【關(guān)鍵詞】熱力膨脹閥,電子膨脹閥,原理控制

【摘要】節(jié)能和環(huán)保是人類亟待解決的兩大問題。2002年8月26日至9月4日在南非約翰內(nèi)斯堡舉行了可持續(xù)發(fā)展世界峰會(huì)。在該次會(huì)議上國(guó)際制冷學(xué)會(huì)發(fā)表了《制冷業(yè)對(duì)于可持續(xù)發(fā)展和減緩大氣變化的承諾》，在此文件中闡明制冷業(yè)主要的挑戰(zhàn)來自全球氣候變暖。造成制冷業(yè)影響全球氣候變暖的80%的原因是二氧化碳的排放。這些間接的排放是部分是由制冷裝置運(yùn)行所需能量的生產(chǎn)引起的。

　　1. 概述

　　節(jié)能和環(huán)保是人類亟待解決的兩大問題。2002年8月26日至9月4日在南非約翰內(nèi)斯堡舉行了可持續(xù)發(fā)展世界峰會(huì)。在該次會(huì)議上國(guó)際制冷學(xué)會(huì)發(fā)表了《制冷業(yè)對(duì)于可持續(xù)發(fā)展和減緩大氣變化的承諾》，在此文件中闡明制冷業(yè)主要的挑戰(zhàn)來自全球氣候變暖。造成制冷業(yè)影響全球氣候變暖的80%的原因是二氧化碳的排放。這些間接的排放是部分是由制冷裝置運(yùn)行所需能量的生產(chǎn)引起的。制冷、空調(diào)和熱泵這些設(shè)備所消耗的電能約占全世界生產(chǎn)電能的15%，這表明間接排放的影響是非常的嚴(yán)重。此文件還提出在下一個(gè)20年制冷業(yè)必須樹立雄心去達(dá)到目標(biāo)之一：每個(gè)制冷設(shè)備耗能減少30~50%。制冷業(yè)者為保護(hù)環(huán)境，應(yīng)把節(jié)能貫穿到制冷設(shè)備的使用周期中去。作為制冷循環(huán)的四大部件之一，節(jié)流裝置在系統(tǒng)中起著非常關(guān)鍵的作用，通過選擇應(yīng)用合適的節(jié)流機(jī)構(gòu)與制冷系統(tǒng)匹配是整個(gè)制冷設(shè)備降低能耗的重要一環(huán)。本文將對(duì)節(jié)流機(jī)構(gòu)的工作原理和運(yùn)行能量匹配進(jìn)行分析，重點(diǎn)對(duì)電子膨脹閥的工作原理進(jìn)行分析。

　　2. 傳統(tǒng)節(jié)流機(jī)構(gòu)的工作原理及匹配

　　節(jié)流的工作原理是制冷工質(zhì)流過閥門時(shí)流動(dòng)截面突然收縮，流體流速加快，壓力下降，壓力下降的大小取決于流動(dòng)截面收縮的比例。節(jié)流機(jī)構(gòu)的作用：

　　1、 節(jié)流降壓。當(dāng)常溫高壓的制冷劑飽和液體流過節(jié)流閥，變成低溫低壓的制冷劑液體并產(chǎn)生少許閃發(fā)氣體。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)向外界吸熱的目的。

　　2、 調(diào)節(jié)流量：節(jié)流閥通過感溫包感受蒸發(fā)器出口處制冷劑過熱度的變化來控制閥的開度，調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量，使其流量與蒸發(fā)器的熱負(fù)荷相匹配。當(dāng)蒸發(fā)器熱負(fù)荷增加時(shí)閥開度也增大，制冷劑流量隨之增加，反之，制冷劑流量減少。

　　3、 控制過熱度：節(jié)流機(jī)構(gòu)具有控制蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度的功能，既保持蒸發(fā)器傳熱面積的充分利用，又防止吸氣帶液損壞壓縮機(jī)的事故發(fā)生。

　　4、 控制蒸發(fā)液位：帶液位控制的節(jié)流機(jī)構(gòu)具有控制蒸發(fā)器液位的功能，既保持蒸發(fā)器傳熱面積的充分利用，又防止吸氣帶液降低吸氣過熱度。

