噴管式壓力無關(guān)型定風(fēng)量閥的性能實(shí)驗(yàn)研究
根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的要求，設(shè)計(jì)了噴管式壓力無關(guān)型定風(fēng)量閥的性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，閥芯的初始位置與閥芯的最大初始位置的比值為50%～75%，且閥前后壓差為300～800Pa的范圍內(nèi)，風(fēng)量相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于20%。分析了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)閥性能的影響，為改進(jìn)和完善閥體的設(shè)計(jì)提供參考。
隨著對(duì)空調(diào)系統(tǒng)精度要求的提高，定風(fēng)量閥的應(yīng)用備受人們的重視。目前市場(chǎng)上定風(fēng)量閥可以分為兩大類，一類是根據(jù)測(cè)得的流量信號(hào)來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)流量控制，另一類是通過自身的壓力感應(yīng)元件調(diào)節(jié)閥位實(shí)現(xiàn)定風(fēng)量控制。噴管式壓力無關(guān)型定風(fēng)量閥的閥芯無需外加動(dòng)力，可由彈簧根據(jù)風(fēng)管內(nèi)靜壓的變化推動(dòng)閥芯沿軸向移動(dòng)，從而保持恒定的流量。
文丘里閥在國外已出現(xiàn)多年，它是噴管式定風(fēng)量的一種形式。噴管式定風(fēng)量閥與其他類型的定風(fēng)量閥相比，具有風(fēng)量控制精度高，響應(yīng)時(shí)間短，可調(diào)比大，能在較大的壓力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)壓力無關(guān)型調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。Phoenix Controls公司的文丘里閥在0～750Pa的壓差范圍內(nèi)，風(fēng)量調(diào)節(jié)誤差在5%范圍內(nèi)。由于這種閥體在室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)控制和節(jié)能方面的突出優(yōu)勢(shì)，近年來我國有學(xué)者開始對(duì)噴管式定風(fēng)量閥進(jìn)行研究。鄧玉海等人借助ANSYS有限元計(jì)算軟件，建立了數(shù)學(xué)模型，得到了不同風(fēng)量下繞流阻力與閥芯位置的曲線圖，但由此得出的彈簧的彈性曲線較復(fù)雜，給彈簧的設(shè)計(jì)帶來了很大的難度，實(shí)際應(yīng)用較為困難。國內(nèi)對(duì)此閥體的實(shí)驗(yàn)研究未見報(bào)道，尚無噴管式定風(fēng)量閥完整的設(shè)計(jì)規(guī)范要求。本文參考ANSI/ASHRAE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了噴管式壓力無關(guān)型定風(fēng)量閥的性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)國產(chǎn)噴管式定風(fēng)量閥的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析各參數(shù)對(duì)其性能的影響，為改進(jìn)和完善噴管式定風(fēng)量閥的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。
1、噴管式定風(fēng)量閥的結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理
噴管式定風(fēng)量閥主要由閥體、閥芯、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和連桿等部分組成(見圖1)。閥芯內(nèi)安裝有一個(gè)可以伸縮的彈簧。
1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2 連桿 3 閥體 4 閥芯 5 彈簧
圖1 噴管式定風(fēng)量閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
當(dāng)噴管式定風(fēng)量閥水平安裝在風(fēng)管系統(tǒng)中時(shí)，空氣流過閥體，閥芯主要受以下兩個(gè)力作用而處于某一平衡位置(忽略閥體機(jī)械部件之間的摩擦力)。
1)空氣對(duì)閥芯的作用力
空氣流過閥芯，會(huì)有一定的繞流阻力。繞流阻力包括摩擦阻力和形狀阻力，可表示為
式中 D為閥芯受到的繞流阻力，N;CD為繞流阻力因數(shù);ρ為空氣的密度，kg/m3;u為未受干擾時(shí)的空氣來流速度，m/s;Af為閥芯的迎流面積，m2。
2)彈簧對(duì)閥芯的作用力
采用圓柱等節(jié)距彈簧，彈簧對(duì)閥芯的作用力可表示為
閥芯穩(wěn)定時(shí)，在水平方向上受到的氣流和彈簧的作用力大小相等、方向相反，閥芯位置不變，即
