上海交通大学工程硕士学位论文热力膨胀阀选型方法研究及对系统可靠性的影响 162 1液体充注液体充注是指温包中注入与系统所

  • 时间:2019-10-15 20:15
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  上海交通大学工程硕士学位论文热力膨胀阀选型方法研究及对系统可靠性的影响 162 1液体充注液体充注是指温包中注入与系统所用制冷剂相同的感温介质液体 液体冲入量足够多 约占温包容积的70 80 保证在任何温度下温包中总有液体 且自由液面始终维持在温包内。 工质的饱和压力线在低温区下趋向平坦 导致该充注

  上海交通大学工程硕士学位论文热力膨胀阀选型方法研究及对系统可靠性的影响 162 1液体充注液体充注是指温包中注入与系统所用制冷剂相同的感温介质液体 液体冲入量足够多 约占温包容积的70 80 保证在任何温度下温包中总有液体 且自由液面始终维持在温包内。 工质的饱和压力线在低温区下趋向平坦 导致该充注的阀在预紧力一定时静过热度随蒸发温度下降而增大 控制特性变差。 它的主要特点还有 阀的工作不受环境温度影响仅由温包处的温度决定。 停机后蒸发温度达到平衡时关阀压差仅由弹簧预紧力提供 阀的关闭不是很严 所以不能兼做截止阀使用。 压缩机开机时回气过热度小甚至带液另外还容易引起电机过载。 热惯性较大反应滞后相对较大 因而一般不具备抗振荡能力。 若温包暴露在高温处会使热力头中的内压过高 使蒸发器内液体过多 容易使压缩机引起液击。 2气体充注MOP充注 气体充注是指温包中注入与系统所用制冷剂相同的感温介质液体 充注量控制在到某个温度时 液体能全部蒸发完。因此 高于这个温度时 温包内的压力几乎不再升高 把这个压力称为最大操作压力 maximum operation pressure 缩写为MOP 蒸发温度大于MOP对应的温度时膨胀阀就不能打开了 启动时 只有当蒸发压力低于MOP后 阀才能开启 因此既可防止电机过载又能防止液击。 停机时温度升高但温包内的压力比MOP值高不多 因此阀关闭较严。 当膜片盒及毛细管的温度比温包的温度低时充注的制冷剂气体可能会全部冷凝并聚积在膜片盒及毛细管里 使温包失去控制作用 24 MOP阀除采用同工质气体充注外还有不同工质气体交叉充注。不同工质气体交叉充注的MOP阀 能够在较宽的蒸发温度范围内保持静态过热度大体恒定 因此使机组在整个温度范围有良好的制冷效果 特别适用于商业制冷和低温系统 已经成为热力膨胀阀发展的主流。 3气体充注惰性充注 气体充注就是在气充的温包中装入惰性片。惰性片用化学中性材料制作 利用它的热惰性延缓温包压力对温度变化的反应 使阀的动作缓慢。它的好处是 在温包感受蒸发器不稳定区的温度波动信号时 阀的工作平稳 能够有效地抑制阀的振荡现象发生。同时还允许将静态过热度调得更低些 充分利用蒸发器传热面积。另外如果温包与动力头温度逆反 后者温度低于前者 感温介质上海交通大学工程硕士学位论文 热力膨胀阀选型方法研究及对系统可靠性的影响 17从温包向动力头迁移的不利现象也不会象在气充中那样显著。 4液体交叉充注液体交叉充注采用与系统制冷剂不同的流体作感温介质 温包内的液体充注足够多 使任何温度下都有液体 并将自由液面维持在温包中。 采用这种充注与同工质液体充注相比 低蒸发温度时过热度变小 高蒸发温度时 过热度增大。主要优点是 压缩机停机时阀关闭的快 压缩启动时能够降低负荷防止回液 并迅速将吸气压力降下来。 5混合充注混合充注是指在温包内除了充注工质外 再注入一定的不凝性气体 向工质内施加一个定压 于是获得不变的低过热度控制特性。 6吸附充注吸附充注式膨胀阀是指在温包内充入固体吸附剂和被吸附气体。这些物质的吸附能力随温度变化。温度降低时吸附能力增强 温包容积内气体分子密度减少 温度升高时 吸附能力减弱 粘连能力减弱 粘连在毛细孔内的气体脱逸出来 使温包压力升高。