技术：热力膨胀阀开度调节

长期以来 , 国内外学者围绕热力膨胀阀的结构设计 [1] 、流量特性 [2] 、动态模型 [3] 等开展了大量研究 , 优化了阀芯型线、平衡腔结构、弹簧刚度、感温元件等设计参数 , 改善了热力膨胀阀的调节品质和动态性能。但在工程应用中 , 受到设计选型、安装使用、腐蚀磨损等因素的影响 , 热力膨胀阀的实际工作状态往往偏离最佳条件 , 出现供液过剩或过热度大等现象 , 降低了系统效率 , 甚至引发压缩机液击、蒸发器结霜等故障。因此 , 有必要在充分认识热力膨胀阀作用的基础上 , 掌握其开度调节的基本方法 , 针对实际工况进行适当调整 , 充分发挥其在节能增效中的重要作用。

1、热力膨胀阀的系统作用      
在蒸气压缩式制冷系统中 , 热力膨胀阀主要发挥节流、调节、计量三个作用 [4]:  

(1) 节流作用 : 热力膨胀阀通过局部缩小流道截面积 , 使高压冷凝液在阀口处膨胀为低压汽液两相态 , 实现压力和温度的降低 , 为蒸发器提供所需的低温低压制冷剂。  

(2) 调节作用 : 热力膨胀阀可根据蒸发器出口过热度的变化 , 自动调节阀口开度大小 , 改变通过截面积 , 从而调节进入蒸发器的制冷剂流量 , 维持蒸发器出口过热度在允许范围内。  

(3) 计量作用 : 热力膨胀阀在稳定工况下 , 其开度基本恒定 , 起到定量计量的作用。阀前后的压差越大 , 通过能力越强 , 可在一定程度上匹配系统负荷的变化。

2、热力膨胀阀的工作原理      
热力膨胀阀的工作原理是利用蒸发器出口处制冷剂过热度的变化 , 推动阀芯开关 , 自动调节通过流量 , 实现过热度的反馈控制 [5] 。其主要由阀体、阀芯、感温包、平衡管、调节弹簧、固定孔板等组成。  

在热力平衡状态下 , 感温包与蒸发器出口连接 , 吸收过热蒸气的热量后内部充液的饱和蒸气压力升高 , 通过毛细管将压力信号传递至阀芯上腔 , 推动隔膜压缩弹簧 , 提升阀芯 , 增大阀口开度 , 允许更多冷凝液进入蒸发器 ;

随着蒸发器负荷的增加 , 出口蒸汽的过热度下降 , 感温包吸收的热量减少 , 内部蒸气压力下降 , 在弹簧拉力和蒸发压力的共同作用下 , 阀芯下行 , 减小开度 , 减少液体供应 , 保证蒸发完全 ; 系统在不断的寻求平衡中稳定在设定的过热度值。调节弹簧的刚度系数不同 , 对应不同的过热度调节范围。

1、蒸发压力的影响      
热力膨胀阀的阀后连接蒸发器 , 因此蒸发压力的高低直接影响热力膨胀阀两端的压差 , 进而影响其流量调节能力 [6] 。在其他条件不变时 , 蒸发压力越高 , 饱和温度越高 , 过热度越小 , 感温包压力和阀芯开度越小 ; 反之 , 蒸发压力越低 , 过热度越大 , 感温包压力和阀芯开度越大。但蒸发压力过低时 , 会使压差过大 , 阀芯全开 , 丧失调节能力。  

因此 , 应根据所用制冷剂的蒸发温度 , 结合冷库温度要求 , 合理设定蒸发压力。 R22 的蒸发温度一般控制在 -10℃, 对应蒸发压力 0.36MPa;R134a 蒸发温度一般控制在 -5℃, 对应蒸发压力 0.20MPa[7] 。

2、蒸发温度的影响      
蒸发温度与蒸发压力密切相关 , 但对过热度的影响更为直接。蒸发温度越低 , 过热度越大 , 感温包压力和阀芯开度越大 ; 反之 , 蒸发温度越高 , 过热度越小 , 感温包压力和阀芯开度越小 [8] 。  