D=F (3)
當(dāng)風(fēng)管內(nèi)的靜壓發(fā)生變化時(shí)，空氣對(duì)閥芯的作用力也隨之發(fā)生變化，在水平方向上閥芯受到的力不再平衡。在空氣和彈簧的合力作用下，閥芯的位置發(fā)生移動(dòng)，從而達(dá)到新的平衡位置。空氣的過流面積隨著閥芯的移動(dòng)也在變化，保證流過閥體的空氣流量不變。噴管式定風(fēng)量閥的理想壓差流量特性曲線如圖2所示。
圖2 噴管式定風(fēng)量閥理想壓差流量特性曲線
2、實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)裝置
為測(cè)試定風(fēng)量閥的阻力流量特性，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。該性能測(cè)試裝置主要由風(fēng)機(jī)送風(fēng)段、風(fēng)量測(cè)量段、壓差測(cè)試段以及連接各功能段的風(fēng)管、控制系統(tǒng)等組成。圖3為噴管式定風(fēng)量閥性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖。風(fēng)機(jī)送風(fēng)段采用變頻風(fēng)機(jī)，在進(jìn)口處加裝進(jìn)口噴管和格柵，使進(jìn)口氣流更加均勻、減少波動(dòng)，保證流量的穩(wěn)定;風(fēng)量測(cè)試段采用多個(gè)喉部直徑不同的噴嘴，可根據(jù)實(shí)際流量選用合適的噴嘴或噴嘴組合;在閥體前1.5倍直徑和閥體后2.5倍直徑處分別安裝一個(gè)靜壓環(huán)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)參照ANSI/ASHRAE Standard 130-2008建立，所選用的測(cè)試儀器滿足ASHRAE StANDARD 41.3-1989和我國GB/T 2624—2006等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，壓力測(cè)量采用SwemaAir 300型數(shù)字式微壓差計(jì)，精度為1級(jí)。在閥前靜壓為50～1000Pa的范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)可提供的風(fēng)量范圍為30～3000m3/h，風(fēng)量誤差小于2%。
1進(jìn)口噴管 2格柵 3送風(fēng)機(jī) 4變頻器 5整流板 6噴嘴 7壓差計(jì) 8整流柵 9靜壓環(huán) 10被測(cè)閥體
圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理示意圖
單個(gè)噴嘴的風(fēng)量可通過下式計(jì)算
式中 Qi為通過單個(gè)噴嘴的空氣流量，m3/h;C為噴嘴流量系數(shù)(流量系數(shù)與雷諾數(shù)之間的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù));A為噴嘴喉部面積，m2;ΔP'噴嘴前后的靜壓差，Pa;ρ為噴嘴喉部的空氣密度，kg/m3。
式中 pt為噴嘴進(jìn)口靜壓，Pa;B為大氣壓力，Pa;T為空氣熱力學(xué)溫度，K。
通過噴管式定風(fēng)量閥體的實(shí)際風(fēng)量按下式計(jì)算
式中 Q為通過風(fēng)閥的空氣流量，m3/h。
在測(cè)量時(shí)，選取合適的噴嘴組合，通過變頻器調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的頻率，從而得到噴嘴前后的壓差，根據(jù)噴嘴進(jìn)口靜壓、大氣壓力和空氣溫度等參數(shù)，利用上述公式計(jì)算得到通過閥體的流量。
為研究閥芯在不同初始位置處的定風(fēng)量效果，從最小風(fēng)量到最大風(fēng)量，共設(shè)定5組工況。最小風(fēng)量時(shí)閥芯的初始位置x0=0，最大風(fēng)量時(shí)閥芯的初始位置為xm(如圖4所示)。閥芯的位置用閥芯的初始位置與閥芯最大初始位置的比值η來表示，即
式中 x為閥芯的初始位置，m;xm為閥芯的最大初始位置，m。
圖4 閥芯位置示意圖
最小風(fēng)量對(duì)應(yīng)的η值為0，最大風(fēng)量對(duì)應(yīng)的η值為100%。實(shí)驗(yàn)所選用國產(chǎn)噴管式定風(fēng)量閥的型號(hào)為Φ200，具體工況設(shè)定見表1。
表1 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
圖5為由實(shí)驗(yàn)所得的噴管式定風(fēng)量閥的阻力-流量特性曲線;圖6為噴管式定風(fēng)量閥前后壓差300～800PA時(shí)的流量相對(duì)誤差;圖7顯示了噴管式定風(fēng)量閥流量的絕對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差;圖8為噴管式定風(fēng)量閥風(fēng)量和閥芯位置的關(guān)系曲線。
圖5 噴管式定風(fēng)量閥阻力-流量特性曲線
1)由圖5可見，定風(fēng)量閥的前后靜壓差在150～200PA以下時(shí)，隨著定風(fēng)量閥前后靜壓差的增大，通過閥體的空氣流量迅速增加;在靜壓差達(dá)到150～200PA左右時(shí)，空氣流量突然下降并逐漸穩(wěn)定。因此，該定風(fēng)量閥的最小工作壓力在200PA左右。
