制冷系统：压力控制部件的选型与应用

压力控制是制冷系统实现安全、高效、节能运行的关键环节。制冷系统的高、低压侧压力直接决定了系统的制冷量和能耗水平 [1] 。压缩机吸气压力过低 , 会导致制冷量不足 ; 排气压力过高 , 又会引发压缩机超温、润滑失效等故障 [2] 。此外 , 若冷凝压力过高或蒸发压力过低 , 还可能超过压缩机壳体的承压极限 , 造成安全事故。

因此 , 有必要在制冷系统中配置压力控制部件 , 实时监测压力变化 , 及时调节 refrigerant 流量 , 必要时切断压缩机电源或泄放系统压力 , 以保障设备安全和维持正常运行 [3] 。压力控制部件种类繁多 , 如压力开关、膨胀阀、安全阀等 , 不同部件在调节机制、控制精度、可靠性等方面各具特色 , 需根据系统类型、工况、能效要求等因素综合选择。

国内外学者针对压力控制部件开展了大量研究。李先庭等 [4] 系统总结了压力开关的分类、性能参数和校验方法 , 提出了基于压力开关的多联机高低压保护策略。张华等 [5] 针对热力膨胀阀的建模和控制开展了试验与仿真研究 , 优化了超 heat 度设定和阀体流量特性曲线。 Liang 等 [6] 提出了一种自适应的电子膨胀阀控制算法 , 结合 neural network 和模糊 PID, 实现了蒸发压力的精确控制。王如竹等 [7] 研究了安全阀的动作特性对泄压过程的影响规律 , 揭示了压力波动、气体脉动等瞬态响应机理。 Zaki 等 [8] 通过仿真分析了膨胀阀故障对压缩机运行的影响 , 提出了基于压力监控的故障诊断方法。      

(1) 防止压缩机在冷凝压力过高或蒸发压力过低时运行 , 以免电机超负荷烧毁 ;      

(2) 防止蒸发器霜冻或结冰 , 避免阻塞换热器 ;      

(3) 保证最小压差 , 防止压缩机抽空和液击 ;      

(4) 辅助控制电磁阀、电加热器等部件的通断。      

根据控制对象和安装位置 , 压力开关可分为高压开关 (PressureStat) 、低压开关 (Low-Pressure Switch) 、油压开关 (Oil PressureSwitch) 等。高压开关装于压缩机排气管上 , 当冷凝压力超过上限值时切断主电路 ; 低压开关装于压缩机吸气管上 , 当蒸发压力低于下限值时切断主电路 ; 油压开关装于压缩机润滑油管上 , 当油压低于设定值时切断主电路 , 保护压缩机不被烧坏 [10] 。      

(1) 额定压力 :

开关能承受的最大工作压力 , 一般应高于系统最高工作压力的 1.1 倍。      

(2) 动作压力 :

开关在压力上升过程中触点动作 ( 闭合或断开 ) 时的压力值。对于高压开关 , 动作压力应略低于安全阀开启压力 ; 对于低压开关 , 动作压力应高于压缩机允许的最低吸气压力。      

(3) 复位压力 :

开关在压力下降过程中触点复位 ( 断开或闭合 ) 时的压力值。复位压力应低于动作压力 , 两者之差称为压差 (Differential) 。      

(4) 动作频率 :

单位时间内开关触点的动作次数。频繁启停会缩短压缩机寿命 , 因此动作频率不宜过高 , 一般不超过 6 次 / 小时。      

(5) 响应时间 :

从压力达到动作值 , 到触点完成动作所需的时间。响应时间越短 , 控制越及时 , 但过短也可能引发抖动。      

选择压力开关时 , 应综合考虑系统压力范围、调节精度、安全性等因素 , 优选合适的性能参数。例如 , 对于冷库、超市等对温度波动敏感的场合 , 宜选用小压差 ( 如 0.05 0.1MPa) 、快响应 ( 如 2 5s) 的压力开关 ; 而对于家用空调、除湿机等 , 则可选用较大压差 ( 如 0.2 0.3MPa) 、慢响应 ( 如 10 20s) 的压力开关。

