摘要：本文介紹了各種傳統節流機構的工作原理，對各自運行的能量匹配進(jìn)行了分析。并指出節流機構在應用中需要注意的問(wèn)題。z*后重點(diǎn)闡述電子膨脹閥的控制原理及節能方面的優(yōu)勢。

　　1. 概述

　　節能和環(huán)保是人類(lèi)亟待解決的兩大問(wèn)題。2002年8月26日至9月4日在南非約翰內斯堡舉行了可持續發(fā)展世界峰會(huì )。在該次會(huì )議上國際制冷學(xué)會(huì )發(fā)表了《制冷業(yè)對于可持續發(fā)展和減緩大氣變化的承諾》，在此文件中闡明制冷業(yè)主要的挑戰來(lái)自q*氣候變暖。造成制冷業(yè)影響q*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行所需能量的生產(chǎn)引起的。制冷、空調和熱泵這些設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重。此文件還提出在下一個(gè)20年制冷業(yè)必須樹(shù)立雄心去達到目標之一：每個(gè)制冷設備耗能減少30~50%。制冷業(yè)者為保護環(huán)境，應把節能貫穿到制冷設備的使用周期中去。作為制冷循環(huán)的四大部件之一，節流裝置在系統中起著(zhù)非常關(guān)鍵的作用，通過(guò)選擇應用合適的節流機構與制冷系統匹配是整個(gè)制冷設備降低能耗的重要一環(huán)。本文將對節流機構的工作原理和運行能量匹配進(jìn)行分析，重點(diǎn)對電子膨脹閥的工作原理進(jìn)行分析。

　　2. 傳統節流機構的工作原理及匹配

　　節流的工作原理是制冷工質(zhì)流過(guò)閥門(mén)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。節流機構的作用：

　　1、 節流降壓。當常溫高壓的制冷劑飽和液體流過(guò)節流閥，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)現向外界吸熱的目的。

　　2、 調節流量：節流閥通過(guò)感溫包感受蒸發(fā)器出口處制冷劑過(guò)熱度的變化來(lái)控制閥的開(kāi)度，調節進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量，使其流量與蒸發(fā)器的熱負荷相匹配。當蒸發(fā)器熱負荷增加時(shí)閥開(kāi)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(guò)熱度：節流機構具有控制蒸發(fā)器出口制冷劑過(guò)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的事故發(fā)生。

　　4、 控制蒸發(fā)液位：帶液位控制的節流機構具有控制蒸發(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(guò)熱度。

　　若節流機構向蒸發(fā)器的供液量與蒸發(fā)負荷相比過(guò)大，部分液態(tài)制冷劑一起進(jìn)入壓縮機，引起濕壓縮或沖缸事故。相反若供液量與蒸發(fā)器負荷相比太少，則蒸發(fā)器部分傳熱面積未能充分發(fā)揮其效能，甚至會(huì )造成蒸發(fā)壓力降低，而且使制冷系統的制冷量降低，制冷系數減小，制冷裝置能耗增大。節流機構流量的調節對制冷裝置節能降耗起著(zhù)非常重要的作用。大型中央空調冷水機組常用的節流機構有手動(dòng)節流閥、孔板、熱力膨脹閥、浮球+主節流閥。

　　2.1手動(dòng)節流閥

　　手動(dòng)節流閥是z*老式的節流閥，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，而且閥桿采用細牙螺紋。當旋轉手輪時(shí)，可使閥門(mén)的開(kāi)啟度緩慢地增大或減小，以保證良好的調節性能。手動(dòng)節流閥開(kāi)啟的大小，需要操作人員頻繁地調節，以適應負荷的變化。通常開(kāi)啟度為1/8~1/4圈，一般不超過(guò)一圈，開(kāi)啟度過(guò)大就起不到節流(膨脹)的作用。這種節流閥現在已被自動(dòng)節流機構取代。

　　2.2孔板

　　孔板節流機構由兩塊孔板組成，采用兩級節流。制冷工質(zhì)通過(guò)第一級孔板時(shí)，制冷工質(zhì)剛好到達飽和液體線(xiàn)，并產(chǎn)生少許閃發(fā)氣體;由于閃發(fā)氣體占據一部分空間，其流量也在波動(dòng)，致使工質(zhì)進(jìn)入第二級孔板時(shí)流體的流量在一定范圍(約20%)內變動(dòng)，進(jìn)而達到自動(dòng)調節制冷劑循環(huán)量的功能，第二級孔板因變動(dòng)的流量造成不同的壓降變化，與系統高低壓差進(jìn)行調節，于動(dòng)態(tài)平衡后，穩定發(fā)揮制冷工質(zhì)膨脹功能而完成整個(gè)制冷循環(huán)。一二級孔板設計依據：

