1、噴管式壓力無關(guān)型定風(fēng)量閥的性能實驗分析 根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的要求，設(shè)計了噴管式壓力無關(guān)型定風(fēng)量閥的性能檢測實驗臺。實驗結(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300800Pa的范圍內(nèi)，風(fēng)量相對誤差絕對值不大于20%。分析了各構(gòu)造參數(shù)對閥性能的影響，為改良和完善閥體的設(shè)計提供參考。 隨著對空調(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。目前市場上定風(fēng)量閥可以分為兩大類，一類是根據(jù)測得的流量信號來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)動作實現(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力，可由彈簧根據(jù)風(fēng)管內(nèi)靜壓的變化推

2、動閥芯沿軸向移動，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)時間短，可調(diào)比大，能在較大的壓力范圍內(nèi)實現(xiàn)壓力無關(guān)型調(diào)節(jié)等優(yōu)點。Phoenix Controls公司的文丘里閥在0750Pa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，近年來我國有學(xué)者開始對噴管式定風(fēng)量閥開展研究。鄧玉海等人借助ANSYS有限元計算軟件，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)計帶來了很大的難度，實際應(yīng)用較為困難

3、。國內(nèi)對此閥體的實驗研究未見報道，尚無噴管式定風(fēng)量閥完整的設(shè)計規(guī)范要求。本文參考ANSI/ASHRAE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了噴管式壓力無關(guān)型定風(fēng)量閥的性能檢測實驗臺，并對國產(chǎn)噴管式定風(fēng)量閥的性能開展實驗研究，分析各參數(shù)對其性能的影響，為改良和完善噴管式定風(fēng)量閥的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。 1、噴管式定風(fēng)量閥的構(gòu)造及工作機理 噴管式定風(fēng)量閥主要由閥體、閥芯、執(zhí)行機構(gòu)和連桿等部分組成(見圖1)。閥芯內(nèi)安裝有一個可以伸縮的彈簧。 1 執(zhí)行機構(gòu) 2 連桿 3 閥體 4 閥芯 5 彈簧 圖1 噴管式定風(fēng)量閥的構(gòu)造簡圖 當(dāng)噴管式定風(fēng)量閥水平安裝在風(fēng)管系統(tǒng)中時，空氣流過閥體，閥芯主要受以下兩個力作用而處于某一平衡位置(忽

4、略閥體機械部件之間的摩擦力)。 1)空氣對閥芯的作用力 空氣流過閥芯，會有一定的繞流阻力。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);為空氣的密度，kg/m3;u為未受干擾時的空氣來流速度，m/s;Af為閥芯的迎流面積，m2。 2)彈簧對閥芯的作用力 采用圓柱等節(jié)距彈簧，彈簧對閥芯的作用力可表示為 式中F為彈簧對閥芯的作用力，N;k為彈簧的彈性系數(shù)，N/m;x為彈簧的形變長度，m。 閥芯穩(wěn)定時，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，空氣對閥芯的作用力也隨之發(fā)生變化，在

5、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，從而到達新的平衡位置?？諝獾倪^流面積隨著閥芯的移動也在變化，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、實驗原理與實驗裝置 為測試定風(fēng)量閥的阻力流量特性，設(shè)計了相應(yīng)的實驗裝置。該性能測試裝置主要由風(fēng)機送風(fēng)段、風(fēng)量測量段、壓差測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)量閥性能測試實驗臺原理圖。風(fēng)機送風(fēng)段采用變頻風(fēng)機，在進口處加裝進口噴管和格柵，使進口氣流更加均勻、減少波動，保證流量的穩(wěn)定;風(fēng)量測試段采用多個喉部直徑不同的

6、噴嘴，可根據(jù)實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靜壓環(huán)。實驗臺參照ANSI/ASHRAE Standard 130-20*建立，所選用的測試儀器滿足ASHRAE StANDARD 41.3-1989和我國GB/T 262420*等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，壓力測量采用SwemaAir 300型數(shù)字式微壓差計，精度為1級。在閥前靜壓為501000Pa的范圍內(nèi)，實驗臺可提供的風(fēng)量范圍為303000m3/h，風(fēng)量誤差小于2%。 1進口噴管2格柵3送風(fēng)機4變頻器5整流板6噴嘴7壓差計8整流柵9靜壓環(huán)10被測閥體 圖3 實驗臺原理示意圖 單個噴嘴的風(fēng)量可通過下式計算

