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CN109781445B - 一种确定热力膨胀阀流通面积的方法 - Google Patents

一种确定热力膨胀阀流通面积的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种确定热力膨胀阀流通面积的方法。在制冷系统的计算模型中，流通面积是热力膨胀阀计算模型的重要参数。在制冷系统运行的过程中，流通面积会随着系统工况变化而改变。本方法通过改变膨胀阀膜片上下压差而改变膨胀阀开度，同时采集不同压差下的膨胀阀进出口压力、流量；通过采集到的数据计算流通截面积，进而确定流通截面积与膜片上下压差的关系。

Description

一种确定热力膨胀阀流通面积的方法
技术领域
本发明涉及一种确定热力膨胀阀流通面积的方法，具体涉及一种确定热力膨胀阀流通面积与膜片上下压差关系的方法。
背景技术
模拟仿真广泛应用于制冷空调行业，相对于传统制造样机的设计手段，其最大的优点在于用一套计算模型可以对使用不同工质、不同部件的系统进行研究，因而费用少、周期短。热力膨胀阀是制冷系统中重要组成部分，其计算模型的可靠性直接影响制冷系统模拟结果的准确性。
目前行业内热力膨胀阀的建模都类似于孔板流量计，这种模型需要用到膨胀阀的流通面积。而热力膨胀阀的流通面积不仅难于测量，而且其随着阀膜片上下压差改变而改变。一般情况下，热力膨胀阀的感温包装在蒸发器出口处，感应蒸发器出口温度；外平衡引管连接于蒸发器出口，感应蒸发器出口的压力。因此阀膜片上下压差与蒸发器出口压力、过热度有关。膨胀阀的生产厂家一般不会给出流通面积的计算方法。
不同的膨胀阀，其流通面积与膜片上下压差的关系也不相同，目前尚缺乏一种此关系的确定方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种确定热力膨胀阀流通面积与膜片上下压差关系的方法。
本发明的技术方案：
一种确定热力膨胀阀流通面积的方法，即一种确定热力膨胀阀流通面积与膜片上下压差关系的方法，其采用的实验装置包括主体流动部分和阀开度驱动部分；
所述的主体流动部分包括流体输送设备、第一压力表、待测膨胀阀、第二压力表和转子流量计，流体输送设备与待测膨胀阀通过管道连接，流体输送设备与待测膨胀阀之间的管道上设有第一压力表和转子流量计，待测膨胀阀的出口端设有第二压力表，即第一压力表和第二压力表分别位于待测膨胀阀进口端和出口端；流体输送设备的入口端与待测膨胀阀的出口端分别通过管道与水槽相通；
所述的阀开度驱动部分包括供压装置、第三压力表和旁路阀；待测膨胀阀膜片上端的感温包浸没于低温恒温环境中，使得其膜片上端压力为充注的感温剂R134a的饱和蒸气压；膜片下端与供压装置相连，二者间设有第三压力表和旁路阀；
使用所述装置时，通过供压装置改变待测膨胀阀膜片下部压力，进而改变待测膨胀阀开度，同时采集不同供压装置压力下的待测膨胀阀进出口压力、流量；通过采集到的数据计算流通面积，进而确定流通面积的计算关联式，如下：
Figure BDA0001925958650000021
所述的流体输送设备为蠕动泵。
所述的供压装置为气瓶。
所述的低温恒温环境由冰水混合物提供。
所述的实验装置内流动介质为常温下的去离子水。
本发明的有益效果：本发明确定的热力膨胀阀流通面积与膜片上下压差关系可以较大程度上弥补膨胀阀计算模型中欠缺的内容。数学模型的建立需要整套制冷系统的全部关键结构参数与环境参数。热力膨胀阀的流通面积作为关键结构参数之一不仅难于测量，而且其随着蒸发器出口制冷剂的过热度改变而改变。本发明涉及的实验只需较少装置就可以确定出流通面积的计算关联式，实验成本低，关联式精度高。
附图说明
图1是本发明的实验装置示意图；
图2是外平衡式膨胀阀工作原理示意图；
图3是实验数据点与实验拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明采用的实验装置包括主体流动部分、阀开度驱动部分。
在主体流动部分，蠕动泵PUMP、第一压力表P1、待测热力膨胀阀TEV、第二压力表P2、转子流量计RF依次连接。水槽WT中的水经过蠕动泵PUMP升压，流经上述各个器件，最终流回水槽WT循环使用。其中热力膨胀阀TEV为丹弗斯的外平衡式热力膨胀阀。旁路阀V1用于调节流经热力膨胀阀TEV的流量。热力膨胀阀TEV膜片上端的感温包TSB浸没于冰水混合物MIX中，使得其膜片上端压力为充注的感温剂R134a的饱和蒸气压；膜片下端与气瓶GC相连，由于气瓶GC自带的压力表不够精确，还需在二者之间加一个精密压力表P3。
为了让使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合外平衡式热力膨胀阀的工作原理，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。
如图2所示，在制冷系统工作时，将热力膨胀阀TEV的感温包TSB安装在蒸发器出口的管道上(近似认为感温包TSB内的温度随时与蒸发器EVA出口处管内温度相等)。感温包TSB中的感温剂产生对应温度的饱和压力Pa，施加于膜片DIA上端，膜片DIA下端与蒸发器EVA出口相连，其压力Pb为蒸发器EVA出口压力。因为感温包TSB所处的蒸发器EVA出口的过热温度总是大于蒸发温度，故Pa总是大于Pb，其差值由弹簧力Pc平衡。当蒸发器出口过热度增加，Pa>Pb+Pc，膜片DIA向下移动，使阀针孔NEE开大，增大供液量；当蒸发器EVA出口过热度减小时，Pa<Pb+Pc，膜片向上移动，使阀针孔NEE关小，减小供液量。热力膨胀阀TEV根据蒸发器出口过热度大体上成比例地调节供液量，使之与蒸发器的负荷相适应，保证进入蒸发器EVA的液体制冷剂在其中完全蒸发，并在出口处稍有过热。
