热力膨胀阀分类、选型和应用

本文件主要介绍了热力膨胀阀的一般技术要求，对选用的注意事项以及应用的注意事项做了简单介绍。

• 膨胀阀的作用

    热力膨胀阀主要起节流作用，节流的工作原理是制冷工质流过阀芯时流通截面突然收缩，使流体流速加快，压力下降，压力下降的大小取决于流动截面收缩的比例。

主要作用：

　　1、 节流降压。当常温高压的制冷剂液体流过节流阀，变成低温低压的制冷剂液体并产生部分闪发气体，进而实现向外界吸热的目的。

　　2、 调节流量：膨胀阀通过感温包感受蒸发器出口处制冷剂过热度的变化来控制阀的开度，调节进入蒸发器的制冷剂流量，使其流量与蒸发器的热负荷相匹配。当蒸发器热负荷增加时阀开度也增大，制冷剂流量随之增加，反之，制冷剂流量减少。

　　3、 控制过热度：节流机构具有控制蒸发器出口制冷剂过热度的功能，既保持蒸发器传热面积的充分利用，又防止吸气带液损坏压缩机的事故发生。

若节流机构向蒸发器的供液量与蒸发负荷相比过大，部分液态制冷剂进入压缩机，引起液压缩或跑油。相反若供液量与蒸发器负荷相比太少，则蒸发器部分换热面积未能充分发挥其效能，甚至会造成蒸发压力降低，而且使制冷系统的制冷量降低，过热度过大，排温过高，制冷装置能耗增大。节流机构流量的调节对制冷装置节能降耗起着非常重要的作用。

• 膨胀阀工作原理

　热力膨胀阀广泛应用于中小型空调机组中。它既可控制蒸发器供液量及吸气过热度，又可节流过冷液态制冷剂。根据热力膨胀阀结构上的不同，分为内平衡式和外平衡式两种，其使用条件也不相同。

1. 内平衡式

热力膨胀阀的工作原理是建立在力学平衡的基础上。

如右图figure2，膨胀阀的动作与三个力有关：    感温包的传递的压力P₁；

  蒸发器进口压力P2；

  过热度设定弹簧的弹力P₃；

由图中可以看出，当力平衡时

P₁=P₂+P₃

弹性金属膜片上部受感温包内工质的压力P1作用，下面受蒸发器进口压力P2与弹簧力P3的作用。膜片在三个力的作用下，向上或向下鼓起,从而使阀芯开度关小或开大，用以调节蒸发器的供液量。当进入蒸发器的液体小于蒸发器热负荷的需要时，则蒸发器出口蒸汽的过热度增大，膜片上方的压力大于下方的压力，这样就迫使膜片向下鼓出，通过顶杆压缩弹簧，并把阀针顶开，使阀芯开大，则供液量增大。反之当供液量大于蒸发器热负荷的需要时，则出口处蒸汽的过热度减小，感温系统中的压力降低，膜片上方的作用力小于下方的作用力时，使膜片向上鼓出，弹簧伸长，顶杆上移并使阀芯开度关小，对蒸发器的供液量也就随之减少,直至新的平衡。

热力膨胀阀出厂时工厂会对阀的过热度进行一个设定，这个设定的过热度称之为静态过热度SS。平时调节螺母实现过热度改变就是静态过热度。实际运行时膨胀阀的过热度会大于静态过热度2~4℃。这部分过热度称之为开启过热度OS。总过热度SH为两者之和。下图为过热度变化曲线。

当使用不可调的热力膨胀阀时，必须确保正确的过热度。可以用可调的膨胀阀在实验室测好以后，再交给膨胀阀生产厂家转换成不可调的膨胀阀。

• 外平衡式

如果通过蒸发器阻力过大（包括分配器及分配管），就必须考虑用外平衡管的膨胀阀，就是作用在膜片底部多了一个取自感温包处的压力。一般来说进出口阻力温差不要超过1.7℃。举一个R22例子就能很好说明有无外平衡管对系统的影响。如图4，系统使用内平衡式膨胀阀。

