刘钊,谢亚楠,汪波

(汉川市公共检验检测中心, 湖北 汉川 431600)

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 663—2000)、《Method of Testing Capacity of Thermostatic Refrigerant Expansion Valves》(ANSI-ASHRAE Standard 17—2008)、《Thermostatic expansion valves》(ANSI-ARI 750—2001)、《家用和类似用途空调电子膨胀阀》JB/T-10386—2002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

测试台参数标准如下:

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 663—2000)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10～60 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-663—2000)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.

图4 开度-流量曲线图

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随感温包温度的上升呈近似线性比例增大.

图5 温度-开度曲线图

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 温度-流量曲线图

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-663—2000)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.