電子膨脹閥流量特性試驗(yàn)臺(tái)的研制

蔡培裕,俞少峰,虞海峰

(1.浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司,浙江諸暨311835)(2.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,上海200072)

0 前 言

電子膨脹閥是指運(yùn)用電子式調(diào)節(jié)模式,按照預(yù)設(shè)程序調(diào)節(jié)蒸發(fā)器供液量的節(jié)流裝置。它既可以調(diào)節(jié)制冷劑流量,使得制冷量和負(fù)荷量相匹配,維持溫度相對(duì)恒定;又可以精確控制蒸發(fā)器出口過熱度,保證蒸發(fā)器的傳熱面積得到有效利用,具有調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)反應(yīng)快、控制精度高等特點(diǎn)。因此,在變制冷劑流量的系統(tǒng)中,電子膨脹閥作為節(jié)流元件可以很好的控制流量、蒸發(fā)溫度及過熱度[1],使得蒸發(fā)器負(fù)荷、壓縮機(jī)的輸送量及閥的供液量相適應(yīng)[2-3],產(chǎn)生節(jié)能、高效及高舒適性的效果。

隨著電子膨脹閥的廣泛應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了不同方式的研究 (控制方案、算法改進(jìn)等)[4]。但無論哪種方式的研究,最后應(yīng)用在制冷系統(tǒng)中,電子膨脹閥的閥芯決定其流量特性。此外,應(yīng)用在不同系統(tǒng)和產(chǎn)品的電子膨脹閥,即使運(yùn)行工況相同,對(duì)閥的流量特性要求也不一樣。這就迫切要求研制適用于各種系統(tǒng)的電子膨脹閥。

因此,通過研制電子膨脹閥流量特性試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究,是進(jìn)行電子膨脹閥流量特性研究的重要手段。

1 電子膨脹閥流量特性試驗(yàn)研究方法

電子膨脹閥的流量特性的測(cè)定首先要參照制冷系統(tǒng)閥件的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。因此設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)需要參考國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)膨脹閥的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10212-2000制冷空調(diào)用直動(dòng)式電子膨脹閥中規(guī)定,流量試驗(yàn)按6.8.1.1規(guī)定的方法進(jìn)行。

1.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)試驗(yàn)工況規(guī)定的參數(shù)調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥和手動(dòng)膨脹閥,待工況穩(wěn)定后,測(cè)得被測(cè)膨脹閥不同開度時(shí)的制冷劑流量,至少10個(gè)點(diǎn)以上。如圖1所示。試驗(yàn)裝置中,用于試驗(yàn)的制冷劑中的含油量不超過5%。所示的膨脹閥控制器在該部位能任意開啟、關(guān)閉膨脹閥,并能測(cè)定電子膨脹閥開度。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)測(cè)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)值,繪制一相對(duì)膨脹閥開度的制冷劑流量曲線。

圖1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 The standard of test

2 電子膨脹閥流量特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)的性能指標(biāo)

(1)制冷劑:R410A、R134a、R22;

(2)電子膨脹閥的容量:1～18kW(空調(diào)工況);

(3)蒸發(fā)溫度:-10～15℃;

(4)冷凝溫度:40℃;

2.2 試驗(yàn)臺(tái)原理

電子膨脹閥的流量特性是指在一定進(jìn)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(duì)應(yīng)變化關(guān)系[5]。根據(jù)學(xué)者的研究結(jié)果[6],電子膨脹閥的流量特性由下式?jīng)Q定:

m—制冷劑的流量,kg/s;

CD—流量系數(shù);

A—閥的流通面積,m2;

ρ—進(jìn)口制冷劑的密度,kg/m3;

P1—制冷劑進(jìn)口壓力,Pa;

P2—制冷劑出口壓力,Pa

根據(jù)上述公式可知,通過控制電子膨脹閥的前后壓力,可確定電子膨脹閥的流量?；谶@個(gè)特點(diǎn),搭建了電子膨脹閥流量特性試驗(yàn)臺(tái),試驗(yàn)原理如圖2所示。

圖2 流量特性試驗(yàn)臺(tái)原理圖Fig.2 The theory chart of the Flow performance experimental equipment

圖中:1至2為制冷循環(huán)中的壓縮過程;2至3為制冷循環(huán)中冷凝過程;3至4為過冷過程;4至5為節(jié)流過程;5至1為制冷循環(huán)中蒸發(fā)過程。

2.3 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)及組成

試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)如圖3所示,由三洋全封閉渦旋壓縮機(jī)、板式冷凝器、板式過冷器、過冷度控制器、儲(chǔ)液器、電動(dòng)旁通調(diào)節(jié)閥、油分離器、干燥過濾器、氣液分離器、流量計(jì)、視液鏡、卸載電磁閥等組成,且存在兩個(gè)蒸發(fā)器管路。主要是采用旁通調(diào)節(jié)制冷劑流量的方法,以測(cè)試不同電子膨脹閥的容量和特性。

主蒸發(fā)器管路上,在過冷度控制器進(jìn)口設(shè)有制冷劑流量計(jì);在過冷度控制器出口和電子膨脹閥的進(jìn)口之間,設(shè)置壓力傳感器和溫度傳感器;在電子膨脹閥的出口設(shè)有壓力傳感器。

系統(tǒng)使用的壓力傳感器為Setra C206壓力變送器,精度為A級(jí);溫度傳感器采用精度為A級(jí)±0.1℃的 Pt電阻;制冷劑流量計(jì)為 KROHNE MFM1081K-12,精度為0.15%。

系統(tǒng)的控制流程如下:利用壓力傳感器和溫度傳感器采集電子膨脹閥的閥前壓力、閥后壓力及閥前溫度,輸入到上位機(jī)中,并與各個(gè)參數(shù)的設(shè)定值進(jìn)行比較,控制電動(dòng)旁通調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥、及電加熱器,直至達(dá)到試驗(yàn)工況的設(shè)定值。如圖4所示。

該試驗(yàn)臺(tái)的壓力、溫度、流量等測(cè)量數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換4～20mA模擬量信號(hào),并輸入到數(shù)據(jù)采集儀Agilent 34970A中;電動(dòng)旁通調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥、電加熱器等控制調(diào)節(jié)設(shè)備的執(zhí)行元件均由PLC(可編程邏輯控制器)和PID控制。

試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng),由上下位機(jī)的主從式結(jié)構(gòu),SIEMENS S7-200PLC、Agilent數(shù)據(jù)采集儀及PID控制器等作為下位機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和控制功能;上位機(jī)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入、顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)、分析、打印等功能。

采用這種控制系統(tǒng)可以精確實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)工況的控制。

3 結(jié)論

在國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)膨脹閥的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了測(cè)試電子膨脹閥流量特性的試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)臺(tái)可以分析被測(cè)閥流量特性,從而對(duì)電子膨脹閥與變頻制冷系統(tǒng)進(jìn)行合理匹配,達(dá)到理想運(yùn)行效果。

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