制冷系统节流装置专题

节流是压缩式制冷循环不可缺少的四个主要过程之一。节流机构的作用有两点：一是对从冷凝器中出来的高压液体制冷剂进行节流降压为蒸发压力；二是根据系统负荷变化，调整进入蒸发器的制冷剂液体的数量。他们的基本原理都是使高压液体制冷剂受迫流过一个小过流截面，产生合适的局部阻力损失，使制冷剂压力骤降，与此同时一部分液态制冷剂汽化，吸收潜热，使节流后的制冷剂成为低压低温状态。

1.毛细管

毛细管一般指内径为 0.4~2.0mm的细长铜管。作为制冷系统的节流机构，毛细管是最简单的一种，因其价廉、选用灵活，故广泛用于小型制冷装置中，最近在较大制冷量的机组中也有采用。毛细管的节流特性是利用制冷剂在细长管内流动的阻力而实现的。按使用情况，毛细管可以是有热交换和无热交换的，故制冷剂流经毛细管的过程可以典型化为绝热膨胀过程和有热交换的膨胀过程。目前公司基本上采用绝热膨胀的方式。制冷剂在毛细管中的流动状态，沿管长方向的压力和温度变化：

过冷区：从冷凝器流出的液体制冷剂以过冷状态 1点进入毛细管内流动，并随着压力的降低液体过冷度不断减小，直至变为饱和液体，即理论闪点 2点，此段制冷剂状态为单相液体。在这一段中制冷剂在管内为绝热流动，同时因流速不变，其管内液体部分的压力降是一条直线。 亚稳区：即从毛细管内流动的制冷剂的理论闪点 2点到达到饱和湿蒸汽点 3点。通过对毛细管的机理研究，由于毛细管直径很小，制冷剂的流速较大，通常情况下，会出现亚稳定状态的液体——过热液体的存在，使得闪点的温度和压力并不对应，一般闪点延迟 3C左右。 两相区：从3点开始制冷剂为汽液两相流动，随着压力的降低，温度也降低，压力和温度曲线重合。毛细管内汽液两相混合物也是一种可压缩流体，当毛细管的进口压力保持不变，制冷剂的质量流量将不会随出口压力减小而无限增大，而是达到某一值后，就不受出口压力的影响而保持不变，也会出现临界流现象，也就是说，通过毛细管的流量，是随毛细管进口压力的增加而增加，而毛细管出口压力降低时流量也会增加，但出口压力降低到临界压力以下，流量就不再增加，即出现临界流现象，这也是用毛细管来控制流量的重要待征。

毛细管制冷系统的设计要点：

①在制冷系统的高压侧，不要设置储液器，在保证冷凝器能够容纳全部制冷剂的前提下，尽量减少其有效容积。因为在采用毛细管作为节流元件的制冷系统中，若设置储液器或冷凝器容积过大，则当压缩机停机后，制冷剂液体会继续流向蒸发器，严重时蒸发器内液体被压缩机再次启动时吸入，易产生液击，损伤压缩机： ②制冷系统中罐注的制冷剂应适量且准确，与蒸发器容量相匹配。因为制冷剂的罐注量过多或过少，都会影响其制冷系统的制冷量。一般制冷系统的制冷剂的罐注量通过设计计算后由试验来确定。 ③选用毛细管时，其内径与长度应有一定的比例。若毛细管过短，则其流动阻力小，流量大，毛细管内易混入热蒸汽，从而降 ** 冷效率，也易造成液体倒回到压缩机而产生液击现象；若毛细管过长，则其流动阻力大，造成排气压力过高，而进入蒸发器内的液体量不足，造成吸气压力过低。有资料介绍，在同样工况同样流量的条件下，毛细管的长度近似与其内径的 4.6次方成正比，即 L1/L2=（ D1/D2）^ 4.6。 ④适当地增加蒸发器的有效容积。在使用毛细管作为节流元件的制冷系统中，适当地增加蒸发器的有效容积，不仅可以防止液体因回到压缩机而产生液击现象，而且还可以降低压缩机停机时的平衡压力，减少其启动负荷。 ⑤制冷系统应保持清洁和干燥，避免水份或杂质的进入。因为毛细管的内径很小，其水份或杂质的进入很容易造成冰堵或脏堵。一股对其制冷系统中的部件都有其水份含量和杂质含量的要求，同时在毛细管进口处装有干燥过滤器。在实际产品中，往往因为考虑成本，在小系统中很少用干燥剂，只用了价格非常便宜的过滤器。 ⑥尽量采用回热循环。在采用毛细管作为节流元件的小型制冷装置中，一般把靠近蒸发器部分的吸气管和靠近冷凝器部分的毛细管进行并列辅助换热，从而使高压侧液体过冷，压缩机吸入蒸气过热，以减少节流损失，防止压缩机液击，提高制冷效率。 ⑦为避免毛细管出口端喷流所引起的噪音对环境的干挠，可在毛细管外包扎阻尼块等材料，用以隔声防震。所以毛细管如果用在室内侧而室内风量又不大的话，一定要实验验证是否有液流声产生。 ⑧当几根毛细管并联使用时，为使流量均匀，其后采用分液器，合适的分液器设计和选用也很重要。