　　若節(jié)流機(jī)構(gòu)向蒸發(fā)器的供液量與蒸發(fā)負(fù)荷相比過大，部分液態(tài)制冷劑一起進(jìn)入壓縮機(jī)，引起濕壓縮或沖缸事故。相反若供液量與蒸發(fā)器負(fù)荷相比太少，則蒸發(fā)器部分傳熱面積未能充分發(fā)揮其效能，甚至?xí)斐烧舭l(fā)壓力降低，而且使制冷系統(tǒng)的制冷量降低，制冷系數(shù)減小，制冷裝置能耗增大。節(jié)流機(jī)構(gòu)流量的調(diào)節(jié)對(duì)制冷裝置節(jié)能降耗起著非常重要的作用。大型中央空調(diào)冷水機(jī)組常用的節(jié)流機(jī)構(gòu)有手動(dòng)節(jié)流閥、孔板、熱力膨脹閥、浮球+主節(jié)流閥。

　　2.1手動(dòng)節(jié)流閥

　　手動(dòng)節(jié)流閥是最老式的節(jié)流閥，其外形與普通截止閥相似。它由閥體、閥芯、閥桿、填料壓蓋、上蓋、手輪和螺栓等零件組成。與截止閥不同之處在于它的閥芯為針型或具有V形缺口的錐體，而且閥桿采用細(xì)牙螺紋。當(dāng)旋轉(zhuǎn)手輪時(shí)，可使閥門的開啟度緩慢地增大或減小，以保證良好的調(diào)節(jié)性能。手動(dòng)節(jié)流閥開啟的大小，需要操作人員頻繁地調(diào)節(jié)，以適應(yīng)負(fù)荷的變化。通常開啟度為1/8~1/4圈，一般不超過一圈，開啟度過大就起不到節(jié)流（膨脹）的作用。這種節(jié)流閥現(xiàn)在已被自動(dòng)節(jié)流機(jī)構(gòu)取代。

　　2.2孔板

　　孔板節(jié)流機(jī)構(gòu)由兩塊孔板組成，采用兩級(jí)節(jié)流。制冷工質(zhì)通過第一級(jí)孔板時(shí)，制冷工質(zhì)剛好到達(dá)飽和液體線，并產(chǎn)生少許閃發(fā)氣體;由于閃發(fā)氣體占據(jù)一部分空間，其流量也在波動(dòng)，致使工質(zhì)進(jìn)入第二級(jí)孔板時(shí)流體的流量在一定范圍（約20%）內(nèi)變動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷劑循環(huán)量的功能，第二級(jí)孔板因變動(dòng)的流量造成不同的壓降變化，與系統(tǒng)高低壓差進(jìn)行調(diào)節(jié)，于動(dòng)態(tài)平衡后，穩(wěn)定發(fā)揮制冷工質(zhì)膨脹功能而完成整個(gè)制冷循環(huán)。一二級(jí)孔板設(shè)計(jì)依據(jù)：

