汽車空調(diào)熱力膨脹閥容量測(cè)試系統(tǒng)的研制

顏吉亮　王玉剛　耿麗萍　王清平（中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院　杭州　3008；中石油塔里木油田分公司質(zhì)量檢測(cè)中心　庫爾勒　84000）

汽車空調(diào)熱力膨脹閥容量測(cè)試系統(tǒng)的研制

顏吉亮1王玉剛1耿麗萍1王清平2
（1中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院杭州310018；2中石油塔里木油田分公司質(zhì)量檢測(cè)中心庫爾勒841000）

熱力膨脹閥在不同工況下的流量特性是影響制冷系統(tǒng)性能的重要因素，因此需要對(duì)熱力膨脹閥進(jìn)行制冷劑實(shí)流檢測(cè)。本文研制了制冷量范圍為1.7～10 kW的熱力膨脹閥容量測(cè)試臺(tái)。該測(cè)試臺(tái)以“膨脹閥進(jìn)出口的壓力值”為測(cè)試條件，避免了閥前高壓部分設(shè)備流動(dòng)阻力的差異對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。系統(tǒng)的流量測(cè)量不確定度為0.5％，控溫精度為±0.5℃。在標(biāo)準(zhǔn)工況下取額定容量5.5 kW的H型熱力膨脹閥的性能進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)溫度-開度、開度-流量、溫度-流量關(guān)系特性分析得到在熱力膨脹閥工作區(qū)域內(nèi)，其溫度與流量基本成線性比例關(guān)系。根據(jù)熱力膨脹閥增益和滯環(huán)的定量分析，判別熱力膨脹閥的性能優(yōu)劣。

汽車空調(diào)；熱力膨脹閥；開度；流量

膨脹閥作為制冷系統(tǒng)四大部件之一，可實(shí)現(xiàn)冷凝壓力至蒸發(fā)壓力的節(jié)流作用，因此膨脹閥的動(dòng)態(tài)特性對(duì)制冷系統(tǒng)的性能有至關(guān)重要的影響。目前汽車空調(diào)市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的是熱力膨脹閥，它是一種通過感溫包感受蒸發(fā)器過熱度以調(diào)節(jié)膨脹閥開度的流量自動(dòng)調(diào)節(jié)閥［1-5］?，F(xiàn)有的熱力膨脹閥流量測(cè)試設(shè)備以冷凝壓力1.49 MPa，蒸發(fā)壓力0.35 MPa作為設(shè)計(jì)參數(shù)，能完成熱力膨脹閥流量-開度的基本測(cè)試，但無法得出溫度-流量的特性曲線。另一方面，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 663—2000（汽車空調(diào)（HFC-134a）用熱力膨脹閥）［6］的技術(shù)要求，額定測(cè)試條件為液態(tài)制冷劑溫度55℃（飽和壓力1.49 MPa），蒸發(fā)溫度5℃（飽和壓力0.35 MPa），而在實(shí)際應(yīng)用中，制冷系統(tǒng)中的冷凝器出口至膨脹閥入口、膨脹閥出口至蒸發(fā)器入口、以及冷凝器和蒸發(fā)器均可能存在較大的流動(dòng)阻力，因此以冷凝壓力1.49 MPa，蒸發(fā)壓力0.35 MPa為設(shè)計(jì)參數(shù)不符合膨脹閥的實(shí)際運(yùn)行工況［7］。

為了解決上述問題，本文選取以熱力膨脹閥進(jìn)出口的壓力值為設(shè)計(jì)條件，研制一套制冷容量范圍為1.7～10 kW的熱力膨脹閥流量測(cè)試臺(tái)，實(shí)現(xiàn)膨脹閥的開度-流量特性測(cè)試、溫度-開度特性測(cè)試、溫度-流量特性測(cè)試以及靜止過熱度測(cè)試。

1　測(cè)試方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1測(cè)試方法

熱力膨脹閥的制冷劑流量測(cè)試采用實(shí)流流量法，原理如圖1所示。先開啟電子膨脹閥支路，調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和電子膨脹閥的流量到指定工況。穩(wěn)定后，隨著待測(cè)膨脹閥的開度變化，不斷調(diào)整對(duì)應(yīng)旁路的電子膨脹閥的開度來改變流量值，以滿足熱力膨脹閥入口壓力值，過程中流量計(jì)1的值保持不變。記錄待測(cè)膨脹閥前的流量計(jì)2的讀數(shù)，可得到膨脹閥的開度與流量之間的關(guān)系［5］。