毛细管的计算方法：

通过相关文献的查阅，可以看出，现国内外毛细管的计算机方法的数学模型都很类似，主要区别在于一些公式的选取，现择选其中一篇含金量较高文章如下，希望能参考其中的公式，编写出毛细管计算的实用程序。最后在实验的基础上对其进行修正。节选《冰箱系统毛细管计算模型》，作者：赵晓宇、韩礼钟、朱明善。《工程热物理学报》，1995.5，该课题为国家计委“八五”重点攻关项目，曾于1994年l0月在浙江宁波召开的中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议上宣读。

2.热力膨胀阀 热力膨胀阀的作用是控制制冷剂进入蒸发器的量；液体注入量取决于蒸发器出口测得的过热度，此外，他还用作制冷系统中的高压与低压之间的膨胀装置；“三分品质，七分安装”，合理安装与调试热力膨胀阀，有利于提高蒸发器的利用率和系统变工况时的适应能力，对保证制冷装置的安全可靠运行，提高运行效率，节约能源，降低运行成本都有着重要的意义。

2.1 内平衡与外平衡

内平衡式的平衡压力在蒸发器入口处取，用于制冷剂在蒸发器里的压力损失较小的系统，外平衡式的平衡压力则在蒸发器的出口处取，用于制冷剂在蒸发器里的压力损失较大的系统。

外平衡热力膨胀阀工作原理：p1=p2 p3

2.2 热力膨胀阀安装

2.2.1 阀体的安装

热力膨胀阀安装使用前，应检查其组成部件是否完好，特别是热力头部分，感温包内工质有无泄漏。若感温包内的工质泄漏，阀体内的弹簧将会张满，热力膨胀阀不通，无 ** 常工作。检查时应用嘴对准膨胀阀的管口吸气，不准用嘴吹气，以免口中的水蒸气进入节流孔，使用时造成冰堵。若气体可通过膨胀阀的节流孔，则表示热力头部分完好，然后开始热力膨胀阀的安装。

1）、热力膨胀阀的阀体尽可能安装在靠近蒸发器入口处的水平液管上，以减少膨胀阀节流后的压力及温度损失。

2）、阀体应垂直安装，不能倾斜或颠倒安装。

3）、阀体一般安装在干燥过滤器的出口处，为防止阀芯出现“脏堵”或“冰堵”。有时，阀体前后安装截止阀，方便热力膨胀阀的维修和更换

4）、阀体安装应牢固，保证在运行过程中不出现明显的振动，并且要为调试和维修留出足够的空间。

2.2.2 感温包的安装注意

作为热力膨胀阀的发信器，感温包的位置选择和实际安装是否合理，将直接影响热力膨胀阀的调节精度和工作的稳定性，合理安装要求如下：

（1）感温包一般安装在吸气管的上方，同时需要保证感温包紧贴着吸气管，改善感温包与吸气管中制冷剂的传热效果，减少时间滞后。

（2）感温包尽量装在靠近蒸发器出口处的水平吸气管上，应远离压缩机的吸气口，且不宜垂直安装。如果必须使感温包安装在竖直的吸气管上时，则感温包的毛细管应从感温包的上端进入，感温包的头部朝下。

