膨脹閥特性對壓縮機性能測試精確度影響的研究

王凌杰,李競

(1.蘇州經貿職業技術學院,江蘇 蘇州215000;2.托格(上海)壓縮機有限公司,上海201800)

0 引言

在壓縮機性能測試中,吸氣壓力是由膨脹閥調節的。測試過程中,壓縮機吸氣壓力的波動必須被控制在一定范圍內,否則測試結果難以真實地反映壓縮機的性能。

有關吸氣壓力的控制,人們采用過模糊控制器、氣動比例閥等。但是,壓縮機性能試驗的測試對象并不是單一型號的壓縮機,而是一系列性能不同、制冷量不同的壓縮機。測試裝置采用的膨脹閥是按照測試對象的最大負荷選取的。對于大容量的壓縮機性能測試,膨脹閥的開度較大,而在進行小容量的壓縮機測試時,膨脹閥的開度將變得很小,閥的調節裕度也隨之減小,采用一個固定特性的膨脹閥很難保證不同性能壓縮機的高精度測試。

本文擬采用不同特性的膨脹閥,對冷量大小接近試驗裝置測試范圍上、中、下限的壓縮機分別進行性能試驗,分析壓縮機吸氣壓力的變化并折算其性能參數,探討膨脹閥特性對壓縮機性能測試精度的影響規律,為膨脹閥的正確選擇、提高壓縮機性能測試的精確度提供參考。

1 膨脹閥的流量特性分析

目前,壓縮機性能試驗裝置均采用電子膨脹閥,其結構與閥芯形狀如圖1所示。

圖1 電子膨脹閥的結構及其閥芯形狀

膨脹閥的流量特性由其閥芯的形狀決定,其流量特性主要有比例特性、等百分比特性、拋物線特性及快開特性等。流過膨脹閥的介質相對流量與閥的相對開度之間的關系可用式(1)來表示。

式中:Q/Qmax——流過膨脹閥的工質相對流量,即閥在某一開度下的流量與全開時的流量之比;

L/Lmax——膨脹閥的相對開度,即閥在某一開度下的行程與全開時的行程之比。

膨脹閥的流量特性又分為理想流量特性與實際流量特性,理想流量特性是在實驗條件下,閥前后的壓差保持不變時改變流量所得到的特性曲線;實際流量特性則是將膨脹閥安裝在管路系統上后測得的閥相對流量與相對開度之間的關系曲線。

比例特性膨脹閥的理想流量特性為一斜率等于常數的直線,其流量特性線可表示為:

式中:K——膨脹閥的放大系數,即特性曲線的斜率,為表示閥靜態特性的參數。

等百分比特性膨脹閥的理想流量特性線為:

膨脹閥的實際流量特性曲線與理想流量特性曲線是不一致的。圖2、圖3是比例特性和等百分比特性的膨脹閥在S不同的情況下的實際流量特性曲線(S為管道系統壓力分配上閥門所占有的權度)。當S＝1,即系統總壓力全部落在閥上且保持不變時,閥的流量特性為理想流量特性。隨著權度S的減小,閥的流量特性曲線發生畸變,各特性曲線均向上拱起。

圖2 比例閥流量特性

圖3 等百分比閥流量特性

在壓縮機性能試驗過程中,由于測試工況的改變,膨脹閥所占有的權度隨之改變,因此各種膨脹閥的實際流量特性曲線是隨著工況的改變而變化的,難以采用理論方法分析其特性對壓縮機性能試驗的影響,通常采用實驗分析法。

2 實驗系統設計

在生產實際中多采用比例特性膨脹閥和等百分比特性膨脹閥,因此,本實驗選取這兩種膨脹閥來進行研究。壓縮機性能測試方法仍采用第二制冷劑法,實驗系統流程如圖4所示。

圖4 測試實驗系統流程圖

由圖4可見,實驗系統將兩個性能不同的膨脹閥并聯在制冷劑液體管路上,分別獨立調節壓縮機的吸氣壓力。兩膨脹閥前的截止閥在該支路工作時全開,不工作時關閉。吸氣溫度由量熱器內的電加熱器調節,排氣壓力通過改變冷凝器的供水量進行調節,膨脹閥前的液體溫度由過冷器調節。測試實驗系統具體設置如下。

2.1 實驗系統配置與參數設定

1)采用改造的CEX23(7/8”,等百分比特性閥芯)和AKV10(7/8”,比例特性閥芯)膨脹閥,執行機構相同,均為步進電機結合減速齒輪組驅動閥芯動作,閥從全開到全關大約需要3 000次脈沖。

