1、電子膨脹閥制冷劑流量系數的試驗研究馬善偉 張川 陳江平 陳芝久 陳文勇 王健 王維摘要：在自搭建的液環法節流機構流量特性試驗臺上,采用22 制冷劑,試驗研究節流閥開度(流通面積)、節流前后壓差、入口密度、入口過冷度、出口比容、干度以及閥頭半錐角和徑向間隙對電子膨脹閥制冷劑流量系數的影響,獲得了流量系數的量化關系并進行了試驗驗證。結果表明,誤差在10.5%以內。關鍵詞：熱工學 流量系數 實驗研究 電子膨脹閥 液環法1 1前言前言節流機構是制冷系統中最重要的部件之一,節流機構與系統其他主要部件的良好匹配是改善系統運行并適應系統負荷變化的基礎1。但有關電子膨脹閥流量特性的研究甚少,節流機構流量系數的

2、影響因素:工質的物性、工質的流動情況、幾何參數等,眾家說法不一。迄今為止,關于電子膨脹閥流量特性的研究還鮮有報道,只能借鑒熱力膨脹閥的有關研究,采用水力學公式來描述電子膨脹閥的流量特性2。（1）式中:-制冷劑的流量,/;-流量系數;-閥通流斷面積,2;-進口制冷劑液體密度,/3;-閥口壓差,莉井浩3進行系統研究之后,得出錐閥的流量系數不僅與數有關,而且與半錐角、凡爾線寬以及流動方向均有關。阿武和秋山認為滑閥的流量系數與數、閥口開度,徑向間隙等都有關系。美國公司的.4研究了熱力膨脹閥的流量特性后認為流量系數與制冷劑進口密度和出口比容有如下關系:（2）式中:-制冷劑液體進口密度,/3;-制冷劑出口

3、比容,3/。而.和.5則認為流量系數僅僅與工質的出口干度有關,并指出飽和的12 制冷劑液體通過薄刃銳孔節流時,實際流量與節流后的干度成線性反比關系。試驗研究是節流機構流量特性研究最常用且最為有效的手段,目前主要有氮氣法和氣環法。由于氮氣與制冷劑在通過節流機構時存在相變與否的本質差別,此法存在著較大偏差(約 20%),氣環法則存在更換制冷劑時潤滑油清洗不便等問題,鑒于此特搭建了液環法節流機構流量特性試驗臺,以進行節流機構不同制冷劑條件下流量特性的研究。2 2試驗臺簡介試驗臺簡介2.12.1試驗臺原理試驗臺原理試驗采用工質22,試驗系統基于液環法搭建,磁力泵替代了制冷系統中的壓縮機,圖 1,2 為

4、自搭建的液環法試驗臺的原理與裝置圖。試驗臺控制參數為節流閥前溫度、壓力和節流閥后的溫度、壓力。測試結果為制冷劑流量。電子膨脹閥從全關到全開的脈沖數為 500,開度由控制。閥前溫度通過調節熱水泵變頻器頻率改變熱水循環流量得以實現,閥前壓力可通過調節磁力泵運行頻率獲得,而閥后的溫度和壓力可以通過改變乙二醇泵變頻器轉速達到。乙二醇箱溫度可由冷水機組和加熱絲保證,而熱水溫度可由加熱絲加熱實現,所有的控制參數均通過加以控制。2.22.2實驗臺參數設定實驗臺參數設定實驗中發現,閥前溫度、閥前壓力和閥后壓力均較容易控制,而閥后溫度的波動相對較大,這是因為閥后溫度對應于實際制冷系統的蒸發溫度,在較低的壓力下,

5、溫度的浮動范圍較大,應根據物性來確定參數控制精度。綜合各方面因素,參照國標要求,測試工況點為閥前壓力 16.487和 15.712,對應溫度分別為 38,33;36,31。閥前過熱度保持 5和 10,閥后壓力為 6.807和 5.838, 對應閥后溫度為 10和 5,而將閥前溫度和偏差控制在-0.2 0.2之間,閥前壓力偏差和閥后壓力偏差控制在-0.2 0.2之間,閥后溫度偏差控制在-1.0 1.0之間。3 3實驗結果及分析實驗結果及分析將測試閥的開度調節到 100、150、200、250、300、350、400、450、500個脈沖,將工況穩定在設定點 180 秒,記錄所測流量。按照公式(1

6、)可計算出流量系數。3.13.1電子膨脹閥流量系數與流通面積及閥后參數的關系電子膨脹閥流量系數與流通面積及閥后參數的關系將各電子膨脹閥不同開度下,不同方向(開關閥)的流量系數數據,按照面積和閥后溫度的不同繪成關系曲線如圖 3 所示,可以看出流量系數與流通面積近似成線性關系,并且在其他參數不變的情況下,流量系數隨著閥后溫度的升高而增大,查22 的物性表可以發現,閥后溫度升高,制冷劑的比容和干度均減小,這表明流量系數與干度和比容近似成反比例關系。3.23.2流量系數與閥體結構之間的關系流量系數與閥體結構之間的關系研究閥體結構與流量系數之間的相互關系,對一個電子膨脹閥而言,通徑一旦確定,閥針錐角徑向