圖1　膨脹閥制冷劑流量測(cè)試原理Fig.1 Schematic of refrigerant flow testing facility

圖2　熱力膨脹閥測(cè)試系統(tǒng)流程圖Fig.2 Schematic diagram of the thermal expansion valve testing system

1.2系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)

為了獲得膨脹閥的溫度-流量關(guān)系特性，分別測(cè)試膨脹閥的開度-流量關(guān)系和溫度-開度關(guān)系，擬合兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得到膨脹閥的溫度-流量關(guān)系特性。因此，熱力膨脹閥流量測(cè)試臺(tái)的硬件部分由開度-流量測(cè)量和溫度-開度測(cè)量兩部分組成。

在溫度-開度測(cè)試過程中，通過調(diào)節(jié)放置膨脹閥的恒溫水浴的溫度，測(cè)量膨脹閥的開度變化，得到膨脹閥的溫度-開度的關(guān)系［8］，原理較為簡單，本文不進(jìn)行詳述。膨脹閥的開度-流量測(cè)量裝置較為復(fù)雜，依據(jù)測(cè)試方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)此裝置進(jìn)行分析［9］。

膨脹閥開度-流量測(cè)量裝置的流程如圖2所示。其中的冷凝器、儲(chǔ)液器、過冷器、過濾器、電磁閥、質(zhì)量流量計(jì)等為高壓部分，在系統(tǒng)額定流量下的阻力損失約為0.15 MPa，而實(shí)際汽車空調(diào)的制冷系統(tǒng)中高壓段通常只有冷凝器和儲(chǔ)液器，其阻力損失遠(yuǎn)小于此測(cè)試臺(tái)高壓段的阻力損失，若選用測(cè)試條件為冷凝壓力（P2）1.49 MPa，則熱力膨脹閥流量測(cè)試的入口條件為閥前壓力值1.24 MPa，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 663—2000不符。另外，不同的汽車空調(diào)系統(tǒng)，可能會(huì)采用不同結(jié)構(gòu)的冷凝器，如管片式、管帶式以及平行流冷凝器［10-11］、流阻不盡相同，對(duì)應(yīng)的熱力膨脹閥的工作參數(shù)也隨之改變，為了統(tǒng)一比較基準(zhǔn)，膨脹閥入口測(cè)壓參照點(diǎn)的布置至關(guān)重要。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱力膨脹閥入口（P3）壓力為1.49 MPa，可基本滿足實(shí)際汽車空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并消除制冷系統(tǒng)高壓部分流阻對(duì)熱力膨脹閥測(cè)試產(chǎn)生的影響，提高了測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性。

對(duì)測(cè)試臺(tái)的蒸發(fā)器和冷凝器的水循環(huán)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，將冷凝器出口的高溫冷卻水和蒸發(fā)器出口的低溫冷凍水混合后，進(jìn)入100 L容積的恒溫水浴，將混合水溫度穩(wěn)定控制在30℃，再分流進(jìn)入冷凝器和蒸發(fā)器。此水循環(huán)系統(tǒng)不僅降低了測(cè)試臺(tái)的能耗，而且通過調(diào)節(jié)循環(huán)水路流量值和恒溫水浴溫度值實(shí)現(xiàn)了換熱器換熱量的調(diào)控，相關(guān)測(cè)控系統(tǒng)也有較大改進(jìn)［7］。

