电子膨胀阀流量特性试验台的研制

蔡培裕,俞少峰,虞海峰

(1.浙江盾安人工环境股份有限公司,浙江诸暨311835)(2.上海市质量监督检验技术研究院,上海200072)

0 前 言

电子膨胀阀是指运用电子式调节模式,按照预设程序调节蒸发器供液量的节流装置。它既可以调节制冷剂流量,使得制冷量和负荷量相匹配,维持温度相对恒定;又可以精确控制蒸发器出口过热度,保证蒸发器的传热面积得到有效利用,具有调节范围大、调节反应快、控制精度高等特点。因此,在变制冷剂流量的系统中,电子膨胀阀作为节流元件可以很好的控制流量、蒸发温度及过热度[1],使得蒸发器负荷、压缩机的输送量及阀的供液量相适应[2-3],产生节能、高效及高舒适性的效果。

随着电子膨胀阀的广泛应用,国内外学者对其进行了不同方式的研究 (控制方案、算法改进等)[4]。但无论哪种方式的研究,最后应用在制冷系统中,电子膨胀阀的阀芯决定其流量特性。此外,应用在不同系统和产品的电子膨胀阀,即使运行工况相同,对阀的流量特性要求也不一样。这就迫切要求研制适用于各种系统的电子膨胀阀。

因此,通过研制电子膨胀阀流量特性试验装置进行试验研究,是进行电子膨胀阀流量特性研究的重要手段。

1 电子膨胀阀流量特性试验研究方法

电子膨胀阀的流量特性的测定首先要参照制冷系统阀件的测量标准。因此设计试验台需要参考国内机械行业标准中有关膨胀阀的测量标准。

标准JB/T 10212-2000制冷空调用直动式电子膨胀阀中规定,流量试验按6.8.1.1规定的方法进行。

1.1 试验条件

根据试验工况规定的参数调节压力调节阀和手动膨胀阀,待工况稳定后,测得被测膨胀阀不同开度时的制冷剂流量,至少10个点以上。如图1所示。试验装置中,用于试验的制冷剂中的含油量不超过5%。所示的膨胀阀控制器在该部位能任意开启、关闭膨胀阀,并能测定电子膨胀阀开度。

1.2 试验数据处理

根据测定的试验数据值,绘制一相对膨胀阀开度的制冷剂流量曲线。

图1 测试标准Fig.1 The standard of test

2 电子膨胀阀流量特性试验

2.1 试验台的性能指标

(1)制冷剂:R410A、R134a、R22;

(2)电子膨胀阀的容量:1～18kW(空调工况);

(3)蒸发温度:-10～15℃;

(4)冷凝温度:40℃;

2.2 试验台原理

电子膨胀阀的流量特性是指在一定进出口条件下通过电子膨胀阀的制冷剂质量流量与阀开度之间的对应变化关系[5]。根据学者的研究结果[6],电子膨胀阀的流量特性由下式决定:

m—制冷剂的流量,kg/s;

CD—流量系数;

A—阀的流通面积,m2;

ρ—进口制冷剂的密度,kg/m3;

P1—制冷剂进口压力,Pa;

P2—制冷剂出口压力,Pa

根据上述公式可知,通过控制电子膨胀阀的前后压力,可确定电子膨胀阀的流量。基于这个特点,搭建了电子膨胀阀流量特性试验台,试验原理如图2所示。

图2 流量特性试验台原理图Fig.2 The theory chart of the Flow performance experimental equipment

图中:1至2为制冷循环中的压缩过程;2至3为制冷循环中冷凝过程;3至4为过冷过程;4至5为节流过程;5至1为制冷循环中蒸发过程。

2.3 试验台系统及组成

试验台系统如图3所示,由三洋全封闭涡旋压缩机、板式冷凝器、板式过冷器、过冷度控制器、储液器、电动旁通调节阀、油分离器、干燥过滤器、气液分离器、流量计、视液镜、卸载电磁阀等组成,且存在两个蒸发器管路。主要是采用旁通调节制冷剂流量的方法,以测试不同电子膨胀阀的容量和特性。

主蒸发器管路上,在过冷度控制器进口设有制冷剂流量计;在过冷度控制器出口和电子膨胀阀的进口之间,设置压力传感器和温度传感器;在电子膨胀阀的出口设有压力传感器。

系统使用的压力传感器为Setra C206压力变送器,精度为A级;温度传感器采用精度为A级±0.1℃的 Pt电阻;制冷剂流量计为 KROHNE MFM1081K-12,精度为0.15%。

系统的控制流程如下:利用压力传感器和温度传感器采集电子膨胀阀的阀前压力、阀后压力及阀前温度,输入到上位机中,并与各个参数的设定值进行比较,控制电动旁通调节阀、电动三通调节阀、及电加热器,直至达到试验工况的设定值。如图4所示。

该试验台的压力、温度、流量等测量数据均转换4～20mA模拟量信号,并输入到数据采集仪Agilent 34970A中;电动旁通调节阀、电动三通调节阀、电加热器等控制调节设备的执行元件均由PLC(可编程逻辑控制器)和PID控制。

试验台的控制系统,由上下位机的主从式结构,SIEMENS S7-200PLC、Agilent数据采集仪及PID控制器等作为下位机完成数据采集和控制功能;上位机采用工业计算机与下位机进行数据交换,实现数据的输入、显示、报警、存储、分析、打印等功能。

采用这种控制系统可以精确实现试验工况的控制。

3 结论

在国内机械行业标准中有关膨胀阀的测量标准的基础上,设计了测试电子膨胀阀流量特性的试验装置。该试验台可以分析被测阀流量特性,从而对电子膨胀阀与变频制冷系统进行合理匹配,达到理想运行效果。

[1]隋志蔚,杨前明.基于Matlab的电子膨胀阀PID控制仿真分析.2007年山东省制冷空调学术年会论文集,2007:206-208

[2]张超甫,李红旗,赵志刚等.多联机系统中电子膨胀阀运行特性研究[J].制冷.2007,26(1):50-53

[3]姚敏.电子膨胀阀在制冷技术上的应用[J].广西大学学报.2009,34(7):243-245

[4]王艳.电子膨胀阀在变负荷制冷系统中的应用研究[D].上海:上海理工大学,2010

[5]陈儿同,徐文强,徐彬凯,王艳.降低真空冷却失水的方法研究[J].真空,2009,46(2):70-73

[6]张保青.电子膨胀阀流量特性试验台的研制[D].上海:上海交通大学,2004