电子膨胀阀r407c流量特性的实验研究.pdf_图文

1、第40卷第8期2006年8月上海交通大学学报J OU RNAL OF SHAN GHA I J IAO TON G UNIV ERSIT YVol.40No.8Aug.2006收稿日期:2005208229作者简介:叶奇日方(19792,男,江西南昌市人,博士生,主要研究方向为阀的流量特性、阀内部件运动特性等.陈江平(联系人,男,教授,博士生导师,电话(Tel.:021*;E 2mail :jpchen .文章编号:100622467(20060821403204电子膨胀阀R407C 流量特性的实验研究叶奇日方,马善伟,陈江平,陈芝久(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200030摘要:实

2、验研究了不同结构电子膨胀阀在不同工况下的流量特性.得到了膨胀阀的流通面积、阀头结构、膨胀阀入口密度、阀后比容对流量特性的影响,并拟合了流量系数关联式.获得的关联式与实验数据的相对偏差在-12%4.5%.关键词:电子膨胀阀;流量系数;制冷剂中图分类号:TB 663文献标识码:AExperimental Re search on Electronic Expansion ValveRefrigerant (R407C Flow CharacteristicsY E Qi 2f ang ,M A S han 2w ei ,C H EN J i ang 2pi n g ,C H EN Zhi 2j i

3、 u(Inst.of Ref rigeration and Cryogenics Eng.,Shanghai Jiaotong Univ.,Shanghai 200030,China Abstract :Experiment s were made to investigate t he flow characteristics for different st ruct ural electronic expansion valves under different working conditions.The influence of flowing area ,st ruct ural

4、of valve head ,inlet density and outlet specific volume to mass flow coefficient were st udied.The flow coefficient correlation was obtained based on t he experimental data.The result s shows t hat t he relative deviation is in t he range of -12%4.5%.Key words :electronic expansio n valve ;mass flow

5、 coefficient ;ref rigerant制冷系统中的节流机构直接控制着蒸发器制冷剂的流量和出口的过热度,它与系统主要部件的良好匹配是改善系统运行状况并适应系统负荷变化的基础.由于毛细管和节流短管流通面积均不可变,对于流量特性其影响因素相对较少,目前的研究成果较多.而对于可变节流面积的节流机构热力膨胀阀和电子膨胀阀,影响流量特性的因素较多,目前鲜有述及.随着变频空调的日益流行,电子膨胀阀的应用越来越广泛.与传统的毛细管、节流短管以及热力膨胀阀相比,电子膨胀阀具有调节精度高、调节范围大等优点.但目前对电子膨胀阀流量特性的研究还很薄弱,仍采用水力学公式进行描述1.对影响节流机构流量特性的

6、因素,众说纷纭,甚至出现了相互矛盾的说法.K im 等2认为节流机构的流量特性与其几何特性、入口条件、出口压力有关,并以此拟合出了节流短管的流量系数半经验公式.Singh 等3认为节流机构的流量特性不仅与上述因素有关,还与制冷剂物性有关.市川常雄4认为锥阀的流量系数与阀针的角度、阀的开度、节流通道直径等因素有关.笠井浩尔5对阀进行了系统的研究,并得出线性阀的流量系数不仅与工质的物性有关,还与阀的几何参数有关的结论.Stone 6则认为球阀的流量系数与Re 数成指数关系.阿武芳朗等7认为滑阀的流量系数与Re 数、阀口开度、径向间隙等都有关系.Wile 8针对R22,研究了热力膨胀阀的流量特性后认

7、为流量系数与膨胀阀的几何特性无关,而与制冷剂物性以及进出口条件有关.Da 2vies 等9认为阀的流量系数仅仅与工质的出口干度有关,并指出饱和的R12制冷剂液体通过薄刃锐孔节流时,实际流量与节流后的干度成线性反比关系.马善伟等10认为膨胀阀的流量系数与阀的开度、进出口压力差、进口密度以及阀头半锥角、流通面积和径向间隙等因素有关.上述研究中,膨胀阀的流量特性经验公式针对各自的研究对象和实验工况都获得了比较满意的结果,但可移植性较差.本文通过建立基于液环法的实验系统,对新工质R407C 电子膨胀阀的节流特性进行研究,获得了膨胀阀流量系数与阀体几何结构、进出口条件以及制冷剂物性的关系.1实验台以及电

8、子膨胀阀试样简介1.1实验台实验的原理图如图1所示.实验台的理论循环为1-2-3-4-1,实际制冷系统循环为6-5-2-3-6.其中,41为制冷剂在磁力泵中压力升高的过程;12为低压换热器中加热升温过程;23为节流过程;34为高压换热器中冷凝放热过程;65为制冷循环中压缩机压缩过程;52为制冷循环中冷凝放热过程;23为节流过程;36为制冷循环蒸发器中蒸发过程 .图1实验台原理图Fig.1Schematic of the experimental rig实验采用新工质R407C ,实验台的装置如图2所示.实验控制的参数为电子膨胀阀前的温度、压力.测试结果为制冷剂流量,采用质量流量计测量.电子膨胀

9、阀从全关到全开为500脉冲,阀门开度由可编程控制器(PL C 控制.阀前温度通过调节热水泵变频器频率改变热水循环流量来获得,阀后温度和压力可以通过改变乙二醇泵变频器频率来获得 .图2实验装置图Fig.2Schematic of the experimental apparatus1.2实验参数设定对DPF 系列电子膨胀阀进行了实验,选取的膨胀阀有DPF1.6、DPF1.8、DPF2.0、DPF2.2等4种.不同膨胀阀的阀针、阀座参数不同,将同一个阀针安放在不同的阀中进行了实验.根据国际标准,本文测试工况点设为:阀前压力1.7490,1.9723,2.2160M Pa ;冷凝温度42.45,47

