即閥后溫度升高約25℃),質(zhì)量流量僅減少13%,因此閥后壓力對質(zhì)量流量的影響并不大,改變質(zhì)量流量的主要因素是電子膨脹閥的開度.由圖2(b)可見,p2對電子膨脹閥流量系數(shù)有較大影響.隨p2的升高,不同開度條件下,CD均有較大幅度增長,一定開度下流量系數(shù)增長約42%.依據(jù)孔板兩相流節(jié)流降壓理論,閥后壓力的升高降低了閥內(nèi)制冷劑的閃蒸強度,提高了電子膨脹閥的流通能力.但在閥開度為100脈沖時流量系數(shù)突然減小,這是由于電子膨脹閥流道復(fù)雜,小開度時閥內(nèi)流型發(fā)生改變造成電子膨脹閥的流通能力發(fā)生改變.由式(1)可知,p2的升高減小了閥的進出口壓差,降低了電子膨脹閥的質(zhì)量流量,但是由于相應(yīng)流量系數(shù)的增大補償了壓差減小的影響,使電子膨脹閥質(zhì)量流量總體變化不大.3.2不同閥前壓力對電子膨脹閥流量系數(shù)的影響確定電子膨脹閥的出口壓力為0.681MPa,對應(yīng)飽和溫度為10℃,入口過冷度為5℃,在一定開度條件下調(diào)節(jié)電子膨脹閥進口壓力,使其變化范圍為1.192～1.942MPa,對應(yīng)飽和溫度變化為30～50℃.然后改變閥開度,重復(fù)調(diào)節(jié)上述進出口條件進行測定.實驗及計算結(jié)果如圖3所示.由圖3(a)可見,p1對qm的影響大于p2.在不同開度條件下,曲線斜率隨閥開度的增加而略有增大,即在大開度條件下,p1的增加使質(zhì)量流量增加得更多.單開度條件下,閥前壓力增加0.7MPa(對應(yīng)溫度升高約20℃),質(zhì)量流量平均增加約43%,因此由閥前壓力改變所造成的電子膨脹閥壓差改變對質(zhì)量流量影響較大.由圖3(b)可見,隨著閥前壓力的增大,電子膨脹閥的流量系數(shù)在不斷減小,但減小幅度趨緩.在閥前壓力較低時,不同開度流量系數(shù)相對集中,CD=0.73～0.84.而在閥前壓力較高時,不同開度流量系數(shù)相對分散,CD=0.58～0.74.在小開度100脈沖時,流量系數(shù)變化規(guī)律發(fā)生突變,原因同上所述.閥前壓力的升高增加了閥的進出口壓差,使電子膨脹閥的質(zhì)量流量增大.同時,由于閥前壓力升高使流量系數(shù)有所降低抵消了部分壓差的影響,但抵消程度沒有閥后壓力大.3.3不同開度對質(zhì)量流量的影響設(shè)電子膨脹閥入口壓力p1=1.534MPa(對應(yīng)飽和溫度為40℃),p2=0.681MPa(對應(yīng)飽和溫度為10℃),調(diào)節(jié)入口溫度θ1分別為37、34、31、28、25℃,對應(yīng)過冷度為3、6、9、12、15℃.測定不同開度條件下的質(zhì)量流量,實驗和計算結(jié)果如圖4所示.由圖4(a)可見,質(zhì)量流量隨閥前過冷度的增加而增大.在電子膨脹閥小開度時,過冷度對質(zhì)量流量的影響并不大,過冷度增加12℃,質(zhì)量流量僅增加10%左右;而在閥開度為500脈沖時,質(zhì)量流量增加約25%,因此過冷度對質(zhì)量流量影響隨電子膨脹閥開度的增加而增大.由圖4(b)可見,電子膨脹閥流量系數(shù)隨過冷度的增加呈線性遞增趨勢.