当蒸发温度过低时 , 过热度过大会使回气温度升高 , 增加压缩功 , 降低压缩机寿命 ; 蒸发温度过高时 , 过热度又易过小 , 一旦小于晶点温差 , 就会使压缩机吸入液滴 , 引起液击。因此 , 应合理调节热力膨胀阀 , 使蒸发温度维持在设计允许范围内 , 一般蒸发温度比库温低 6~10℃ 为宜。  

3、过热度的影响     
过热度是衡量热力膨胀阀调节效果的直接指 标 , 其大小由感温包温度与蒸发温度的差值决定。感温包温度高于蒸发温度越多 , 过热度越大 , 感温包内饱和蒸气压力越大 , 顶开阀芯的推力越强 , 开度越大 ; 反之 , 感温包温度与蒸发温度的差值越小 , 过热度越小 , 感温包推力越弱 , 开度越小 [9] 。  

过热度的选择需兼顾系统安全和能效。 过热度过大 , 虽然有利于防止液体压缩 , 但会增加压缩功 , 而且使膨胀阀全开 , 调节失灵 ; 过热度过小 , 虽然利于提高蒸发温度和制冷量 , 但极易发生液击。一般情况下 , 中小型制冷系统的过热度以 6℃ 为宜 , 大型系统可适当调低至 2℃ 。  

 

1、开度调节的必要性      
在实际运行中 , 由于负荷波动、设备老化、管路堵塞、工质泄漏等原因 , 热力膨胀阀的初始设定往往难以满足实时工况 , 需要进行人为调节 [10] 。开度调节的主要目的有 :  

(1) 调节过热度 : 通过调节开度大小 , 控制进入蒸发器的液体流量 , 使蒸发完全 , 维持适当过热度 , 避免液击和气态压缩。  

(2) 匹配负荷变化 : 随着冷库温度、制冷量的变化 , 通过调节开度匹配负荷需求 , 既不过剩 , 也不不足。  

(3) 节省压缩功 : 通过适当减小开度 , 提高蒸发温度和蒸发压力 , 在满足制冷需求的同时 , 降低压缩比 , 节省压缩功。  

(4) 保证运行可靠 : 当系统发生故障时 , 可通过紧急关小或打开膨胀阀 , 避免压缩机的液击或高温故障。  

因此 , 掌握热力膨胀阀开度调节方法 , 对于优化系统性能、节省运行能耗、保障设备安全都具有重要意义。  

2、开度调节的可行性条件      
热力膨胀阀能够实现开度调节 , 需要满足以下基本条件 [11]:  

(1) 膨胀阀前的冷凝液必须充分过冷 , 一般要求过冷度大于 5℃, 以保证调节过程中阀前压力恒定 , 流量系数不变。  

(2) 感温包必须牢固可靠地安装在蒸发器出口 处 , 并与管壁紧密接触 , 使其温度能及时准确地反映蒸发完成状态。  

(3) 膨胀阀的感温范围和调节范围必须与系统设计工况相匹配 , 感温包内工质的饱和蒸气压力曲线应与制冷剂一致。  

(4) 膨胀阀的流量系数必须与系统的设计流量相匹配 , 既要保证在最大负荷时能全开满足 , 又要保证在最小负荷时不至于失去调节。  

(5) 系统必须配备完备的压力、温度测量仪 表 , 如膨胀阀进出口压力表、蒸发压力表、蒸发温度计、过热度计等 , 为开度调节提供依据。  

 

1、开度调节原则     
由于膨胀阀对制冷系统的安全稳定运行至关重要 , 因此其开度调节必须遵循以下基本原则 [12]:  

(1) 安全原则 : 开度调节不得损坏膨胀阀及其他设备 , 调节过程中应密切监视各项参数 , 发现异常应立即停止并分析原因。  

(2) 准确原则 : 调节应基于可靠的测量数据 , 读数和计算要准确无误 , 调节精度应满足实际控制要求。  

(3) 稳定原则 : 调节过程应平稳进行 , 每次调节幅度不宜过大 , 调节后应等待系统稳定再进行下一步调节 , 避免参数波动。  

(4) 高效原则 : 调节应在尽可能短的时间内完成 , 减少对系统的干扰 , 提高调节效率。  

2、开度调节流程      
热力膨胀阀开度调节一般需要经过信息采集、开度调整、效果评价、参数优化等环节 , 其典型流程如下 [13]:  

