R410A電子膨脹閥流量特性的實驗研究.doc

R410A電子膨脹閥流量特性的實驗研究葉奇昉 陳江平 陳芝久摘要：本文電子膨脹閥的流量特性進行了研究，實驗測定了不同結(jié)構(gòu)的電子膨脹閥在不同工況下的流量特性。在考慮膨脹閥的流通面積、閥頭結(jié)構(gòu)、膨脹閥進出口工況、制冷劑性質(zhì)等參數(shù)的影響下，基于實驗數(shù)據(jù)，擬合了R410A在指定工況下的流量特性關(guān)聯(lián)式，獲得的關(guān)聯(lián)式與實際數(shù)據(jù)的相對偏差在-7.6%0.5%之間。 關(guān)鍵詞：電子膨脹閥 流量特性 制冷劑 1 引言制冷系統(tǒng)中的節(jié)流機構(gòu)與壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器并稱為制冷系統(tǒng)的“四大件”，是制冷系統(tǒng)中必不可少的元件之一，起著節(jié)流降壓的作用。它直接控制著蒸發(fā)器制冷劑的流量和蒸發(fā)器出口的過熱度。節(jié)流機構(gòu)與系統(tǒng)其它主要部件的良好匹配是改善系統(tǒng)運行并適應系統(tǒng)負荷變化的基礎。由于毛細管和節(jié)流短管流通面均不可變，對于流量特性其影響因素相對較少。國內(nèi)外研究者對流量特性研究較多1-5，并總結(jié)了許多流量特性的經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式。Wolf5等對以R22, R134A, 與R410A為工質(zhì)的毛細管的流量特性提出了無量綱經(jīng)驗公式。Melo6等對以R12, R134A, R600A為工質(zhì)的毛細管的流量特性提出了經(jīng)驗公式。Kim7等人對以R22, R407C,R410A為工質(zhì)的不同形狀的毛細管流量特性提出了類似于Wolf的經(jīng)驗公式。以上三家的經(jīng)驗公式精度都較高。Aaron與Domanski8，Kim與ONeal9針對以R22為工質(zhì)，Choi與Kim10針對以R410A為工質(zhì)的節(jié)流短管的流量特性提出了經(jīng)驗公式，其公式精度較高。而對于其它可變節(jié)流面積的節(jié)流機構(gòu)熱力膨脹閥和電子膨脹閥，影響流量特性的因素較多，目前鮮有述及。新型制冷劑如R134A、R407C和R410A等的使用，不僅對膨脹閥制造企業(yè)帶來了新的難題，對于膨脹閥的用戶也帶來了新的挑戰(zhàn)。隨著變頻空調(diào)的日益流行，電子膨脹閥的應用越來越廣泛。與傳統(tǒng)的毛細管、節(jié)流短管以及熱力膨脹閥相比，電子膨脹閥調(diào)節(jié)精度高，調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點。但是，目前對于電子膨脹閥流量特性的研究還很薄弱。仍然采用水力學公式對它進行描述11： （1）式中：為制冷劑流量，為流量系數(shù)為流通面積，為進口制冷劑的密度，、分別為膨脹閥進出口壓力，迄今為止，對影響節(jié)流機構(gòu)流量特性的因素，眾家說法不一，甚至出現(xiàn)了相互矛盾的說法。Kim與ONeal12認為節(jié)流機構(gòu)的流量特性與節(jié)流機構(gòu)幾何特性，入口條件，出口壓力有關(guān)，并以此擬合出了節(jié)流短管的流量系數(shù)半經(jīng)驗公式。Singh13等人認為節(jié)流機構(gòu)的流量特性不僅與上述因素有關(guān)，還與制冷劑物性有關(guān)。市川常雄18認為錐閥的流量系數(shù)與閥針的角度，閥的開度，節(jié)流通道直徑等因素有關(guān)。笠井浩爾對閥進行了系統(tǒng)的進行了研究19 ,并得出線性閥的流量系數(shù)不僅與工質(zhì)的物性有關(guān),還與閥的幾何參數(shù)有關(guān)。Stone20認為球閥的流量系數(shù)與雷諾數(shù)成指數(shù)關(guān)系：(2) 、n的取值與閥的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。阿武芳朗21等認為滑閥的流量系數(shù)不僅與Re數(shù)有關(guān)，而且與閥口開度，徑向間隙等都有關(guān)系。D.D.Wile22研究了熱力膨脹閥的流量特性后認為流量系數(shù)與膨脹閥的幾何特性無關(guān)，而與制冷劑物性以及進出口條件有關(guān)，并針對R22為制冷劑時提出了流量系數(shù)的經(jīng)驗公式：（3） 式中：制冷劑液體進口密度，kg/m3 制冷劑出口比容， m3/ kg而A.Davies和T.C.Daniels23則認為流量系數(shù)僅僅與工質(zhì)的出口干度有關(guān)，并指出飽和的R12制冷劑液體通過薄刃銳孔節(jié)流時，實際流量與節(jié)流后的干度成線性反比。