摘要：節能和環保是人類亟待解決的兩大問題。2002年8月26日至9月4日在南非約翰內斯堡舉行了可持續發展世界峰會。在該次會議上國際製冷學會發表了《製冷業對於可持續發展和減緩大氣變化的承諾》，在此文件中闡明製冷業主要的挑戰來自全球氣候變暖。造成製冷業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製冷裝置運行所需能量的生產引起的。
關鍵詞：熱力膨脹閥 電子膨脹閥 原理控制
1. 概述
節能和環保是人類亟待解決的兩大問題。2002年8月26日至9月4日在南非約翰內斯堡舉行了可持續發展世界峰會。在該次會議上國際製冷學會發表了《製冷業對於可持續發展和減緩大氣變化的承諾》，在此文件中闡明製冷業主要的挑戰來自全球氣候變暖。造成製冷業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製冷裝置運行所需能量的生產引起的。製冷、空調和熱泵這些設備所消耗的電能約佔全世界生產電能的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20年製冷業必須樹立雄心去達到目標之一：每個製冷設備耗能減少30~50%。製冷業者為保護環境，應把節能貫穿到製冷設備的使用周期中去。作為製冷循環的四大部件之一，節流裝置在系統中起著非常關鍵的作用，通過選擇應用合適的節流機構與製冷系統匹配是整個製冷設備降低能耗的重要一環。本文將對節流機構的工作原理和運行能量匹配進行分析，重點對電子膨脹閥的工作原理進行分析。
2. 傳統節流機構的工作原理及匹配
節流的工作原理是製冷工質流過閥門時流動截面突然收縮，流體流速加快，壓力下降，壓力下降的大小取決於流動截面收縮的比例。節流機構的作用：
1、 節流降壓。當常溫高壓的製冷劑飽和液體流過節流閥，變成低溫低壓的製冷劑液體併產生少許閃發氣體。進而實現向外界吸熱的目的。
2、 調節流量：節流閥通過感溫包感受蒸發器出口處製冷劑過熱度的變化來控制閥的開度，調節進入蒸發器的製冷劑流量，使其流量與蒸發器的熱負荷相匹配。當蒸發器熱負荷增加時閥開度也增大，製冷劑流量隨之增加，反之，製冷劑流量減少。
3、 控制過熱度：節流機構具有控制蒸發器出口製冷劑過熱度的功能，既保持蒸發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生。
4、 控制蒸發液位：帶液位控制的節流機構具有控制蒸發器液位的功能，既保持蒸發器傳熱面積的充分利用，又防止吸氣帶液降低吸氣過熱度。
若節流機構向蒸發器的供液量與蒸發負荷相比過大，部分液態製冷劑一起進入壓縮機，引起濕壓縮或沖缸事故。相反若供液量與蒸發器負荷相比太少，則蒸發器部分傳熱面積未能充分發揮其效能，甚至會造成蒸發壓力降低，而且使製冷系統的製冷量降低，製冷係數減小，製冷裝置能耗增大。節流機構流量的調節對製冷裝置節能降耗起著非常重要的作用。大型中央空調冷水機組常用的節流機構有手動節流閥、孔板、熱力膨脹閥、浮球+主節流閥。
2.1手動節流閥
手動節流閥是最老式的節流閥，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於它的閥芯為針型或具有V形缺口的錐體，而且閥桿採用細牙螺紋。當旋轉手輪時，可使閥門的開啟度緩慢地增大或減小，以保證良好的調節性能。手動節流閥開啟的大小，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流（膨脹）的作用。這種節流閥現在已被自動節流機構取代。
2.2孔板
