膨脹閥特性對(duì)壓縮機(jī)性能測(cè)試精確度影響的實(shí)驗(yàn)研究

王凌杰，李競(jìng)

（1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215000；2.上海呈恩壓縮機(jī)有限公司，上海201808）

膨脹閥特性對(duì)壓縮機(jī)性能測(cè)試精確度影響的實(shí)驗(yàn)研究

王凌杰1，李競(jìng)2

（1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215000；2.上海呈恩壓縮機(jī)有限公司，上海201808）

吸氣壓力的控制是壓縮機(jī)性能測(cè)試裝置設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，依據(jù)膨脹閥流量特性的分析，采用兩種典型特性的膨脹閥對(duì)冷量大小不同的壓縮機(jī)分別進(jìn)行了測(cè)控，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了偏差分析，得出了膨脹閥特性對(duì)壓縮機(jī)性能測(cè)試精度影響的趨勢(shì)，為制冷壓縮機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、膨脹閥的選擇提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

膨脹閥；壓縮機(jī)；性能測(cè)試；偏差分析

1　引言

在采用第二制冷劑量熱器法的壓縮機(jī)性能測(cè)試裝置中，需要測(cè)控的物理參數(shù)有壓縮機(jī)的吸氣壓力、吸氣溫度、排氣壓力、排氣溫度、膨脹閥前的液體壓力和溫度、輸入量熱器的電加熱量、第二制冷劑的壓力等，測(cè)試過程中這些被測(cè)參數(shù)的波動(dòng)必須控制在一定范圍內(nèi)，否則會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)性能測(cè)試結(jié)果的累積誤差較大，難以真實(shí)反映壓縮機(jī)的性能。

在上述測(cè)試參數(shù)中，吸氣壓力的控制是壓縮機(jī)性能測(cè)試裝置設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，壓縮機(jī)每一個(gè)吸排氣壓力測(cè)量值與規(guī)定值間的最大允許偏差±1.0%，而測(cè)量值的每一個(gè)讀數(shù)相對(duì)于平均值的最大允許偏差±0.5%。由于吸氣壓力的絕對(duì)值較小，尤其在測(cè)量最大壓差工況時(shí)，測(cè)量值與規(guī)定值和平均值間分別要達(dá)到4 kPa和2 kPa的波動(dòng)范圍，超過這一范圍則屬于不合格。

關(guān)于吸氣壓力的控制問題，研究人員提出了多種控制措施，如采用模糊控制器、氣動(dòng)比例閥等，并取得了一定的成效。但考慮到壓縮機(jī)性能試驗(yàn)裝置的測(cè)試對(duì)象并不是單一型號(hào)的壓縮機(jī)，而是一系列性能不同、制冷量處于一個(gè)較寬范圍的壓縮機(jī)，且性能試驗(yàn)裝置的膨脹閥是按照測(cè)試最大負(fù)荷的壓縮機(jī)選取的，在進(jìn)行小冷量的壓縮機(jī)性能測(cè)試時(shí)，為適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷的變化，膨脹閥的開度將變得很小，采用固定不變的膨脹閥是否都能夠得到高精確度的測(cè)試結(jié)果，這是需要進(jìn)行研究的。因此，本文擬采用不同特性的膨脹閥，對(duì)冷量范圍相差較大的壓縮機(jī)分別進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)其測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，以實(shí)驗(yàn)的方法研究膨脹閥的特性對(duì)壓縮機(jī)性能測(cè)試精度的影響，得出一些有價(jià)值的結(jié)論，為更好地進(jìn)行膨脹閥的選擇、實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)吸氣壓力的穩(wěn)定精確的控制、提高壓縮機(jī)性能測(cè)試的精確度提供參考。

