汽车空调热力膨胀阀容量测试技术研究及应用.pdf

热力膨胀阀在不同工况下的容量特性是影响制冷系统性能的重要因素,因此需要对热力膨胀阀进行容量测试.本文中研制的制冷量范围为 1.515.0 kW 汽车空调热力膨胀阀容量测试台,其测量值的准确度为 1%,控温精度为0.5 ,测温准确度 0.1 ,可以在标准工况或特定工况下进行热力膨胀阀的制冷剂流量测试;在标准工况下,对额定容量的 H 型热力膨胀阀进行流量-开度、温度-开度等测试,通过分析实验数据,得到在热力膨胀阀工作区域内其温度与流量基本成线性比例关系的结论.通过对实验数据及曲线的分析,结合膨胀阀内部结构尺寸,对膨胀阀进行优化设计,从而获得高性能、高稳定性的膨胀阀产品,向相关企业推广运用,产生社会效益与经济效益.关键词:热力膨胀阀;容量测试;开度;流量中图分类号:TU831.3;U463.85文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2023.04.024著录信息:刘钊,谢亚楠,汪波.汽车空调热力膨胀阀容量测试技术研究及应用J.湖北大学学报(自然科学版),2023,45(4):643-648.DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2023.04.024.LIU Z,XIE Y N,WANG B.Research and application of test technology on thermal expansion valve capacity of automobile air conditioningJ.Journal of Hubei University(Natural Science),2023,45(4):643-648.DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2023.04.024.Research and application of test technology on thermal expansionvalve capacity of automobile air conditioningLIU Zhao,XIE Yanan,WANG Bo(Hanchuan Public Inspection and Testing Center,Hanchuan 431600,China)Abstract:The capacity characteristics of thermal expansion valve under different working conditions is an important factor affecting the performance of refrigeration system,so it is necessary to carry out capacity test of thermal expansion valve.The capacity test table of expansion valve for automotive air conditioning had been developed with cooling capacity of 1.5 15.0 kW.The measuring accuracy of the system was 1%,the temperature control accuracy was 0.5 ,and the temperature measurement accuracy was 0.1 .It could measure the refrigerant flow of thermal expansion valve under standard or specific working conditions.The H-type thermal expansion valve with rated capacity was tested under standard working conditions,including flow-opening and temperature-opening.Through the analysis of experimental data,it is found that the temperature and flow rate are basically linear proportional in the working area of thermal expansion valve.Through the analysis of the test data and curves,combined with the internal structure size of the expansion valve,the expansion valve is optimized to obtain high performance and high stability of the expansion valve products,and then to promote the application of relevant enterprises,to produce social and economic benefits.Key words:thermal expansion valve;capacity test;opening;flow 644 湖北大学学报(自然科学版)第 45 卷0引言中国是世界汽车产销第一大国,2019 年世界汽车产销近 9 000 万辆,我国约占 1/3,汽车产销量从2009 年的 1 300 万辆增加到 2019 年的 2 570 万辆,是排名第二的美国的两倍.