(1) 开关进口管径不宜小于 1/4 英寸 , 以免阻塞 ; 安装前应彻底清洗管路 , 防止杂质堵塞开关口。      

(2) 安装位置应尽量靠近被控设备 , 减少管路压力损失 ; 同时应便于维修调试 , 并远离振动、高温热源。      

(3) 高压开关宜安装在冷凝器出口至储液器入口间的管路上 , 而不宜直接安装在压缩机排气管上 , 以免油脂污染开关。      

(4) 低压开关宜安装在蒸发器出口至压缩机入口间的管路上 , 必要时应在蒸发器出口设置集液器 , 避免开关受液击。      

(5) 带有压力表接头的开关 , 应将接头朝下 , 以防冷凝液流入开关。      

(6) 开关接线应可靠 , 宜采用金属软管护套 , 并避免与动力电缆混放。      

需要注意的是 , 压力开关作为安全保护装置 , 其自身的可靠性须定期检查。

常见的故障模式包括 : 触点烧蚀、簧片疲劳、隔膜破损、胶木老化失效等 [14] 。 因此 , 应定期校验压力开关的动作值和灵敏度 , 发现偏差及时校准或更换。同时 , 还应关注压力表的示值误差 , 荷包和毛细管的泄漏 , 以及系统运行工况的变化等 , 综合判断压力开关功能是否正常。

图中 , 感温包内装有挥发性液体 , 其蒸汽压力随蒸发器出口温度升高而增大。平衡管将蒸发器出口压力引入阀体上腔 , 与感温包蒸汽压力平衡。当出口过热度增大时 , 感温包压力上升 , 克服弹簧预紧力 , 推动阀针向下开启 , 从而增大制冷剂流量 ; 反之 , 则关小阀口 , 减少流量。调节弹簧的刚度决定了膨胀阀的灵敏度 , 刚度越大 , 调节越稳定 , 但响应越慢 [16] 。

TEV 的选型计算一般分以下步骤 [17]:      

(1) 确定所需制冷量 Qo, 蒸发温度 to 和冷凝温度 tk;      

(2) 查表得到单位制冷量 qv( 在 to 、 tk 条件下 , 每 kg/s 制冷剂的制冷量 );      

(3) 计算 TEV 的额定流量 Gr=Qo/qv;      

(4) 选择合适的阀体尺寸和喷嘴直径 , 使其在标准工况下 (tk=40℃,to=-10℃, 过热度 6K) 的流量等于或略大于 Gr;      

(5) 校核选定阀在实际工况下的流量是否满足要求 , 必要时调整阀体型号。      

例如 , 某冷库的设计制冷量为 30kW, 蒸发温度 -5℃, 冷凝温度 40℃, 制冷剂为 R22 。查表得 qv=158.7kJ/kg, 则 TEV 的额定流量 Gr=30/158.7=0.189kg/s 。考虑到阀门一般只能满负荷工作 , 选用公称通径为 25mm( 即 DN25) 的 TEV, 其标准工况流量为 0.2kg/s, 满足要求。      

TEV 的调节性能主要取决于感温包的充液量和材料、平衡管直径等因素。充液量过多 , 会使感温包过于 " 硬 ", 调节迟缓 ; 充液量过少 , 又会使调节过于频繁 , 易产生振荡。因此 , 充液量一般取蒸发器满负荷时感温包容积的 40%~85%[18] 。平衡管直径则决定了压力传递的时滞 , 直径越大 , 调节越灵敏 , 但过大也会引起不稳定。 Choi 等 [19] 的试验表明 ,TEV 的最佳平衡管内径约为 1.2mm 。

   

   

PREV 的选型计算与 TEV 类似 , 主要区别在于确定稳定蒸发压力和流量系数。例如 , 某制冰机的设计制冷量为 3kW, 蒸发温度 -15℃, 冷凝温度 40℃, 制冷剂为 R22 。为使蒸发压力稳定在 0.36MPa( 对应饱和温度 -15℃), 选用 DN15 的 PREV, 其流量系数 Kv=1.6m3/h 。考虑到 PREV 出口压力恒定 , 而入口压力变化不大 , 可近似认为阀门始终满负荷运行 , 则其流量 Gp=Kv(ρ1-ρ2)0.5=0.034kg/s, 略大于所需流量 0.03kg/s, 满足要求。      

在实际运行中 ,PREV 的稳定压力会随系统工况的变化而波动。为了提高调节精度 , 可在 PREV 进口增加截止阀 , 或在出口增加背压调节阀 , 人为提高阀前压差 , 减小蒸发压力波动的影响 [23] 。有学者还提出了串联多个 PREV 的级联控制方案 , 通过协调各级阀门的开度 , 实现了较宽范围内的精确调压 [24] 。

EEV 的结构形式多样 , 按驱动方式可分为步进电机式、直流电机式、电磁脉冲式等 ; 按阀芯结构可分为球阀、针阀、滑阀等。图 3 为某针型 EEV 的结构示意图 [27] 。图中 , 步进电机每转动一步 , 带动阀针升降一定行程 , 从而改变阀口截面积。阀针的位置可通过电机的脉冲数直接控制 , 实现流量的连续调节。

