4.3.3.1 热力膨胀阀（1）在线视频

热力膨胀阀 是制冷系统中非常重要

且应用广泛的节流装置

下面 我们将对热力膨胀阀的安装位置

工作原理 感温介质的充注

以及工程应用等问题进行介绍

首先 我们来看看热力膨胀阀

在制冷系统中的安装位置

前面 我们已经介绍了 节流装置的安装位置

它应安装在冷凝器或贮液器 过滤器之后

蒸发器之前 这是针对节流装置的本体而言的

由于 膨胀阀是一种自力式节流装置

它具有节流降压和负反馈调节流量的功能

它不仅有膨胀阀的本体

还有 温度信息传感部分

用于节流降压的膨胀阀本体 即阀体

安装在冷凝器之后 蒸发器之前

而用于过热度传感的感温包

则 设置在蒸发器出口或者是压缩机入口

热力膨胀阀 通常有直通式和直角式

两种结构型式 前者是进出口管

位于近似同一直线上

后者的进出口管呈直角布置

无论是哪种结构型式的热力膨胀阀

其组成部件都相同

它由阀体和感温系统 两部分构成

其阀体 主要由壳体 阀座 阀芯 阀杆

弹簧和调整螺丝 也就是过热度调节杆等组成

有些膨胀阀 还有平衡管

感温系统 由感知温度信息的感温包

传递压力信息的毛细管和将压力信号

传递至阀体的弹性金属膜片组成的封闭腔体

其内部充注有感温介质

感温介质的种类很多

一般采用气液相变制冷剂

在产品制造时 就将感温介质

按膨胀阀的特性要求

进行了定量的充注

并作为标准产品出厂 供用户选用

热力膨胀阀 可以将阀体和感温系统

做成一个整体部件

也可以 将感温机构和阀体做成多个部件

再用螺纹 将之连接成一个整体

热力膨胀阀 依靠感温包内的感温介质

感知蒸发器出口制冷剂的过热温度

并与蒸发温度进行比较

指令阀体中的阀芯 上下移动

负反馈调节进入蒸发器的制冷剂流量

下面 我们来看看热力膨胀阀的工作原理

我们 先回忆一下

为什么需要控制蒸发器出口的过热度呢

首先 是避免压缩机出现湿压缩

制冷系统运行时

必须要通过一定的措施

保证蒸发器出口具有一定的过热度

从而避免湿蒸气进入压缩机

导致压缩机损毁

缩短压缩机的使用寿命

其次 是为了避免过热度过大

如果 蒸发器出口的过热度过大

一方面 将导致蒸发器换热面积内的

显热交换面积增大 相变换热面积减小

导致制冷能力下降

另一方面

过热度过大 会导致压缩机吸气比容的增大

压缩机的实际输气量减小

从而导致能效比降低

第三 调节制冷剂流量 以适应负荷变化需要

当制冷负荷变化时

可以通过调节蒸发器出口的过热度

改变制冷剂的流量 以适应负荷需求

那么 热力膨胀阀是如何实现

蒸发器出口过热度控制的呢

热力膨胀阀的控制目标 是蒸发器出口的过热度

它工作的驱动力 是感温包内感温介质的压力

与代表蒸发压力的信号压力之差

利用该压差大小

控制热力膨胀阀的开度大小

根据其信号压力 即所代表的蒸发压力

的选取位置不同

热力膨胀阀又可分为

内平衡式和外平衡式热力膨胀阀 两种类型

内平衡式热力膨胀阀采用

蒸发器入口压力 代表蒸发压力

而外平衡式呢

则 采用蒸发器的出口压力 代表蒸发压力

接下来 我们以采用与制冷系统相同的制冷剂

作为感温介质的充液式热力膨胀阀为例

对热力膨胀阀的工作原理进行分析

热力膨胀阀的弹性金属膜片 下面简称 膜片

受到三种力的作用

第一种力Pe 即是阀后压力 即是蒸发器入口或蒸发器出口