由此获得温包内压力随温度的一定变化关系。 吸附充注的适应性强 因为采用同样的吸附对 只需调整吸附剂与被吸附气体的含量比例 即可获得多条压力曲线 故能方便地按系统控制要求加以选择。吸附充注不存在感温介质的凝结问题 使阀、波纹管腔和毛细管处的环境具有较大的独立性。吸附充注应注意提高温包的响应速度。进一步的研究是在更宽的使用范围以小过热度工作和改善热力头的动态特性 以适应先进调节技术的要求。 热力膨胀阀负荷比计算蒸发器负荷QEV是指被冷却物体通过蒸发器向制冷剂传递的热量 热力膨胀阀容量是指经过阀的制冷剂流量在一定蒸发温度下完全蒸发所具有的制冷能力。阀容量是膨胀阀的重要特性参数 也是选阀的依据。膨胀阀的容量由下式给出 QTXV 热力膨胀阀负荷比是LTXV QEV QTXV 尺寸一定的膨胀阀它的容量取决于 制冷剂、阀前后压差、蒸发温度、过热度和阀前液体过冷度。膨胀阀生产厂家会提供容量特性表的。当一工况点的上海交通大学工程硕士学位论文 热力膨胀阀选型方法研究及对系统可靠性的影响 18t0 tctliq ΔP1 ΔP2及m已知 可以计算出某一型号热力膨胀阀在该点的负荷比。例如当 h1428 kJkg h3 257 kJkg QEV 27ton。若选用Sporlan公司型号为BBIZE 15BP热力膨胀阀 根据Sporlan提供的该阀的容量表 可得出它在该工况点的容量为 QTXV ton所以 LTXV QEV QTXV 95 制冷系统可靠性要求各种制冷装置都有它的安全要求 必须严格遵守 否则机组就会寿命缩短甚至损坏。每个装置必须有一套对应的自动保护措施 以使机器、设备在安全条件范围内正常可靠工作。压缩机作为制冷机组的“心脏” 保护方法是当工作参数出现异常将危及到压缩机安全时 立即或者延时中止运行。根据压缩机厂家的要求 一般商用空调压缩机的保护有低压保护、高压保护、排气温度保护。 低压保护制冷系统工作时 要防止压缩机吸气压力过低。吸气压力过低或低压侧被过分抽空所造成的危害有 压力比增大 排气温度上升 效率下降 压缩机工作条件恶化。若低压侧负压严重 空气渗入系统 将不凝性气体和水分带入 又使排气温度、压力提高 压缩机工作异常 水分还造成膨胀阀冰堵。 用低压控制器实现低压保护功能。在压力降到设定值下限时切断电路 在压力升到设定值上限时 接通电路 用作吸气压力保护。一般R410a低压控制器下限设定值为25 4psig 上限设定值为41 4psig。 高压保护高压侧压力过高 会对压缩机造成危害。各种操作或处理不当都有可能造成高压侧压力过高。例如 操作失误 开机后排气管阀仍未打开 初充注量过多 上海交通大学工程硕士学位论文 热力膨胀阀选型方法研究及对系统可靠性的影响 19冷凝器大量积液 冷凝器断水或水量严重不足 冷凝风扇电机出故障 系统不凝性气体含量过多等。 高压控制器在压力升到设定值上限时切断电路 在压力降到设定值下限时 接通电路 用作排气压力保护。一般R410a高压控制器下限设定值为550 10psig 上限设定值为650 10psig。 排气温度保护排气温度过高会影响压缩机的寿命、使润滑油结焦 严重时引起工质分解、爆炸。Danfoss压缩机推荐的排气温度为135 以下。采用温度控制器感应排气温度 排气温度超过125 的设定值 令压缩机保护性停机。 过热度膨胀阀的过热度一般由阀的生产商预先调好 最好不作现场调节。一般膨胀阀在感温包处的过热度调节在5oF 7816oF 89。设定的过热度太高会导致蒸发器缺液 引起回油困难 而设定的过热度太低又会使得液态制冷剂流入压缩机。 过冷度膨胀阀只有工作在制冷剂是纯液体的状态下才是稳定的。如果液管中的制冷剂出现闪发 阀的容量会受到严重影响。膨胀阀为了供给蒸发器相同数量的液态制冷剂 膨胀阀开度就增加 而增加开启度的唯一办法是增大过热度。