膨胀阀特性对压缩机性能测试精确度影响的实验研究

王凌杰，李竞

（1.苏州经贸职业技术学院，江苏苏州215000；2.上海呈恩压缩机有限公司，上海201808）

膨胀阀特性对压缩机性能测试精确度影响的实验研究

王凌杰1，李竞2

（1.苏州经贸职业技术学院，江苏苏州215000；2.上海呈恩压缩机有限公司，上海201808）

吸气压力的控制是压缩机性能测试装置设计的难点之一，依据膨胀阀流量特性的分析，采用两种典型特性的膨胀阀对冷量大小不同的压缩机分别进行了测控，并对试验数据进行了偏差分析，得出了膨胀阀特性对压缩机性能测试精度影响的趋势，为制冷压缩机性能试验台控制系统的设计、膨胀阀的选择提供了实验依据。

膨胀阀；压缩机；性能测试；偏差分析

1　引言

在采用第二制冷剂量热器法的压缩机性能测试装置中，需要测控的物理参数有压缩机的吸气压力、吸气温度、排气压力、排气温度、膨胀阀前的液体压力和温度、输入量热器的电加热量、第二制冷剂的压力等，测试过程中这些被测参数的波动必须控制在一定范围内，否则会导致压缩机性能测试结果的累积误差较大，难以真实反映压缩机的性能。

在上述测试参数中，吸气压力的控制是压缩机性能测试装置设计的难点之一。国家标准规定，压缩机每一个吸排气压力测量值与规定值间的最大允许偏差±1.0%，而测量值的每一个读数相对于平均值的最大允许偏差±0.5%。由于吸气压力的绝对值较小，尤其在测量最大压差工况时，测量值与规定值和平均值间分别要达到4 kPa和2 kPa的波动范围，超过这一范围则属于不合格。

关于吸气压力的控制问题，研究人员提出了多种控制措施，如采用模糊控制器、气动比例阀等，并取得了一定的成效。但考虑到压缩机性能试验装置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、制冷量处于一个较宽范围的压缩机，且性能试验装置的膨胀阀是按照测试最大负荷的压缩机选取的，在进行小冷量的压缩机性能测试时，为适应系统负荷的变化，膨胀阀的开度将变得很小，采用固定不变的膨胀阀是否都能够得到高精确度的测试结果，这是需要进行研究的。因此，本文拟采用不同特性的膨胀阀，对冷量范围相差较大的压缩机分别进行测试，并对其测试结果进行分析，以实验的方法研究膨胀阀的特性对压缩机性能测试精度的影响，得出一些有价值的结论，为更好地进行膨胀阀的选择、实现压缩机吸气压力的稳定精确的控制、提高压缩机性能测试的精确度提供参考。

2　膨胀阀的流量特性分析

膨胀阀的流量特性是指流过膨胀阀的介质相对流量与阀的相对开度之间的关系，即

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

膨胀阀阀芯的形状决定其流量特性。阀芯一般具有比例特性、等百分比特性、抛物线特性及快开特性等。

流量特性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。

2.1膨胀阀的理想流量特性

图1为几种不同阀芯的膨胀阀理想流量特性曲线。当相对开度为零时，流过阀的工质为最小流量，此最小流量为最大流量的3.3%。对比例特性的膨胀阀，其理想流量特性为一斜率等于常数的直线，该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

等百分比流量特性的膨胀阀的流量特性可表示为

图1　调节阀的理想流量特性曲线

等百分比流量特性曲线的斜率与相对流量成正比。随着相对流量的增加，曲线的放大系数变大。

抛物线特性介于直线特性和等百分比特性之间。快开特性阀的流量特性曲线为一向上拱起的曲线，这一类阀实际应用较少。

2.2膨胀阀的实际流量特性

在实际应用中，膨胀阀是安装在具有一定阻力的管道系统上，阀前后的压差并不同于实验条件。此外，由于压缩机性能试验装置的膨胀阀是按照制冷剂最大流量选取的，在测试不同冷量的压缩机时，膨胀阀应有不同的开度。因此，膨胀阀的实际流量特性曲线与理想流量特性曲线不一致。由于膨胀阀流量特性的改变，使得在实际测试中，控制过程偏离理想状态，有可能会导致测试中设定工况参数的不稳定，从而影响测试结果的准确度。

图2　比例流量特性

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。当S很小时，理想的比例特性曲线趋向快开特性，等百分比特性曲线则趋向比例特性［2］。