(1) 信息采集 : 待系统运行稳定后 , 测量并记录调节前的各项参数 , 包括冷凝压力和温度、蒸发压力和温度、过热度、库温等。  

(2) 开度调整 : 根据采集的数据和调节目的 , 按照一定的经验公式或理论模型 , 计算出调节量 , 用扳手缓慢地将调节螺杆旋紧或放松至计算位置。  

(3) 效果评价 : 调节完成后 , 连续监测系统运行参数 , 待其稳定后 , 判断调节效果是否达到预期目标 , 必要时进行二次调节。  

(4) 参数优化 : 在满足调节目标的基础上 , 通过对比调节前后的能耗指标 , 优选出最佳的开度参数 , 为下一次调节提供参考。  

 

1、调节过热度的计算与操作      
调节过热度是最常见的开度调节 , 其目的是使膨胀阀的过热度设定与蒸发器的实际过热度相匹配。其计算公式为 [14]:  

TSH = TR - TE  

式中 ,TSH 为过热度 ,℃;TR 为感温包温度 ,℃;TE 为蒸发温度 ,℃ 。  

调节时 , 先测量出口管壁温度 TR 和蒸发压力 PE, 查表得到对应的蒸发温度 TE, 代入公式计算出 TSH; 然后将 TSH 与膨胀阀铭牌标称的过热度设定值 TN 比较 : 若 TSH > TN, 则逆时针旋松调节螺杆 , 减小弹簧张力 , 减小开度 , 直至 TSH = TN; 若 TSH < TN, 则顺时针旋紧调节螺杆 , 增大弹簧张力 , 增大开度 , 直至 TSH = TN 。一般每次调节 1/4~1/2 圈 , 调节后应至少等待 15min 再进行下一次调节。  

2、匹配负荷的计算与操作      
为适应负荷的变化 , 有时需调节膨胀阀流量 , 使其与负荷需求相匹配。其计算公式为 [15]:  

Q = KA·A·(ΔP/ρ)0.5  

式中 ,Q 为体积流量 ,m3/s;KA 为流量系数 ;A 为阀口面积 ,m2;ΔP 为阀前后压差 ,Pa;ρ 为冷凝液密度 ,kg/m3 。  

调节时 , 根据冷库温度和制冷量的设计值 , 查图得到所需的制冷剂体积流量 Q; 然后测量阀前压力 P1 、阀后压力 P2, 查表得到对应的冷凝液密度 ρ, 代入公式求出阀口面积 A; 再根据阀芯的位移特性曲线 , 换算出相应的调节螺杆位置 , 用扳手拧紧或放松调节螺杆 , 直至与计算位置一致。调节过程中 , 应随时监测库温、蒸发温度等参数 , 评估负荷匹配效果。  

3、节省能耗的计算与操作     
在满足制冷量的前提下 , 适当调小膨胀阀开度 , 提高蒸发温度 , 可在一定程度上降低压缩比 , 节省压缩功。其计算公式为 [16]:  

W = mΔh = mcp(Td - Ts)  

式中 ,W 为压缩功 ,J/s;m 为制冷剂质量流量 ,kg/s;Δh 为压缩机进出口焓差 ,J/kg;cp 为定压比热容 ,J/(kg·℃);Td 为排气温度 ,℃;Ts 为吸气温度 ,℃ 。  

调节时 , 在保证 TSH≥TN 的前提下 , 逐步将调节螺杆往紧的方向旋转 1/8~1/4 圈 , 减小开度 ; 每调节一次 , 就测量记录蒸发温度 TE 、吸气温度 Ts 、排气温度 Td, 代入公式计算功率 ; 同时监测冷库温度、货物温度 , 评估制冷效果 ; 若制冷量不足 , 则停止调节 , 回到上一步 ; 若制冷量仍有富余 , 则继续调节 , 直至功率最小 ; 最后将最佳开度位置固定 , 作为节能运行的依据。  

