电子膨胀阀节流机构流量特性的实验研究

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第4 O卷第 2期20 0 6年 2月

上海交通大学学报J OURNAL OF S HANGHAIJAOTONG I UNI RS TY VE I

Vo . 0 No. 14 2F b 2 6 e . 00

文章编号：0 62 6 (0 6 0—2 10 1 0—4 7 2 0 )20 9—6

电子膨胀阀节流机构流量特性的实验研究张川，马善伟 陈江平 陈芝久 陈文勇 ,,,(. 1上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 2 0 3; 0 002 .俊乐制冷自控元件有限公司，上海 2 11 ) 0 88

摘要：分析总结了国内外对膨胀阀流量特性的研究成果，出电子膨胀阀节流机构流量多元影指响因素的特性.用自行研制的液环法电子膨胀阀流量特性实验台分析了出口压力、口压力、利入入口过冷度、阀开度、口密度和出口干度对电子膨胀阀质量流量及流量系数的影响.果表明：述入结上

参数对电子膨胀阀的流量特性均有一定的影响，但各参数的影响程度不同；开度是改变质量流量的主要因素，并反映出阀的调节特性 . 关键词：电子膨胀阀；量特性；流量系数；质量流量流中图分类号： 6 TB 6 3文献标识码：A

Ex erme t s ar h o h o Ch a t itC p i n al Re e c n t e Flw ar C erS io e to i p n i n Vale fElc r nc Ex a so vZHANG u n Ch a, MA h h∞e, CHEN i n— i g S a一{ J a g p n, CHEN ij u Zh—i, CHEN n y n。 We - o g ( .I s.o fie ain a dCr o e isE g 1 n t fRe r rto n y g nc n .,S a g a io o g Unv,S a g a 0 0 0,Ch n; g h n h i a t n i. h n h i 0 3 J 2 ia 2 h n h i u l fi e ain C n r l . d h n h i 0 8 8 .S a g a n eRerg r to o to J Co Lt,S a g a 1 1 ) 2A src:A e iw s c n u t d a o ta r a n a ie r sa c n f w c a a trsi f e p n in b ta t r ve wa o

d ce b u b o d a d n t e e r h o l h r ce itc o x a so v ov l e a d i wa r p s d t a h r r n s e t n l e cn h l w h r c e itc o x a so a v a v n sp o o e h t e e a e ma y a p c si fu n i g t efo c a a t rs i fe p n in v l e t t

a h o te d vc . Th o g p ca x e i e tlrg o e tn lw h r c es o lcr n c e p n i n s t r tl e ie r u h a s e ile p r n a i ft sig fo c a a t r fee to i x a so mv l e EEV)b s d o i u d r g me h d o n l e c a t r u h a u lt p e s r,i l tp e s r, av ( a e n l i i t o,s me i fu n e f c o s s c s o te r s u e n e r s u e q n

i lts b o l g,v l eo e i g n e e st n u ltq aiy t av lw h rc eitc r e t d n e u c o i n av p nn,i lt d n iy a d o te u l o v l efo c a a t rsis wee t se ta d a a y e .Th n l ssr s lsr v a h t l t e e a p c s a f c h l w h r c e fe p n i n v l e n n lz d e a a y i e u t e e l a l h s s e t f e t efo c a a t ro x a so a v . t a t W h l h a v p n n sa p i tv fu n e f c o o fo r t f i t e v l eo e i g i rmii e i l e c a t rt l w a e o e n EEV.An h ss o o d r g l t n d t i h wsg o e u a i oc rce ha a t rofEEV.

Ke rs lcr n ce p n i nv le lw h r ce it;c e f in ff w h r ce;ma sf w a e y wo d:ee to i x a so av;fo c a a t rsi c o fi e to l c a a t r c o s l o r t

在人们对

于节能和舒适性要求日益迫切的今

电子自控元件的发展Ⅲ. 节流机构作为制冷系统的工质流量调节元件， 对装置的运行特性有着重要的影响，善它对蒸发改

天，电一体化已成为现代制冷装置发展的必然趋机

势.一变化意味着调节和控制方式的更新；这由传统控制向最优控制发展；单机械式制冷自控元件向简收稿日期：0 50 -1 20 -30

器制冷剂流量的控制特性，之与系统其他部件良使

作者简介：张

川( 94)男， 1 7一，河南洛阳人，士生。博主要研究方向为电子膨胀阀的控制与应用等.