2　膨脹閥的流量特性分析

膨脹閥的流量特性是指流過膨脹閥的介質(zhì)相對(duì)流量與閥的相對(duì)開度之間的關(guān)系，即

式中Q/Qmax——流過膨脹閥的工質(zhì)相對(duì)流量，即閥在某一開度下的流量與全開時(shí)的流量之比

L/Lmax——膨脹閥的相對(duì)開度，即閥在某一開度下的行程與全開時(shí)的行程之比

膨脹閥閥芯的形狀決定其流量特性。閥芯一般具有比例特性、等百分比特性、拋物線特性及快開特性等。

流量特性分為理想流量特性與實(shí)際流量特性：理想流量特性是在實(shí)驗(yàn)條件下，閥前后的壓差保持不變時(shí)改變流量所得到的特性曲線；實(shí)際流量特性是將膨脹閥安裝在管路系統(tǒng)上后測(cè)得的閥相對(duì)流量與相對(duì)開度之間的關(guān)系曲線。

2.1膨脹閥的理想流量特性

圖1為幾種不同閥芯的膨脹閥理想流量特性曲線。當(dāng)相對(duì)開度為零時(shí)，流過閥的工質(zhì)為最小流量，此最小流量為最大流量的3.3%。對(duì)比例特性的膨脹閥，其理想流量特性為一斜率等于常數(shù)的直線，該流量特性線可表示為

式中K——膨脹閥的放大系數(shù)，即特性曲線的斜率，為表示閥靜態(tài)特性的參數(shù)

等百分比流量特性的膨脹閥的流量特性可表示為

圖1　調(diào)節(jié)閥的理想流量特性曲線

等百分比流量特性曲線的斜率與相對(duì)流量成正比。隨著相對(duì)流量的增加，曲線的放大系數(shù)變大。

拋物線特性介于直線特性和等百分比特性之間?？扉_特性閥的流量特性曲線為一向上拱起的曲線，這一類閥實(shí)際應(yīng)用較少。

2.2膨脹閥的實(shí)際流量特性

在實(shí)際應(yīng)用中，膨脹閥是安裝在具有一定阻力的管道系統(tǒng)上，閥前后的壓差并不同于實(shí)驗(yàn)條件。此外，由于壓縮機(jī)性能試驗(yàn)裝置的膨脹閥是按照制冷劑最大流量選取的，在測(cè)試不同冷量的壓縮機(jī)時(shí)，膨脹閥應(yīng)有不同的開度。因此，膨脹閥的實(shí)際流量特性曲線與理想流量特性曲線不一致。由于膨脹閥流量特性的改變，使得在實(shí)際測(cè)試中，控制過程偏離理想狀態(tài)，有可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)試中設(shè)定工況參數(shù)的不穩(wěn)定，從而影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度。

圖2　比例流量特性

圖2、圖3是比例特性和等百分比特性的膨脹閥在S不同的情況下的流量特性曲線（S為管道系統(tǒng)壓力分配上閥門所占有的權(quán)度）。當(dāng)S=1，即系統(tǒng)總壓力全部落在閥上且保持不變時(shí)，閥的流量特性為理想流量特性，隨著權(quán)度S的減小，閥的流量特性曲線發(fā)生畸變，各特性曲線均向上拱起。當(dāng)S很小時(shí)，理想的比例特性曲線趨向快開特性，等百分比特性曲線則趨向比例特性［2］。

由于在實(shí)際工作中難以確定膨脹閥所占有的權(quán)度，因此各種膨脹閥的實(shí)際流量特性曲線并不確定?？紤]到膨脹閥的節(jié)流作用，且制冷劑在量熱器內(nèi)的壓力降較小，可以認(rèn)為膨脹閥的實(shí)際流量特性偏離理想流量特性并不多。

圖3　等百分比流量特性

3　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于實(shí)際應(yīng)用的主要是比例特性和等百分比特性的膨脹閥，因此實(shí)驗(yàn)中僅選取這兩種膨脹閥來進(jìn)行試驗(yàn)研究。壓縮機(jī)性能測(cè)試方法仍采用第二制冷劑法，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置如圖4所示。性能不同的兩個(gè)膨脹閥并聯(lián)在制冷劑液體管路上，分別獨(dú)立調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的吸氣壓力。膨脹閥前的截止閥在該支路工作時(shí)全開，不工作時(shí)關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)可防止制冷劑從該支路漏過。吸氣溫度由量熱器內(nèi)的電加熱器調(diào)節(jié)，排氣壓力通過改變冷凝器的供水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，膨脹閥前的液體溫度由閥前設(shè)置的過冷器調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)所用的膨脹閥是經(jīng)過改造的電子膨脹閥，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)配用行星齒輪減速器，閥從全開到全關(guān)大約需要1500次脈沖。UT351數(shù)字智能PID調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)動(dòng)角度，經(jīng)過齒輪減速器減速后，驅(qū)動(dòng)膨脹閥閥芯動(dòng)作。吸氣壓力的檢測(cè)與反饋采用美國(guó)Setra壓力變送器。