　　1、 流量公式：q= a x Α x(2 x Δp x ρ)1/2

　　2、 冷水機組標準工況：12℃/7℃;30℃/35℃。

　　冷水機組在標準工況滿(mǎn)負荷運行時(shí)，孔板向蒸發(fā)器的供液量與蒸發(fā)負荷相匹配。但機組實(shí)際運行經(jīng)常處于變工況、變負荷運行。在大壓差工況下，蒸發(fā)器負荷需求減小(幅度大于20%)，孔板z*大調節余量20%，由于壓差增大，孔板實(shí)際供液量比蒸發(fā)器負荷需要的液量大，吸氣過(guò)熱度降低，引起濕壓縮;在小壓差工況下，蒸發(fā)器負荷需求增大(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)器負荷需要的液量小，吸氣過(guò)熱度升高，制冷量降低，制冷系數減小，制冷裝置能耗增大;在由低負荷轉為高負荷情況下(幅度大于20%)，蒸發(fā)器負荷需求增大，由于制冷劑質(zhì)量流量增大，短時(shí)間內蒸發(fā)器實(shí)際存液量比蒸發(fā)器負荷需要的液量小，吸氣過(guò)熱度升高，制冷量降低，制冷系數減小，制冷裝置能耗增大;在由高負荷轉為低負荷情況下(幅度大于20%)，蒸發(fā)器負荷需求減小，由于制冷劑質(zhì)量流量減小，短時(shí)間內蒸發(fā)器實(shí)際存液量比蒸發(fā)器負荷需要的液量大，吸氣過(guò)熱度降低，引起濕壓縮，極端情況即機組滿(mǎn)負荷運行突然停機，蒸發(fā)器負荷需求減小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)器負荷需要的液量大55%，吸氣過(guò)熱度急速降低，進(jìn)而降低排氣過(guò)熱度，油分效果下降，甚至導致壓縮機奔油。雖然一二級孔板在一定范圍可自動(dòng)調節，但其應付變工況、變負荷能力差，且制冷系數減小，制冷裝置能耗增大，一般不宜采用。

　　2.3熱力膨脹閥

　　熱力膨脹閥廣泛應用于中央空調冷水機組。它既可控制蒸發(fā)器供液量，又可節流飽和液態(tài)制冷劑。根據熱力膨脹閥結構上的不同，分為內平衡式和外平衡式兩種?？紤]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(kāi)啟過(guò)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應的蒸發(fā)溫度降超過(guò)2~3℃，應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上。工作時(shí)，彈性金屬膜片上部受感溫包內工質(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(kāi)大，用以調節蒸發(fā)器的供液量。當進(jìn)入蒸發(fā)器的液量小于蒸發(fā)器熱負荷的需要時(shí)，則蒸發(fā)器出口蒸氣的過(guò)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(guò)頂桿壓縮彈簧，并把閥針頂開(kāi)，使閥孔開(kāi)大，則供液量增大。反之當供液量大于蒸發(fā)器熱負荷的需要時(shí)，則出口處蒸氣的過(guò)熱度減小，感溫系統中的壓力降低，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(cháng)，頂桿上移并使閥孔關(guān)小，對蒸發(fā)器的供液量也就隨之減少。熱力膨脹閥的過(guò)熱度由開(kāi)啟過(guò)熱度和有效過(guò)熱度組成，開(kāi)啟過(guò)熱度與彈簧的預緊力有關(guān)，有效過(guò)熱度與彈簧的強度及閥針的行程有關(guān)。膨脹閥的彈簧是按標準工況設計的，機組在標準工況下，機組滿(mǎn)負荷或變負荷運行均維持較高的COP值。但在大壓差工況下，蒸發(fā)壓力降低，蒸發(fā)器負荷需求的液量減少，但實(shí)際情況相反，在吸氣過(guò)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相應降低，膜片上下的壓差變大，使主閥開(kāi)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)器負荷需求的液量增多，但實(shí)際情況是在吸氣過(guò)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相應提高，膜片上下的壓差變小，使主閥開(kāi)度減小，供液量減少;在變負荷下亦如此。因此熱力膨脹閥在變工況下供液量的調節方面需進(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+主節流閥