圖6 噴管式定風(fēng)量閥流量相對(duì)誤差
圖7 噴管式定風(fēng)量閥流量絕對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差
圖8 噴管式定風(fēng)量閥風(fēng)量和閥芯位置比值的關(guān)系
最小工作壓力是定風(fēng)量閥的一個(gè)重要指標(biāo)，是判斷其性能優(yōu)劣的重要參數(shù)之一。較小的工作靜壓意味著風(fēng)機(jī)僅需要提供較小的動(dòng)力，從而對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能有著重要意義。國外性能優(yōu)良的定風(fēng)量閥的最小工作壓力小于100Pa。影響定風(fēng)量閥最小工作靜壓的因素主要是閥體收縮段的型線、閥芯形狀以及閥芯與軸之間的摩擦力。在閥體與閥芯結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下，閥芯與軸之間的摩擦力是決定定風(fēng)量閥最小啟動(dòng)工作壓力的主要原因。當(dāng)定風(fēng)量閥被調(diào)整到新的風(fēng)量，彈簧被壓縮，閥芯移動(dòng)位置之前，氣流對(duì)閥芯的作用力需大于閥芯與軸之間的最大靜摩擦力。當(dāng)氣流對(duì)閥芯的作用力小于最大靜摩擦力時(shí)，彈簧保持原長，閥芯位置不變，風(fēng)量持續(xù)增加。當(dāng)氣流對(duì)閥芯的作用力與最大靜摩擦力相當(dāng)時(shí)，閥芯將會(huì)移動(dòng)，在氣流和彈簧的合力作用下，達(dá)到新的平衡位置。
2)由圖5可以看出，在300～800Pa范圍內(nèi)，風(fēng)量相對(duì)穩(wěn)定。在一定的壓差范圍內(nèi)，閥芯會(huì)在氣流和彈簧的作用下移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)過流面積，使流量保持相對(duì)恒定。閥體形狀，尤其是閥體收縮斷面的型線對(duì)風(fēng)閥定風(fēng)量的效果起著至關(guān)重要的作用。在圖6所示5組工況中，有2組工況的風(fēng)量明顯增大，2組風(fēng)量逐漸緩慢減小。該閥若要精確控制流量，收縮斷面的型線有待進(jìn)一步完善。
3)由圖5可以看出，在壓差大于800Pa時(shí)，風(fēng)量開始快速增加。靜壓差過大時(shí)，彈簧形變達(dá)到最大被壓縮至最短后，閥芯不能繼續(xù)移動(dòng)，過流面積也已經(jīng)達(dá)到最小;此時(shí)，靜壓差繼續(xù)增加，風(fēng)量也將迅速增大。
4)流量設(shè)定在最小和最大值時(shí)，流量誤差顯著增大，且流量都隨著壓差的增加而增加;流量設(shè)定在中間值時(shí)，其流量的相對(duì)誤差較小。如圖6所示，工況2，3和4即50%≤η≤75%時(shí)，在閥前后壓差300～800PA范圍內(nèi)流量相對(duì)誤差絕對(duì)值都不超過20%，其中工況4的最大相對(duì)誤差為5.5%;而在流量最小的工況1和流量最大的工況5共計(jì)12組數(shù)據(jù)中有5組數(shù)據(jù)的流量相對(duì)誤差絕對(duì)值超過了20%，且最大超過了35%。從圖7中也可以看出，在10%≤η≤75%時(shí)，風(fēng)量絕對(duì)誤差小于100m3/h，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于60m3/h。而工況5的流量絕對(duì)誤差和流量標(biāo)準(zhǔn)差顯著增大。在小流量時(shí)，閥芯與軸之間的摩擦力影響閥芯的位置，從而使流量偏差增大;在大流量時(shí)，閥芯所處位置的流通截面較大，且流通截面面積的變化率較大，閥芯位置小的偏差都會(huì)引起過流面積較大的變化，從而引起流量控制的偏差。
5)從圖8中可以看出，該閥流量與閥芯初始位置近似呈線性關(guān)系，但是其實(shí)驗(yàn)值和擬合值的偏差在η=60%時(shí)較其他工況顯著增大。
4、結(jié)論
4.1、該實(shí)驗(yàn)裝置能夠提供的靜壓范圍為50～1000PA，風(fēng)量范圍為30～3000m3/h，壓力精度為1級(jí)，風(fēng)量誤差小于2%，滿足噴管式定風(fēng)量閥的性能檢測(cè)需求。
4.2、國產(chǎn)噴管式定風(fēng)量閥在閥前后壓差為300～800PA范圍內(nèi)且10%≤η≤75%的情況下，定風(fēng)量效果較好，風(fēng)量絕對(duì)誤差小于100m3/h，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于60m3/h;其中當(dāng)50%≤η≤75%時(shí)，其風(fēng)量相對(duì)誤差不超出±20%范圍。
4.3、國產(chǎn)噴管式定風(fēng)量閥流量與閥芯初始位置近似呈線性關(guān)系。
從上述實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果看，國產(chǎn)噴管式定風(fēng)量閥還有待于進(jìn)一步完善和改進(jìn)，其中閥體流通截面沿程變化是今后研究的重點(diǎn)之一。
