节流机构流量特性试验台的研制

文章编号:　1005—0329(2004)08—0054—03

节流机构流量特性试验台的研制

张保青,马善伟,张　川,陈江平,陈芝久

(上海交通大学,上海　200030)

摘　要:　从节流机构流量特性研究方法和研究现状出发,分析了目前节流机构流量特性研究存在的问题,并介绍了基于“液环法”的节流机构流量特性试验台。与传统试验方法相比,该试验台具有测试范围广、系统稳定性好、投资费用少、节能等优点。

关键词:　节流机构;流量特性;试验台

中图分类号:　T B65 文献标识码:　A

Development of T est B ench on Flow Characteristic of the Throttle Mechanism

ZH ANG Bao2qing,M A Shan2wei,ZH ANG Chuan,CHE N Jiang2ping,CHE N Zhi2jiu

(Shanghai Jiaotong University,Shanghai200030,China)

Abstract:　The method and status on flow characteristic of the throttle mechanism are presented,m oreover,the problems on reseaching the throttle mechanism at present are analyzed,and a new test bench based on liquid ring method(LRM)is introduced.C ompared to the traditional method,LRM has great advantage on wide test range,better stability,less investments and energy2saving.

K ey w ords:　the throttle mechanism;flow characteristic;test platform

1　前言

节流机构是制冷系统中最重要的部件之一,它直接控制着蒸发器制冷剂的流量和蒸发器出口的过热度。节流机构与系统其它主要部件的良好匹配是改善系统运行并适应系统负荷变化的基础:

(1)在压缩式制冷系统“四大件”的研究中,最薄弱的是节流元件,尚有不少盲区。影响节流机构流量系统的因素:工质的特性、工质的流动情况、几何参数等,众家说法不一。莉井浩对系统进行了研究[1],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,而Davies 和Daniels则认为流量系数仅仅与工质的流动情况有关[2]。

(2)各种先进的控制算法应用于制冷系统,最终亦是通过执行机构即节流机构施加到对象中[3]。当选用电子膨胀阀作为系统的节流机构时,膨胀阀自身的流量特性则是改善系统控制特性,补偿蒸发器非线性最重要的因素之一。

(3)试验研究是节流机构流量特性研究最常用也是最为有效的手段,目前,常用的研究方法主要有氮气法和气环法等。由于氮气与制冷剂在通过节流机构时存在相变与否的本质差别,理论研究与试验验证均表明此法存在着较大偏差(约大20%),气环法则由于更换制冷剂较麻烦,一般仅仅适用于一种制冷剂的研究,因此有必要寻求新的实验研究方法。

(4)由于电子膨胀阀具有可以按预置的调节规则动作、调节范围宽、调节反应快等优点,逐渐应用于各种制冷系统,因此开发、研制具有良好流量特性且能与各种制冷系统匹配的电子膨胀阀显得非常重要。

鉴于这些问题我们研制了基于“液环法”的节流机构流量特性试验台,它具有测试范围广、操作简单、工况容易稳定、更换制冷剂方便、节能等优

收稿日期:　2003—09—22

点,不仅可以进行各种节流机构的流量特性研究,还可以在不同制冷剂条件下对节流机构流量特性进行研究。2　试验台的设计211　试验台原理及组成

根据已有的研究成果可知,节流机构的流量:

m =C d A [2ρ(p 1-p 2)]1/2

(1)式中　m ———制冷剂的流量,kg/s

　C d ———流量系数

　A ———阀的流通面积,m 2　ρ———进口制冷剂的密度,kg/m 3　p 1———制冷剂进口压力,Pa

　p 2———制冷剂出口压力,Pa

由式(1)可以看出,若能保证节流机构前后的压力则通过节流结构的流量便可确定,以此为出发点搭建了基于液环法的节流机构流量特性试验台,与实际制冷系统的不同点主要在于:磁力泵替。试验台的原理如图1所示

。

图1　试验台原理

图1中,试验台的理论循环为1-2-3-4-1,实际制冷系统循环为6-5-2-3-6。其中,4

→1为制冷剂在磁力泵中压力升高的过程;1→2为低压换热器中加热升温过程;2→3为节流过程;3→4为高压换热器中冷凝放热过程;6→5为制冷循环中压缩机压缩过程;5→2为制冷循环中冷凝放热过程;2→3为节流过程;3→6为制冷循环蒸发器中蒸发过程。

试验装置如图2所示。试验台主要由制冷剂循环系统、制冷系统、热水循环系统、乙二醇溶液循环系统、操作控制台等几个部分组成。其中,液环循环系统是试验台的核心系统,主要由磁力泵、低压换热器、高压换热器、测试部分等组成;制冷

系统由比泽尔活塞半封闭式压缩机、壳管式冷凝

器、热力膨胀阀、干燥过滤器、油分离器、卸载电磁阀等组成,制冷剂采用R404A ;热水循环系统由热水箱、电加热器、热水循环泵等组成。其中,电加热器可以分两级投放,用于满足不同的试验工况;乙二醇溶液循环系统由乙二醇箱、电加热器、乙二醇循环泵等组成,该电加热器可以分三级投放,用于满足不同的试验工况;控制系统包括欧姆龙P LC 、交流接触器、控制开关、电子膨胀阀驱动器、磁力泵变频器、乙二醇循环泵变频器、热水循环变频器等;数据采集和测量系统包括7个热电阻、2个压力传感器、质量流量计、组态主监控系统、计算机等

。

图2　试验装置示意

212　试验台主要部件的选择

(1)磁力泵

试验台系统选择磁力泵的核心问题是泵可供

的压差范围,试验台要求的最大压差是2.5MPa ,综合考虑,选择了美国威肯磁力泵。

(2)换热器

高压换热器的主要作用是将制冷剂加热到节

流机构所要求的温度。而低压换热器的作用则是冷凝节流以后的两相制冷剂,由于试验台设计的

蒸发温度为-30～-10℃,下限比较低(-30℃),而CaCl 2、NaCl 等水溶液对金属有较强的腐蚀作

用,因此冷媒采用55%的乙二醇水溶液,由于低温条件下的换热系数较低,为提高传热效率,减少设备的体积,本试验台选择了阿法拉伐板式换热器。

(3)制冷机组

由于试验台初步设计的蒸发温度范围大,节流机构覆盖制冷量范围广,并且试验工况涉及到低温运行,为了达到节能效果,充分发挥制冷系统