2)采用UT351數字智能PID調節器,控制步進電機的轉動方向與轉動角度。

3)吸氣壓力的檢測與反饋,采用Setra 205－2型壓力變送器。

4)采用Agilent 34970A數據采集儀,完成試驗所需數據的交換。

5)吸氣飽和(蒸發)溫度設定為7.2℃,吸氣壓力為吸氣飽和溫度所對應的壓力,排氣溫度與吸氣溫度分別設為54.4℃和18.3℃,液體溫度為46.1℃。

6)實驗過程中每10 min采集一次數據,通過計算機輸入并采集記錄。

2.2 實驗測試內容

1)利用兩種特性的膨脹閥對3臺輸入功率分別為1 HP、3 HP和4.75 HP的空調用全封閉式壓縮機分別進行吸氣壓力和制冷量的測試。

2)通過對吸氣壓力和制冷量的試驗偏差分析,研究膨脹閥流量特性對壓縮機性能測試精確度影響的規律。

3 實驗數據與分析

表1為實驗過程中記錄的壓縮機吸氣壓力實測值,表2為折算到規定試驗工況下的制冷量。表2中的制冷量僅考慮吸氣壓力變化,假定其他測量參數對壓縮機的性能無影響。吸氣壓力取實測值,其他參數則取其多次測量值的平均值作為真值。表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別代表1 HP、3 HP和4.75 HP的全封閉式壓縮機,A組為采用比例特性的膨脹閥測得的吸氣壓力值,B組為采用等百分比特性的膨脹閥測得的吸氣壓力值。

表1 吸氣壓力實測值

表2 規定工況下的壓縮機制冷量

圖4－圖6為采用兩種不同的膨脹閥測得的壓縮機吸氣壓力值的偏差分析。圖4－圖6中左側為各實測值與規定值之間的偏差分布;右側為各實測值與平均值之間的偏差分布;虛線為標準規定的吸氣壓力測量值的允許偏差限(±1.0%和±0.5%)。

由圖4－圖6的吸氣壓力的偏差分布圖可以看出雖然采用兩種不同特性的膨脹閥測得的吸氣壓力與規定值間的最大偏差率和與平均值間的最大偏差率都沒有超出國家標準規定范圍,但是在測試1 HP的壓縮機時,采用比例特性的膨脹閥調節的吸氣壓力與平均值間的偏差已達允許偏差限,而采用等百分比特性的膨脹閥調節的吸氣壓力波動范圍小,控制精度高;測試3 HP的壓縮機時兩者測試精確度接近;4.75 HP的壓縮機性能試驗時,采用比例特性的膨脹閥對吸氣壓力的控制精度更高。

圖4 Ⅰ號壓縮機吸氣壓力偏差分布

圖5 Ⅱ號壓縮機吸氣壓力偏差分布

圖6 Ⅲ號壓縮機吸氣壓力偏差分布

圖7－圖9為3臺壓縮機采用不同膨脹閥測試的制冷量偏差分布,因壓縮機制冷量為間接測量值,其真值無法確定,故僅分析其測量值與平均值之間的偏差。

圖7 Ⅰ號壓縮機冷量試驗偏差分布

圖8 Ⅱ號壓縮機冷量試驗偏差分布

圖9 Ⅲ號壓縮機冷量試驗偏差分布

從圖7－圖9可以看出,不同性能壓縮機試驗的制冷量偏差分布反映了一個趨勢,即在測試小冷量的壓縮機時,采用等百分比特性的膨脹閥試驗偏差小、測量精確度高;測試冷量較大的壓縮機時,采用比例特性的膨脹閥測試精確度較高。這說明了產生這種趨勢的原因與膨脹閥自身特性有較大的關系。

在測試冷量較小的壓縮機時,等百分比特性膨脹閥在開度較小的情況下,相對開度每變化一個單位,相對流量的變化則較小,吸氣壓力控制過程中可實現微調作用,因而調節精度高,吸氣壓力容易控制。對比例特性的膨脹閥,由于閥的相對開度與相對流量基本成比例關系,控制器每發來一個脈沖,閥的開度變化范圍基本上是固定的。當系統受到較弱的干擾、自動控制系統需要膨脹閥作出更小的調節動作時,由于閥的最小開度變化范圍大于所需的開度變化,導致吸氣壓力偏離設定值較多。

在測試冷量較大的壓縮機時,由于閥的相對開度加大,比例特性膨脹閥的優點則體現出來。等百分比特性的膨脹閥由于放大系數的增加,閥的最小調節范圍加大,控制精度下降,但是由于PID控制器輸出脈沖的調節作用,吸氣壓力的控制也可以達到標準要求,但較比例特性膨脹閥的控制精度差。

在測試冷量處于裝置測試范圍中間的壓縮機時(即膨脹閥的相對開度處于中間范圍),比例特性膨脹閥與等百分比特性膨脹閥對吸氣壓力的控制作用是相近的,對壓縮機性能測試精確度的影響基本一致。

5 結語

通過上述研究,得出的結論如下:

1)膨脹閥自身的特性對壓縮機性能測試精確度有著一定的影響作用,根據測試對象負荷的大小正確選用膨脹閥十分重要。

2)為提高壓縮機性能測試的精確度,若性能試驗裝置用于測試冷量接近裝置測試范圍下限的壓縮機,即試驗中膨脹閥的相對開度較小時,建議采用等百分比特性的膨脹閥。對冷量接近試驗臺測試范圍中、上限的壓縮機,在性能測試中最好采用比例特性的膨脹閥。

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