孔板節流機構由兩塊孔板組成，採用兩級節流。製冷工質通過第一級孔板時，製冷工質剛好到達飽和液體線，併產生少許閃發氣體;由於閃發氣體佔據一部分空間，其流量也在波動，致使工質進入第二級孔板時流體的流量在一定範圍（約20%）內變動，進而達到自動調節製冷劑循環量的功能，第二級孔板因變動的流量造成不同的壓降變化，與系統高低壓差進行調節，於動態平衡后，穩定發揮製冷工質膨脹功能而完成整個製冷循環。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負荷運行時，孔板向蒸發器的供液量與蒸發負荷相匹配。但機組實際運行經常處於變工況、變負荷運行。在大壓差工況下，蒸發器負荷需求減小（幅度大於20%），孔板最大調節餘量20%，由於壓差增大，孔板實際供液量比蒸發器負荷需要的液量大，吸氣過熱度降低，引起濕壓縮；在小壓差工況下，蒸發器負荷需求增大（幅度大於20%），由於壓差減小，蒸發器實際存液量比蒸發器負荷需要的液量小，吸氣過熱度升高，製冷量降低，製冷係數減小，製冷裝置能耗增大；在由低負荷轉為高負荷情況下（幅度大於20%），蒸發器負荷需求增大，由於製冷劑質量流量增大，短時間內蒸發器實際存液量比蒸發器負荷需要的液量小，吸氣過熱度升高，製冷量降低，製冷係數減小，製冷裝置能耗增大；在由高負荷轉為低負荷情況下（幅度大於20%），蒸發器負荷需求減小，由於製冷劑質量流量減小，短時間內蒸發器實際存液量比蒸發器負荷需要的液量大，吸氣過熱度降低，引起濕壓縮，極端情況即機組滿負荷運行突然停機，蒸發器負荷需求減小75%，由於製冷劑質量流量突然減小75%，短時間蒸發器實際存液量比蒸發器負荷需要的液量大55%，吸氣過熱度急速降低，進而降低排氣過熱度，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範圍可自動調節，但其應付變工況、變負荷能力差，且製冷係數減小，製冷裝置能耗增大，一般不宜採用。
2.3熱力膨脹閥
熱力膨脹閥廣泛應用於中央空調冷水機組。它既可控制蒸發器供液量，又可節流飽和液態製冷劑。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。考慮到製冷劑流經蒸發器產生一定的壓力損失，為降低開啟過熱度，提高蒸發器傳熱面積的利用率，一般自膨脹閥出口至蒸發器出口，製冷劑的壓力降所對應的蒸發溫度降超過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，彈性金屬膜片上部受感溫包內工質的壓力P3作用，下面受蒸發器出口壓力P1與彈簧力P2的作用。膜片在三個力的作用下，向上或向下鼓起,從而使閥孔關下或開大，用以調節蒸發器的供液量。當進入蒸發器的液量小於蒸發器熱負荷的需要時，則蒸發器出口蒸氣的過熱度增大，膜片上方的壓力大於下方的壓力，這樣就迫使膜片向下鼓出，通過頂桿壓縮彈簧，並把閥針頂開，使閥孔開大，則供液量增大。反之當供液量大於蒸發器熱負荷的需要時，則出口處蒸氣的過熱度減小，感溫系統中的壓力降低，膜片上方的作用力小於下方的作用力時，使膜片向上鼓出，彈簧伸長，頂桿上移並使閥孔關小，對蒸發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緊力有關，有效過熱度與彈簧的強度及閥針的行程有關。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，蒸發壓力降低，蒸發器負荷需求的液量減少，但實際情況相反，在吸氣過熱度不變的情況下，由於蒸發壓力降低，蒸發器出口壓力P1相應降低，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，蒸發壓力上升，蒸發器負荷需求的液量增多，但實際情況是在吸氣過熱度不變的情況下，由於蒸發壓力上升，蒸發器出口壓力P1相應提高，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一步改進。熱力膨脹閥原理簡圖如圖一所示：
圖1 熱力膨脹閥原理簡圖
2.4浮球+主節流閥
