膨胀阀特性对压缩机性能测试精确度影响的研究

2014-09-19王凌杰李竞

机械制造与自动化 2014年6期

王凌杰,李竞

(1.苏州经贸职业技术学院,江苏苏州215000;2.托格(上海)压缩机有限公司,上海201800)

0 引言

在压缩机性能测试中,吸气压力是由膨胀阀调节的。测试过程中,压缩机吸气压力的波动必须被控制在一定范围内,否则测试结果难以真实地反映压缩机的性能。

有关吸气压力的控制,人们采用过模糊控制器、气动比例阀等。但是,压缩机性能试验的测试对象并不是单一型号的压缩机,而是一系列性能不同、制冷量不同的压缩机。测试装置采用的膨胀阀是按照测试对象的最大负荷选取的。对于大容量的压缩机性能测试,膨胀阀的开度较大,而在进行小容量的压缩机测试时,膨胀阀的开度将变得很小,阀的调节裕度也随之减小,采用一个固定特性的膨胀阀很难保证不同性能压缩机的高精度测试。

本文拟采用不同特性的膨胀阀,对冷量大小接近试验装置测试范围上、中、下限的压缩机分别进行性能试验,分析压缩机吸气压力的变化并折算其性能参数,探讨膨胀阀特性对压缩机性能测试精度的影响规律,为膨胀阀的正确选择、提高压缩机性能测试的精确度提供参考。

1 膨胀阀的流量特性分析

目前,压缩机性能试验装置均采用电子膨胀阀,其结构与阀芯形状如图1所示。

图1 电子膨胀阀的结构及其阀芯形状

膨胀阀的流量特性由其阀芯的形状决定,其流量特性主要有比例特性、等百分比特性、抛物线特性及快开特性等。流过膨胀阀的介质相对流量与阀的相对开度之间的关系可用式(1)来表示。

式中:Q/Qmax——流过膨胀阀的工质相对流量,即阀在某一开度下的流量与全开时的流量之比;

L/Lmax——膨胀阀的相对开度,即阀在某一开度下的行程与全开时的行程之比。

膨胀阀的流量特性又分为理想流量特性与实际流量特性,理想流量特性是在实验条件下,阀前后的压差保持不变时改变流量所得到的特性曲线;实际流量特性则是将膨胀阀安装在管路系统上后测得的阀相对流量与相对开度之间的关系曲线。

比例特性膨胀阀的理想流量特性为一斜率等于常数的直线,其流量特性线可表示为:

式中:K——膨胀阀的放大系数,即特性曲线的斜率,为表示阀静态特性的参数。

等百分比特性膨胀阀的理想流量特性线为:

膨胀阀的实际流量特性曲线与理想流量特性曲线是不一致的。图2、图3是比例特性和等百分比特性的膨胀阀在S不同的情况下的实际流量特性曲线(S为管道系统压力分配上阀门所占有的权度)。当S＝1,即系统总压力全部落在阀上且保持不变时,阀的流量特性为理想流量特性。随着权度S的减小,阀的流量特性曲线发生畸变,各特性曲线均向上拱起。

图2 比例阀流量特性

图3 等百分比阀流量特性

在压缩机性能试验过程中,由于测试工况的改变,膨胀阀所占有的权度随之改变,因此各种膨胀阀的实际流量特性曲线是随着工况的改变而变化的,难以采用理论方法分析其特性对压缩机性能试验的影响,通常采用实验分析法。

2 实验系统设计

在生产实际中多采用比例特性膨胀阀和等百分比特性膨胀阀,因此,本实验选取这两种膨胀阀来进行研究。压缩机性能测试方法仍采用第二制冷剂法,实验系统流程如图4所示。

图4 测试实验系统流程图

由图4可见,实验系统将两个性能不同的膨胀阀并联在制冷剂液体管路上,分别独立调节压缩机的吸气压力。两膨胀阀前的截止阀在该支路工作时全开,不工作时关闭。吸气温度由量热器内的电加热器调节,排气压力通过改变冷凝器的供水量进行调节,膨胀阀前的液体温度由过冷器调节。测试实验系统具体设置如下。

2.1 实验系统配置与参数设定

1)采用改造的CEX23(7/8”,等百分比特性阀芯)和AKV10(7/8”,比例特性阀芯)膨胀阀,执行机构相同,均为步进电机结合减速齿轮组驱动阀芯动作,阀从全开到全关大约需要3 000次脉冲。