實(shí)驗(yàn)中選取1HP、3HP和4.75HP的空調(diào)用全封閉式壓縮機(jī)，每臺(tái)壓縮機(jī)均利用不同特性的膨脹閥進(jìn)行吸氣壓力和性能測(cè)試，試驗(yàn)工況參數(shù)的設(shè)定值與實(shí)測(cè)值均通過計(jì)算機(jī)輸入并采集記錄。通過吸氣壓力的測(cè)量數(shù)據(jù)的分析檢驗(yàn)吸氣壓力的波動(dòng)情況，并計(jì)算壓縮機(jī)的制冷量，分析其偏差，得出膨脹閥的不同特性對(duì)壓縮機(jī)性能測(cè)試精度影響的規(guī)律。

圖4　測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況按照壓縮機(jī)的名義工況設(shè)定，吸氣飽和（蒸發(fā)）溫度設(shè)定為7.2℃，吸氣壓力值為吸氣飽和溫度所對(duì)應(yīng)的壓力，排氣溫度設(shè)為54.4℃，吸氣溫度設(shè)為18.3℃，液體溫度設(shè)為46.1℃，實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度保持在25±10℃的范圍內(nèi)。為檢驗(yàn)吸氣壓力控制精度情況，實(shí)驗(yàn)過程中將數(shù)據(jù)采樣時(shí)間設(shè)為10 min/1次，以得到更多的數(shù)據(jù)。

表1為實(shí)驗(yàn)過程中記錄的壓縮機(jī)吸氣壓力實(shí)測(cè)值，表2為吸氣壓力測(cè)量值的偏差分析。表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別代表1HP、3HP和4.75HP的全封閉式壓縮機(jī)，A組為采用比例特性的膨脹閥測(cè)得的吸氣壓力值，B組為采用等百分比特性的膨脹閥測(cè)得的吸氣壓力。

由表2的偏差分析可以看出，雖然采用2種不同特性的膨脹閥測(cè)得的吸氣壓力與規(guī)定值間的最大偏差率和與平均值間的最大偏差率均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，但在測(cè)試1HP的壓縮機(jī)時(shí)，采用等百分比特性的膨脹閥比采用比例特性的膨脹閥調(diào)節(jié)的吸氣壓力波動(dòng)范圍小，測(cè)得的數(shù)據(jù)偏差小，吸氣壓力的控制精度高。3HP的壓縮機(jī)測(cè)試時(shí)兩者控制精度接近，而在進(jìn)行4.75HP的壓縮機(jī)性能試驗(yàn)時(shí)，采用比例特性的膨脹閥對(duì)吸氣壓力的控制精度更高。

表3為規(guī)定試驗(yàn)工況下的制冷量數(shù)據(jù)表。表中的制冷量?jī)H考慮了吸氣壓力變化，且假定其它測(cè)量參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)的性能無影響。修正壓縮機(jī)的制冷量時(shí)，吸氣壓力取實(shí)測(cè)值，其它參數(shù)取其多次測(cè)量值的平均值作為真值，從而換算得出規(guī)定工況下的壓縮機(jī)制冷量。

表1　壓縮機(jī)吸氣壓力實(shí)測(cè)值

表2　吸氣壓力的控制精度分析

表3　規(guī)定工況下的壓縮機(jī)制冷量分析

制冷量的的最大偏差分析同樣反映了一個(gè)趨勢(shì)，即在測(cè)試小冷量的壓縮機(jī)時(shí)，采用等百分比特性的膨脹閥試驗(yàn)偏差小、測(cè)量精確度較高，而在測(cè)試?yán)淞枯^大的壓縮機(jī)時(shí)，采用比例特性的膨脹閥測(cè)試精度更高。