汽车市场的良好发展使我国形成了一个庞大的汽车零部件市场.汽车空调是汽车的重要组成部分,随着全球汽车业快速发展,汽车空调产业也高速发展.汽车空调作为小轿车的标配已经在汽车制造企业和消费者中形成共识,虽然中国汽车空调市场具有很大潜力,但也面临各种严峻挑战,一些专用车的空调生产不能满足市场需求,新能源、节能环保等发展大趋势给行业提出了新的课题.目前中小空调生产企业各施其能、独辟蹊径,或与中小配套厂家、或与售后市场建立供需链.2020 年底,我国汽车保有量将近 1.5 亿辆,产销量达到 3 000 万辆.中国汽车产业维持高速增长态势,随着国家政策的大力支持,国内汽车空调制造水平、研发技术的创新进步,以及相应的配套条件不断完善,我国优秀的汽车空调制造企业发展势头强劲.汽车空调行业带来了国内汽车市场对汽车空调膨胀阀的高需求,汽车空调膨胀阀是汽车空调系统中的一个关键部件,给膨胀阀生产企业带来了挑战和商机.对膨胀阀厂家进行技术改造、产业升级和提升企业竞争力、抢占高端市场,已经成为现今市场的发展趋势.热力膨胀阀不但有调节制冷剂流量和节流降压的功能,而且有防止空调系统液击、压缩机湿压缩及防止系统异常过热的作用.汽车在行驶过程中,发动机的转速不断变化,且车内外的环境也在不断变化,从而导致空调系统中外界负荷和压缩机转速不断变化,为了保证车内的空气状态稳定,要求系统内的制冷剂的流量根据工况不断调整,从而要求膨胀阀快速调节空调系统中的制冷剂流量,膨胀阀性能的优劣直接决定汽车空调系统的工作性能1,因此对其容量进行测试是一个不可缺少的环节.汽车空调采用 H 型热力膨胀阀具有外平衡、内感温、外调节的特点,是目前行业内公认的先进汽车空调节流装置,可以满足汽车空调对高效、抗振、耐用等方面的要求.为了更好地研究热力膨胀阀容量性能,满足新产品开发的需求,需要研制出高可靠性的热力膨胀阀容量测试台 2-3.1技术路线图和测试方法1.1测试台研究技术路线图热力膨胀阀容量测试台研究技术路线图如图 1 所示.图 1技术路线图1.2测试方法热力膨胀阀的制冷剂流量测试采用质量流量计法,测试流程简图如图 2 所示.首先保证待测膨胀阀的开度不变,然后开启电子膨胀阀支路,根据标准要求的工况对待测膨胀阀的入口压力、出口压力、入口温度和电子膨胀阀的流量等进行调节,待工况条件稳定后,改变待测膨胀阀的开度到设第 4 期刘钊,等:汽车空调热力膨胀阀容量测试技术研究及应用645 定值,随后不断调整对应旁路电子膨胀阀的开度改变流量值,以保证待测膨胀阀的入口压力、出口压力、入口温度等满足工况要求,记录待测膨胀阀前的质量流量计读数,从而得到膨胀阀的开度与流量之间的关系4-5.图 2测试流程简图2测试台系统装置根据国内外相关标准汽车空调(HFC-134a)用热力膨胀阀(QC/T 6632000)、Method of Testing Capacity of Thermostatic Refrigerant Expansion Valves(ANSI-ASHRAE Standard 172008)、Thermostatic expansion valves(ANSI-ARI 7502001)、家用和类似用途空调电子膨胀阀JB/T-103862002 和企业有关技术要求,开发完成热力膨胀阀容量测试台,进行包括流量-开度、过热度-开度、流量-过热度等测试.测试指标包括适用制冷量范围为 1.5 15.0 kW 的汽车空调用膨胀阀的容量检测,可在标准工况或特定工况下进行热力膨胀阀的制冷剂流量测试.采用计算机控制和机电一体化技术,人工装夹、自动控温、自动判断是否满足测试条件,数据记录处理过程自动完成.主要控制点和测量点如表 1 所示.表 1主要控制点和测量点序号控制点仪器型号(性能)执行部件1冷凝压力压力变送器(1%测量值)变频器,冷却水变频水泵2过冷温度pt100 铂电阻温度计(0.1 )过冷器3蒸发压力压力变送器(1%测量值)变频器,冷冻水变频水泵4膨胀阀出口温度pt100 铂电阻温度计(0.1 )5制冷剂液体质量流量质量流量计(1%测量值)6压缩机压差压力传感器(1%测量值)测试台参数标准如下:646 湖北大学学报(自然科学版)第 45 卷1)测试工况调节采用全自动控制,按照汽车空调(HFC-134a)用热力膨胀阀(QC/T 6632000)的要求,标准额定条件下的制冷工况在 40 min 内达到稳定.2)可设定工况温度值稳定判定范围,若人工未设定工况温度值稳定判定范围,则计算机自动默认为 0.5 .3)用户可以自动设定数据采集周期,采集周期范围为 1060 s/次.4)可用数据采集仪自动记录各参数曲线.5)可在计算机内预览测试结果或动态曲线,确认测试结束后相关参数自动存入数据库.汽车空调热力膨胀阀容量测试台测试软件界面图如图 3 所示.