4.3.1 节流装置的安装位置与功能在线视频

大家好

欢迎你来到《建筑冷热源》课程

我是清华大学建筑技术科学系的石文星

今天 我们进入第4讲的第3部分

节流装置的学习

节流装置 是制冷系统四大件之一

是制冷系统中体积最小

成本最低 但又特别重要的部件

这部分 我们将讲授两个内容

第一个内容是 节流装置的安装位置和功能

第二部分是 制冷系统中常用节流装置的类型

结构和工作原理

特别是 热力膨胀阀和电子膨胀阀

希望同学们在学习中

重点掌握 以下两方面的知识

第一 熟悉热力膨胀阀的工作原理

外平衡和内平衡热力膨胀阀的区别

以及应用场合

第二个内容 熟悉电子膨胀阀的工作原理

以及它的应用优势

首先 我们来学习

节流装置的安装位置和功能

我们知道

制冷装置 是由制冷剂管路

将压缩机 冷凝器 节流装置和蒸发器

四大件 顺序连接构成的封闭系统

制冷剂在该封闭回路中循环流动

实现制冷和制热功能

这里给出了一个

制冷装置的最基本的原理图

可以看出 节流装置安装在

冷凝器和蒸发器之间

压缩机 是一种增压的装置

它将蒸发器流出的低温

低压的气态制冷剂增压

使其压力高于环境温度对应的饱和压力

这样 才能将高压气态制冷剂在冷凝时

放出的热量排放到室外空气

或冷却水等环境介质中去

这个高压 就是制冷系统的冷凝压力

其相变温度呢 就是冷凝温度

为了制取冷量

则必须提供一个稳定的

比被冷却介质温度更低的制冷剂

才能使液态制冷剂蒸发时

源源不断地 从低温介质中吸取热量

制冷剂蒸发吸热的过程的温度

就是蒸发温度

所对应的饱和压力 就是蒸发压力

因此 在制冷系统中

必须设置一个减压的装置

这个减压装置 就是节流装置

可见 节流装置的第一个功能

就是节流 降压

从制冷循环的压焓图 可以看出

当冷凝器冷凝下来的高压饱和

或者是再冷液体 3点

经过节流装置后

进入低压的两相区 4点

使其低压液体的饱和温度

低于被冷却介质的温度

从而使蒸发器能够持续不断地

从被冷却介质中吸热

实现制冷效应

这就是 节流装置的节流降压功能

由于 制冷剂降压后的

比容远大于高压液体

因此 节流装置 也称为膨胀装置

可见 压缩机和节流装置

将制冷系统的压力

分隔成高压区和低压区

压缩机排气腔到冷凝器

再到节流装置入口之间

的区域 叫高压区

而节流装置出口

蒸发器到压缩机吸气腔之间

就为低压区

为了使压缩机能够可靠运行

则必须吸入低压饱和蒸气

或者是 具有一定过热度的低压蒸气 1点

这就需要调节

进入蒸发器的制冷剂的流量

这个任务 也需要由节流装置来完成

因此 节流装置的第二个功能就是

调节进入蒸发器中的制冷剂的流量

那么 节流装置为什么能节流降压呢

我们在流体力学中学过

流体流过一个管段的时候

由于 存在沿程和局部阻力

故 出口压力就低于进口压力

节流装置 就是一个突缩的孔口

制冷剂流过这个突缩孔口后

又迅速进入了突扩的空间

其局部阻力很大

使得制冷剂实现了减压

这点 可以从稳定流动能量方程中看出

我们在节流装置的进 出口

各取一个控制面1和2

如果 节流装置进口的制冷剂的流速

为c1 压力为p1

安装位置高度为Z1

其出口流速 压力和位置高度分别为c2 p2和Z2

那么 其稳定流动的方程 就是屏幕上所示

由于 其进 出口流速为相同数量级

且其安装高度相差很小

故 可以认为c1≈c2 Z1≈Z2

其局部阻力 当然也包含流动阻力

Hf远大于0

因此 其出口的压力p2小于进口压力p1

可见 节流装置内存在较大的局部阻力

是其节流降压的根本原因