当阀前闪发气体的比例增大时 过热度也增大 阀前开启度相应增大 有可能阀全开后仍然不能解决供液不足的问题。膨胀阀已经工作在有闪发气体的情况下 如果突然恢复到纯液体的工况 此时膨胀阀的开启度大于实际负荷的需要 液体制冷剂将流入压缩机直至膨胀阀重新正常工作。 数据模拟方法本文用了两种软件进行数据模拟。一种是用于系统仿真的软件T Rex 另一种是用于数据预测的软件MiniTab。 用于单元式空调机组的仿真软件TRex Rex是用于单元式空调机组的仿真软件具有功能强大、界面友好且准确易用的特点。另外它还能利用Excel进行批处理 方便快捷。它在标准工况下的 制冷量和能效比的仿线 的误差 在其它工况下的 误差不大于10 是屋顶机组在TRex的系统图 8是水源热泵在TRex的系统图。 上海交通大学工程硕士学位论文 热力膨胀阀选型方法研究及对系统可靠性的影响 20 10热力膨胀阀 11 分配器 12 蒸发器 13 室内风机 14 吸气管。 单冷单系统屋顶机组在TRex的系统图 Fig Systemchart singlesystem coolingonly rooftop 热力膨胀阀10 分配器 11 室内风机 12 蒸发器 13 14吸气管1 15 吸气管2。 上海交通大学工程硕士学位论文热力膨胀阀选型方法研究及对系统可靠性的影响 21 热力膨胀阀10 管路1 11 干燥过滤器 12 管路2 13 蒸发器 14 吸气管1 15 吸气管2。 水源热泵在TRex的系统图 Fig Systemchart watersource heat pump MiniTab软件预测功能MiniTab软件 是现代质量管理统计的领先者。是为质量改善、教育和研究应用领域提供统计软件和服务的先导。是一个很好的质量管理和质量设计的工具软件 更是持续质量改进的良好工具软件。MiniTab统计软件为质量改善和概率应用提供准确和易用的工具 25 因为TRex的能力限制 它在室外环境温度低的情况下可能会无法收敛 不能提供数据。本文利用T Rex提供的数据 用MiniTab软件预测出T Rex不能收敛的工况的数据。例如 已知机组在某些工况条件下制冷量与室内进风温度、室外进风温度、室内风量、室外风机个数的关系 则可用MiniTab的Stat–DOE–Response Surrface Analyze Response Surface Design 工具获得回归系数 如图 。再用这些回归系数即可以计算出其它工况条件下的制冷量如表 Rex预测的某些工况条件下的制冷量上海交通大学工程硕士学位论文 热力膨胀阀选型方法研究及对系统可靠性的影响 22Table Rexprediction cooling capacity someconditions MiniTab软件预测功能界面Fig MiniTabsoftware prediction function interface MiniTab预测的某些工况条件下的制冷量 Table MiniTabprediction cooling capacity someconditions 上海交通大学工程硕士学位论文 热力膨胀阀选型方法研究及对系统可靠性的影响 23第三章 北美屋顶机设计运行工况下热力膨胀阀选型研究 如前文所述 热力膨胀阀只能在一个较窄的工况和负荷范围下实现调节过热度的功能。一般地 当过热度大于5 且负荷比在 30 120 之间 热力膨胀阀基本都能保持在设定的过热度范围内 在负荷比大于120 阀门已全开此时膨胀阀就相当于一个固定节流孔 不能动态控制过热度 降低了蒸发器的利用率 而在负荷比少于30 阀门控制精度不高不能很好控制出现频繁开关而引起振荡 此时 液体制冷剂有可能进入压缩机 甚至造成压缩机损坏。 传统的热力膨胀阀选型只要膨胀阀负荷比在名义工况点等于或稍小于100 即可 而不考虑在其它工况点的负荷比。常规的空调器运行工况范围不宽 热力膨胀阀在绝大多数工作点的负荷比都在30 120 之间。