　　浮球+主節流閥是用于具有自由液面的蒸發(fā)器，如臥式滿(mǎn)液式蒸發(fā)器的供液量的自動(dòng)調節。通過(guò)浮球調節閥的調節作用，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)器內的液面一致。當蒸發(fā)器內的液面降低時(shí)，殼體內的液面也隨之降低，浮子落下，閥針便將孔口開(kāi)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(kāi)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，調節供液量的大小，當殼體內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(guò)高引起濕壓縮，又保證蒸發(fā)器的供液量與蒸發(fā)負荷相匹配。由于的主膨脹閥芯上部彈簧是按標準工況設計的，因此機組在標準工況下，機組滿(mǎn)負荷或變負荷運行均維持較高的COP值。但在小壓差工況下，冷凝壓力降低，P1降低，P1相對于閥芯上部彈簧力偏小，使主閥開(kāi)度偏小，供液量偏少，導致達到需要的蒸發(fā)液位要有一段滯后的時(shí)間，系統制冷系數減小，制冷裝置能耗增大，在變負荷下同樣如此。浮球+主節流閥在變工況下供液量的調節有待進(jìn)一步完善。浮球+主節流閥原理簡(jiǎn)圖如圖二所示：

　　圖2 浮球+主節流閥原理簡(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(guò)熱度控制

　　吸氣過(guò)熱度控制系統由電子膨脹閥、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吸氣過(guò)熱度傳給控制器，控制器將信號處理后，隨后輸出指令作用于電子膨脹主閥的步進(jìn)電機，將閥開(kāi)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)電機是根據蒸發(fā)器出口壓力P1變化、壓縮機吸氣過(guò)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荷情況下主膨脹閥變化的彈簧力，使閥的開(kāi)度滿(mǎn)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)負荷相匹配，即電子膨脹閥可通過(guò)控制器人為設定，有效的控制過(guò)熱度。另外，電子膨脹閥從全閉到全開(kāi)狀態(tài)其用時(shí)僅需幾秒鐘，反應和動(dòng)作速度快，開(kāi)閉特性和速度均可人為設定;電子膨脹閥可在10%--100%的范圍內進(jìn)行精確調節，且調節范圍可根據不同產(chǎn)品的特性進(jìn)行設定。選用電子膨脹閥——吸氣過(guò)熱度控制，機組無(wú)論在標準工況下、變工況、滿(mǎn)負荷、變負荷運行維持較高的COP值水平。電子膨脹閥——吸氣過(guò)熱度控制制冷系統原理圖如圖三所示：

　　圖3 電子膨脹閥——吸氣過(guò)熱度控制制冷系統原理圖

　　3.2電子膨脹閥——液位控制

　　液位控制系統由電子膨脹閥、液位傳感器、液位控制器組成。當蒸發(fā)器內的液面上下變化時(shí)，蒸發(fā)器內的液位傳感器將液位變動(dòng)的比例關(guān)系用4-20mA信號傳給液位控制器, 液位控制器將信號處理后，隨后輸出指令作用于電子膨脹主閥的步進(jìn)電機，使其開(kāi)度增大、減小，以保持制冷劑液位在限定的范圍內。電子膨脹閥的步進(jìn)電機是根據制冷劑液位變化實(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荷情況下主膨脹閥變化的彈簧力，使閥的開(kāi)度滿(mǎn)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)負荷相匹配，即電子膨脹閥可通過(guò)控制器人為設定，有效的控制蒸發(fā)液位。選用電子膨脹閥——液位控制，機組無(wú)論在標準工況下、變工況、滿(mǎn)負荷、變負荷運行均維持較高的COP值水平。電子膨脹閥——液位控制一般應用在吸氣過(guò)熱度低于2℃的制冷裝置，而電子膨脹閥——吸氣過(guò)熱度一般應用在吸氣過(guò)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)負荷，獲取更高的COP值。電子膨脹閥——液位控制制冷系統原理圖如圖四所示：

　　圖4 電子膨脹閥——液位控制制冷系統原理圖

　　4. 結束語(yǔ)

　　節流機構為了節能降耗，應在不同工況、不同負荷下保證向蒸發(fā)器的供液量與蒸發(fā)負荷相匹配。節能的途徑是及時(shí)地控制過(guò)熱度(控制液位)，實(shí)時(shí)有效地調節流量。電子膨脹閥在過(guò)熱度控制(液位控制)、流量調節均優(yōu)于傳統的節流機構，而且反應速度更快、調節范圍更廣，節能效果更加顯著(zhù)，有廣闊的應用前景。

　　參 考 文 獻

　　1、 國際制冷學(xué)會(huì )(HR)總干事 Dr.F.BILLIARD.制冷與可持續發(fā)展

　　2、 韓寶琦，李樹(shù)林.制冷空調原理及應用 1998.