本文通過建立基于液環(huán)法的實驗系統(tǒng)，對新工質(zhì)R410A電子膨脹閥的節(jié)流特性進行研究，獲得了膨脹閥流量系數(shù)與閥體幾何結(jié)構(gòu)，進出口條件以及制冷劑物性的關(guān)系。2 實驗臺及電子膨脹閥試樣簡介2.1 實驗臺簡介圖1為試驗的原理圖。圖中,實驗臺的理論循環(huán)為1 - 2 - 3 - 4 -1 ，實際制冷系統(tǒng)循環(huán)為6 - 5 - 2 - 3 - 6。其中,41 為制冷劑在磁力泵中壓力升高的過程；1 2為低壓換熱器中加熱升溫過程；2 3 為節(jié)流過程；3 4 為高壓換熱器中冷凝放熱過程；6 5 為制冷循環(huán)中壓縮機壓縮過程；5 2 為制冷循環(huán)中冷凝放熱過程；2 3 為節(jié)流過程；3 6 為制冷循環(huán)蒸發(fā)器中蒸發(fā)過程。圖1 實驗臺原理圖試驗采用新工質(zhì)R410A，試驗臺的裝置如圖2：圖2 實驗裝置圖實驗控制的參數(shù)為電子膨脹閥前的溫度、壓力。測試結(jié)果為制冷劑流量，采用質(zhì)量流量計測量。電子膨脹閥從全關(guān)到全開為500脈沖，開度由PLC控制。閥前溫度通過調(diào)節(jié)熱水泵變頻器頻率改變熱水循環(huán)流量來獲得，閥后溫度和壓力可以通過改變乙二醇泵變頻器頻率來獲得。2.2 實驗參數(shù)設定本文對DPF系列電子膨脹閥進行了實驗，選取的膨脹閥有DPF1.6、DPF1.8、DPF2.0、DPF2.2四種膨脹閥,膨脹閥的閥針、閥座結(jié)構(gòu)如圖3。不同膨脹閥的閥針、閥座參數(shù)不同。實驗過程中，將同一個閥針安放在不同的閥中進行了實驗。根據(jù)國際標準，本文測試工況點：閥前壓力：23.981、27.014、30.333bar，冷凝溫度：40、45、50，過冷度：1.5、5、10。蒸發(fā)溫度分別為0、5、10；本試驗中閥前溫度偏差可控制在0.2；閥前、閥后壓力偏差控制在20kPa；閥后溫度偏差控制在1。3 實驗結(jié)果及分析將膨脹閥的開度依次增加50脈沖從100脈沖到500脈沖，將工況穩(wěn)定在設定點180s，記錄所測的質(zhì)量流量。前人對毛細管、節(jié)流短管以及膨脹閥的研究結(jié)果表明5-10,12，節(jié)流機構(gòu)的流量特性與節(jié)流機構(gòu)的進口溫度、壓力，出口壓力、干度，進出口的壓力差，節(jié)流機構(gòu)的流通面積，節(jié)流機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素有關(guān)。因此本文選取，為變量對膨脹閥流量特性進行關(guān)聯(lián)式擬合?？梢员硎緸椋海?）式中各項意義如表1：表1 閥座孔的內(nèi)徑，流通面積的等效直徑 流通面積 入口過冷度 進口壓力 進出口壓力差 出口干度進口密度 進口動力粘度 進口汽化潛熱 臨界溫度 臨界壓力 本文選取， 作為基本物理量。對（3）式進行量綱分析可得：（4）至的意義如表2表2 本文將（4）式寫成方程（5）的形式：（5）本文基于DPF1.6，DPF1.8，DPF2.0，DPF2.2四種閥的實驗數(shù)據(jù)擬合出了如（5）式形式的關(guān)聯(lián)式：(6)并將關(guān)聯(lián)式（6）對DPF2.2閥座內(nèi)置2.0閥針膨脹閥的實驗數(shù)據(jù)進行驗證，其關(guān)聯(lián)式與實驗結(jié)果的相對偏差如圖3：圖3 關(guān)聯(lián)式相對偏差從圖3中可以看出，關(guān)聯(lián)式與實驗結(jié)果的相對偏差在-7.6%0.5%之間，相對偏差較小。4 結(jié)論本文通過液環(huán)法節(jié)流機構(gòu)實驗臺，對不同閥頭結(jié)構(gòu)的電子膨脹閥使用R410A為制冷劑時在不同工況下的流量特性進行了實驗研究。在考慮不同流通面積、閥前工況、閥前物性、閥前后壓力差、閥后工況、閥體結(jié)構(gòu)等參數(shù)的影響的情況下，擬合出了電子膨脹閥流量特性的關(guān)聯(lián)式。關(guān)聯(lián)式經(jīng)實驗驗證，相對偏差在-7.6%0.5%之間，能夠較準確的描述R410A在冷凝溫度40至50之間，過冷度在1.5至10之間，出口溫度在0至10之間經(jīng)過電子膨脹閥的流量特性。