（3）为使感温包免受正在冷却的空气或液体的影响，应该缠一层保温材料。可以提供特殊的保温形式，或者使用塑胶绝缘带，以保证感温包准确探测吸气管温度。

（4）感温包需要用铜片、不锈的机制螺丝和螺母固定在吸气管上。感温包要与吸气管保持良好的热接触，接头应该既清洁又牢固，安装前必须用钢丝棉清刷吸气管的接触处和感温包，将表面的氧化皮清除掉，露出金属本色，避免由于接触不良而降低传感的灵敏度。

（5）热力头内的液态工质始终保持在感温包内，因此感温包尽量固定在低于阀体顶上的波纹膜片腔的吸气管上、如果感温包安装位置必须高于阀体顶上的波纹膜片腔时，感温包连接处的毛细管应向上弯成倒“U”型；以免液体进入波纹膜片腔内，降低热力膨胀阀工作的灵敏准确度。

（6）感温包均不能安装在吸气管有积液、积油、管接头、阀门或其他大的金属部件的地方，以免造成感温包反应滞后，影响热力膨胀阀稳定工作。

（7）根据吸气管管径的不同，感温包在水平吸气管上的安装角度不同：对于 12 ～ 16 mm的管径，感温包宜安装在吸气管的“1 点钟”位置；对于18 ～ 22 mm 的管径，感温包宜安装在吸气管的“2 点钟”位置；对于25 ～ 28 mm 的管径，感温包宜安装在吸气管的“3 点钟”位置；对于32 ～ 35 mm的管径，感温包宜安装在吸气管的“4 点半”位置。

吸气管中主要是已蒸发的制冷剂，但是也有少许制冷剂液体和油。制冷剂蒸气和一些液珠流过较大管径的吸气管。由于管径较大，制冷剂蒸气的流速常常很低，制冷剂液珠和油沉积在管线底部。

下图显示出的吸气管面积较小，于是制冷剂蒸气的速度比高，这样从流动蒸气中分离出的油和液态制冷剂就会较少，管内端将较均匀地覆盖油层。

较大口径吸气管的感温包应该位于管的下部附近，而不应位于吸气管上端，这是因为制冷剂液珠有同流动蒸气分离的趋势，同时，吸气管内部覆盖的油层有保温作用，水平管上、下侧温差可能较大，因此通常将感温包安装在大口径吸气管水平轴线以下 45°之间：

2.2.3 热力膨胀阀的最佳整定

如果不能保证热力膨胀阀调节的精确性，在间歇启停压缩机的系统中或运行工况变化剧烈的过程中会伴随有很大的压力波动、温度波动和能耗波动。如果热力膨胀阀选择不当或调整不当，将会引起压缩机吸气管中出现周期性的带液，使得制冷系统出现振荡现象；甚至导致系统无法稳定工作。目前国际上广泛采用基于对蒸发器出口温度波动分析的最佳整定方法，具体调试步骤如下：