由于在实际工作中难以确定膨胀阀所占有的权度，因此各种膨胀阀的实际流量特性曲线并不确定。考虑到膨胀阀的节流作用，且制冷剂在量热器内的压力降较小，可以认为膨胀阀的实际流量特性偏离理想流量特性并不多。

图3　等百分比流量特性

3　实验系统的设计

由于实际应用的主要是比例特性和等百分比特性的膨胀阀，因此实验中仅选取这两种膨胀阀来进行试验研究。压缩机性能测试方法仍采用第二制冷剂法，实验系统配置如图4所示。性能不同的两个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。膨胀阀前的截止阀在该支路工作时全开，不工作时关闭，关闭时可防止制冷剂从该支路漏过。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阀前设置的过冷器调节。

实验所用的膨胀阀是经过改造的电子膨胀阀，其执行机构采用步进电机配用行星齿轮减速器，阀从全开到全关大约需要1500次脉冲。UT351数字智能PID调节器输出的控制信号控制步进电机的转动方向与转动角度，经过齿轮减速器减速后，驱动膨胀阀阀芯动作。吸气压力的检测与反馈采用美国Setra压力变送器。

实验中选取1HP、3HP和4.75HP的空调用全封闭式压缩机，每台压缩机均利用不同特性的膨胀阀进行吸气压力和性能测试，试验工况参数的设定值与实测值均通过计算机输入并采集记录。通过吸气压力的测量数据的分析检验吸气压力的波动情况，并计算压缩机的制冷量，分析其偏差，得出膨胀阀的不同特性对压缩机性能测试精度影响的规律。

图4　测试实验系统流程图

4　实验数据分析

实验测试工况按照压缩机的名义工况设定，吸气饱和（蒸发）温度设定为7.2℃，吸气压力值为吸气饱和温度所对应的压力，排气温度设为54.4℃，吸气温度设为18.3℃，液体温度设为46.1℃，实验室的环境温度保持在25±10℃的范围内。为检验吸气压力控制精度情况，实验过程中将数据采样时间设为10 min/1次，以得到更多的数据。

表1为实验过程中记录的压缩机吸气压力实测值，表2为吸气压力测量值的偏差分析。表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别代表1HP、3HP和4.75HP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。

由表2的偏差分析可以看出，虽然采用2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均符合国家标准的规定，但在测试1HP的压缩机时，采用等百分比特性的膨胀阀比采用比例特性的膨胀阀调节的吸气压力波动范围小，测得的数据偏差小，吸气压力的控制精度高。3HP的压缩机测试时两者控制精度接近，而在进行4.75HP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。

表3为规定试验工况下的制冷量数据表。表中的制冷量仅考虑了吸气压力变化，且假定其它测量参数对压缩机的性能无影响。修正压缩机的制冷量时，吸气压力取实测值，其它参数取其多次测量值的平均值作为真值，从而换算得出规定工况下的压缩机制冷量。

表1　压缩机吸气压力实测值

表2　吸气压力的控制精度分析

表3　规定工况下的压缩机制冷量分析

制冷量的的最大偏差分析同样反映了一个趋势，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、测量精确度较高，而在测试冷量较大的压缩机时，采用比例特性的膨胀阀测试精度更高。

产生这种趋势的原因与膨胀阀自身的特性有关。对等百分比特性的膨胀阀，在阀的开度较小时，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，吸气压力容易稳定。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而造成超调，使得吸气压力偏离设定值较多。

在测试冷量较大的压缩机时，由于阀的开度加大，比例特性的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，但较比例特性的膨胀阀的控制精度要差。在阀的相对开度处于中间范围时，两者的控制作用是相近的。

5　结论

膨胀阀的自身特性对压缩机性能测试的精确度有一定影响作用，膨胀阀的正确选择可以实现对压为提高压缩机性能测试的精度，若性能试验装置用于测试冷量接近试验台测试范围下限的压缩机，试验中膨胀阀的相对开度较小时，建议采用等百分比特性的膨胀阀。对冷量接近试验台测试范围中、上限的压缩机，在性能测试中最好采用比例特性的膨胀阀。

缩机吸气压力最佳的控制作用，使得压缩机的性能测试数据最接近其真值，大大减小测量误差。

［1］王凌杰.汽车空调压缩机性能试验台的研制［D］.上海：上海理工大学，2010.

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［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，工程师，工学硕士，主要从事现代制冷机械设计方法、制冷工程的教学与研究工作。E-mail：szjywlj@126.com

2014-08-29