參考文獻1 Stabler LA. Theory and use of a capillary tube for liquid refrigerant control. Refrigerating Eng 1948;55(1):559.2 Li RY, Lin S, Chen ZH. Numerical modeling of thermodynamic non-equilibrium flow of refrigerant through capillary tubes. ASHRAE Trans 1990;96(1):5429.3 Chen ZH, Li RY, Lin S, Chen ZY. A correlation for metastable flow of refrigerant 12 through capillary tubes.ASHRAE Trans 1990;96(1):55044 Wijaya H. Adiabatic capillary tube test data for HFC-134a. In: Proceedings of the Int. Refrigeration Conf. At Purdue, West Lafayette, Indiana, USA; 1992. p. 6371.5 Wolf DA, Bittle RR, Pate MB. Adiabatic capillary tube performance with alternative refrigerants. ASHRAE RP-762, 1995.6Melo C, Ferreira RTS, Neto CB, Goncalves JM, Mezavila MM. An experimental analysis of adiabatic capillary tubes. Applied Thermal Eng 1999;19:66994.7Kim SG, Kim MS, Ro ST. Experimental investigation of the performance of R22, R407C, and R410A in several capillary tubes for air-conditioner. Int J Refrigeration 2002;25:52131.8Aaron DA, Domanski PA. Experimentation, analysis, and correlation of refrigerant-22 flow through short tube restrictors. ASHRAE Trans 1990;96(1):72942.9Kim YC, ONeal DL. Two-phase flow of R-22 through short tube orifices. ASHRAE Trans 1994;100(1):32334.10Choi Chung,Kim. A generalized correlation for two-phase flow of alternative refrigerants through short tube orifices. International Journal of Refrigeration 27 (2004) 39340011 Yongchan Kim, 1994. “Two-phase Flow of R-134a and R-12 through Short-Tube Orifices”, ASHRAE Transactions 100(part2), 582-591.12 Kim Y, ONeal DL. A semi-empirical model of two-phase flow of refrigerant-134-a through short tube orifices.Experimental Thermal and Fluid Science 1994;9(4):42635.13 Singh GM, Hrnjak PS, Bullard CW. Semi-empirical model of refrigerant R134a flow through orifice tubes. International Journal of HVAC&R Research 2001;7(3):24562.14 市川常雄, 清水孝,牟流量系，機論31卷222號1965,PP.317-319.15 笠井浩爾, 丹弁流量系數(shù), 機論32卷, 251號,1967:1083-1096.16 stone J A. Discharge coefficient and steadystate flow forces for hydraulic poppet valves. Trans ASME, Jour.Engng,82 Ser.D-1(march 1960):144-158.17 阿武芳朗 秋山伸幸, -形油壓方向切換牟流量系數(shù)(第一報,第二報).