2　測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)裝置

2.1硬件設(shè)備

在熱力膨脹閥流量測(cè)試臺(tái)中設(shè)計(jì)了兩個(gè)恒溫水浴，其中一個(gè)容量為50 L，作為膨脹閥入口處的恒溫過冷器；另一個(gè)為容量100 L的開式循環(huán)恒溫水浴，用來穩(wěn)定蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)水，控溫精度為0.5℃。測(cè)試臺(tái)采用BITZER活塞制冷壓縮機(jī)，型號(hào)為4EC-4.2Y-40S，通過電磁閥控制可進(jìn)行壓縮機(jī)的半載（2缸）或滿載（4缸）運(yùn)行，滿足測(cè)試不同容量膨脹閥的需求。冷凝器采用套管式換熱器，蒸發(fā)器采用板式換熱器，使整體結(jié)構(gòu)更為緊湊。兩臺(tái)水循環(huán)泵采用1.1 kW的變頻水泵，型號(hào)為KQL 20/160-1.1/2，額定流量為2.5 m3/h，額定揚(yáng)程為32 m。冷卻水預(yù)冷器采用變頻風(fēng)冷散熱器，其額定散熱功率為5 HP，通過改變風(fēng)冷散熱器的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)預(yù)冷器的散熱量。

2.2測(cè)點(diǎn)布置和傳感器選擇

系統(tǒng)各測(cè)試點(diǎn)布置如圖2所示：

1）在膨脹閥工作段前后布置壓力測(cè)點(diǎn)、溫度測(cè)點(diǎn)及流量測(cè)點(diǎn)；

2）蒸發(fā)器、冷凝器和壓縮機(jī)前后布置溫度和壓力測(cè)點(diǎn)；壓縮機(jī)設(shè)置高低壓保護(hù)；

3）恒溫水浴前后布置溫度測(cè)點(diǎn)。

溫度測(cè)量均采用測(cè)溫不確定度為 ±0.1℃的PT100鉑電阻溫度計(jì)，壓力傳感器的精度為±0.2％。測(cè)試臺(tái)對(duì)流量測(cè)量精度要求高，因此選用OVAL質(zhì)量流量計(jì)，流量范圍為0～360 kg/h時(shí)的測(cè)量精度為0.2％～0.8％，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3軟件控制系統(tǒng)

熱力膨脹閥流量測(cè)試臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)組成如圖3所示，采用研華工控機(jī)作為主控機(jī)，利用研華PCI-1711進(jìn)行信號(hào)采集和系統(tǒng)控制［8］?；赩B平臺(tái)編寫測(cè)控軟件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)后處理。

圖3　測(cè)試臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Measurement and control system of test-bench

2.4熱力膨脹閥開度-流量測(cè)試

要得到穩(wěn)定工況下的溫度-流量曲線，需要在指定工況下對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。以壓縮機(jī)滿載工作，膨脹閥出口壓力為0.35 MPa，膨脹閥入口壓力為1.49 MPa情況為例：安裝待測(cè)膨脹閥，鎖緊膨脹閥出入口，使制冷劑全部從電子膨脹閥通過。設(shè)定過冷器的溫度為50℃。調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度、水循環(huán)系統(tǒng)中的水流量和預(yù)冷器的散熱量，直到膨脹閥出口壓力為0.35 MPa，膨脹閥入口壓力為1.49 MPa，保持工況穩(wěn)定至少30 min。根據(jù)膨脹閥前后的溫度、壓力和流量值可得到開度-流量特性曲線。

2.5熱力膨脹閥溫度（過熱度）-開度測(cè)試

熱力膨脹閥通過感溫包接收過熱度信號(hào)，改變閥的開度以調(diào)節(jié)制冷劑流量，因此熱力膨脹閥的溫度（過熱度）-開度測(cè)試實(shí)驗(yàn)需要為感溫包提供一個(gè)穩(wěn)定信號(hào)［12-13］。測(cè)試方法如圖4所示，熱力膨脹閥設(shè)置在恒溫水浴上方，將熱力膨脹閥的感溫包放置于恒溫水浴中。向熱力膨脹閥通入氮?dú)?，利用壓力調(diào)整閥調(diào)節(jié)氣體壓力值至0.35 MPa（額定工況）后，進(jìn)入熱力膨脹閥的平衡口，然后增加感溫包溫度（即提高恒溫水浴溫度），并測(cè)量相應(yīng)溫度下的熱力膨脹閥開度。

在膨脹閥閥桿處設(shè)置BAUMER位移傳感器。當(dāng)恒溫水浴溫度值發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的熱力膨脹閥閥桿亦發(fā)生位移變化，位移傳感器感受閥桿的位移，將位移信號(hào)通過RS485接口傳送給計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)顯示待測(cè)膨脹閥的開度值，由此得出溫度-開度曲線。壓力調(diào)整閥的工作范圍為0.005～0.9 MPa，精度為0.5級(jí)。BAUMER位移傳感器的檢測(cè)范圍為0～10 mm，精度為0.003 mm，分辨率為0.0003 mm。