陈芝久 (系人 )男，授，士生导师，联。教博电话 ( 1)0 16 93 4 I - i z hn s u eu c . Te:2—2 32 2 E mal j e@ j .d . n .:c t

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22 9

上海交通大学学报 q一 C A￣2 ( l P ) D/Pp~ 2

第4卷 0 () 1

好匹配并适应装置的工况和负荷变化要求，直是一人们十分关注的问题 .冷系统节流机构主要可]制分为两类：截面节流机构和固定截面节流机构 .变变截面节流机构包括热力膨胀阀、电子膨胀阀和手动节流阀，者的区别在于驱动方式的不同，三但是阀体

式中：为制冷剂的质量流量； o为流量系数； q C A

为电子膨胀阀的流通截面积；电子膨胀阀入口 P为制冷剂的密度；为电子膨胀阀前制冷剂入口压 P力；。电子膨胀阀后制冷剂出口压力.方程结 P为该

产生的节流效应和制冷剂流量调节机理是相似的，都是通过阀针 (阀头 )的上下移动改变阀的流通面积达到制冷剂流量调节的目的.

构简单，等式两端量纲一致，因此在系统仿真计算中被广泛加以采用 .该方程结构形式是在不可压缩但流体的假设条件下推导得出的，电子膨胀阀实际与流动特性有较大的差别，此作为修正系数的 C 因。必须能够反映出电子膨胀阀自身的流量特性，而从对电子膨胀阀流量特性的研究也就集中在对 C o经验关联式的研究上 . 由于制冷剂在通过电子膨胀阀流道最小截面后

膨胀阀因具有较宽的流量调节范围，广

泛应而用于制冷行业的各个方面，其是电子膨胀阀作为尤

新一代的智能控制元件和变频技术相结合已成为现代制冷技术的标志，被应用于汽车空调、用热泵]家

空调器、超市冷柜、库等制冷和空调领域，是对冷但其流量特性的研究却鲜有报道.确详细地获知阀准的流量特性对于电子膨胀阀的设计、系统匹配及系统控制方案有重要指导意义.文通过实验分析研本究了进出口条件、度和制冷剂物性参数对电子膨开胀阀制冷剂质量流量和流量系数的影响，深入量为

部分汽化 (生闪蒸 )生节流效应，产发因此使它的流动特性较为复杂 . i r研究了热力电子膨胀阀的 W I9 e制冷剂流量特性后，为制冷剂的进口密度和出口认 比体积决定了电子膨胀阀的流量系数 . a is[] D ve等 1 o认为流量系数仅与制冷剂的出口干度有关，际流实量与单相液体流量之比与节流后的干度呈线性反比

化研究电子膨胀阀的流量特性奠定基础.

1电子膨胀阀流量特性的研究现状 电子膨胀阀的流量特性是指在一定进出口条件下通过电子膨胀阀的制冷剂质量流量与阀开度之间的对应变化关系 .它可通过两种方式加以表达：电子膨胀阀的流量特性曲线或流量特性的实验关联式 . 在进行电子膨胀阀的设计和选型时，常以流量特通

关系. J常雄等口市 I I对锥阀的流量系数进行了研究，为流量系数与锥阀的几何参数有关 .国认黄强。为电子膨胀阀的流量系数与阀后的制冷剂 认干度有关，与其呈线性下降关系.且田长青[] H 1对 3型热力膨胀阀的流量特性进行了实验研究，虑了考阀前制冷剂为两相流的可能性，因此在电子膨胀阀

流量特性公式中加入了一个修正系数，并认为该修正系数主要受阀前制冷剂干度的影响.电子膨胀阀内复杂的流通特性必然受到多种参数的影响，是关于其流量特性的影响因素学术界但

性曲线来反映其流量特性 .进行系统仿真计算和在优化设计时通常以流量特性关联式作为电子膨胀阀的数学模型.

对于电子膨胀阀的流量特性曲线的测定，产生企业通常根

据机械行业标准_采用简易的氮气流量 4 测试法.测定中阀的出口通大气，节进口处氮气压调力为 0 1MP (压 )测量出电子膨胀阀在不同开 . a表，

有较大的争论，文兵等口]此作了部分实验工翁对作，但是实验工况和实验内容都较少.因为制冷剂在通过电子膨胀阀时产生了复杂的节流效应，以阎所

的几何参数、出口条件和制冷剂的物性参数都有进可能对电子膨胀阀的流量特性产生影响，是影响只度有待进一步分析 .

度条件下正向和逆向的氮气流量值后绘制曲线图.

