电子膨胀阀制冷剂流量系数的试验研究

1电子膨胀阀制冷剂流量系数的试验研究马善伟张川陈江平陈芝久陈文勇王健王维摘要：在自搭建的液环法节流机构流量特性试验台上,采用Ｒ22制冷剂,试验研究节流阀开度(流通面积)、节流前后压差、入口密度、入口过冷度、出口比容、干度以及阀头半锥角和径向间隙对电子膨胀阀制冷剂流量系数的影响,获得了流量系数的量化关系并进行了试验验证。结果表明,误差在±10.5%以内。关键词：热工学流量系数实验研究电子膨胀阀液环法1前言节流机构是制冷系统中最重要的部件之一,节流机构与系统其他主要部件的良好匹配是改善系统运行并适应系统负荷变化的基础[1]。但有关电子膨胀阀流量特性的研究甚少,节流机构流量系数的影响因素:工质的物性、工质的流动情况、几何参数等,众家说法不一。迄今为止,关于电子膨胀阀流量特性的研究还鲜有报道,只能借鉴热力膨胀阀的有关研究,采用水力学公式来描述电子膨胀阀的流量特性[2]。（1）式中:ｍ-制冷剂的流量,ｋｇ/ｓ;ＣＤ-流量系数;Ａ-阀通流断面积,ｍ2;ρ-进口制冷剂液体密度,ｋｇ/ｍ3;Δｐ-阀口压差,ｐａ莉井浩[3]进行系统研究之后,得出锥阀的流量系数不仅与Ｒｅ数有关,而且与半锥角θ、凡尔线宽Ｌ以及流动方向均有关。阿武和秋山认为滑阀的流量系数与Ｒｅ数、阀口开度,径向间隙等都有关系。美国Ｄｅｔｒｉｏｔ公司的Ｄ.Ｄ.Ｗｉ2ｌｅ[4]研究了热力膨胀阀的流量特性后认为流量系数与制冷剂进口密度和出口比容有如下关系:（2）式中:ρ-制冷剂液体进口密度,ｋｇ/ｍ3;ν-制冷剂出口比容,ｍ3/ｋｇ。而Ａ.Ｄａｖｉｅｓ和Ｔ.Ｃ.Ｄａｎｉｅｌｓ[5]则认为流量系数仅仅与工质的出口干度有关,并指出饱和的Ｒ12制冷剂液体通过薄刃锐孔节流时,实际流量与节流后的干度成线性反比关系。试验研究是节流机构流量特性研究最常用且最为有效的手段,目前主要有氮气法和气环法。由于氮气与制冷剂在通过节流机构时存在相变与否的本质差别,此法存在着较大偏差(约20%),气环法则存在更换制冷剂时润滑油清洗不便等问题,鉴于此特搭建了液环法节流机构流量特性试验台,以进行节流机构不同制冷剂条件下流量特性的研究。2试验台简介2.1试验台原理试验采用工质Ｒ22,试验系统基于液环法搭建,磁力泵替代了制冷系统中的压缩机,图1,2为自搭建的液环法试验台的原理与装置图。试验台控制参数为节流阀前温度、压力和节流阀后的温度、压力。测试结果为制冷剂流量。电子膨胀阀从全关到全开的脉冲数为500,开度由ＰＬＣ控制。阀前温度通过调节热水泵变频器频率改变热水循环流量得以实现,阀前压力可通过调节磁力泵运行频率获得,而阀后的温度和压力可以通过改变乙二醇泵变频器转速达到。乙二醇箱温度可由冷水机组和加热丝保证,而热水温度可由加热丝加热实现,所有的控制参数均通过ＰＬＣ加以控制。2.23实验台参数设定实验中发现,阀前温度、阀前压力和阀后压力均较容易控制,而阀后温度的波动相对较大,这是因为阀后温度对应于实际制冷系统的蒸发温度,在较低的压力下,温度的浮动范围较大,应根据物性来确定参数控制精度。综合各方面因素,参照国标要求,测试工况点为阀前压力16.487Ｂａｒ和15.712Ｂａｒ,对应温度分别为38℃,33℃;36℃,31℃。阀前过热度保持5℃和10℃,阀后压力为6.807Ｂａｒ和5.838Ｂａｒ,对应阀后温度为10℃和5℃,而将阀前温度和偏差控制在-0.2℃～+0.2℃之间,阀前压力偏差和阀后压力偏差控制在-0.2Ｂａｒ～+0.2Ｂａｒ之间,阀后温度偏差控制在-1.0℃～+1.0℃之间。