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:　ADevelopment of T est B ench on Flow Characteristic of the Throttle MechanismZH 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 platform1　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,充分发挥制冷系统的效能,本试验台采用两级卸载的比泽尔压缩机,而制冷剂采用R404A。

(4)其它设备其它辅助设备主要是根据以上主要设备的选择为依据,考虑空间布置和操作的方便等原则进行选择。

3　试验台的特点液环法试验台中,磁力泵替代了实际制冷系统中的压缩机,理论循环即图1中4-1-2-3-4。

该试验台具有如下特点:(1)节流机构作为可自由拆卸的测试部分,是真正意义上“自由”研究的对象,可进行毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀各种节流机构的研究,并且可以覆盖每种节流机构中各个型号产品的特性研究;(2)在循环主回路中,循环介质只有制冷剂,不存在润滑油,因此更换制冷剂非常方便;对于两个换热器而言,由于没有润滑油,清洗比较容易,可方便地进行各种制冷剂在同一节流机构中流量特性的研究,如R22、R140A和R407C等;(3)循环介质在多数时间内处于液态,系统易于控制,工况易于稳定;(4)液环法循环路径比较短,两个换热器的热负荷与同样条件下制冷系统中蒸发器和冷凝器比较,相差几十倍,设备购置费用与运行费用均大大降低;(5)测试范围大,设计的蒸发温度范围为-30～10℃。

试验台存在的不足是:理论上整个循环回路中没有润滑油存在,而实际的制冷系统中还是存在着一定量的润滑油,这会引起一定的误差(在试验允许的范围之内)。

假设待测工况点如下:蒸发温度为5℃,冷凝温度为40℃,制冷剂R22的质量流量为0.02kg/s。

(1)实际制冷循环中的热力计算压缩机的理论耗功率(kW):p=M R(h5-h6)=3.21冷凝器的热负荷(kW):k=M R(h5-h2)=25.56蒸发器的热负荷(kW):k=M R(h6-h3)=22.34(2)液环法循环中的热力计算 低压换热器的热负荷(kW):k低=M R(h2-h1)=0.82高压换热器的热负荷(kW):k高=M R(h3-h4)=0.82由以上的热力计算可以看出,采用液环法,各个换热器的热负荷大大降低,磁力泵的耗功率仅为1.1kW,无论是从能源方面考虑,还是其它方面,该试验台都具有很大的优势。

4　测量仪表及数据采集在本试验台中,测量的主要参数有节流机构前后温度和压力、制冷剂的质量流量,为了提高数据的可靠性和稳定性,本试验台的所有传感器和测试设备均应具有较高的精度。

为了减小噪声的影响,在系统的软件设计方面采用对测试数据进行软件滤波、累加取平均的方法,即:平均值=输入值的累加和(N个)/整数N整数N是模拟量输入单元内A/D转换发生的次数值,这样每次P LC得到的模拟量输入都是前面N次实际测试量的平均值,由于温度信号的延迟比较大,而P LC采样周期较小(ms量级),考虑到系统的实际情况,既要对数据有较好的保真效果,又要抑制个别采样值失真对数据采集和系统控制的影响,本文中压力和流量模拟量的N值取16,而温度模拟量的N值取4。

5　操作方法控制界面、系统流程界面分别如图3,4所示。

图3　控制界面(下转第33页)信号在高干扰环境下的滤波、放大和恒流源供电问题,为上述传感器国产化应用探索出一种新方法,其前端信号滤波、放大部分可与上述压电传感器很好匹配,振动信号采集、处理可以方便地同上位机连接,比本特利专用测振仪具有更大的灵活性和实用性。

进口仪器昂贵的价格是其普及应用的最大障碍,由于此种测振仪器应用面广、监测点多,因此在推广应用过程中仪器成本必须考虑。

以进口现场专用测振仪(1～4通道)为例约需二千多美金,并且外围设备价格也相当昂贵,这给用户带来极大不便。

而采用本设计方法其成本只需三千多元,其外围设备及附属配置也灵活、方便,降低了成本,极具推广价值。

6　结语本特利压电式速度传感器通常与Bently公司的测振仪配套使用,虽然效果较好,但设备价格高,普及面受限,因此在保证测量精度的前提下,努力降低成本,提高测量水平是很有必要的。

作为对这种压电式传感器应用研究的一个实例,本文解决了恒流供电号放大和信号滤波等硬件问题。

经现场实际运行,本设计完全可以取代进口二次仪表,配合工业控制计算机可以对风机等设备进行快速、准确地数据采集和转换,实现远距离的振动连续监测,使风机始终运行在安全范围内,对设备的维护及使用寿命的延长具有重要意义。