制冷系统中电子膨胀阀流量系数的实验研究

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　　电子膨胀阀是国际上20世纪80年代以后推出的一种先进的节流元件，是继毛细管和热力膨胀阀之后出现在市场上的节流元件，它是节能技术发展到一定程度的必然。虽然热力膨胀阀与电子膨胀阀功能基本相同，并且热力膨胀阀的形式多种多样，但是在一些特殊的应用场合下，尤其在变频空调系统中，电子膨胀阀与热力膨胀阀相比有不可比拟的优越性。它温度控制范围宽，温度、过热度控制精度高，还能够将过热度控制在较小值。所以，电子膨胀阀得到了广泛的应用和研究。

　　J.M.Choi 和Y.C. Kim[1]通过实验研究，得出了在性能上采用电子膨胀阀变频热泵系统比采用毛细管系统好得多的结论。Y.C.Kim 和Y.C.Park[2]以带有电子膨胀阀的一拖多家用变频空调器为研究对象，计算出了空调器在定频运行时电子膨胀阀的最佳开度。

　　近年来，对于电子膨胀阀流量特性的研究逐渐增多，之前通常借助于热力膨胀阀的有关研究，采用目前最常用的水力学公式来描述电子膨胀阀的流量特性：

式中，m为制冷剂的质量流量(kg/s);CD为制冷剂的流量系数;A 为电子膨胀阀的流通面积(m²);ρ 为电子膨胀阀入口处制冷剂的密度(kg/m³);P1为电子膨胀阀入口处的压力(Pa);P2为电子膨胀阀出口处的压力(Pa)。

　　由式(1)可知，对电子膨胀阀制冷工质流通特性研究的实质是研究其流量系数。较早的流量系数的经验公式是通过对热力膨胀阀的实验得到的。1935年，美国的研究者Wile D D研究了阀孔为锥型的热力膨胀阀的制冷工质流量特性，发现该类热力膨胀阀的流量系数与制冷剂的出口比容和入口密度密切相关，该流量系数的经验公式为：

式中，ρ 为阀门入口处制冷剂液体密度(kg/m³);v 为阀门出口处制冷剂的比容(m³/kg)。

　　因此流量系数一般要靠实验得到。

　　另外两名学者A. Davies 和 T.C. Daniels 以饱和制冷剂液体R12通过薄刃锐孔的节流特性为实验对象，得出的结论认为，流量系数只与阀门出口处制冷剂的干度有关，实际制冷剂液体流量与制冷剂纯液体流量之比，与阀门出口处的制冷剂干度成线性反比关系，即：

式中，macd为通过电子膨胀阀的制冷剂实际流量(kg/s);mlsd为视制冷剂为纯液体时制冷剂的流量(kg/s);x为阀门出口处制冷剂的干度(g/kg)。

　　在国内，上海交大在这方面的研究较为深入，包括：王如竹指出电子膨胀阀在流量特性方面，由于两相流固有的复杂机制，并且在一定条件下还存在阻塞流等非常规特性，除了试验获得相应流量特性关联式外，阀流量特性的理论研究还有待进一步深入[3];张川分析了阀门入口压力、出口压力、入口密度、入口过冷度、阀门开度和出口干度对电子膨胀阀流量特性的影响，认为以上各参数对流量特性均有影响，但是阀门开度的影响最大[4];又在以上实验的基础上，通过分析认为流量系数与阀门入口过冷度和阀后压力基本上呈一次线性变化关系，与阀前压力和流通面积呈二次曲线变化关系，在此基础上得到电子膨胀阀关于以上 4 个参数的流量系数经验模型的关联式[5];膨胀阀在节流过程中，出口处可能发生闪蒸，此时膨胀阀发生壅塞。张川等[6]将膨胀阀的工作段结构简化为短喷嘴，在对短喷嘴流动特性的可视化研究成果上，对制冷剂在膨胀阀中的节流现象进行了分析，结合气体动力学非连续理论对阀内蒸发波建立了一维流动机理模型，利用该模型判定蒸发波下游是否发生壅塞现象。陈亮等[7]认为壅塞状态下制冷剂的流动状态介于均相流和冷冻流之间，因此可以用均相流模型和冷冻流模型来描述膨胀阀的流量特性，并且建立起膨胀阀质量流量计算模型;叶奇昉等[8]考虑了膨胀阀流通面积、制冷剂性质参数、进出口工况、膨胀阀阀头结构的影响，拟合了电子膨胀阀 R410A 和R407C 的流量特性关联式，并且与实际数据对比，相对偏差在-7.6%～0.5%和-12%～4.5%之间。