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，故该方法虽然操作简单但与电子膨胀阀实际运行特性却有较大偏差 . 对于电子膨胀阀流量特性关联式的研究，由于

2实验系统 实验运行工质为 R 2调节参数为阀前的压力 2,和温度、阀后的压力和温度以及阀的开度 (冲数 )脉}测定参数为制冷剂的质量流量.参数测量范围和各精度如表 l所示 .液环法电子膨胀阀流量特性实验台如图 1示.所 实验采用俊乐公司生产的 D F . P 1 8电子膨胀

不同流型的速度分布以及汽相和液相之间平衡的程

度一般均为未知，阀道流通截面前后两相流体总在的动量和能量还不能用理论分析的公式来计算，因

此在综合实验数据的基础上整理关系式的时候，总是遵循半经验的或纯经验处理方法口.献[~8]文 6]中采用水力学形式来描述电子膨胀阀流量特性关联式：

阀，全开脉冲为 5 0电子膨胀阀流通截面 A的拟其 0.合关系式如下：

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第2 期

张川，:等电子膨胀阀节流机构流量特性的实验研究

A一 ^ Lh一 7+/ 0 3 h=/ 9 == i2 l

( 2 )

低了阀内制冷剂的闪蒸强度，高了电子膨胀阀的提流通能力 .但在阀开度为 i 0脉冲时流量系数突然 0减小，这是由于电子膨胀阀流道复杂，开度时阀内小

式中：阀杆升程；为脉冲数 . h为 襄 1仪器精度误差Ta .1 Ac ur c r o a urng a pa ats b c a y e r rofme s i

p r u

流型发生改变造成电子膨胀阀的流通能力发生改变.= 10 0=2 0 0”= 3 0 0”=40 0

”= 5 0 0

1磁力泵，2质量流量计，一高压换热器，4一 3一视镜，一电子膨 5胀阀，低压换热器，储液器， 6 7一 8一干燥过滤器，一旁通阀， 9 l一搅拌器，1一冷水机组， 2冷水泵， 3一冷水箱搅拌器， O 1 1一 1 1一冷水电加热器，5热水泵，6热水电加热器，1~热水箱 4 1一 1 7

图 2阀后压力对质量流量及流量系数的影响 Fi . Th u l tp e s r n l e c n ma s f w a e g2 e o te r s u e i f n e o s l r t u o a d fo o fiin n l w c e fce t

图 1液环法电子膨胀阀流量特性实验台 F g 1 S h ma i o h iu d c ce t s i i . c e t ft e 1 i- y l e trg c q

由式 ( ) 1可知，。的升高减小了阀的进出 I压 P 2 1

3实验结果与分析3 1出口压力的影响 .

差，降低了电子膨胀阀的质量流量，但是由于相应流量系数的增大补偿了压差减小的影响，电子膨胀使

实验测试过程中保持电子膨胀阀的人口压力为 1 7 9MP,应饱和温度为 4 . 2 a对 5℃,口温度为 3人 8

阀质量流量总体变化不大 .3 2进口压力的影响 .

℃不变，一定开度条件下调节阀的出口压力，其在使变化范围为 0 5 4 . 5 a然后测定此时的质 . 8~1 2 0MP .

确定电子膨胀阀的出口压力为 0 6 1MP, . 8 a对应饱和温度为 1℃,口过冷度为 5,一定开度 0人℃在

量流量.变开度设定，复上述操作 .改重实验及计算结果如图 2所示 .

条件下调节电子膨胀阀进口压力，其变化范围为使1 1 2 1 9 2 MP,应饱和温度变化为 3 . 9~ . 4 a对 0~ 5℃.后改变阀开度，复调节上述进出口条件进 0然重

由图 2 a可见，P ():升高可造成电子膨胀阀质量流量略有降低，在不同开度条件制冷剂质量流且量的减少量基本一致.所有开度条件下，:升高在 P0 6MP (阀后温度升高

约 2 . a即 5℃)质量流量仅减，少 1, 3因此阀后压力对质量流量的影响并不大， 改变质量流量的主要因素是电子膨胀阀的开度 .

