節(jié)流機(jī)構(gòu)在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

1、第25卷第4期2007年8月低溫與特氣LowTemperatureandSpecialtyGasesVol 25,No 4Aug ,2007節(jié)流機(jī)構(gòu)在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用分析李 昂(大連冷凍機(jī)股份有限公司,遼寧大連 116033)摘要:介紹了各種節(jié)流機(jī)構(gòu)的工作原理,對各自運行的能量匹配進(jìn)行了分析,并指出節(jié)流機(jī)構(gòu)在應(yīng)用中需要注意的問題,最后重點闡述電子膨脹閥的控制原理及節(jié)能方面的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞:節(jié)流機(jī)構(gòu);熱力膨脹閥;電子膨脹閥中圖分類號:TB657 9文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:1007-7804(2007)04-0026-04AnalysisonTheUsingofTheThrottleSetupinT

2、heRefrigerationSystemLIAng(DalianRefrigerationCo.,Ltd,Dalian116033,China)Abstract:Introducetheprincipleofallkindsthrottlesetupandputupanalysisonenergymatchingofdiversifiedthrottleswhentheyrun.Duringtheapplicationofthrottlesetup,indicatesomeproblemstoneednotice.Finallyemphasizecontro-lprincipleofelec

3、tronexpandvalveandadvantageofthesavingenergy.KeyWords:throttlesetup;heatexpandvalve;electronexpandvalve1 概 述節(jié)能和環(huán)保是當(dāng)今世界的兩大主要問題。2002年8月26日至9月4日在南非約翰內(nèi)斯堡舉行了可持續(xù)發(fā)展世界峰會。在該次會議上國際制冷學(xué)會發(fā)表了制冷業(yè)對于可持續(xù)發(fā)展和減緩大氣變化的承諾,在此文件中闡明制冷業(yè)主要的挑戰(zhàn)來自全球氣候變暖。造成制冷業(yè)影響全球氣候變暖的80%的原因是二氧化碳的排放。這些間接的排放部分是由制冷裝置運行所需能量的生產(chǎn)引起的。制冷、空調(diào)和熱泵這些設(shè)備所消耗的電能約占全

4、世界生產(chǎn)電能的15%,這表明間接排放的影響是非常嚴(yán)重的。此文件還提出在下一個20年制冷業(yè)必須樹立雄心去達(dá)到目標(biāo)之一:每個制冷設(shè)備耗能減少30%50%。制冷業(yè)者為保護(hù)環(huán)境,應(yīng)把節(jié)能貫穿到制冷設(shè)備的使用周期中去。作為制冷循環(huán)的四大部件之一,節(jié)流裝置在系統(tǒng)中起著非常關(guān)鍵的作用,通過選擇應(yīng)用合適的節(jié)流機(jī)構(gòu)與制冷系統(tǒng)匹配是整個制冷設(shè)備降低能耗的重要一環(huán)。本文將對節(jié)流機(jī)構(gòu)的工作原理和運行能量匹配進(jìn)行分析,重點對電子膨脹閥的工作原理進(jìn)行分析。2 節(jié)流機(jī)構(gòu)的工作原理及匹配節(jié)流的工作原理是制冷工質(zhì)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于流動截面收縮的比例。節(jié)流機(jī)構(gòu)的作用如下:1

5、節(jié)流降壓。當(dāng)常溫高壓的制冷劑飽和液體流過節(jié)流閥,變成低溫低壓的制冷劑液體并產(chǎn)生少許閃發(fā)氣體,進(jìn)而實現(xiàn)向外界吸熱的目的。2 調(diào)節(jié)流量。節(jié)流閥通過感溫包感受蒸發(fā)器出口處制冷劑過熱度的變化來控制閥的開度,調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量,使其流量與蒸發(fā)器的熱負(fù)荷相匹配。當(dāng)蒸發(fā)器熱負(fù)荷增加時閥開度也增大,制冷劑流量隨之增加,反之,制冷劑流量減少。3 控制過熱度。節(jié)流機(jī)構(gòu)具有控制蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度的功能,既保持蒸發(fā)器傳熱面積的充分利用,又防止吸氣帶液損壞壓縮機(jī)的事故發(fā)生。:-18第4期 李 昂:節(jié)流機(jī)構(gòu)在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用分析 27 4 控制蒸發(fā)液位。帶液位控制的節(jié)流機(jī)構(gòu)具有控制蒸發(fā)器液位的功能,既保持蒸發(fā)