2)采用UT351数字智能PID调节器,控制步进电机的转动方向与转动角度。

3)吸气压力的检测与反馈,采用Setra 205－2型压力变送器。

4)采用Agilent 34970A数据采集仪,完成试验所需数据的交换。

5)吸气饱和(蒸发)温度设定为7.2℃,吸气压力为吸气饱和温度所对应的压力,排气温度与吸气温度分别设为54.4℃和18.3℃,液体温度为46.1℃。

6)实验过程中每10 min采集一次数据,通过计算机输入并采集记录。

2.2 实验测试内容

1)利用两种特性的膨胀阀对3台输入功率分别为1 HP、3 HP和4.75 HP的空调用全封闭式压缩机分别进行吸气压力和制冷量的测试。

2)通过对吸气压力和制冷量的试验偏差分析,研究膨胀阀流量特性对压缩机性能测试精确度影响的规律。

3 实验数据与分析

表1为实验过程中记录的压缩机吸气压力实测值,表2为折算到规定试验工况下的制冷量。表2中的制冷量仅考虑吸气压力变化,假定其他测量参数对压缩机的性能无影响。吸气压力取实测值,其他参数则取其多次测量值的平均值作为真值。表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别代表1 HP、3 HP和4.75 HP的全封闭式压缩机,A组为采用比例特性的膨胀阀测得的吸气压力值,B组为采用等百分比特性的膨胀阀测得的吸气压力值。

表1 吸气压力实测值

表2 规定工况下的压缩机制冷量

图4－图6为采用两种不同的膨胀阀测得的压缩机吸气压力值的偏差分析。图4－图6中左侧为各实测值与规定值之间的偏差分布;右侧为各实测值与平均值之间的偏差分布;虚线为标准规定的吸气压力测量值的允许偏差限(±1.0%和±0.5%)。

由图4－图6的吸气压力的偏差分布图可以看出虽然采用两种不同特性的膨胀阀测得的吸气压力与规定值间的最大偏差率和与平均值间的最大偏差率都没有超出国家标准规定范围,但是在测试1 HP的压缩机时,采用比例特性的膨胀阀调节的吸气压力与平均值间的偏差已达允许偏差限,而采用等百分比特性的膨胀阀调节的吸气压力波动范围小,控制精度高;测试3 HP的压缩机时两者测试精确度接近;4.75 HP的压缩机性能试验时,采用比例特性的膨胀阀对吸气压力的控制精度更高。

图4 Ⅰ号压缩机吸气压力偏差分布

图5 Ⅱ号压缩机吸气压力偏差分布

图6 Ⅲ号压缩机吸气压力偏差分布

图7－图9为3台压缩机采用不同膨胀阀测试的制冷量偏差分布,因压缩机制冷量为间接测量值,其真值无法确定,故仅分析其测量值与平均值之间的偏差。

图7 Ⅰ号压缩机冷量试验偏差分布

图8 Ⅱ号压缩机冷量试验偏差分布

图9 Ⅲ号压缩机冷量试验偏差分布

从图7－图9可以看出,不同性能压缩机试验的制冷量偏差分布反映了一个趋势,即在测试小冷量的压缩机时,采用等百分比特性的膨胀阀试验偏差小、测量精确度高;测试冷量较大的压缩机时,采用比例特性的膨胀阀测试精确度较高。这说明了产生这种趋势的原因与膨胀阀自身特性有较大的关系。

在测试冷量较小的压缩机时,等百分比特性膨胀阀在开度较小的情况下,相对开度每变化一个单位,相对流量的变化则较小,吸气压力控制过程中可实现微调作用,因而调节精度高,吸气压力容易控制。对比例特性的膨胀阀,由于阀的相对开度与相对流量基本成比例关系,控制器每发来一个脉冲,阀的开度变化范围基本上是固定的。当系统受到较弱的干扰、自动控制系统需要膨胀阀作出更小的调节动作时,由于阀的最小开度变化范围大于所需的开度变化,导致吸气压力偏离设定值较多。

在测试冷量较大的压缩机时,由于阀的相对开度加大,比例特性膨胀阀的优点则体现出来。等百分比特性的膨胀阀由于放大系数的增加,阀的最小调节范围加大,控制精度下降,但是由于PID控制器输出脉冲的调节作用,吸气压力的控制也可以达到标准要求,但较比例特性膨胀阀的控制精度差。

在测试冷量处于装置测试范围中间的压缩机时(即膨胀阀的相对开度处于中间范围),比例特性膨胀阀与等百分比特性膨胀阀对吸气压力的控制作用是相近的,对压缩机性能测试精确度的影响基本一致。