3实验结果及分析将测试阀的开度调节到100、150、200、250、300、350、400、450、500个脉冲,将工况稳定在设定点180秒,记录所测流量。按照公式(1)可计算出流量系数。3.1电子膨胀阀流量系数与流通面积及阀后参数的关系将各电子膨胀阀不同开度下,不同方向(开关阀)的流量系数数据,按照面积和阀后温度的不同绘成关系曲线如图3所示,可以看出流量系数与流通面积近似成线性关系,并且在其他参数不变的情况下,流量系数随着阀后温度的升高而增大,查Ｒ22的物性表可以发现,阀后温度升高,制冷剂的比容和干度均减小,这表明流量系数与干度和比容近似成反比例关系。3.2流量系数与阀体结构之间的关系研究阀体结构与流量系数之间的相互关系,对一个电子膨胀阀而言,通4径一旦确定,阀针锥角径向间隙便成为描述阀体结构特征的两个最为重要的参数,其中阀针锥角与半锥角的含义比较明确,而径向间隙则有多种理解方式,为方便起见,定义径向间隙(△Ｄ)为阀座通径与锥体直径之差,即图4中所示:Ｄ-ｄ。3.2.1流量系数与半锥角的关系为了研究流量系数与锥角和径向间隙之间的关系,必须将面积的影响因素和其他因素尽量排除,为此在不同的电子膨胀阀数据中选取面积非常接近、阀前阀后条件完全相同但径向间隙相同的几组典型数据进行分析,以确定流量系数与阀针锥角之间其中可能存在的定量关系。图5是实际测试的四个锥角和通径不同但流通面和阀前后条件均一致时流量系数的对应关系,可以看出,流量系数与锥度和通径之间的关系没有明显的规律可循。3.2.2流量系数与径向间隙的关系图6中1-6点为径向间隙为0.02ｍｍ的流量系数数据,而7-8点为径向间隙为0.22ｍｍ的流量系数数据,可以看出流量系数有随径向间隙增大而减小的趋势。3.3流量系数与阀前制冷剂过冷度的关系图7所示为某电子膨胀阀阀前压力为16.487ｂａｒ,阀前过冷度为5度和10度,阀后温度为10度时的流量系数对比曲线,可以看出,流量系数随阀前制冷剂过冷度增加而增大。这是一个普遍规律,仅绘出一个有代表性的曲线,在其他条件不变的情况下,流量系数与过冷度呈线性正比例关系。3.4流量系数与阀前制冷剂密度的关系图8所示为流量系数与阀前制冷剂密度的5关系曲线(过冷度均为5度),其中1,2对应阀前压力分别为16.487ｂａｒ,15.712ｂａｒ,阀后温度为10度;3,4对应阀前压力分别为16.487ｂａｒ,15.712ｂａｒ,阀后温度为5度。可以看出,曲线1,3对应的密度为1/0.8946103ｋｇ/ｍ3,而2,4对应的密度为1/0.8874103ｋｇ/ｍ3,随着密度的增大流量系数增大,二者成线性正比例关系。3.5关联式拟合及验证根据3.1、3.2、3.3和3.4的分析结果,作者选用电子膨胀阀的流通面积、阀前制冷剂的密度、过冷度、阀后制冷剂的比容和径向间隙作为拟合参数,利用ＤＰＦ1.8、ＤＰＦ2.0、和ＤＰＦ2.2的数据作为原始数据,其中ＤＰＦ2.2的电子膨胀阀有两种,其差别主要在于径向间隙不同,采用最小二乘原理获得了流量系数关联式,并采用ＤＰＦ1.6电子膨胀阀进行了验证。图9中的数据将ＤＰＦ1.8、ＤＰＦ2.0、和ＤＰＦ2.2的数据绘在了一起,没有分开处理。而图10和图11的数据则为ＤＰＦ1.6的数据。其关联式及验证结果如下:关联式:ＣＤ=0.0281Ａ+0.0004238ρ+0.00123/υ+0.0046△Ｔ-0.272△Ｄ(1)式中:ＣＤ-电子膨胀阀流量系数;Ａ-流通面积,单位ｍｍ2;ρ-阀前制冷剂密度;υ-阀后制冷剂比容;△Ｄ-径向间隙,单位ｍｍ。由图9可以看出,关联式(1),对于四种电子膨胀阀所有工况得到的实验数据拟合值与实测值之间的相对偏差在-11%～11%之间。