蒸发器的阻力为69kPa(10Psi)，C点的压力为4.07bar(59Psig)；A点的压力为4.76bar(69Psig)。弹簧设定的过热度5.6℃或者弹簧力为75.9kPa(16Psig)，所以在膜片上的平衡力为5.86bar(16+69)Psig。这个力对应的饱和温度为10.2℃。很明显如果阀要平衡，C点温度必须是10.2℃，但4.07bar(59 Psig)对应的饱和温度是0.55℃，因此必须要有9.65℃的过热度产生，为了增加过热度从5.6℃增加到9.65℃，必须使用更大的蒸发器面积，造成成本浪费。

如果采用外平衡管，将平衡管连接到蒸发器出口或压缩机回气管靠近感温包处，抵消蒸发器压降过大带来的影响就可以避免上述问题。当蒸发器的阻力损失超过上述推荐值，或者系统中存在分配器，则必须使用外平衡式膨胀阀。

• 感温包的充注

膨胀阀的充注一般可分为：液体充注；液体交叉充注；气液交叉充注等。

液体充注

通常感温包使用与系统相同的制冷剂，膨胀阀感温包在生产时充入完全的液态的制冷剂，感温包在运行时一直处于饱和温度状态，液体充注有优点，也有缺点，启动时过热度很小或没有；蒸发温度低时过热增大；启动以后的吸气压力下降很慢等。

液体交叉充注

液体交叉充注是指感温包的液体制冷剂与系统所用的制冷剂不同，所以感温包制冷剂的压力与温度对应曲线会与系统制冷剂的压力与温度曲线交叉。

液体交叉充注的好处是：

• 启动时吸气压力下降平稳。
• 受外界环境影响小。
• 对吸气管温度变化反应不会过于敏捷
• 特殊应用情况下过热可以定做。

气体和少量液体交叉充注

由于气体可以在特定的工况下可变成液体,因此用气体充注可以变更操作特性。在一些预设定的温度下，感温包内的气体将变得过热，限制了感温包作用力的增加，这种情况称为MOP，这是目前应用最为广泛的膨胀阀。MOP是指最大工作压力，当吸气压力到达MOP压力值时，膨胀阀将不会下再继续开大开度，可以防止机组过载，伤害压缩机。气体与少量液体充注是膨胀阀对温度变化较敏感。

• 膨胀阀选型

任何时候，膨胀阀的选型按实际工况进行而不要按膨胀阀的标称冷量进行。

热力膨胀阀精确选型需要得知阀体前后压力降和节流前制冷剂液体过冷度及蒸发温度。压降可计算得出，蒸发压力Pe、冷凝压力Pc、分配器焊接组件压降Pd、阀后至分配器组件沿程压降Pg1及阀前至冷凝器沿程压降Pg2，即ΔP=Pc-Pe-Pd-Pg1-Pg2，这些参数都可以在实验室内测出。根据ΔP、过冷度和目标冷量就可以从厂家的样本中选出合适的热力膨胀阀。

由于初选时除Pc和Pe可以预知外，其它参数都只能预估，Pd+Pg1约为2bar，Pg2约为1bar，即ΔP约为（Pc-Pe-3）bar，阀前制冷剂过冷度可根据设计要求预估出。根据ΔP、过冷度和目标冷量就可以从厂家的样本中初选出合适的热力膨胀阀，在测试时再根据测试参数验证选型是否合适，包括标准工况、最大工况及最小工况。

下面的例子是标准工况的验证选型结果，冷媒R410A，以TGEL型膨胀阀为例。

实测数据如下：

冷     量：  28KW

蒸发温度：   0℃(7bar)

冷凝温度：   49.1℃(29bar)

阀前过冷度： 10℃

从冷凝器到膨胀阀压损：0.5bar

从膨胀阀到蒸发器沿程压降：3.5bar

从Danfoss膨胀阀样本数据可知，当过冷度偏离4℃时需根据过冷度修正冷量。下表是修正系数。