当Pa＝Pb时，阀针在弹簧SPR的预紧力作用下与阀针孔NEE严密关闭，随着膨胀阀EVA出口过热温度的提高，Pa增大，从阀针孔NEE严密关闭到克服弹簧预紧力Pc后开始开启所需的过热度，称膨胀阀TEV的静态过热度；随着过热度的提高，阀体开度继续增加，直到全开，这段过程中过热度的变化值称为开启过热度。
与外平衡膨胀阀不同的是，内平衡膨胀阀膜片下面的压力Pb是从阀针孔节流所喷出的制冷剂作用在膜片DIA上的压力，其工作原理与外平衡膨胀阀TEV相同。
在本实施例中，用气瓶GC提供的压力代替蒸发器EVA出口的压力施加于膨胀阀TEV膜片下端，在适当的范围内改变气瓶GC的压力。测量不同膜片压差下的流量、压力，并由质量流量计算公式计算流通面积。通过多组数据确定出膨胀阀TEV流通面积与膜片DIA上下压差的关系。
上述质量流量计算公式为
Figure BDA0001925958650000041
其中qm为质量流量；Cf为流量系数，可以通过膨胀阀TEV进出口介质的密度计算得到；Ave为膨胀阀的流通截面积；ρ1为膨胀阀进口介质的密度；P1、P2为热力膨胀阀进出口压力。
利用本装置进行实验的使用方式如下：
将热力膨胀阀TEV的感温包TSB浸没于装有冰水混合物MIX的容器中，保证蠕动泵PUMP的吸水管在水槽WT液面以下，旁路阀V1保持固定开度，关闭气瓶GC，开启蠕动泵PUMP，读取热力膨胀阀TEV前后压力表P1、P2、转子流量计GC示数。开启气瓶GC总阀，通过调节气瓶GC减压阀使其表压从0kPa增加至190kPa，每隔10kPa记录一次各测量器件的读数。(气瓶GC自带的减压阀只能增加膜片下端压力，若想使其压力减小需要调节泄压阀V2。)
对实验数据进行处理，得到多组膜片DIA上下压差下的流通面积，本实施例利用MATLAB中最小二乘多项式拟合函数polyfit()，确定流通面积与膜片上下压差的关系。在制冷系统的模型中，可以通过蒸发器EVA出口压力和过热度计算热力膨胀阀TEV上下压差，进而计算热力膨胀阀TEV流通面积。
基于本实施例描绘出热力膨胀阀流通面积Ave/m2随膜片上下压差ΔP/kPa变化曲线如图3所示，在压差小于24kPa时，阀处于关闭状态；压差在24～162kPa范围内时，阀流通面积随压差增加而增加；当压差超过162kPa时，阀开度达到最大，此时流通面积不再随压差增加而改变。此规律符合热力膨胀阀的静态特性。
所得计算关联式为：
Figure BDA0001925958650000051
经试验，本发明确定的热力膨胀阀流通面积应用于其模型的计算结果可以达到以下模拟精度：
(1)重复性精度与稳定性在±2％之内；
(2)模拟值与实验值相对误差≤5％。
本发明不局限于上述具体实施方式，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种确定热力膨胀阀流通面积的方法，其特征在于，该方法即为一种确定热力膨胀阀流通面积与膜片上下压差关系的方法，其采用的实验装置包括主体流动部分和阀开度驱动部分；
所述的主体流动部分包括流体输送设备、第一压力表、待测膨胀阀、第二压力表和转子流量计，流体输送设备与待测膨胀阀通过管道连接，流体输送设备与待测膨胀阀之间的管道上设有第一压力表和转子流量计，待测膨胀阀的出口端设有第二压力表，即第一压力表和第二压力表分别位于待测膨胀阀进口端和出口端；流体输送设备的入口端与待测膨胀阀的出口端分别通过管道与水槽相通；
所述的阀开度驱动部分包括供压装置、第三压力表和旁路阀；待测膨胀阀膜片上端的感温包浸没于低温恒温环境中，使得其膜片上端压力为充注的感温剂R134a的饱和蒸气压；膜片下端与供压装置相连，二者间设有第三压力表和旁路阀；
使用所述装置时，通过供压装置改变待测膨胀阀膜片下部压力，进而改变待测膨胀阀开度，同时采集不同供压装置压力下的待测膨胀阀进出口压力、流量；通过采集到的数据计算流通面积，进而确定流通面积的计算关联式，如下：
Figure FDA0002464562300000011
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的流体输送设备为蠕动泵。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的供压装置为气瓶。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的低温恒温环境由冰水混合物提供。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的低温恒温环境由冰水混合物提供。
6.根据权利要求1、2或5所述的方法，其特征在于，所述的实验装置内流动介质为常温下的去离子水。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的实验装置内流动介质为常温下的去离子水。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的实验装置内流动介质为常温下的去离子水。
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