关联式(1)可以很好地描述所得到的试验数据。图10和11为利用关联式(1)对ＤＰＦ1.66流量系数对阀前压力为16.487ｂａｒ,过冷度为5度,阀后温度分别为5度和10度进行预测得到的流量系数与实际测试值对比曲线和相对偏差曲线示意图,由图可以看出,预测系数与实际流量系数吻合度很好,对应于阀后温度为5度和10度,相对偏差介于-0.3%～6.2%之间,对于其他工况结果与此类似,这表明关联式(1)可以很好地描述流量系数的影响因素。4结论利用新搭建的液环法节流机构流量特性试验台,对电子膨胀阀的流量系数影响因素进行了试验研究,通过对数据的分析,得出以下结论:(1)电子膨胀阀的流量系数与流通面积近似成线性关系,且为负相关;(2)电子膨胀阀的流量系数与阀前密度和过冷度成线性正比例关系;(3)电子膨胀阀的流量系数与阀后比容近似成反比例关系;(4)电子膨胀阀的流量系数与阀头线型中半锥角和流通半径没有明显的对应关系,但与径向间隙近似成线性关系,且为负相关;(5)试验结果表明关联式ＣＤ=0.0281Ａ+0.0004238ρ+0.00123/υ+0.0046△Ｔ-0.272△Ｄ可以很好地定量描述流量系数的影响因素,且偏差较小。需要指出的是,尽管研究针对小口径电子膨胀阀进行,但对于其他类型的节流阀(如热力膨胀阀),只要其阀针是锥形结构,研究成果仍然适用,具有普适意义。对流量系数与阀头结构参数、阀前后物性参数之间的关系进行了较为全面的分析,但未考虑阀前存在气泡的情况,由于实际制冷系统中在节流机构前一般要保证一定的过冷度,对此暂不考虑,后续7研究将有针对性进行。另外关联式针对Ｒ22确立,其他制冷剂适用与否尚需进一步验证。参考文献1陈芝久.制冷装置节能控制与电子膨胀阀应用研究(一)——现状与分析.孙文,于兵.制冷学报,1998,4:39～44.2翁文兵等.电子膨胀阀的制冷剂流量特性的试验研究.流体机械,1998,(26)10:58～61.3笠井浩.丹まぃホペト流量系数,日本机械学会论文集32卷251号,1967:1083～1096.4ＷｉｌｅＤＤ.ＴｈｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＥｘｐａｎｓｉｏｎＶａｌｖｅＣａｐａｃｉｔｙ.ＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,1935,(8)5ＤａｖｉｅｓＡ.ＤａｖｉｄｓＴＣ.”ＳｉｎｇｌｅａｎｄＴｗｏ-ＰｈａｓｅＦｌｏｗｏｆＤｉｃｈｌｏｒｏｄｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｔｈｒｏｕｇｈＳｈａｒｐ-ＥｄｇｅｄＯｒｉｆｉｃｅｓ”,ＡＳＨＡＲＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎ,1973:109～123.6Ｓ.Ｇ.ＫＩＭ,Ｍ.Ｓ.ＫＩＭ.ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＲ22,Ｒ407ｃａｎｄＲ410ａｉｎＳｅｖｅｒａｌＣａｐｉｌｌａｒｙＴｕｂｅｓｆｏｒＡｉｒ-Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒｓ,ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ2002,25:521～531.7张乐平.电子膨胀阀流量特性及选型分析.张早校,郁永章.流体机械,2000,28(12):51～53.