10、.45,52.25°C ;过冷度1.5,5,10°C ;出口温度(t g 0,5,10°C ;实验中阀前温度偏差可控制在±0.2°C ;阀前、后压力偏差控制在±20kPa ;阀后温度偏差控制在±1°C.锥形阀针膨胀阀的阀针与阀座结构如图3所示,流通面积为以A B 为母线的圆台侧面积S ,其等效直径为d m ,调节座通道直径为d 1 .图3阀体与阀座Fig.3Schematic of the valve body and valve seat2实验结果及分析实验时,将膨胀阀的开度从全关依次增加50脉冲直到全开,将工况

11、稳定在设定点180s ,记录所测4041上海交通大学学报第40卷的质量流量.2.1流量系数与流通面积、阀后物性参数的关系图4所示为电子膨胀阀不同开度、相同进口条件的情况下,不同流通面积S 以及阀后温度t g 与流量系数C D 的关系曲线 .图4流通面积与流量系数的关系曲线Fig.4Relation between C D and flowing area由图4可见,在其他参数不变的情况下,流量系数随着阀后温度的升高而增大.由于阀后压力随阀后温度升高而升高,故流量系数随出口压力升高而升高;流量系数与流通面积近似成线性反比关系,比例系数为常数,与阀出口条件相关.其相互关系为C D =0.96171

12、-0.13155S t g =10°C0.91692-0.12708S t g =5°C 0.85925-0.11492S t g =0°C(1式中,S 的单位为mm 2.图5(a 为拟合的公式与实际测量值的相对误差曲线.由图5(a 可见,拟合曲线与实测值的相对误差在±8%之内.2.2C D 与阀头结构的关系针对不同膨胀阀的C D 与阀头结构进行研究.选d 1/d m 作为结构参数,不同膨胀阀的d 1不同.对于同一个膨胀阀,d 1/d m 与S 的平方根成反比关系,且有:C D =a (d 1/d m +b(2式中,a 、b 为系数,由阀前密度与阀后比容

13、确定.本文列举出了阀前温度40.95°C 、阀前压力1.7490M Pa ,阀后温度 5°C 时的拟合关联式:C D =0.2020(d 1/d m +0.1497(3图5(b 为拟合曲线与实验值的相对偏差.由图5(b 可见,相对偏差在-8%9%,拟合曲线与实验值吻合较好.图5拟合曲线与实验值的相对偏差Fig.5Relative deviation between the fitted C D and experimental data5041第8期叶奇日方,等:电子膨胀阀R407C 流量特性的实验研究2.3C D 与阀前密度的关系随着阀前温度的提高,阀前密度减小,膨胀阀出

14、口的干度升高.在其他条件不变的情况下,阀前密度和流通面积S 与C D 的关系为C D =-1.0644+0.001974-0.2145S t g =10°C -0.7907+0.001680-0.2035S t g =5°C -0.7229+0.001587-0.1998S t g =0° C(4式中:S 的单位为mm 2;的单位为kg/m 3.图5(c 为拟合曲线与实验值的相对偏差,由图可见,相对偏差为-10%8.5%.2.4关联式拟合与验证选用电子膨胀阀的阀前密度、阀后比容及d 1/d m 作为参数,利用DPF1.6、DPF1.8、DPF 2.0和DPF2.2

15、的实验结果数据作为原始数据,采用最小二乘原理获得了流量系数关联式:C D =0.2380(d 1/d m +0.001195-0.001109-1-1.0171(5式中:S 的单位为mm 2;的单位为kg/m 3;的单位为m 3/kg.为了验证上式,应用内置2.0阀针的DPF2.2阀的原始数据对所拟合的关联式进行了验证.图5(d 为拟合关联式与实验结果的偏差,结果表明,预测数据与实测数据的偏差介于-12%4.5%.关联式能够较好地描述流量系数的影响因素.3结论(1流量系数与流通面积近似成线性关系,阀后温度升高则流量系数升高,与阀后比容和干度近似成反比例关系.(2电子膨胀阀流量系数与d 1/d

16、m 成近似正比关系,比例参数以及常数由阀前、后物性决定.(3电子膨胀阀流量系数与阀前密度近似成正比关系.(4拟合出的C D -d 1/d m -关联式能够较好地描述电子膨胀阀流量系数的影响因素,关联式与实验值的相对偏差介于-12%4.5%.参考文献:1Kim Y ongchan.Two 2phase flow of R 2134a and R 212through short 2tube orifices J .ASHRAE T ransac 2tions ,1994,100(2:582-591.2Kim Y ,O Neal D L.A semi 2empirical model of two

17、 2phase flow of refrigerant 21342a through short tube ori 2fices J .Experimental Therm al and Fluid Science ,1994,9(4:426-435.3Singh G M ,Hrnjak P S ,Bullard C W.Semi 2empiri 2cal model of refrigerant R134a flow through orifice tubes J .I nternational Journal of HVAC &R R e 2search ,2001,7(3:245

18、-262.4市川常雄,清水孝. 牟流量系J .机论,1965,31(222:317-319.5笠井浩尔.丹 弁流量系数J .机论,1967,32(251:1083-1096.6Stone J A.Discharge coefficients and steady stateflow forces for hydraulic poppet valves J .T ransac 2tion ASME ,1960,82:144-154.7Atake Y oshioo ,Akiyama Nobuyuki.Study on theflow coefficient of the spool shape oil pressure switch valve (Part 1,Part2J .Journal of the Japan Society of Me