6、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(jié)流機(jī)構(gòu)向蒸發(fā)器的供液量與蒸發(fā)負(fù)荷相比過大,部分液態(tài)制冷劑一起進(jìn)入壓縮機(jī),易引起濕壓縮或沖缸事故。相反若供液量與蒸發(fā)器負(fù)荷相比太少,則蒸發(fā)器部分傳熱面積未能充分發(fā)揮其效能,甚至?xí)斐烧舭l(fā)壓力降低,而且使制冷系統(tǒng)的制冷量降低,制冷系數(shù)減小,制冷裝置能耗增大。節(jié)流機(jī)構(gòu)流量的調(diào)節(jié)對制冷裝置節(jié)能降耗起著非常重要的作用。大型中央空調(diào)冷水機(jī)組常用的節(jié)流機(jī)構(gòu)有手動節(jié)流閥、孔板、熱力膨脹閥、浮球+主節(jié)流閥。2 1 手動節(jié)流閥手動節(jié)流閥是最老式的節(jié)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于它

7、的閥芯為針型或具有V形缺口的錐體,而且閥桿采用細(xì)牙螺紋。當(dāng)旋轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)性能。手動節(jié)流閥開啟的大小,需要操作人員頻繁地調(diào)節(jié),以適應(yīng)負(fù)荷的變化。通常開啟度為1/81/4圈,一般不超過一圈,開啟度過大就起不到節(jié)流(膨脹)的作用。這種節(jié)流閥現(xiàn)在已被自動節(jié)流機(jī)構(gòu)取代。2 2 孔板孔板節(jié)流機(jī)構(gòu)由兩塊孔板組成,采用兩級節(jié)流。制冷工質(zhì)通過第一級孔板時,制冷工質(zhì)剛好到達(dá)飽和液體線,并產(chǎn)生少許閃發(fā)氣體;由于閃發(fā)氣體占據(jù)一部分空間,其流量也在波動,致使工質(zhì)進(jìn)入第二級孔板時流體的流量在一定范圍(約20%)內(nèi)變動,進(jìn)而達(dá)到自動調(diào)節(jié)制冷劑循環(huán)量的功能,第二級孔板因變動的流

8、量造成不同的壓降變化,與系統(tǒng)高低壓差進(jìn)行調(diào)節(jié),于動態(tài)平衡后,穩(wěn)定發(fā)揮制冷工質(zhì)膨脹功能而完成整個制冷循環(huán)。雖然一二級孔板在一定范圍可自動調(diào)節(jié),但其應(yīng)付變工況、變負(fù)荷能力差,且制冷系數(shù)減小,制冷裝置能耗增大,一般不宜采用。2 3 熱力膨脹閥熱力膨脹閥廣泛應(yīng)用于中央空調(diào)冷水機(jī)組。它既可控制蒸發(fā)器供液量,又可節(jié)流飽和液態(tài)制冷劑。根據(jù)熱力膨脹閥結(jié)構(gòu)上的不同,分為內(nèi)平衡式和外平衡式兩種。考慮到制冷劑流經(jīng)蒸發(fā)器產(chǎn)生一,圖1 熱力膨脹閥原理簡圖熱面積的利用率,一般自膨脹閥出口至蒸發(fā)器出口,制冷劑的壓力降所對應(yīng)的蒸發(fā)溫度降超過23 ,應(yīng)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(chǔ)上。

9、工作時,彈性金屬膜片上部受感溫包內(nèi)工質(zhì)的壓力P3作用,下面受蒸發(fā)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(guān)下或開大,用以調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的供液量。當(dāng)進(jìn)入蒸發(fā)器的液量小于蒸發(fā)器熱負(fù)荷的需要時,則蒸發(fā)器出口蒸汽的過熱度增大,膜片上方的壓力大于下方的壓力,這樣就迫使膜片向下鼓出,通過頂桿壓縮彈簧,并把閥針頂開,使閥孔開大,則供液量增大。反之當(dāng)供液量大于蒸發(fā)器熱負(fù)荷的需要時,則出口處蒸汽的過熱度減小,感溫系統(tǒng)中的壓力降低,膜片上方的作用力小于下方的作用力時,使膜片向上鼓出,彈簧伸長,頂桿上移并使閥孔關(guān)小,對蒸發(fā)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

