中小型制冷裝置中電子膨脹閥特性與閥頭補(bǔ)償研究.pdf

1、電子膨脹閥作為一種新型的節(jié)流元件已廣泛應(yīng)用于制冷和空調(diào)行業(yè)，但是以往對電子膨脹閥的研究集中于控制算法而忽視了對其自身特性的研究。電子膨脹閥自身特性對于系統(tǒng)的控制品質(zhì)和優(yōu)化運(yùn)行具有重要的影響，由于缺乏相應(yīng)的測試手段和理論分析，使得在這一方面的研究進(jìn)展緩慢。本文圍繞電子膨脹閥內(nèi)制冷劑的流動特性(包括流量特性和壅塞特性)、閥頭線形設(shè)計(jì)和閥頭線形對蒸發(fā)器的非線性補(bǔ)償進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究，為改善電子膨脹閥的控制特性和擴(kuò)展電子膨脹閥的應(yīng)用領(lǐng)域奠定基

2、礎(chǔ)。 根據(jù)液環(huán)法的節(jié)流機(jī)構(gòu)流量特性試驗(yàn)臺運(yùn)行特點(diǎn)和主要測試功能，開發(fā)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺的控制系統(tǒng)?？刂苾?nèi)容主要包括：輔助設(shè)備的開停邏輯判斷；試驗(yàn)臺冷熱水箱的溫度調(diào)節(jié)；測試回路的啟停邏輯判斷；電子膨脹閥的開度設(shè)定；電子膨脹閥進(jìn)出口狀態(tài)參數(shù)的PID控制；數(shù)據(jù)的采集。通過對液環(huán)系統(tǒng)的特性試驗(yàn)，分析了系統(tǒng)的制冷劑充注特性和磁力泵、熱水泵、乙二醇泵的轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥開度變化時，各控制參數(shù)的變化規(guī)律。依據(jù)特性試驗(yàn)分析結(jié)果，制定了試驗(yàn)臺的控制策略和

3、算法，從而為電子膨脹閥流量特性的實(shí)驗(yàn)研究提供了很好的測試手段。 通過液環(huán)法節(jié)流機(jī)構(gòu)流量特性試驗(yàn)臺對電子膨脹閥流量特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。對單一制冷劑，采用黑箱模型，將電子膨脹閥流量特性影響參數(shù)確定為閥前壓力、閥前過冷度、閥后壓力和膨脹閥流通面積，從而簡化流量特性影響因素分析。通過試驗(yàn)分析了各影響參數(shù)對質(zhì)量流量和流量系數(shù)的變化規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)在小開度時電子膨脹閥的流動特性產(chǎn)生變化，控制特性受到影響。通過綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出了流量系數(shù)的試驗(yàn)關(guān)

4、聯(lián)式，建立了電子膨脹閥流量半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀ａ槍χ评鋭┨娲鷨栴}，利用π定理，建立了反映R22和R407C流量特性的電子膨脹閥純經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模型考慮了影響膨脹閥流量的多種物理參數(shù)，包括壓差△P、入口壓力Pin、出口壓力Pout、閥前過冷度△Tsc、入口飽和壓力Psat、閥后干度x、流通面積的當(dāng)量直徑De、入口粘性系數(shù)μ<,f>，表面張力σ，入口密度ρ<,f>以及制冷劑的臨界壓力Pc和臨界溫度Tc。這些模型的建立對于電子膨脹閥的選型和系統(tǒng)仿真均具有

5、重要價值。對電子膨脹閥壅塞特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究和初步的理論分析。通過將膨脹閥內(nèi)工作段幾何結(jié)構(gòu)簡化為短噴嘴結(jié)構(gòu)，簡化了對電子膨脹閥流動特性的分析。依據(jù)短噴嘴相關(guān)流動特性的可視化研究成果指出閥內(nèi)流動過程三個主要物理現(xiàn)象：閃蒸延遲、流型分類和激波的產(chǎn)生，并通過分析對電子膨脹閥流型進(jìn)行了判定，從而將閥內(nèi)制冷劑流動確定為亞穩(wěn)態(tài)液體的膨脹噴射過程。通過亞穩(wěn)態(tài)液體閃蒸形成的蒸發(fā)波以及可壓縮流體動力學(xué)非連續(xù)理論建立起反映這些物理現(xiàn)象的電子膨脹閥一維壅塞機(jī)

6、理模型，得到了閥內(nèi)蒸發(fā)波下游壅塞的判定條件——Chapman-Jouguet解。最后將壅塞特性試驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果相結(jié)合進(jìn)行膨脹閥制冷劑流動壅塞特性的分析并解釋了在電子膨脹閥小開度壅塞特性改變的原因，為電子膨脹閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)性意見。提出了具有補(bǔ)償功能的電子膨脹閥閥頭線形設(shè)計(jì)方法。首先為進(jìn)行閥頭線形的設(shè)計(jì)，通過閥頭母線與閥孔邊緣最小流通面積形成的微分幾何關(guān)系以及電子膨脹閥閥針運(yùn)行規(guī)律，建立了反映膨脹閥流通面積和閥桿升程的閥頭線形

7、通用幾何模型，從而為各種流量特性的閥頭線型提供了設(shè)計(jì)工具。其次本文對閥頭線形對蒸發(fā)器變增益補(bǔ)償進(jìn)行了理論分析，確定了該方案的理論基礎(chǔ)。搭建了柜式空調(diào)試驗(yàn)臺，以此作為中小型制冷系統(tǒng)的代表來進(jìn)行閥頭補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)研究。首先通過系統(tǒng)的靜態(tài)特性試驗(yàn)分析了質(zhì)量流量與流通面積以及質(zhì)量流量與蒸發(fā)溫度的對應(yīng)變化關(guān)系，確定了電子膨脹閥流量特性增益的關(guān)系式。然后通過動態(tài)特性試驗(yàn)分析了蒸發(fā)器的非線性特征，并將蒸發(fā)器變增益特性進(jìn)行量化分析形成關(guān)系式。依據(jù)閥頭補(bǔ)償理