圖4　膨脹閥的過熱度-開度測(cè)試裝置示意圖Fig.4 Schematic of expansion valve superheat-opening testing instrument

3　測(cè)試結(jié)果及分析

3.1參數(shù)條件

測(cè)試臺(tái)的制冷劑采用HFC-134a，名義制冷量范圍為1.7～10.55 kW（0.5～3 RT）。標(biāo)準(zhǔn)工況膨脹閥入口壓力為1.49 MPa，膨脹閥入口溫度為50℃，膨脹閥出口壓力為0.35 MPa，膨脹閥出口溫度為5℃。

取名義容量為5.5 kW的熱力膨脹閥（最大開度為1 mm）作為測(cè)試對(duì)象，調(diào)節(jié)測(cè)試臺(tái)各參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，自動(dòng)采集待測(cè)熱力膨脹閥前后的溫度、壓力及流量值。

3.2開度-流量關(guān)系實(shí)驗(yàn)

由圖5可知，隨著熱力膨脹閥的開度增大，通過閥孔的流量也不斷增加。當(dāng)膨脹閥開度大于0.6 mm時(shí)，流量基本保持不變，而膨脹閥在達(dá)到開度0.6 mm之前，其開度-流量曲線特性為近似線性比例關(guān)系。此測(cè)試結(jié)果體現(xiàn)了熱力膨脹閥工作區(qū)域的線性比例特性［14-15］。

圖5　開度-流量特性實(shí)驗(yàn)曲線Fig.5 The flow variation with opening

3.3溫度-開度關(guān)系實(shí)驗(yàn)

圖6給出感溫包溫度從0℃上升到25℃時(shí)，熱力膨脹閥開度隨溫度的變化值。圖中可看出，感溫包低于8℃時(shí)，膨脹閥一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)溫度大于8℃時(shí)，膨脹閥啟動(dòng)，因此，此型號(hào)膨脹閥的靜止過熱度［16］為8℃。熱力膨脹閥的開啟點(diǎn)在感溫包溫度為8℃，最大開度為17℃左右。閥的開啟點(diǎn)在全開點(diǎn)過程中隨著溫度的升高，熱力膨脹閥的開度幾乎成線性比例增大。

圖6　溫度-開度特性實(shí)驗(yàn)曲線Fig.6 The opening variation with temperature

圖6中溫度-開度特性關(guān)系曲線的斜率稱為熱力膨脹閥的增益。增益越大，熱力膨脹閥對(duì)制冷系統(tǒng)的振蕩影響也越大。在溫度為9～15℃時(shí)，熱力膨脹閥增益基本不變，且增益值較小。

隨著溫度不斷增加，開度隨之增加的過程稱為正行程；隨著溫度不斷降低，開度隨之減小的過程稱為反行程。此時(shí)，由于膨脹閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致在同一溫度點(diǎn)，正反行程的開度不一致，得到如圖6所示的滯環(huán)曲線，滯環(huán)越大，制冷系統(tǒng)越容易引起振蕩。被測(cè)熱力膨脹閥在溫度為8～15℃時(shí)滯環(huán)較小，說明穩(wěn)定性較好。

3.4溫度-流量關(guān)系實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖5和圖6可得出溫度-開度特性實(shí)驗(yàn)曲線，如圖7所示。圖中A1、B1點(diǎn)之后，流量值開始隨著溫度的增加而增大，在A2和B2點(diǎn)之后熱力膨脹閥的流量基本保持恒定。說明A1和A2之間區(qū)域（B1和B2之間區(qū)域）為熱力膨脹閥的工作區(qū)域內(nèi)，制冷劑質(zhì)量流量與感溫包溫度呈近似線性關(guān)系。

圖7　溫度-流量特性實(shí)驗(yàn)曲線Fig.7 The flow variation with temperature

計(jì)算熱力膨脹閥的容量公式［17］為：

式中：Q為容量，kW；qmr為額定點(diǎn)的制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；h1為熱力膨脹閥入口處飽和液態(tài)制冷劑的比焓值，kJ/kg；h2為膨脹閥出口處飽和氣態(tài)制冷劑的比焓值，kJ/kg；K為過冷度修正值。