浮球+主節流閥是用於具有自由液面的蒸發器，如卧式滿液式蒸發器的供液量的自動調節。通過浮球調節閥的調節作用，在蒸發器中可以保持大致恆定的液面。浮球閥有一個鑄鐵的外殼，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器內的液面一致。當蒸發器內的液面降低時，殼體內的液面也隨之降低，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，當主膨脹閥芯下部高壓P1大於Ps時，則推動主閥芯向上移動，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）形成比例關係，調節供液量的大小，當殼體內的液面上升到浮子上限位時，閥針便將孔口關閉，Ps ＞P1，主膨脹閥關閉且停止供液，此時蒸發器液位不再上升，這既可以防止蒸發液位過高引起濕壓縮，又保證蒸發器的供液量與蒸發負荷相匹配。由於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相對於閥芯上部彈簧力偏小，使主閥開度偏小，供液量偏少，導致達到需要的蒸發液位要有一段滯后的時間，系統製冷係數減小，製冷裝置能耗增大，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一步完善。浮球+主節流閥原理簡圖如圖二所示：
圖2 浮球+主節流閥原理簡圖
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由電子膨脹閥、壓力感測器、溫度感測器、控制器組成，工作時，壓力感測器將蒸發器出口壓力P1、溫度感測器將壓縮機吸氣過熱度傳給控制器，控制器將信號處理后，隨後輸出指令作用於電子膨脹主閥的步進電機，將閥開到需要的位置。以保持蒸發器需要的供液量。電子膨脹閥的步進電機是根據蒸發器出口壓力P1變化、壓縮機吸氣過熱度變化實時輸出變化的動力，這個實時輸出變化的動力能及時克服各種工況和各種負荷情況下主膨脹閥變化的彈簧力，使閥的開度滿足蒸發器供液量的需求，進而蒸發器的供液量能實時與蒸發負荷相匹配，即電子膨脹閥可通過控制器人為設定，有效的控制過熱度。另外，電子膨脹閥從全閉到全開狀態其用時僅需幾秒鐘，反應和動作速度快，開閉特性和速度均可人為設定；電子膨脹閥可在10%--100%的範圍內進行精確調節，且調節範圍可根據不同產品的特性進行設定。選用電子膨脹閥——吸氣過熱度控制，機組無論在標準工況下、變工況、滿負荷、變負荷運行維持較高的COP值水平。電子膨脹閥——吸氣過熱度控制製冷系統原理圖如圖三所示：
圖3 電子膨脹閥——吸氣過熱度控制製冷系統原理圖
3.2電子膨脹閥——液位控制
液位控制系統由電子膨脹閥、液位感測器、液位控制器組成。當蒸發器內的液面上下變化時，蒸發器內的液位感測器將液位變動的比例關係用4-20mA信號傳給液位控制器, 液位控制器將信號處理后，隨後輸出指令作用於電子膨脹主閥的步進電機，使其開度增大、減小，以保持製冷劑液位在限定的範圍內。電子膨脹閥的步進電機是根據製冷劑液位變化實時輸出變化的動力，這個實時輸出變化的動力能及時克服各種工況和各種負荷情況下主膨脹閥變化的彈簧力，使閥的開度滿足蒸發器供液量的需求，進而蒸發器的供液量能實時與蒸發負荷相匹配，即電子膨脹閥可通過控制器人為設定，有效的控制蒸發液位。選用電子膨脹閥——液位控制，機組無論在標準工況下、變工況、滿負荷、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熱度低於2℃的製冷裝置，而電子膨脹閥——吸氣過熱度一般應用在吸氣過熱度5℃左右的製冷裝置，因此前者比後者更能有效的利用蒸發麵積，提高蒸發負荷，獲取更高的COP值。電子膨脹閥——液位控制製冷系統原理圖如圖四所示：
圖4 電子膨脹閥——液位控制製冷系統原理圖
4. 結束語
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器的供液量與蒸發負荷相匹配。節能的途徑是及時地控制過熱度（控制液位），實時有效地調節流量。電子膨脹閥在過熱度控制（液位控制）、流量調節均優於傳統的節流機構，而且反應速度更快、調節範圍更廣，節能效果更加顯著，有廣闊的應用前景。