我们再看看制冷剂

节流前 后的比焓变化

我们给出另一种形式的伯努利方程

由于 制冷剂在节流过程中绝热

且无轴功输出

加之 节流前后的动能

位置势能变化不大

故可以认为 节流前后的比焓相当

即 h1=h2

由于 制冷剂经过突缩孔口的过程中

速度变化非常显著

故 不能认为其节流过程是一个等焓的过程

仅仅是节流前 后的比焓相等

正因为这个过程

是一个典型的不可逆过程

因此 我们在制冷循环的压焓图上

不宜将过程线画为实线

而用一条垂直的虚线来表示

下面 我们总结一下节流过程的特点

高压液态制冷剂

经过节流装置后 压力降低

节流过程 不是一个等焓过程

而是一个节流前后比焓相等的过程

我们再看看 节流装置的流量特性

这里给出了流过节流孔口

的质量流量的公式

从而可以看出

节流装置的质量流量与

节流孔口的面积（Av）流量系数（CD）

和进 出口压差（pvi-pvo）的平方根成正比

与其进口比容（vvi）的平方根成反比

这里 我们给出了采用锥形阀芯

的热力膨胀阀的流量系数（CD）

和阀芯位于任意位置（h）的

环形孔口面积的计算公式

可见 膨胀阀阀芯位置不同

流过其孔口的质量流量也不同

因此 在节流装置的实际应用中

可根据需求制冷剂流量

来调节阀芯的位置

以适应蒸发器的供液需求

这个公式告诉我们 如下两个定性结论

第一 从系统特性上讲

当节流装置前后压差

入口比容发生变化时

将导致流过节流装置的

质量流量发生变化

例如 对于风冷式制冷系统而言

当室外温度很低时

其冷凝压力也很低

将导致节流装置前后的压差变小

即使在节流装置的孔口面积达到最大时

也不能满足蒸发器的供液量需求

必将导致蒸发器的面积 不能充分发挥

制冷量和能效比降低

故 在全年制冷的系统中

我们需采取措施 提高冬季运行时的冷凝压力

以提高制冷性能

再如 当冷凝器出口高压液态制冷剂

的再冷度过小时 由于沿程阻力大

沿途吸热 或者需要克服重力损失等原因

将导致制冷剂闪发出现气体

使得节流前的制冷剂比容 明显增大

从而导致节流装置的调节能力减小

也不能满足蒸发器的供液需求

第二 从系统控制上讲 我们可以利用

调节膨胀阀的孔口面积 调节前后的压差

以及入口的比容 来调节膨胀阀的通过流量

以防止蒸发器供液量太大

蒸发不完全 而出现压缩机回液的问题

同时 也防止蒸发器的过热度过大

而使蒸发器的面积 不能得到充分利用

降低了制冷系统的能效比

下面 我们再阐述一个重要的问题

我们在制冷原理部分说过

降低冷凝压力 提高蒸发压力

有利于提高制冷系统的能效比

因此 我们在系统设计与控制时

要充分遵循这一原则

然而 节流装置的流量特性 又告诉我们

当膨胀阀前后的压差减小的时候

会导致制冷剂流量减小

反而可能会降低制冷系统的能效比

因此 节流装置和压缩机的质量流量

与压差呈相反的关系

那么 对于一台确定的制冷系统而言

当实际运行时 因某种因素发生变化后

冷凝压力和蒸发压力 将如何变化呢

制冷系统运行稳定后

系统中各部位的压力和温度是确定的

当某种扰动作用于系统时

将引起系统的状态发生变化

但 经过一段时间后

系统将重新达到新的稳定状态

此时 流经压缩机的制冷剂质量流量

一定等于 流经节流装置的流量

由此决定了 该稳定状态下

重新建立的冷凝压力和蒸发压力

这就是 制冷系统的自平衡特性

在实际运行中

由于（制冷）系统总会受到

各种各样的扰动和调节作用

每个作用发生后

系统都将从原来的平衡状态

逐渐趋向于新的平衡状态

因此 系统的自平衡特性

是我们认识制冷系统

运行特性的基础和出发点