7、間隙便成為描述閥體結構特征的兩個最為重要的參數,其中閥針錐角與半錐角的含義比較明確,而徑向間隙則有多種理解方式,為方便起見,定義徑向間隙()為閥座通徑與錐體直徑之差,即圖 4 中所示:-。3.2.1流量系數與半錐角的關系為了研究流量系數與錐角和徑向間隙之間的關系,必須將面積的影響因素和其他因素盡量排除,為此在不同的電子膨脹閥數據中選取面積非常接近、閥前閥后條件完全相同但徑向間隙相同的幾組典型數據進行分析,以確定流量系數與閥針錐角之間其中可能存在的定量關系。圖 5 是實際測試的四個錐角和通徑不同但流通面和閥前后條件均一致時流量系數的對應關系,可以看出,流量系數與錐度和通徑之間的關系沒有明顯的規律

8、可循。3.2.2流量系數與徑向間隙的關系圖 6 中 1-6 點為徑向間隙為 0.02的流量系數數據,而 7-8 點為徑向間隙為 0.22的流量系數數據,可以看出流量系數有隨徑向間隙增大而減小的趨勢。3.33.3流量系數與閥前制冷劑過冷度的關系流量系數與閥前制冷劑過冷度的關系圖 7 所示為某電子膨脹閥閥前壓力為 16.487,閥前過冷度為 5 度和10 度,閥后溫度為 10 度時的流量系數對比曲線,可以看出,流量系數隨閥前制冷劑過冷度增加而增大。這是一個普遍規律,僅繪出一個有代表性的曲線,在其他條件不變的情況下,流量系數與過冷度呈線性正比例關系。3.43.4流量系數與閥前制冷劑密度的關系流量系數

9、與閥前制冷劑密度的關系圖 8 所示為流量系數與閥前制冷劑密度的關系曲線(過冷度均為 5 度),其中1,2 對應閥前壓力分別為 16.487,15.712,閥后溫度為 10 度;3,4對應閥前壓力分別為 16.487,15.712,閥后溫度為 5 度。可以看出,曲線 1,3 對應的密度為 1/0.8946 103/3,而 2,4 對應的密度為 1/0.8874103/3,隨著密度的增大流量系數增大,二者成線性正比例關系。3.53.5關聯式擬合及驗證關聯式擬合及驗證根據 3.1、3.2、3.3 和 3.4 的分析結果,作者選用電子膨脹閥的流通面積、閥前制冷劑的密度、過冷度、閥后制冷劑的比容和徑向間

10、隙作為擬合參數,利用1.8、2.0、和2.2 的數據作為原始數據,其中2.2 的電子膨脹閥有兩種,其差別主要在于徑向間隙不同,采用最小二乘原理獲得了流量系數關聯式,并采用1.6 電子膨脹閥進行了驗證。圖 9 中的數據將1.8、2.0、和2.2 的數據繪在了一起,沒有分開處理。而圖 10和圖 11 的數據則為1.6 的數據。其關聯式及驗證結果如下:關聯式:=0.0281 0.0004238 0.00123/ 0.0046-0.272(1)式中:-電子膨脹閥流量系數;-流通面積,單位2;-閥前制冷劑密度;-閥后制冷劑比容;-徑向間隙,單位。由圖 9 可以看出,關聯式(1),對于四種電子膨脹閥所有工

11、況得到的實驗數據擬合值與實測值之間的相對偏差在-11%11%之間。關聯式(1)可以很好地描述所得到的試驗數據。圖 10 和 11 為利用關聯式(1)對1.6 流量系數對閥前壓力為 16.487,過冷度為 5 度,閥后溫度分別為 5 度和 10 度進行預測得到的流量系數與實際測試值對比曲線和相對偏差曲線示意圖,由圖可以看出,預測系數與實際流量系數吻合度很好,對應于閥后溫度為 5 度和 10 度,相對偏差介于-0.3%6.2%之間,對于其他工況結果與此類似,這表明關聯式(1)可以很好地描述流量系數的影響因素。4 4結論結論利用新搭建的液環法節流機構流量特性試驗臺,對電子膨脹閥的流量系數影響因素進行

12、了試驗研究,通過對數據的分析,得出以下結論:(1)電子膨脹閥的流量系數與流通面積近似成線性關系,且為負相關;(2)電子膨脹閥的流量系數與閥前密度和過冷度成線性正比例關系;(3)電子膨脹閥的流量系數與閥后比容近似成反比例關系;(4)電子膨脹閥的流量系數與閥頭線型中半錐角和流通半徑沒有明顯的對應關系,但與徑向間隙近似成線性關系,且為負相關;(5)試驗結果表明關聯式=0.0281 0.0004238 0.00123/ 0.0046-0.272可以很好地定量描述流量系數的影響因素,且偏差較小。需要指出的是,盡管研究針對小口徑電子膨脹閥進行,但對于其他類型的節流閥(如熱力膨脹閥),只要其閥針是錐形結構,研究成果仍然適用,具有普適意義。對流量系數與閥頭結構參數、閥前后物性參數之間的關系進行了較為全面的分析,但未考慮閥前存在氣泡的情況,由于實際制冷系統中在節流機構前一般要保證一定的過冷度,對此暫不考慮,后續研究將有針對性進行。另外關聯式針對22 確立,其他制冷劑適用與否尚需進一步驗證。參考文獻參考文獻1陳芝久.制冷裝置節能控制與電子膨脹閥應用研究(一)現狀與分析.孫文,于兵.制冷學報,1998,4:3944.2翁文兵等.電子膨脹閥的制冷劑流量特性的試驗研究