　　1、 流量公式：q= a x Α x（2 x Δp x ρ）1/2

　　2、 冷水機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)工況：12℃/7℃；30℃/35℃。

　　冷水機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)工況滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，孔板向蒸發(fā)器的供液量與蒸發(fā)負(fù)荷相匹配。但機(jī)組實(shí)際運(yùn)行經(jīng)常處于變工況、變負(fù)荷運(yùn)行。在大壓差工況下，蒸發(fā)器負(fù)荷需求減小（幅度大于20%），孔板最大調(diào)節(jié)余量20%，由于壓差增大，孔板實(shí)際供液量比蒸發(fā)器負(fù)荷需要的液量大，吸氣過熱度降低，引起濕壓縮；在小壓差工況下，蒸發(fā)器負(fù)荷需求增大（幅度大于20%），由于壓差減小，蒸發(fā)器實(shí)際存液量比蒸發(fā)器負(fù)荷需要的液量小，吸氣過熱度升高，制冷量降低，制冷系數(shù)減小，制冷裝置能耗增大；在由低負(fù)荷轉(zhuǎn)為高負(fù)荷情況下（幅度大于20%），蒸發(fā)器負(fù)荷需求增大，由于制冷劑質(zhì)量流量增大，短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)器實(shí)際存液量比蒸發(fā)器負(fù)荷需要的液量小，吸氣過熱度升高，制冷量降低，制冷系數(shù)減小，制冷裝置能耗增大；在由高負(fù)荷轉(zhuǎn)為低負(fù)荷情況下（幅度大于20%），蒸發(fā)器負(fù)荷需求減小，由于制冷劑質(zhì)量流量減小，短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)器實(shí)際存液量比蒸發(fā)器負(fù)荷需要的液量大，吸氣過熱度降低，引起濕壓縮，極端情況即機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行突然停機(jī)，蒸發(fā)器負(fù)荷需求減小75%，由于制冷劑質(zhì)量流量突然減小75%，短時(shí)間蒸發(fā)器實(shí)際存液量比蒸發(fā)器負(fù)荷需要的液量大55%，吸氣過熱度急速降低，進(jìn)而降低排氣過熱度，油分效果下降，甚至導(dǎo)致壓縮機(jī)奔油。雖然一二級(jí)孔板在一定范圍可自動(dòng)調(diào)節(jié)，但其應(yīng)付變工況、變負(fù)荷能力差，且制冷系數(shù)減小，制冷裝置能耗增大，一般不宜采用。

　　2.3熱力膨脹閥

　　熱力膨脹閥廣泛應(yīng)用于中央空調(diào)冷水機(jī)組。它既可控制蒸發(fā)器供液量，又可節(jié)流飽和液態(tài)制冷劑。根據(jù)熱力膨脹閥結(jié)構(gòu)上的不同，分為內(nèi)平衡式和外平衡式兩種。考慮到制冷劑流經(jīng)蒸發(fā)器產(chǎn)生一定的壓力損失，為降低開啟過熱度，提高蒸發(fā)器傳熱面積的利用率，一般自膨脹閥出口至蒸發(fā)器出口，制冷劑的壓力降所對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度降超過2~3℃，應(yīng)選用外平衡式熱力膨脹閥。

　　外平衡式熱力膨脹閥的工作原理是建立在力平衡的基礎(chǔ)上。工作時(shí)，彈性金屬膜片上部受感溫包內(nèi)工質(zhì)的壓力P3作用，下面受蒸發(fā)器出口壓力P1與彈簧力P2的作用。膜片在三個(gè)力的作用下，向上或向下鼓起,從而使閥孔關(guān)下或開大，用以調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的供液量。當(dāng)進(jìn)入蒸發(fā)器的液量小于蒸發(fā)器熱負(fù)荷的需要時(shí)，則蒸發(fā)器出口蒸氣的過熱度增大，膜片上方的壓力大于下方的壓力，這樣就迫使膜片向下鼓出，通過頂桿壓縮彈簧，并把閥針頂開，使閥孔開大，則供液量增大。反之當(dāng)供液量大于蒸發(fā)器熱負(fù)荷的需要時(shí)，則出口處蒸氣的過熱度減小，感溫系統(tǒng)中的壓力降低，膜片上方的作用力小于下方的作用力時(shí)，使膜片向上鼓出，彈簧伸長(zhǎng)，頂桿上移并使閥孔關(guān)小，對(duì)蒸發(fā)器的供液量也就隨之減少。熱力膨脹閥的過熱度由開啟過熱度和有效過熱度組成，開啟過熱度與彈簧的預(yù)緊力有關(guān)，有效過熱度與彈簧的強(qiáng)度及閥針的行程有關(guān)。膨脹閥的彈簧是按標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)計(jì)的，機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)工況下，機(jī)組滿負(fù)荷或變負(fù)荷運(yùn)行均維持較高的COP值。但在大壓差工況下，蒸發(fā)壓力降低，蒸發(fā)器負(fù)荷需求的液量減少，但實(shí)際情況相反，在吸氣過熱度不變的情況下，由于蒸發(fā)壓力降低，蒸發(fā)器出口壓力P1相應(yīng)降低，膜片上下的壓差變大，使主閥開度增大，供液量增加；但在小壓差工況下，蒸發(fā)壓力上升，蒸發(fā)器負(fù)荷需求的液量增多，但實(shí)際情況是在吸氣過熱度不變的情況下，由于蒸發(fā)壓力上升，蒸發(fā)器出口壓力P1相應(yīng)提高，膜片上下的壓差變小，使主閥開度減小，供液量減少；在變負(fù)荷下亦如此。因此熱力膨脹閥在變工況下供液量的調(diào)節(jié)方面需進(jìn)一步改進(jìn)。熱力膨脹閥原理簡(jiǎn)圖如圖一所示：