10、有效過熱度組成,開啟過熱度與彈簧的預(yù)緊力有關(guān),有效過熱度與彈簧的強(qiáng)度及閥針的行程有關(guān)。膨脹閥的彈簧是按標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)計的,機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)工況下,機(jī)組滿負(fù)荷或變負(fù)荷運行均維持較高的COP值。但在大壓差工況下,蒸發(fā)壓力降低,蒸發(fā)器負(fù)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,由于蒸發(fā)壓力降低,蒸發(fā)器出口壓力P1相應(yīng)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(fā)壓力上升,蒸發(fā)器負(fù)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,由于蒸發(fā)壓力上升,蒸發(fā)器出口壓力P1相應(yīng)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(fù)荷下亦如此。因此熱力膨脹閥在變

11、工況下供液量的調(diào)節(jié)方面需進(jìn)一步改進(jìn)。熱力膨脹閥原理簡圖如圖1所示。2 4 浮球+主節(jié)流閥浮球+主節(jié)流閥是用于具有自由液面的蒸發(fā)器,如臥式滿液式蒸發(fā)器的供液量的自動調(diào)節(jié)。通過浮球調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用,在蒸發(fā)器中可以保持大低溫與特氣 第25卷28致恒定的液面。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(fā)器的液體和蒸汽兩部分相連接,因而浮球閥殼體的液面與蒸發(fā)器內(nèi)的液面一致。當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)的液面降低時,殼體內(nèi)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

12、P4)減小,當(dāng)主膨脹閥芯下部高壓P1大于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( P=P1-Ps)形成比例關(guān)系,調(diào)節(jié)供液量的大小,當(dāng)殼體內(nèi)的液面上升到浮子上限位時,閥針便將孔口關(guān)閉,Ps>P1,主膨脹閥關(guān)閉且停止供液,此時蒸發(fā)器液位不再上升,這既可以防止蒸發(fā)液位過高引起濕壓縮,又保證蒸發(fā)器的供液量與蒸發(fā)負(fù)荷相匹配。由于主膨脹閥芯上部彈簧是按標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)計的,因此機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)工況下,機(jī)組滿負(fù)荷或變負(fù)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相對于閥芯上部彈簧力偏小,使主閥開度偏

13、小,供液量偏少,導(dǎo)致達(dá)到需要的蒸發(fā)液位要有一段滯后的時間,系統(tǒng)制冷系數(shù)減小,制冷裝置能耗增大,在變負(fù)荷下同樣如此。浮球+主節(jié)流閥在變工況下供液量的調(diào)節(jié)有待進(jìn)一步完善。浮球+主節(jié)流閥原理簡圖如圖2所示。圖2 浮球+主節(jié)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(tǒng)由電子膨脹閥、壓力傳感器、溫度傳感器、控制器組成,工作時,壓力傳感器將蒸發(fā)器出口壓力P1、溫度傳感器將壓縮機(jī)吸氣過熱度傳給控制器,控制器將信號處理后,隨后輸出指令作用于電子膨脹主閥的步進(jìn)電機(jī),將閥開到需要的位置要,以保持蒸發(fā)器需要的供液量。電子膨脹閥的步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)蒸發(fā)器出口壓力P1變化、

14、壓縮機(jī)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(fù)荷情況下主膨脹閥變化的彈簧力,使閥的開度滿足蒸發(fā)器供液量的需求,進(jìn)而蒸發(fā)器的供液量能實時與蒸發(fā)負(fù)荷相匹配,即電子膨脹閥可通過控制器人為設(shè)定,有效地控制過熱度。另外,電子膨脹閥從全閉到全開狀態(tài)其用時僅需幾秒鐘,反應(yīng)和動作速度快,開閉特性和速度均可人為設(shè)定;電子膨脹閥可在10%100%進(jìn)行精確調(diào)節(jié),且調(diào)節(jié)范圍可根據(jù)不同產(chǎn)品的特性進(jìn)行設(shè)定。選用電子膨脹閥 ,工況、滿負(fù)荷、變負(fù)荷運行均維持較高的COP值水平。電子膨脹閥 吸氣過熱度控制制冷系統(tǒng)原理圖如圖3所示。圖3 電子膨脹閥-吸氣過熱度控制制冷系統(tǒng)原理圖3 2 電