EEV 的控制方法主要有 PID 控制、模糊控制、神经网络控制等。其中 ,PID 控制简单实用 , 在 EEV 控制领域应用最为广泛。若以蒸发压力 Pe 和过热度 ΔTsh 为控制目标 ,EEV 的 PID 控制律可表示为 [28]:      

A(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+KiTs∑e(j)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]/Ts      

式中 ,A 为阀口开度 ;e 为 Pe 或 ΔTsh 的偏差 ;k 为采样时刻 ;Kp 、 Ki 、 Kd 分别为比例、积分、微分系数 ;Ts 为采样周期。

由于 EEV 的流量系数随开度呈非线性变化 , 上述 PID 控制的参数整定较为困难。因此 , 有学者提出了自适应 PID 控制 [29] 、模糊 PID 控制 [30] 等改进算法 , 可根据 EEV 的动态特性 , 自动调整控制参数 , 提高系统的鲁棒性。此外 ,Bang 等 [31] 还开发了一种自学习控制算法 , 通过神经网络辨识 EEV 的输入输出关系 , 预测其动态响应 , 并用遗传算法优化控制律 , 使 ΔTsh 的均方差降低了 50% 以上。      

弹簧式安全阀是制冷系统中最常用的一种安全阀 , 其结构如图 4 所示。图中 , 阀瓣受弹簧压力作用而常闭。当进口压力超过弹簧压力时 , 阀瓣被顶开 , 排放制冷剂 ; 压力降至复位值以下时 , 在弹簧力作用下阀瓣复位关闭。调节螺母可用于调整弹簧预紧力 , 改变开启压力值。为防止阀瓣开启过程中产生颤振 , 阀座上常设缓冲装置 , 使阀瓣缓慢升起 [34] 。

安全阀从投用到报废 , 都必须定期进行校验和检修 , 以保证其安全可靠。常见的校验项目包括 : 外观检查、阀瓣密封性检查、开启压力测定、回座压力测定、排量测定等 [35] 。校验周期一般不超过一年。若安全阀在使用中曾动作过 , 或发现泄漏、阀芯卡涩等异常情况 , 则应缩短校验周期。      

值得注意的是 , 安全阀的排放管路应直通室外 , 不得设置任何阻塞装置 , 并应避免液体积聚和倒灌。排放口附近应设置警示标识 , 必要时应设置排气消声装置 [36] 。

2、泄压阀
泄压阀也称卸荷阀 , 常设置在压缩机吸气管路上 , 用于在系统停机或维修时 , 将系统中的高压制冷剂导入低压侧 , 平衡压缩机前后压力 , 以便重新启动。泄压阀的常见形式有电磁阀和电动球阀等 [37] 。    

   

   

泄压阀的选型需考虑系统容积、运行压力、泄压时间等因素。一般而言 , 泄压阀的公称通径应满足在规定时间内 ( 如 5min) 将系统压差降至允许值 ( 如 0.3MPa) 以下的排量要求。电磁泄压阀的线圈功率应匹配供电电压和电流 , 并应具有过热保护功能 [39] 。      

使用中应定期检查泄压阀的动作可靠性 , 如线圈绝缘电阻、阀芯启闭性能等。发现密封不严、动作失灵等故障 , 应及时更换。此外 , 还应关注系统运行工况的变化 , 必要时重新核算泄压阀的排量 , 以免影响泄压效果。

止回阀的结构主要由阀体、阀瓣、弹簧等组成。阀瓣常态下受弹簧力作用而关闭。当进口压力大于出口压力时 , 流体推动阀瓣克服弹簧力而开启 , 实现单向流动 ; 反之 , 阀瓣在弹簧力和逆向压差作用下关闭 , 防止逆流 [40] 。止回阀常安装在压缩机排气管上 , 防止高压气体回流。

止逆阀则利用重力作用防止逆流 , 阀芯上连接有铜球 , 铜球密度大于制冷剂液体。当制冷剂顺向流动时 , 液体冲力克服铜球重力 , 推开阀芯 , 实现单向流动 ; 反之 , 铜球在重力作用下将阀口堵住 , 防止逆流 [41] 。止逆阀常安装在蒸发器出口或贮液器入口 , 防止液体回流。

与安全阀等相比 , 单向阀结构简单 , 故障率相对较低 , 但仍应定期检查其动作灵活性和密封性。止回阀和止逆阀的弹簧刚度和铜球质量应与系统工况相匹配 , 过大会增加启动难度 , 过小则难以可靠关闭。      

 版权声明：本文由HETA小编整理，内容来源制冷百科