4、保证可靠的操作与维护     
为保证热力膨胀阀安全可靠运行 , 除了正确调节开度外 , 还应做好以下操作与维护 [17]:  

(1) 安装前 , 应检查阀体有无砂眼、裂纹等缺陷 , 感温包有无变形、泄漏 , 确保产品质量 ;  

(2) 安装时 , 阀体应保持垂直 , 进出口方向应与制冷剂流向一致 ; 感温包应紧贴蒸发器出口弯头 , 并缠绕保温棉 ;  

(3) 运行中 , 应定期检查各连接处有无渗漏 , 感温包有无脱落、毁坏 , 阀芯有无卡涩 ;  

(4) 每年应拆检一次 , 检查阀芯、弹簧等零件有无磨损、腐蚀 , 必要时及时更换 ;  

(5) 长期停机 时 , 应将调节螺杆放松到最大位置 , 减小弹簧压力 , 避免疲劳失效。

1、冷库膨胀阀节能调节案例     
某冷库采用 R22 活塞式压缩机 , 蒸发温度 -5℃, 冷凝温度 40℃, 配套 TIE 型热力膨胀阀 , 标称过热度 6℃, 安装使用多年 , 能耗较高。  

针对该冷库 , 笔者首先测量了调节前的各项参数 :TR=0℃,PE=0.36MPa, 对应 TE=-4℃, 计算得 TSH=4℃, 小于标称值 6℃, 说明过热度偏小 ;Ts=-2℃,Td=75℃, 计算得压缩功率约为 5.6kW 。然后逐步将调节螺杆顺时针旋紧 , 每次 1/4 圈 , 调节三次后 ,TSH 升至 6℃,Ts 升至 2℃,Td 降至 70℃, 压缩功率降至 4.7kW, 节能 16%, 库温维持在 -18℃, 制冷量满足要求。  

2、空调膨胀阀匹配负荷调节案例    
某办公楼采用多联机空调系统 , 室外机额定制冷量 25kW, 配套 ETS 型电子膨胀阀 , 标称流量系数 0.45, 室内机设计载荷率 70%, 结果夏季频繁达到满负荷。  

笔者利用楼宇自控系统的数据监测功能 , 获取了调节前的运行数据 :P1=1.52MPa,P2=0.47MPa, 对应 ρ=1062kg/m3; 室内机实际载荷率 90%, 需求制冷量为 22.5kW, 对应 Q=0.0204m3/s 。代入公式计算得阀口全开面积为 12.6mm2, 而该阀口的额定全开面积为 12mm2, 说明阀门尺寸偏小 , 满足不了高负荷需求。为此 , 笔者建议更换 KA=0.50 的大一号阀门 , 并通过监控系统远程调节阀门开度 , 使其在 0.8~1 之间波动 , 既满足了高负荷 , 又避免了低负荷时过冷不足。  

3、冷水机组过热度自动调节案例    
某食品厂采用螺杆式冷水机组 , 制冷量 200kW, 蒸发温度 5℃, 配套 EEV-2 型电子膨胀阀 , 标称过热度 4℃, 但在连续生产时 , 蒸发器偶尔会结霜 , 影响制冷效果。  

针对该问题 , 笔者分析认为 , 在连续负荷下 , 蒸发器表面温度过低 , 过热度设定偏小 , 导致结霜。为此 , 建议增加一套过热度自动调节装置。该装置由温度传感器、控制器、驱动器、电子膨胀阀等组成 , 其中温度传感器安装在蒸发器进出口 , 实时采集 TR 和 TE; 控制器根据 TSH=TR-TE, 并结合 TSH 与 TN 的偏差 , 通过 PID 调节律 , 输出控制信号 ; 驱动器根据控制信号 , 驱动电子膨胀阀开度调节。调节规律为 : 当 TSH 时 , 开度减小 , 反之开度增大 ; 调节周期为 1min, 调节精度为 0.5℃ 。装置投用后 , 可实现过热度的精确控制 ,TSH 稳定在 4±0.2℃, 再未发生蒸发器结霜现象。