這是由于隨著制冷劑過冷度的增加,閥內(nèi)制冷劑液體區(qū)域增大增強了電子膨脹閥的流通能力.3.4閥后壓力由圖5可見,當進出口條件確定時,電子膨脹閥的質(zhì)量流量隨開度呈二次曲線增長關(guān)系,與式(2)相一致.這主要是因為測試用電子膨脹閥閥頭是圓錐形,由此形成在開閥過程中流通截面與閥開度是二次曲線的關(guān)系,進而說明電子膨脹閥的質(zhì)量流量與閥的流通截面呈線性變化關(guān)系.同時可發(fā)現(xiàn),閥后壓力對質(zhì)量流量影響較小且變化規(guī)律一致;閥前壓力和過冷度對質(zhì)量流量的影響相對較大且在小開度時影響較小,大開度時影響較大.在所有進出口條件下,電子膨脹閥流量系數(shù)總體上都隨開度呈下降趨勢,但從閥開度對流量系數(shù)變化曲線中發(fā)現(xiàn)存在流量系數(shù)的最大值.該流量系數(shù)最大值受電子膨脹閥進出口條件的影響.當入口條件保持不變,改變閥的出口壓力時,流量系數(shù)最大值隨出口壓力的升高向大開度方向移動.當出口壓力保持不變,改變?nèi)肟趬毫蛉肟跍囟葧r,流量系數(shù)最大值所在位置基本保持不變,在200脈沖附近.因此可判斷流量系數(shù)最大值受出口條件影響較大.從總體來看,當進出口條件保持不變時,電子膨脹閥開度對流量系數(shù)有一定的影響,從100脈沖到500脈沖,流量系數(shù)減少約20%.3.5入口壓力的影響由圖6(a)可見,電子膨脹閥流量系數(shù)隨入口密度的增大而呈二次曲線上升趨勢.這與Wile的流量系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式中的入口密度相一致.在電子膨脹閥開度為100脈沖時,流量系數(shù)變化趨勢發(fā)生改變,其原因仍然是小開度時閥內(nèi)流型發(fā)生了改變.圖6(b)中顯示,質(zhì)量流量隨入口密度的增加而減小,這是因為入口壓力的減小對質(zhì)量流量的影響強于入口密度的增加造成的影響,因此質(zhì)量流量總體效果是下降的趨勢.3.6出口干度對電子膨脹閥流量特性的影響在一定出口壓力條件下,出口干度(x)與出口比體積是線性變化關(guān)系,當電子膨脹閥出口干度較大時其出口比體積也較大,兩者對電子膨脹閥流量特性的影響趨勢是一致的.圖7為出口干度對qm、CD的影響.由圖7(a)可見,各開度條件下流量系數(shù)與電子膨脹閥出口干度均呈線性下降趨勢,這與文獻中提出的流量系數(shù)關(guān)聯(lián)式相一致.電子膨脹閥在各開度條件下,質(zhì)量流量隨出口干度的增加呈下降趨勢且在小開度時影響較小而大開度時影響較大.這是由于流量系數(shù)的減小使質(zhì)量流量呈下降趨勢.4開度對流量系數(shù)的影響(1)在電子膨脹閥入口溫度和壓力不變時,出口壓力對閥的質(zhì)量流量影響不大,但對流量系數(shù)有較大的影響.隨著出口壓力的升高,流量系數(shù)呈線性增大趨勢.(2)在電子膨脹閥的出口壓力和入口過冷度不變時,閥的入口壓力對質(zhì)量流量有較大影響.由此發(fā)現(xiàn)電子膨脹閥進出口壓力對形成相同的壓差所造成質(zhì)量流量改變的效果并不相同.流量系數(shù)隨入口壓力的增加呈拋物線形降低趨勢.(3)質(zhì)量流量隨入口過冷度的增加而增大.不同開度情況下,過冷度對質(zhì)量流量的影響不相同.小開度時影響較小,大開度時影響較大.流量系數(shù)隨過冷度的增加呈