產(chǎn)生這種趨勢(shì)的原因與膨脹閥自身的特性有關(guān)。對(duì)等百分比特性的膨脹閥，在閥的開度較小時(shí)，相對(duì)開度每變化一個(gè)單位，相對(duì)流量的變化則較小，吸氣壓力控制過程中可實(shí)現(xiàn)微調(diào)作用，因而調(diào)節(jié)精度高，吸氣壓力容易穩(wěn)定。對(duì)比例特性的膨脹閥，由于閥的相對(duì)開度與相對(duì)流量基本成比例關(guān)系，控制器每發(fā)來一個(gè)脈沖，閥的開度變化范圍基本上是固定的。當(dāng)系統(tǒng)受到較弱的干擾、自動(dòng)控制系統(tǒng)需要膨脹閥作出更小的調(diào)節(jié)動(dòng)作時(shí)，由于閥的最小開度變化范圍大而造成超調(diào)，使得吸氣壓力偏離設(shè)定值較多。

在測(cè)試?yán)淞枯^大的壓縮機(jī)時(shí)，由于閥的開度加大，比例特性的膨脹閥的優(yōu)點(diǎn)則體現(xiàn)出來。等百分比特性的膨脹閥由于放大系數(shù)的增加，閥的最小調(diào)節(jié)范圍加大，控制精度下降，但是由于PID控制器輸出脈沖的調(diào)節(jié)作用，吸氣壓力的控制也可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，但較比例特性的膨脹閥的控制精度要差。在閥的相對(duì)開度處于中間范圍時(shí)，兩者的控制作用是相近的。

5　結(jié)論

膨脹閥的自身特性對(duì)壓縮機(jī)性能測(cè)試的精確度有一定影響作用，膨脹閥的正確選擇可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓為提高壓縮機(jī)性能測(cè)試的精度，若性能試驗(yàn)裝置用于測(cè)試?yán)淞拷咏囼?yàn)臺(tái)測(cè)試范圍下限的壓縮機(jī)，試驗(yàn)中膨脹閥的相對(duì)開度較小時(shí)，建議采用等百分比特性的膨脹閥。對(duì)冷量接近試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試范圍中、上限的壓縮機(jī)，在性能測(cè)試中最好采用比例特性的膨脹閥。

縮機(jī)吸氣壓力最佳的控制作用，使得壓縮機(jī)的性能測(cè)試數(shù)據(jù)最接近其真值，大大減小測(cè)量誤差。

［1］王凌杰.汽車空調(diào)壓縮機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)的研制［D］.上海：上海理工大學(xué)，2010.

［2］陳芝久，吳靜怡.制冷裝置自動(dòng)化（第2版）［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2010，4.

［3］吳東興，金蘇敏，樊高定.電子膨脹閥-壓縮機(jī)的同步控制［J］.流體機(jī)械，2005，33（5）：78-79.

［4］張川，馬善偉，陳江平，等.電子膨脹閥節(jié)流機(jī)構(gòu)流量特性的試驗(yàn)研究［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40（2）：291-300.

［5］Sporlan.TEV Theory of Operation，Application and Selection［M］.Sporlan Bulletin，2005.

Experimental Study for the Influence of Expansion Valve Characteristics on the Performance Testing Precision of Compressor

WANG Ling-jie1，LI Jing2
（1.Suzhou Institute of Trade&Commerce，Suzhou 215000，China；2.Shanghai Cheng En Compressor Co.，Ltd.，Shanghai 201808，China）

Control of suction pressure has been one of the difficult points in the design in compressor performance test device.According to the analysis of expansion valve flow characteristics，different refrigerating capacity compressors are tested and deviations of test data are analyzed by using two typical characteristics expansion valves.The influence trend of expansion valve characteristics on the performance testing precision of compressor is obtained and it provides an experimental basis for the design of refrigerating compressor performance test system and selection of expansion valve.

expansion valve；compressor；performance testing；deviation analysis

TH45；TB65

A

1006-2971（2014）06-0038-05

王凌杰（1971-），男，工程師，工學(xué)碩士，主要從事現(xiàn)代制冷機(jī)械設(shè)計(jì)方法、制冷工程的教學(xué)與研究工作。E-mail：szjywlj@126.com

2014-08-29