電子膨脹閥流量特性試驗臺的研制

蔡培裕,俞少峰,虞海峰

(1.浙江盾安人工環境股份有限公司,浙江諸暨311835)(2.上海市質量監督檢驗技術研究院,上海200072)

0 前 言

電子膨脹閥是指運用電子式調節模式,按照預設程序調節蒸發器供液量的節流裝置。它既可以調節制冷劑流量,使得制冷量和負荷量相匹配,維持溫度相對恒定;又可以精確控制蒸發器出口過熱度,保證蒸發器的傳熱面積得到有效利用,具有調節范圍大、調節反應快、控制精度高等特點。因此,在變制冷劑流量的系統中,電子膨脹閥作為節流元件可以很好的控制流量、蒸發溫度及過熱度[1],使得蒸發器負荷、壓縮機的輸送量及閥的供液量相適應[2-3],產生節能、高效及高舒適性的效果。

隨著電子膨脹閥的廣泛應用,國內外學者對其進行了不同方式的研究 (控制方案、算法改進等)[4]。但無論哪種方式的研究,最后應用在制冷系統中,電子膨脹閥的閥芯決定其流量特性。此外,應用在不同系統和產品的電子膨脹閥,即使運行工況相同,對閥的流量特性要求也不一樣。這就迫切要求研制適用于各種系統的電子膨脹閥。

因此,通過研制電子膨脹閥流量特性試驗裝置進行試驗研究,是進行電子膨脹閥流量特性研究的重要手段。

1 電子膨脹閥流量特性試驗研究方法

電子膨脹閥的流量特性的測定首先要參照制冷系統閥件的測量標準。因此設計試驗臺需要參考國內機械行業標準中有關膨脹閥的測量標準。

標準JB/T 10212-2000制冷空調用直動式電子膨脹閥中規定,流量試驗按6.8.1.1規定的方法進行。

1.1 試驗條件

根據試驗工況規定的參數調節壓力調節閥和手動膨脹閥,待工況穩定后,測得被測膨脹閥不同開度時的制冷劑流量,至少10個點以上。如圖1所示。試驗裝置中,用于試驗的制冷劑中的含油量不超過5%。所示的膨脹閥控制器在該部位能任意開啟、關閉膨脹閥,并能測定電子膨脹閥開度。

1.2 試驗數據處理

根據測定的試驗數據值,繪制一相對膨脹閥開度的制冷劑流量曲線。

圖1 測試標準Fig.1 The standard of test

2 電子膨脹閥流量特性試驗

2.1 試驗臺的性能指標

(1)制冷劑:R410A、R134a、R22;

(2)電子膨脹閥的容量:1～18kW(空調工況);

(3)蒸發溫度:-10～15℃;

(4)冷凝溫度:40℃;

2.2 試驗臺原理

電子膨脹閥的流量特性是指在一定進出口條件下通過電子膨脹閥的制冷劑質量流量與閥開度之間的對應變化關系[5]。根據學者的研究結果[6],電子膨脹閥的流量特性由下式決定:

m—制冷劑的流量,kg/s;

CD—流量系數;

A—閥的流通面積,m2;

ρ—進口制冷劑的密度,kg/m3;

P1—制冷劑進口壓力,Pa;

P2—制冷劑出口壓力,Pa

根據上述公式可知,通過控制電子膨脹閥的前后壓力,可確定電子膨脹閥的流量。基于這個特點,搭建了電子膨脹閥流量特性試驗臺,試驗原理如圖2所示。

圖2 流量特性試驗臺原理圖Fig.2 The theory chart of the Flow performance experimental equipment

圖中:1至2為制冷循環中的壓縮過程;2至3為制冷循環中冷凝過程;3至4為過冷過程;4至5為節流過程;5至1為制冷循環中蒸發過程。

2.3 試驗臺系統及組成

試驗臺系統如圖3所示,由三洋全封閉渦旋壓縮機、板式冷凝器、板式過冷器、過冷度控制器、儲液器、電動旁通調節閥、油分離器、干燥過濾器、氣液分離器、流量計、視液鏡、卸載電磁閥等組成,且存在兩個蒸發器管路。主要是采用旁通調節制冷劑流量的方法,以測試不同電子膨脹閥的容量和特性。

主蒸發器管路上,在過冷度控制器進口設有制冷劑流量計;在過冷度控制器出口和電子膨脹閥的進口之間,設置壓力傳感器和溫度傳感器;在電子膨脹閥的出口設有壓力傳感器。

系統使用的壓力傳感器為Setra C206壓力變送器,精度為A級;溫度傳感器采用精度為A級±0.1℃的 Pt電阻;制冷劑流量計為 KROHNE MFM1081K-12,精度為0.15%。

系統的控制流程如下:利用壓力傳感器和溫度傳感器采集電子膨脹閥的閥前壓力、閥后壓力及閥前溫度,輸入到上位機中,并與各個參數的設定值進行比較,控制電動旁通調節閥、電動三通調節閥、及電加熱器,直至達到試驗工況的設定值。如圖4所示。

該試驗臺的壓力、溫度、流量等測量數據均轉換4～20mA模擬量信號,并輸入到數據采集儀Agilent 34970A中;電動旁通調節閥、電動三通調節閥、電加熱器等控制調節設備的執行元件均由PLC(可編程邏輯控制器)和PID控制。

試驗臺的控制系統,由上下位機的主從式結構,SIEMENS S7-200PLC、Agilent數據采集儀及PID控制器等作為下位機完成數據采集和控制功能;上位機采用工業計算機與下位機進行數據交換,實現數據的輸入、顯示、報警、存儲、分析、打印等功能。

采用這種控制系統可以精確實現試驗工況的控制。

3 結論

在國內機械行業標準中有關膨脹閥的測量標準的基礎上,設計了測試電子膨脹閥流量特性的試驗裝置。該試驗臺可以分析被測閥流量特性,從而對電子膨脹閥與變頻制冷系統進行合理匹配,達到理想運行效果。

[1]隋志蔚,楊前明.基于Matlab的電子膨脹閥PID控制仿真分析.2007年山東省制冷空調學術年會論文集,2007:206-208

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[5]陳兒同,徐文強,徐彬凱,王艷.降低真空冷卻失水的方法研究[J].真空,2009,46(2):70-73

[6]張保青.電子膨脹閥流量特性試驗臺的研制[D].上海:上海交通大學,2004