15、子膨脹閥 液位控制液位控制系統(tǒng)由電子膨脹閥、液位傳感器、液位控制器組成。當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)的液面上下變化時,蒸發(fā)器內(nèi)的液位傳感器將液位變動的比例關(guān)系用4第4期 李 昂:節(jié)流機(jī)構(gòu)在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用分析 29 理后,隨后輸出指令作用于電子膨脹主閥的步進(jìn)電機(jī),使其開度增大、減小,以保持制冷劑液位在限定的范圍內(nèi)。電子膨脹閥的步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)制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(fù)荷情況下主膨脹閥變化的彈簧力,使閥的開度滿足蒸發(fā)器供液量的需求,進(jìn)而蒸發(fā)器的供液量能實時與蒸發(fā)負(fù)荷相匹配,即電子膨脹閥可通過控制器人為設(shè)定,有效地控制蒸發(fā)液位。選用電子膨脹閥 液位控制,機(jī)組無論

16、在標(biāo)準(zhǔn)工況下、變工況、滿負(fù)荷、變負(fù)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(yīng)用在吸氣過熱度低于2 的制冷裝置,而電子膨脹閥 吸氣過熱度控制一般應(yīng)用在吸氣過熱度5 左右的制冷裝置,因此前者比后者更能有效地利用蒸發(fā)面積,提高蒸發(fā)負(fù)荷,獲取更高的COP值。電子膨脹閥 液位控制制冷系統(tǒng)原理圖如圖4所示。圖4 電子膨脹閥 液位控制制冷系統(tǒng)原理圖反應(yīng)速度更快、調(diào)節(jié)范圍更廣,節(jié)能效果更加顯著,有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn):1BILLIARDF.會,2003.制冷與可持續(xù)發(fā)展R.制冷學(xué)4 結(jié)束語節(jié)流機(jī)構(gòu)為了節(jié)能降耗,應(yīng)在不同工況、不同負(fù)荷下保證向蒸發(fā)器的供液量與蒸發(fā)負(fù)荷相匹配。節(jié)能的途徑是及時地

17、控制過熱度(控制液位),實時有效地調(diào)節(jié)流量。電子膨脹閥在過熱度控制(液位控制)、流量調(diào)節(jié)均優(yōu)于傳統(tǒng)的節(jié)流機(jī)構(gòu),而且2韓寶琦,李樹林.制冷空調(diào)原理及應(yīng)用M,1998.作者簡介:李 昂(1980-),男,2002年7月畢業(yè)于大連理工大學(xué)熱能工程專業(yè),獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)工作于大連冷凍機(jī)股份有限公司,主要從事制冷壓力容器的設(shè)計研發(fā)工作。美國空氣產(chǎn)品將為中國巨石集團(tuán)長期供氣近日,美國空氣化工產(chǎn)品公司宣布與亞洲最大的玻璃纖維制造商 中國巨石集團(tuán)有限公司簽署氣氧供應(yīng)長期合同。這是空氣產(chǎn)品公司為巨石集團(tuán)位于浙江省的玻璃生產(chǎn)廠提供支持的第三份合同。據(jù)此,空氣產(chǎn)品公司將建設(shè)一座新的空分設(shè)備及氧氣發(fā)生器,為巨石集團(tuán)提供氧氣現(xiàn)場制氣服務(wù)。這是美國空氣產(chǎn)品公司為巨石集團(tuán)建立的第二套空分設(shè)備。顧 摘液化天然氣冷能利用市場廣闊在液化天然氣(LNG,-162 )接收站旁建低溫冷庫,可將冷能用于冷凍食品;在低溫干燥方面,它可用于醫(yī)藥和食品行業(yè);還可用于低溫粉碎輪胎、廢橡膠及廢塑料等制品;并可用于生產(chǎn)液化CO2。此外,利用LNG冷能進(jìn)行空氣分離,還可以用于生產(chǎn)液氮、液氧和液氬等。目前,日本在LNG冷能回收利用方面全球領(lǐng)先,在極大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域都已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。中國與殼牌公司合建的多套大規(guī)模工