制冷剂的压力 作用在膜片的下部

使阀门向关闭方向移动

第二个力Ps 即弹簧作用力 也施加于膜片的下方

使阀门向关闭方向移动

其作用力大小 可以通过调整螺丝进行调整

第三个力Pb 是感温包内制冷剂的压力 作用在膜片的上部

使阀门向开启方向移动

其大小 取决于感温包内制冷剂的性质

包括种类和状态

以及感温包检测到的温度

对于任一稳定工况而言

此三种作用力 均会达到平衡

即 Pe＋Ps＝Pb

此时 膜片不动 阀芯位置不动 阀门的开度一定

接下来 我们以R22制冷系统为例

对热力膨胀阀的工作原理 进行进一步解释

我们假设

感温包内定量充注与制冷系统相同的

感温介质 即液态制冷剂R22

同时假设 不考虑感温包与回气管之间的

传热温差和蒸发器内的压力降

这里给出了R22的饱和温度－压力曲线

不同蒸发温度 所对应的蒸发压力Pe

作用在膜片的下部

如果 将弹簧作用力调整为Ps

则相当于在膜片下部受到Ps的弹簧力

如果 以蒸发温度0℃为基准调整好弹簧力Ps

使其过热度为5℃ 此时其蒸发压力为Pe

当 忽略蒸发器的沿程阻力损失

那么 蒸发器出口的饱和压力也为Pe

也就是说 膜片下方受到了两个力的作用

一个压力是 蒸发压力Pe

另一个压力是 弹簧的作用力Ps

当膨胀阀处于平衡状态时

根据力平衡原理可知

膜片上部受到的压力 也应该为Pe+Ps

即 对应图中的黄点

由于 感温包内充注的也是R22制冷剂

故 在其压力Pb=Pe+Ps时的饱和温度应为5℃

另一方面 感温包检测到蒸发器出口温度为5℃

由于蒸发温度为0℃

因此 蒸发器出口的过热度就是5℃

这个5℃ 正好就是作用在

膜片下部弹簧力作用的结果

上面的例子 是按蒸发温度为0℃

过热度为5℃确定的弹簧预紧力

由于 热力膨胀阀的阀芯移动位移很小

可以认为 在膨胀阀的工作区域之内 弹簧力是恒定的

如果 将弹簧的预紧力Ps进行调整

则蒸发器的出口过热度 也将发生变化

我们在R22饱和压力曲线上增加一个Ps

就可以 画出Ps+Pe=Pb的曲线

实际上 热力膨胀阀在任意稳定状态下

其感温包内的压力 或者说膜片上部的压力

就是这条Pb曲线上的点

在上述条件下

如果 制冷系统按照蒸发温度为te

过热度为△t 这个△t=tb-te

对（热力）膨胀阀进行选型的话

那么 当蒸发温度为te时

热力膨胀阀 在运行过程中

将根据实际过热度的大小 存在有三种状态

第一种状态 过热度tb-te正好等于设定值△t

此时 Ps+Pe=Pb 蒸发温度为te

感温包内的温度为tb 恰好满足过热度的要求

此时 热力膨胀阀的弹簧膜片保持力平衡状态

第二 过热度tb-te大于设定值△t

当蒸发器的负荷增大的时候

蒸发器出口的温度tb升高

说明膨胀阀的供液量不足

过热度增大 使得膜片上部的压力Pb增大

使得 Pb>Ps+Pe 于是推动膜片下移

开大膨胀阀 增加制冷剂流量

第三 过热度tb-te小于设定值△t

当蒸发器的负荷过小的时候

过热度将小于设定值 甚至出现回液

由于过热度减小 其感温包检测到的温度就降低

使饱和压力也降低

此时 出现了Ps+Pe>Pb的情况

Ps和Pe将推动膜片上移 关小膨胀阀

膨胀阀的实际工作过程

就是在上述2 1 3三种状态中不断变化

自动调节膨胀阀的开度

使其所服务的制冷系统的蒸发器出口过热度

