考虑壅塞特性的电子膨胀阀流量特性模型

    电子膨胀阀通过节流降压来满足制冷所需低温和制冷剂流量的调节,因其良好的调节性能而在制冷设备中得到了广泛应用.有关膨胀阀流量特性的研究已有报道[1-3],其中,普遍采用适用于单相不可压缩流体的Bernoulli方程对膨胀阀的流量特性进行描述,在方程中加入由实验数据拟合的流量系数并用于修正制冷剂流量.从物理意义上来说,采用单相不可压缩流体的流量方程来描述存在相变的可压缩流体流量特性具有一定的局限性,也无法解释膨胀阀内部的节流机制,特别是壅塞特性[4].当壅塞发生时,制冷剂质量流量不再随电子膨胀阀的出口压力而变化,而且,Bernoulli方程中的参数繁多,其实用性较差.刘军朴等[5-7]在研究二氧化碳节流短管的过程中,根据节流短管内二氧化碳流动中的壅塞特点,在不考虑节流短管出口压力影响的条件下,采用压力修正法分析其流量特性,但是没有指明修正压力的物理含义.本文基于壅塞特性,采用定义亚稳态系数的方法对膨胀阀流量特性进行描述,所建立的流量特性模型中只考虑影响壅塞特性的几个关键参数.

    1 膨胀阀内部流动特性

    图1所示为某型号电子膨胀阀(Electronic Ex-pansion Valve,EEV)结构示意图.在膨胀阀内,制冷剂沿膨胀阀流道流通的面积先减后增,并存在一个最小流通面积)))喉部,在阀针和阀座之间形成一个类似于缩扩喷嘴的流道结构.与喷嘴流道不同的是,膨胀阀的流通面积可以通过调整阀针来调节.在膨胀阀流道出口与配管连接处,流通面积突增,相当于一个扩压室.

    当制冷剂流入膨胀阀时,在喉部将变成过热液体而出现闪发延迟.此时,液核呈圆锥形并具有一定的亚稳态.在液核下游会产生斜蒸发波,经过斜蒸发波后的制冷剂将变成超音速两相流.在阀后背压较低的情况下,经过斜蒸发波后的超音速两相流继续膨胀,在下游某一处发生激波而变成亚音速流,并在突扩的扩压室内扩压,从而使压力回升并与阀后背压相匹配.

    2    膨胀阀流量特性模型

    张川等[3]研究表明:当阀的出口压力降到某一值后,质量流量保持某一定值,不再随出口压力的降低而增加,即出现壅塞现象.图2示出了以R22为工质,过冷度$tsc=5e,入口压力pi=1.73 MPa,在脉冲开度n=100~500的情况下,某型号电子膨胀阀的壅塞特性.可以看出,当出口压力(p2)降低至0.9 MPa(对应的蒸发温度为20e)后,质量流量(qm)的变化不明显.

    由于通过喉部干度较低的两相制冷剂的音速很低,一般为100~101m/s数量级,极易发生壅塞,且在蒸发温度小于20e时开始发生壅塞,因此,可以认为流过膨胀阀的制冷剂在制冷系统运行工况(蒸发温度低于15e)下始终处于壅塞状态.壅塞状态下的流体流动状态介于均相流与冷冻流之间,可用描述流体的均相流模型(Homogenous EquilibriumModel,HEM)和冷冻流模型(Frozen Flow Model,FFM)来描述膨胀阀的流量特性.