行测定.实验及计算结果如图 3所示 .由图 3 a可见，对 q () P的影响大于 P .不 在 z同开度条件下，曲线斜率随阀开度的增加而略有增

大，即在大开度条件下，的增加使质量流量增加 P

得更多 .单开度条件下，阀前压力增加 0 7MP ( . a对应温度升高约 2℃ )质量流量平均增加约 4, 0, 3因此由阀前压力改变所造成的电子膨胀阀压差改变对质量流量影响较大 . 由图 3 b可见， ()随着阀前压力的增大，子膨电

由图 2 b可见，P ()对电子膨胀阀流量系数有

较大影响. P随的升高，同开度条件下，。均有不 c较大幅度增长，定开度下流量系数增长约 4 .一 2 依据孔板两相流节流降压理论，阀后压力的升高降

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上海交通大学学报胀阀的流量系数在不断减小，减小幅度趋缓 .阀但在前压力较低时，同开度流量系数相对集中， D 不 C一

第4卷 O

度的增加，内制冷剂液体区域增大增强了电子膨阀胀阀的流通能力 .”= 1 0 0”= 2 0 0=

07~O 8. . 3 . 4而在阀前压力较高时，同开度流量系不数相对分散，。 0 5~0 7 .小开度 1 0脉冲 C一 .8 . 4在 0时，流量系数变化规律发生突变，因同上所述 .原7 0 6 0=

30 0

=4 0 0

:5 0 0

l0 0

=2 0 0 30 0=

=40 0

亏。 。

=50 0

3 0—

-_= 1 0 _ 0=2 0 0

2 0 12 . l4 l6 18 . 2. 0

p1 Pa/ M

=3 0 0=4 0 0=5 0 0

图 4过冷度对质量流量及流量系数的影响 F g 4 Th u c o ig i fu n eo s l w a e i. e s b o l n l e c n ma s f n o r t a d f w o fiin n l c e fce t o

3 4电子膨胀阀开度的影响 .图 3阀前压力对质量流量及流量系数的影响 Fi. Th n e

r s u e i f e c n ma s f w a e g3 e i lt p e s r n l n e O s l r t u o a d fo c e f in n l w o fi e t c一

由图 5可见，当进出口条件确定时，子膨胀阀电的质量流量随开度呈二次曲线增长关系，与式 ( ) 2相致.这主要是因为测试用电子膨胀阀阀头是圆锥

阀前压力的升高增加了阀的进出口压差，电使子膨胀阀的质量流量增大.同时，由于阀前压力升高

形，由此形成在开阀过程中流通截面与阀开度是二次曲线的关系，而说明电子膨胀阀的质量流量与进阀的流通截面呈线性变化关系.同时可发现，阀后压

使流量系数有所降低抵消了部分压差的影响，抵但消程度没有阀后压力大 .3 3阀前温度或过冷度的影响 .设电子膨胀阀入口压力 P一 1 5 4MP (应 . 3 a对饱和温度为 4℃) P一0 6 1MP ( O,。 . 8 a对应饱和温度为 1",节入口温度 0 0 C)调分别为 3、 4 3、 8 7 3、1 2、

力对质量流量影响较小且变化规律一致；阀前压力和过冷度对质量流量的影响相对较大且在小开度时影响较小，开度时影响较大.大 在所有进出口条件下，电子膨胀阀流量系数总

体上都随开度呈下降趋势，从阀开度对流量系数但变化曲线中发现存在流量系数的最大值 .该流量系

2℃, 5对应过冷度为 36 9 1、5 .定不同开度、、、2 1℃测条件下的质量流量，验和计算结果如图 4所示 .实

数最大值受电子膨胀阀进出口条件的影响.当入口条件保持不变，变阀的出口压力时，改流量系数最大

由图 4 a可见。 ()质量流量随阀前过冷度的增加而增大.电子膨胀阀小开度时，在过冷度对质量流量的影响并不大，冷度增加 1℃,量流量仅增加过 2质 1左右； O而在阀开度为 5 0脉冲时， 0质量流量增加约 2%, 5因此过冷度对质量流量影响随电子膨胀阀开度的增加而增大. 由图 4 b可见， ()电子膨胀阀流量系数随过冷度的增加呈线性递增趋势 .这是由于随着制冷剂过冷

值随出口压力的升高向大开度方向移动.当出口压力保持不变

,改变入口压力或入口温度时，流量系数

最大值所在位置基本保持不变， 20脉冲附近.在 0因此可判断流量系数最大值受出口条件影响较大.从总体来看，当进出口条件保持不变时，电子膨

胀阀开度对流量系数有一定的影响， 10脉冲到从 05 0脉冲， 0流量系数减少约 2 . O

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第z 期

张川，:等电子膨胀闽节流机构流量特性的实验研究

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—

- -P2 0.8 5 4M Pa.— - ._P2 06 .81M Pa— r, .-P2 07 9M P .8 a P2。091。 0M Pa,+ p2 10 4M Pa,- - P2 11 2M P .4 . - .9 i a