控制在目标值所允许的回差范围内

下面 我们来学习第三个内容

热力膨胀阀的工作过程

热力膨胀阀 有两种主要类型

即 内平衡式热力膨胀阀和外平衡式热力膨胀阀

首先 我们从内平衡热力膨胀阀的工作过程

进一步分析阐述其工作原理

内平衡型热力膨胀阀

是以膨胀阀出口 也即蒸发器入口的压力 代表蒸发压力

从这幅图 可以看出

膜片下方的腔体与蒸发器的入口相连

其压力 等于蒸发器入口压力

感温包安装在蒸发器出口

其通过毛细管与膜片上方腔体相连

将压力传递到腔体中

当负荷较小的时候 蒸发器出口过热度减小

在蒸发压力pe和弹簧力（ps）的共同作用下

克服膜片上方的感温包内的压力pb 使膜片上移

减小膨胀阀开度 从而减小供液量

当负荷适中的时候

膨胀阀内的金属膜片 位于中间位置

此时 感温包内的压力pb=pe+ps

膨胀阀的开度 处于一个合适的位置

提供一个稳定的制冷剂流量

当负荷较大的时候 蒸发器出口的过热度增大

pb就大于pe+ps 在这个压差的作用下 推动膜片下移

增大膨胀阀开度 提高供液量

我们来看一个具体的例子

图中 给出了一个感温介质为R22的

内平衡式热力膨胀阀在R22制冷系统中的工作状态

该膨胀阀的弹簧力Ps 为0.6bar

蒸发器进口的温度 为5℃

对应饱和压力Pe 为2.7bar

当蒸发器出口的温度为10℃时

此时 感温包内的制冷剂温度也为 10℃

对应的饱和压力 为3.3bar

当热力膨胀阀稳定工作时

其弹簧膜片保持力平衡

膨胀阀的开度 也就成为了一个确定的开度

当制冷剂在蒸发器没有压力损失的时候

其制冷剂的蒸干点 即是干度x=1的点

和出口的制冷剂压力

均与蒸发器进口相同

这些点的压力对应的饱和温度也都相同

这样的话

蒸发器出口温度10℃ 与蒸发器出口压力

对应的饱和温度5℃之差

即 蒸发器出口的过热度是5℃

这个过热度 是蒸发器的真实过热度

我们 再看看膨胀阀

感温包检测到的蒸发器出口温度为10℃

作用在膜片下部的蒸发压力

对应的饱和温度 为5℃

故 膨胀阀检测到的过热度是这两个温度之差

也是5℃

我们把膨胀阀检测到的过热度

看作是膨胀阀的“表观过热度”

故 表观过热度为5℃

可见 蒸发器内部没有流动损失时

膨胀阀的表观过热度和蒸发器的真实过热度相等

但是 制冷剂在蒸发器内部流动的时候

一定存在沿程的压力损失

该压力损失 必将导致制冷剂的相变温度降低

当蒸发器出口附近的2点

制冷剂压力pe 已降低至2.1bar时

其对应饱和温度为0℃

可以认为 蒸发器出口3点的压力也为2.1bar

而 感温包检测到的温度是10℃

则 蒸发器出口的真实过热度为10-0=10℃

但 从内平衡式热力膨胀阀的原理来看

作用在热力膨胀阀膜片下部的蒸发压力为2.7bar

它感受到的蒸发温度是

该压力下对应的饱和温度5℃

因此 膨胀阀看到的表观过热度为5℃

与真实过热度则相差很大

显然 在膨胀阀至蒸发器出口之间的

管道上的阻力很大的时候

采用内平衡式热力膨胀阀 必然会导致

蒸发器的真实过热度远远偏离

膨胀阀的表观过热度

导致 蒸发器面积不能充分利用

那么 如何才能使膨胀阀的表观过热度

能够反映真实过热度呢

也就是说 如何使得膨胀阀的表观过热度

也为10℃呢

这就需要 采用外平衡式热力膨胀阀来解决这个问题