本系統(tǒng)的過冷度為5℃，由表1可得過冷度修正值為1.065［17］。根據(jù)R134a壓焓圖可查得，膨脹閥出口飽和壓力為0.35 MPa時(shí)，氣態(tài)制冷劑的比焓值h2為401.494 kJ/kg，膨脹閥入口飽和壓力為1.49 MPa時(shí)，液態(tài)制冷劑的比焓值h1為272.394 kJ/kg。根據(jù)公式（1）可計(jì)算得到5.5 kW熱力膨脹閥的額定流量值為144.0 kg/h，其值皆小于A2、B2點(diǎn)的流量值。說明此熱力膨脹閥的額定流量在線性工作區(qū)域內(nèi)，有20％的余量，符合此熱力膨脹閥的設(shè)計(jì)要求。

圖7中在8～15℃溫度段，被測(cè)膨脹閥的增益和滯環(huán)均較小。對(duì)于熱力膨脹閥而言，增益和滯環(huán)是影響制冷系統(tǒng)或空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素［15-16］。增益大，系統(tǒng)易引起振蕩，而在一定增益范圍內(nèi)，滯環(huán)越大，系統(tǒng)也越容易引起振蕩，且振蕩的幅度和增益、滯環(huán)成正比。通過溫度-流量特性曲線圖可以良好反映熱力膨脹閥的增益和滯環(huán)，以判別熱力膨脹閥的性能優(yōu)劣。

4　結(jié)論

1）本文分析了現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不明之處，確定以膨脹閥入口壓力1.49 MPa為測(cè)試條件，研制了熱力膨脹閥容量測(cè)試臺(tái)，通過熱力膨脹閥的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，此實(shí)驗(yàn)臺(tái)能良好完成熱力膨脹閥溫度-流量關(guān)系特性測(cè)試。

2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：被測(cè)熱力膨脹閥在其工作區(qū)域內(nèi)溫度-流量特性呈現(xiàn)近似線性比例關(guān)系，符合該熱力膨脹閥的設(shè)計(jì)要求。

3）通過此熱力膨脹閥容量測(cè)試臺(tái)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可定量分析熱力膨脹閥溫度-流量特性的增益和滯環(huán)，以判別熱力膨脹閥的性能優(yōu)劣，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考依據(jù)。

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About the corresponding author

Wang Yugang，male，associate professor，College of Metrology and Measurement Engineering，China University of Metrology，+ 86 571-86914564，E-mail：ygwang@cjlu.edu.cn.Research fields：measurement technology of refrigeration and air-conditioning equipment.

Development of Testing System on Thermal Expansion Valve Capacity

Yan Jiliang1Wang Yugang1Geng Liping1Wang Qingping2
（1.College of Metrology and Measurement Engineering，China University of Metrology，Hangzhou，310018，China；2.Testing Center for Quality，Petro China Tarim Oilfield Company，Korla，841000，China）

Thermal expansion valve's flow characteristic under different conditions is one of the most important factors affecting refrigeration system performance.So it is necessary to detect the actual refrigerant flow of thermal expansion valve.A thermal expansion valve testbench was developed and its range of refrigerating capacity was 1.7-10 kW.In the system，in order to avoid the influence of flow resistance difference of the high pressure part on the measured results，inlet pressure of expansion was treated as the testing condition.The uncertainty of flow measurement is 0.5％and temperature control accuracy is±0.5℃.Performance of a 7 kW capacity H-type thermal expansion valve was tested in the standard condition，and the property of flow-opening，temperature-opening，flow-temperature was acquired and analyzed.In the thermal expansion valve's work range，the flow increases linearly with the increase of temperature.Through the quantitative analysis of thermal expansion valve's gain and hysteresis，the performance of thermal expansion valve is judged.

automobile air-conditioning；thermal expansion valve；opening；flow

TU831；U463.85+1

A

0253-4339（2015）05-0107-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.0107

2014年12月8日

簡介

王玉剛，男，副教授，中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，（0571）86914564，E-mail：ygwang@cjlu.edu.cn。研究方向：制冷及空調(diào)測(cè)試技術(shù)。