十

()=1 2 a Pl . 9MP,=3" 7 a l 8C

+十

Pl 19 2M P= .4 a,+ Pl 13 5M P= .5 a,+

P1 17 9M Pa十= .2, Pl 11 2M Pa= .9

p1 l5 4M Pa 3

() 2 .8 a, 5C b P=06 1MP△"

。D

甘

+

△=3℃,+

48=6" 0,+

48= 9" C,十

48= 1 C+ 2",

△= 1￣ 5C

() 1 3 c Pl . 4MP, 2 06 1 a 5 a P . 8 MP

图 5开度对质量流量及流量系数的影响 Fg 5 Th p nn e reifu n eo s lw aea d f w o fiin i. eo e ig d g e le c nma sf n o r t n l c efce t o

3 5电子膨胀阀入口密度的影响 .由图 6 a可见， ()电子膨胀阀流量系数随入口密

强于入口密度的增加造成的影响，此质量流量总因

体效果是下降的趋势 .3 6出口干度或出口比体积的影响 .在一定出口压力条件下，口干度 (与出口出 )

度的增大而呈二次曲线上升趋势.与 Wi l的流这 l9 e量系数实验关联式中的入口密度相一致 .电子膨在胀阀开度为 lO脉冲时， O流量系数变化趋势发生改

比体积是线性变化关系，电子膨胀阀出口干度较当大时其出口比体积也较大，者对电子膨胀阀流量两特性的影响趋势是一致的. 7为出口干度对 q 图、 C o的影响.

变，原因仍然是小开度时阀内流型发生了改

变 .其图 6 b中显示，量流量随入口密度的增加而 ()质减小，这是因为入口压力的减小对质量流量的影响

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上海交通大学学报

第4卷 0

.--

- -

4 n= 1 0 1 - 0 0 =2 0 - 0=10 0

=20 0 30 0=

,= 4 0 l 0,= 5 0 l 0

P×1/ g 、 03k m 3 (() a

P×1/k m一、 0 3 g- 3 (() b

图 6入口密度对质量流量及流量系数的影响F g 6 Th n e e st n l e c n ma s f w a e a d f w o fiin i. e i ltd n iy i fu n e o s l r t n l o o c efce t

10 O:2 0 0=3 0 0 t= 4 0/ 0一

50 0

图 7出 1干度对质量流量及流量系数的影响 2 IF g 7 Th u l td y e sd g e n l e c n ma s fo r t n lw o fii n i. e o te r n s e r e i fu n e o s l w a e a d f o c e fce t

由图 7 a可见， ()各开度条件下流量系数与电子

( )质量流量随入口过冷度的增加而增大 . 3不

膨胀阀出口干度均呈线性下降趋势，与文献[o这 1。13 2中提出的流量系数关联式相一致 .电子膨胀阀在各开度条件下，质量流量随出口干度的增加呈下降趋势且在小开度时影响较小而大开度时影响较大. 这是由于流量系数的减小使质量流量呈下降趋势.

同开度情况下，过冷度对质量流量的影响不相同.小开度时影响较小，大开度时影响较大.流量系数随过冷度的增加呈线性增加趋势 . ( )在电子膨胀阀进出口条件不变的情况下， 4 质量流量随阀开度的增加而增大，映出质量流量反与流通面积有良好的线性变化趋势.而且质量流量

4结论 ( )在电子膨胀阀入口温度和压力不变时， 1出口压力对阀的质量流量影响不大，对流量系数有但较大的影响.随着出口压力的升高，流量系数呈线性增大趋势. ( )在电子膨胀阀的出口压力和入口过冷度不 2变时，的入口压力对质量流量有较大影响.

阀由此发

调节范围大，化趋势稳定，变显示电子膨胀阀良好的调节特性 .开度对流量系数有较大影响，主要表现为

两点：总体上流量系数随阀开度的增加呈下降趋①势，是在开阀过程中流量系数存在最大值；在但②

小开度条件下，道结构的改变使阀内制冷剂流型流发生改变造成流量系数变化规律的突变.( )出口干度对流量系数有较大影响，随出 5且 口干度的增加呈线性下降趋势. (下转第 3 0页 ) 0

现电子膨胀阀进出口压力对形成相同的压差所造成质量流量改变的效果并不相同.量系数随入口压流力的增加呈抛物线形降低趋势 .

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上海交通大学学报

第4卷 0

(上接第 2 6页 ) 9 参考文献：[]陈芝久， 1孙文秸，于兵.制冷装置节能控制与电子膨胀阀应用研究[]制冷学报， 9 8 3 ( ) 3一 J. 1 9,0 4:944 .广1]

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