　　圖1 熱力膨脹閥原理簡(jiǎn)圖

　　2.4浮球+主節(jié)流閥

　　浮球+主節(jié)流閥是用于具有自由液面的蒸發(fā)器，如臥式滿液式蒸發(fā)器的供液量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過浮球調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用，在蒸發(fā)器中可以保持大致恒定的液面。浮球閥有一個(gè)鑄鐵的外殼，用液體連接管與氣體連接管分別與被控制的蒸發(fā)器的液體和蒸氣兩部分相連接，因而浮球閥殼體的液面與蒸發(fā)器內(nèi)的液面一致。當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)的液面降低時(shí)，殼體內(nèi)的液面也隨之降低，浮子落下，閥針便將孔口開大，則浮球閥出液量增大，浮球閥出液量形成的閥芯上部壓力P4減小，主膨脹閥芯上部壓力Ps(包括主膨脹閥芯上部彈簧力P5和浮球閥出液量形成的壓力P4) 減小，當(dāng)主膨脹閥芯下部高壓P1大于Ps時(shí)，則推動(dòng)主閥芯向上移動(dòng)，增大閥的開啟量，主膨脹閥供液量增大；反之主膨脹閥供液量減小。浮球閥出液量與主膨脹閥芯上下的壓差（ΔP= P1-Ps）形成比例關(guān)系，調(diào)節(jié)供液量的大小，當(dāng)殼體內(nèi)的液面上升到浮子上限位時(shí)，閥針便將孔口關(guān)閉，Ps ＞P1，主膨脹閥關(guān)閉且停止供液，此時(shí)蒸發(fā)器液位不再上升，這既可以防止蒸發(fā)液位過高引起濕壓縮，又保證蒸發(fā)器的供液量與蒸發(fā)負(fù)荷相匹配。由于的主膨脹閥芯上部彈簧是按標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)計(jì)的，因此機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)工況下，機(jī)組滿負(fù)荷或變負(fù)荷運(yùn)行均維持較高的COP值。但在小壓差工況下，冷凝壓力降低，P1降低，P1相對(duì)于閥芯上部彈簧力偏小，使主閥開度偏小，供液量偏少，導(dǎo)致達(dá)到需要的蒸發(fā)液位要有一段滯后的時(shí)間，系統(tǒng)制冷系數(shù)減小，制冷裝置能耗增大，在變負(fù)荷下同樣如此。浮球+主節(jié)流閥在變工況下供液量的調(diào)節(jié)有待進(jìn)一步完善。浮球+主節(jié)流閥原理簡(jiǎn)圖如圖二所示：