图 3测试软件界面图3测试结果及分析 3.1参数条件汽车空调热力膨胀阀容量测试台的制冷剂采用 R134a,名义制冷量范围为 1.5 15.0 kW,按照汽车空调(HFC-134a)用热力膨胀阀(QC/T-6632000)要求的工况进行设定:膨胀阀入口压力为 1.49 MPa(A),膨胀阀入口温度为 50 ,膨胀阀出口压力为 0.35 MPa(A),膨胀阀出口温度为 5 6,取一个最大开度为 1 mm 的 H 型热力膨胀阀作为测试对象,当工况达到稳定后,自动采集待测热力膨胀阀进、出口的温度、压力及流量值等.3.2开度-流量关系实验从图 4 中可知,随着增加热力膨胀阀的开度,通过膨胀阀阀口的流量也在不断增加,当膨胀阀开度达到 0.7 mm 后,制冷剂流量基本保持不变,说明此时膨胀阀阀口处于全开状态.而膨胀阀在开度为 0.1 0.7 mm 时,其开度-流量曲线特性近似为线性比例关系,该试验结果说明该热力膨胀阀在工作区域内的近似线性比例特性.3.3温度-开度关系实验从图 5 中可看出,感温包温度从 0 上升到 25 时,热力膨胀阀阀口的开度也随温度的变化而变化.当感温包低于 4 时,膨胀阀阀口一直处于关闭状态,当温度大于 4 ,膨胀阀阀口开启,从而得到该热力膨胀阀的静止过热度为 4 ;从图 5 中还可以看出,在感温包温度为 15 时,该热力膨胀阀的阀口达到最大开度;感温包温度从 4 升高到 15 的过程中,该热力膨胀阀的开度第 4 期刘钊,等:汽车空调热力膨胀阀容量测试技术研究及应用647 随感温包温度的上升呈近似线性比例增大.图 4开度-流量曲线图图 5温度-开度曲线图图 6温度-流量曲线图3.4温度-流量关系特性根据图 4 和图 5 的综合分析,可以得到该热力膨胀阀的温度-流量特性曲线,如图 6 所示.图 6 中感温包温度大于4 后,流量值开始随着感温包温度的增加而增大,在感温包温度低于 4 和超过 15 时,热力膨胀阀的流量基本保持恒定,说明感温包温度为 4 15 是热力膨胀阀的工作区域,工作区域内制冷剂质量流量与感温包温度呈近似线性关系.图 6 中比例线性段的斜率称为热力膨胀阀的增益.膨胀阀的增益越大,对空调系统的振荡影响越大,在温度为 4 15 区间内时,该热力膨胀阀增益基本不变 7-8.计算热力膨胀阀容量的公式为9-10:Q=qmr(h2-h1)K(1)式中,Q 为膨胀阀容量,单位为 W;qmr为额定点的制冷剂质量流量,单位为 kg/s;h1为蒸发器进口侧饱和液态制冷剂的比焓值,单位为 kJ/kg;h2为蒸发器出口侧饱和蒸气制冷剂的比焓值,单位为 kJ/kg;K为过冷度修正值.汽车空调(HFC-134a)用热力膨胀阀(QC/T-6632000)中标准工况的过冷度为 5 ,根据 R134a压焓图可查得,膨胀阀出口压力为 0.35 MPa(A)时,饱和蒸气制冷剂的比焓值 h2为 401.494 kJ/kg,膨胀阀入口压力为 1.49 MPa(A)时,饱和液态制冷剂的比焓值 h1为 272.394 kJ/kg,该 H 型热力膨胀阀标称的容量为 5.8 kW,过冷度修正值为 1.065.根据式(1)可计算得到该 H 型热力膨胀阀的额定流量值约为 151 kg/h,其值小于试验中的最大流量值,说明此 H 型热力膨胀阀的额定流量在线性工作区域内有11%左右的余量,满足此热力膨胀阀的设计要求.4结论1)通过汽车空调热力膨胀阀容量测试技术的研究,研制一套制冷容量范围为 1.5 15.0 kW 的膨胀阀容量测试台,采用计算机控制和机电一体化技术,可达到自动控温、自动判断的目标,可以实现包括热力膨胀阀、电子膨胀阀在内的各类膨胀阀的容量测试.2)通过实验分析得出的结果表明:在被测 H 型热力膨胀阀工作区域内,其温度-流量特性呈现近似线性比例关系,符合该 H 型热力膨胀阀的设计要求.3)通过对试验数据及曲线的分析,结合膨胀阀内部结构尺寸,并与膨胀阀生产技术人员进行沟通,对膨胀阀进行优化设计,得出科学的研究结论,从而获得高性能、高稳定性的膨胀阀产品,向相关企业推广运用,产生社会效益与经济效益.648 湖北大学学报(自然科学版)第 45 卷5参考文献1 章嘉瑞,顾其江,邓永林.H 型汽车空调热力膨胀阀的研究与改进J.制冷与空调,2005,5(5):69-72.2 徐博,江挺候,陈江平,等.热力膨胀阀感温元件特性实验研究J.制冷学报,2011,32(2):30-34.3 李昂.节流机构在制冷系统中的应用分析J.低温与特气,2007,25(4):36-39.4 颜吉亮,王玉刚,耿丽萍,等.汽车空调热力膨胀阀容量测试系统的研制J.制冷学报,2015,36(5):107-112.5 陈儿同,王艳,左志强.电子膨胀阀与热力膨胀阀在低温装置中的比较研究J.制冷与空调,2009,9(3):68-71.6 中国汽车技术研究中心标准化研究所.汽车标准汇编 QC/T 6632000:汽车空调用热力膨胀阀S.北京:中国标准出版社,2000:731-738.7 杨礼桢,岑敏婷,王劲柏.变工况条件下热力膨胀阀节流特性分析J.制冷与空调,2011,25(5):505-509.8 田长青,杨新江,窦春鹏,等.汽车空调用 H 型热力膨胀阀的试验研究与分析J.汽车技术,2001(12):21-23.9 QI Q,DENG S M.Multivariable control-oriented modeling of a directexpansion(DX)air conditioning(A/C)systemJ.International Journal of Refrigeration,2008,31(5):841-849.10 张秀平,王宏源,田旭东,等.制冷用热力膨胀阀名义制冷量的试验方法J.暖通空调,2011,41(12):105-110.(责任编辑郭定和,江津)