7、式中 Qi為通過單個噴嘴的空氣流量，m3/h;C為噴嘴流量系數(shù)(流量系數(shù)與雷諾數(shù)之間的對應(yīng)數(shù)據(jù));A為噴嘴喉部面積，m2;P噴嘴前后的靜壓差，Pa;為噴嘴喉部的空氣密度，kg/m3。 式中 pt為噴嘴進口靜壓，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)量閥體的實際風(fēng)量按下式計算 式中Q為通過風(fēng)閥的空氣流量，m3/h。 在測量時，選取合適的噴嘴組合，通過變頻器調(diào)節(jié)送風(fēng)機的頻率，從而得到噴嘴前后的壓差，根據(jù)噴嘴進口靜壓、大氣壓力和空氣溫度等參數(shù)，利用上述公式計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)量時閥芯

8、的初始位置x0=0，最大風(fēng)量時閥芯的初始位置為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)量對應(yīng)的值為0，最大風(fēng)量對應(yīng)的值為100%。實驗所選用國產(chǎn)噴管式定風(fēng)量閥的型號為200，具體工況設(shè)定見表1。 表1 實驗工況設(shè)定 3、實驗結(jié)果與分析 圖5為由實驗所得的噴管式定風(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300800PA時的流量相對誤差;圖7顯示了噴管式定風(fēng)量閥流量的絕對誤差和標(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

9、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150200PA以下時，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;在靜壓差到達150200PA左右時，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)量閥流量相對誤差 圖7 噴管式定風(fēng)量閥流量絕對誤差和標(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)機僅需要提供較小的動力，從而對系統(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

10、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。在閥體與閥芯構(gòu)造參數(shù)一定的情況下，閥芯與軸之間的摩擦力是決定定風(fēng)量閥最小啟開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，閥芯移動位置之前，氣流對閥芯的作用力需大于閥芯與軸之間的最大靜摩擦力。當(dāng)氣流對閥芯的作用力小于最大靜摩擦力時，彈簧保持原長，閥芯位置不變，風(fēng)量持續(xù)增加。當(dāng)氣流對閥芯的作用力與最大靜摩擦力相當(dāng)時，閥芯將會移動，在氣流和彈簧的合力作用下，到達新的平衡位置。 2)由圖5可以看出，在300800Pa范圍內(nèi)，風(fēng)量相對穩(wěn)定。在一定的壓差范圍內(nèi)，閥芯會在氣流和彈簧的作用下移動，從而調(diào)節(jié)過流面積，使流量保持相對恒定

11、。閥體形狀，尤其是閥體收縮斷面的型線對風(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。該閥若要準(zhǔn)確控制流量，收縮斷面的型線有待進一步完善。 3)由圖5可以看出，在壓差大于800Pa時，風(fēng)量開始快速增加。靜壓差過大時，彈簧形變到達最大被壓縮至最短后，閥芯不能繼續(xù)移動，過流面積也已經(jīng)到達最小;此時，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，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，其流量的相對誤差較小。如圖6所示，工況2，3和4即50%75%時，在閥前后壓差300800PA范圍內(nèi)流量相對誤差

12、絕對值都不超過20%，其中工況4的最大相對誤差為5.5%;而在流量最小的工況1和流量最大的工況5共計12組數(shù)據(jù)中有5組數(shù)據(jù)的流量相對誤差絕對值超過了20%，且最大超過了35%。從圖7中也可以看出，在10%75%時，風(fēng)量絕對誤差小于100m3/h，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于60m3/h。而工況5的流量絕對誤差和流量標(biāo)準(zhǔn)差顯著增大。在小流量時，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，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，但是其實驗值和擬合值的偏差在=60%時較其他工況顯著增大。 4、結(jié)論 4.1、該實驗裝置能夠提供的靜壓范圍為501000PA，風(fēng)量范圍為303000m3/h，壓力精度為1級，風(fēng)量誤差小于2%，滿足噴管式定風(fēng)量閥的性能檢測需求。