　　圖2 浮球+主節(jié)流閥原理簡(jiǎn)圖

　　3. 電子膨脹閥的工作原理及控制

　　3.1電子膨脹閥——吸氣過熱度控制

　　吸氣過熱度控制系統(tǒng)由電子膨脹閥、壓力傳感器、溫度傳感器、控制器組成，工作時(shí)，壓力傳感器將蒸發(fā)器出口壓力P1、溫度傳感器將壓縮機(jī)吸氣過熱度傳給控制器，控制器將信號(hào)處理后，隨后輸出指令作用于電子膨脹主閥的步進(jìn)電機(jī)，將閥開到需要的位置。以保持蒸發(fā)器需要的供液量。電子膨脹閥的步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)蒸發(fā)器出口壓力P1變化、壓縮機(jī)吸氣過熱度變化實(shí)時(shí)輸出變化的動(dòng)力，這個(gè)實(shí)時(shí)輸出變化的動(dòng)力能及時(shí)克服各種工況和各種負(fù)荷情況下主膨脹閥變化的彈簧力，使閥的開度滿足蒸發(fā)器供液量的需求，進(jìn)而蒸發(fā)器的供液量能實(shí)時(shí)與蒸發(fā)負(fù)荷相匹配，即電子膨脹閥可通過控制器人為設(shè)定，有效的控制過熱度。另外，電子膨脹閥從全閉到全開狀態(tài)其用時(shí)僅需幾秒鐘，反應(yīng)和動(dòng)作速度快，開閉特性和速度均可人為設(shè)定；電子膨脹閥可在10%--100%的范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)范圍可根據(jù)不同產(chǎn)品的特性進(jìn)行設(shè)定。選用電子膨脹閥——吸氣過熱度控制，機(jī)組無論在標(biāo)準(zhǔn)工況下、變工況、滿負(fù)荷、變負(fù)荷運(yùn)行維持較高的COP值水平。電子膨脹閥——吸氣過熱度控制制冷系統(tǒng)原理圖如圖三所示：

　　圖3 電子膨脹閥——吸氣過熱度控制制冷系統(tǒng)原理圖

　　3.2電子膨脹閥——液位控制

　　液位控制系統(tǒng)由電子膨脹閥、液位傳感器、液位控制器組成。當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)的液面上下變化時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)的液位傳感器將液位變動(dòng)的比例關(guān)系用4-20mA信號(hào)傳給液位控制器, 液位控制器將信號(hào)處理后，隨后輸出指令作用于電子膨脹主閥的步進(jìn)電機(jī)，使其開度增大、減小，以保持制冷劑液位在限定的范圍內(nèi)。電子膨脹閥的步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)制冷劑液位變化實(shí)時(shí)輸出變化的動(dòng)力，這個(gè)實(shí)時(shí)輸出變化的動(dòng)力能及時(shí)克服各種工況和各種負(fù)荷情況下主膨脹閥變化的彈簧力，使閥的開度滿足蒸發(fā)器供液量的需求，進(jìn)而蒸發(fā)器的供液量能實(shí)時(shí)與蒸發(fā)負(fù)荷相匹配，即電子膨脹閥可通過控制器人為設(shè)定，有效的控制蒸發(fā)液位。選用電子膨脹閥——液位控制，機(jī)組無論在標(biāo)準(zhǔn)工況下、變工況、滿負(fù)荷、變負(fù)荷運(yùn)行均維持較高的COP值水平。電子膨脹閥——液位控制一般應(yīng)用在吸氣過熱度低于2℃的制冷裝置，而電子膨脹閥——吸氣過熱度一般應(yīng)用在吸氣過熱度5℃左右的制冷裝置，因此前者比后者更能有效的利用蒸發(fā)面積，提高蒸發(fā)負(fù)荷，獲取更高的COP值。電子膨脹閥——液位控制制冷系統(tǒng)原理圖如圖四所示：

　　圖4 電子膨脹閥——液位控制制冷系統(tǒng)原理圖

　　4. 結(jié)束語

　　節(jié)流機(jī)構(gòu)為了節(jié)能降耗，應(yīng)在不同工況、不同負(fù)荷下保證向蒸發(fā)器的供液量與蒸發(fā)負(fù)荷相匹配。節(jié)能的途徑是及時(shí)地控制過熱度（控制液位），實(shí)時(shí)有效地調(diào)節(jié)流量。電子膨脹閥在過熱度控制（液位控制）、流量調(diào)節(jié)均優(yōu)于傳統(tǒng)的節(jié)流機(jī)構(gòu)，而且反應(yīng)速度更快、調(diào)節(jié)范圍更廣，節(jié)能效果更加顯著，有廣闊的應(yīng)用前景。