第一步：启动制冷系统，让压缩机运行 20 分钟以上，保证系统处于稳定状态，采用温度传感器测量蒸发器出口温度。

第二步：（1）如果蒸发器出口温度出现具有固定振幅的自激振荡，先将热力膨胀阀下方的阀帽拧开，顺时针旋转阀杆半圈或一圈(即增大弹簧力，增大静态过热度设定值)；（2）缓慢操作(每次调整的时间间隔为20 ～ 30 分钟)，逐渐调整，则蒸发器出口温度波动幅逐渐变小，一直调整到振荡消除为止；（3）然后再逆时针旋转阀杆直至蒸发器出口温度再次出现振荡现象，这时再顺时针旋转阀杆一圈，在这个位置上既保证热力膨胀阀供液稳定，又能保证蒸发器传热面积的充分利用；（4）如果蒸发器出口温度没有出现振荡，但出口温度过高，则逆时针旋转阀杆半圈或一圈(即减小弹簧力，减小静态过热度设定值)；（5）缓慢操作(每次调整的时间间隔为 20 ～ 30 分钟)，逐渐调整，直至蒸发器出口温度出现振荡的现象，然后再顺时针旋转阀杆一圈即可；（6）如果顺时针旋转阀杆至最顶端，蒸发器出口温度仍出现自激振荡，则表明热力膨胀阀选配过大，应重新选择较小型号的热力膨胀阀；（7）反之，如果逆时针旋转阀杆至最下端，蒸发器出口温度仍未出现波动时，应重新选择较小型号的热力膨胀阀。

3.电子膨胀阀

电子膨胀阀利用被调节参数产生的电信号，控制施加于膨胀阀上的电压或电流，进而达到调节供液量的目的。无级变容量制冷系统制冷供液量调节范围宽，要求调节反应快，传统的节流装置（如热力膨胀阀）难以良好胜任，而电子膨胀阀可以很好地满足要求。电子膨胀阀是一种可按预设程序进入制冷装置的制冷剂流量的节流元件。在一些负荷变化剧烈或运行工况范围较宽的场合，传统的节流元件（如毛细管、热力膨胀阀等）已不能满足舒适性及节能方面的要求，电子膨胀阀结合压缩机变容量技术已得到越来越广泛的应用。目前对电子膨胀阀的研究大致包括应用研究、流量特性、控制策略及算法3个方向。

用电子膨胀阀进行蒸发器出口制冷剂热度调节，可以通过设置在蒸发器出口的温度传感器和压力传感器（有时也利用设置在蒸发器中部的温度传感器采集蒸发温度）来采集过热度信号，采用反馈调节来控制膨胀阀的开度；也可以采用前馈加反馈复合调节，消除因蒸发器管壁与传感器热容造成的过热度控制滞后，改善系统调节品质，在很宽的蒸发温度区域使过热度控制在目标范围内。除了蒸发器出口制冷剂过热度控制，通过指定的调节程序还可以将电子膨胀阀的控制功能扩展，如用于热泵机组除霜、压缩机排气温度控制等。

3.1 电磁式电子膨胀阀

电磁式电子膨胀阀的结构如图a所示，它是依靠电磁线圈的磁力驱动针阀。电磁线圈通电前，针阀处于全开位置。通电后，受磁力作用，针阀的开度减小，开度减小的程度取决于施加在线圈上的控制电压。电压越高，开度越小（阀开度随控制电压的变化如图b所示），流经膨胀阀的制冷剂流量也越小。电磁式电子膨胀阀的结构简单，动作响应快，但是在制冷系统工作时，需要一直提供控制电压。

3.2 电动式电子膨胀阀

电动式电子膨胀阀是依靠步进电机驱动针阀，分直动型和减速型两种。

3.2.1 电动式电子膨胀阀直动型

直动型电动式电子膨胀阀的结构见图a。该膨胀阀是用脉冲步进电机直接驱动针阀。当控制电路的脉冲电压按照一定的逻辑关系作用到电机定子的各相线圈上时，永久磁铁制成的电机转子受磁力矩作用产生旋转运动，通过螺纹的传递，使针阀上升或下降，调节阀的流量。直动型电动式电子膨胀阀的工作特性见图b。

3.2.2 电动式电子膨胀阀减速型

减速型电动式电子膨胀阀的结构见图a。该膨胀阀内装有减速齿轮组。步进电机通过减速齿轮将其磁力矩传递给针阀。减速齿轮组放大了磁力矩的作用，因而该步进电机易与不同规格的阀体配合，满足不同调节范围的需要。节流阀口径为Ф1.6mm的减速型电动式电子膨胀阀工作特性见图b。