本章要分析的空调机组 是在北美销售的屋顶机 设计运行工况范围较常规空调器的要宽。在室外温度 17 机组都要求能运行。这些屋顶空调都要求用热力膨胀阀作节流元件。为此 本文以某台在北美销售的屋顶机组为例 用传统选型方法选出热力膨胀阀 考察其工作点负荷比的范围 并针对出现的问题进行探讨和解决。 机组参数某台在北美地区销售的单冷屋顶机组A 设计运行工况较宽 要求的室内干湿球温度最小为19 室外温度为17 。在名义工况下te 10 tC 43 tliq35 P2 269 kPa QEV 传统选型方法分析根据传统选型方法 选出某型号为D的热力膨胀阀 此时它在名义工况下的负荷比为95 。用仿真软件T Rex计算出该单冷屋顶机组在各运行工况点的相关参数 再计算出D型热力膨胀阀在各点的负荷比。图 10显示了D型膨胀阀负荷比与室外空气温度的关系。 上海交通大学工程硕士学位论文 热力膨胀阀选型方法研究及对系统可靠性的影响 24 10D型热力膨胀阀负荷比 Fig 10 Type TXVloading 室内干湿球温度 19 室内干湿球温度 26 其中A点为名义工况下热力膨胀阀的负荷比35 95 室内干湿球温度 32 10阴影部分表示负荷比为30120 的区间 尽管T Rex不能在所有工况收敛而未能计算出所有工况的负荷比 但也可推导出很多工作点的负荷比大于120 此时膨胀阀就相当于一个节流孔 不能给蒸发器提供足够的制冷剂 降低了制冷系统的效率。另外膨胀阀最小负荷比是50 远大于30 的振荡临界点。这是因为压缩机是空调系统的主体和核心 出于保护压缩机的目的 生产厂家在选择上趋向于保守 而选择能力稍小的膨胀阀来避免振荡的发生。对于常规的空调器 如前文所述 其运行工况变动不大 即使其最小负荷比是50 它的绝大多数工作点负荷比还是小于120 新的选型方法分析通过上述分析可知 对于在北美屋顶机设计运行工况下运行的机组 传统的选型方法选出的膨胀阀的最小负荷比是50 较多工作点在膨胀阀控制范围之外。考虑膨胀阀负荷比小于30 才会振荡的因素 为了充分利用膨胀阀的有效控制能力 本文选出更大的型号为E的膨胀阀 并计算出对应热力膨胀阀负荷比。图 11显示了E型膨胀阀负荷比与室外空气温度的关系。 上海交通大学工程硕士学位论文 热力膨胀阀选型方法研究及对系统可靠性的影响 25 11E型热力膨胀阀负荷比 Fig 11 Type TXVloading 室内干湿球温度 19 室内干湿球温度 26 其中A点为名义工况下热力膨胀阀的负荷比35 63 室内干湿球温度 32 尽管TRex仍然不能提供所有工况的负荷比 11可以看到E型热力膨胀阀的最小负荷比是36 在名义工况下的负荷比为63 比起D型热力膨胀阀来说 有更多工作点的负荷比小于120 。根据前文可知 选用更大的热力膨胀阀后 提高了蒸发器的利用率 提高了系统的能效比 使系统达到了更优化的匹配。 分析小结上述分析表明 对于运行工况较宽的机组 用传统的选型方法 即膨胀阀负荷比在名义工况点应等于或稍小于100 的方法 选出的膨胀阀的负荷比会在较多工作点大于120 。如果考虑热力膨胀阀在低负荷比时的振荡现象 使膨胀阀在设计运行工况内的最小负荷比稍大于30 用这种方法来选型 膨胀阀型号会大些 但有更多工作点的负荷比小于120 使得系统更多的工作在有效控制区 图10、图11中的阴影区域 且可以避免振荡现象的发生。 热力膨胀阀控制能力实验研究和分析新的选型方法是基于热力膨胀阀在负荷比大于等于30 时都能控制过热度的假设上得出的 本节将用屋顶机B搭建一个实验平台来验证此假设的正确与否。 实验装置仪器实验机组B是名义制冷量为4 12膨胀阀选用Sporlan品牌BBIZE5。测试点布置如图13所示。

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