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節流是機房專用空調壓縮式制冷循環不可缺少的四個主要過程之一。其本身一般具有較大的流動阻力,節流機構的作用有兩點:一是對從冷凝器中出來的高壓液體制冷劑進行節流降壓至蒸發壓力;二是根據系統負荷變化,調整進入蒸發器的制冷劑液體的數量。常見的節流裝置有節流閥和毛細管兩種類型。
小型制冷裝置因為工況比較穩定,制冷劑流量變化很小,不需要調節流量,所以一般采用毛細管形式。
做成閥狀的節流裝置不僅可以實現節流,還可以在一定程度上進行流量調節。閥狀的節流裝置有手動膨脹閥、浮球式膨脹閥、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等多種形式。
它們的基本原理都是使高壓液態制冷劑受迫流過一個小過流截面,產生合適的局部阻力損失(或沿程損失),使制冷劑壓力驟降,與此同時,一部分液態制冷劑汽化,吸收潛熱,使節流后的制冷劑成為低壓低溫狀態。
1.毛細管
1)毛細管的功用
在小型制冷系統(如電冰箱、家用空調器)中,采用毛細管來降壓節流。它的降壓節流原理如下:任何一種流體,當它流過細而長的管子時,由于要克服管內的摩擦阻力,其出口壓力就要降低,管子內徑越小、管子越長,則其流動阻力越大,壓力降也越大,流量就越小。在制冷系統中,冷凝器與蒸發器之間裝上一根毛細管,則從冷凝器中流出的高溫高壓液體,經過細小的毛細管口,將受到很大的阻力,使其液體流量減少,也就是說,限制了制冷劑進入蒸發器中的數量,使冷凝器中保持相當穩定的壓力或毛細管兩端的壓力差,這樣才能使制冷劑進入蒸發器中降低壓力,得到很好的蒸發吸熱和制冷。
2)毛細管的結構
毛細管是一根直徑很細的純銅管,它的內徑一般在0.5~2.0mm,將其加工成螺旋形,以增大液體流動時的阻力。加工成的毛細管,其管內不得有灰塵、油污和氧化皮等,管外必須干凈。毛細管的長度由空調器的規格決定,通常在0.5~2.0mm,毛細管的長短和管徑的大小很重要,它直接影響到液體制冷劑的流通量和壓縮機的制冷效果,因此,空調器在維修時,不得任意更換不同規格的毛細管,如果毛細管壞了,則可向生產廠家購買相同規格的管子來裝配。空調器上毛細管的根數過去皆裝設一根,現在裝有兩根,其原因是一只堵塞一根,空調器仍能繼續使用。
3)空調器蒸發溫度的調整
若需改變空調的蒸發溫度,常用改變毛細管的長度或內徑來進行。若要提高蒸發溫度,可以縮短毛細管的長度或增大毛細管的內徑;若要降低蒸發溫度,可加長毛細管的長度或減小毛細管的內徑。一般改變毛細管長度,可以微調蒸發溫度的高低;而改變毛細管內徑,則蒸發溫度變化較大,因為毛細管的截面積與直徑的平方成正比,對于小直徑的毛細管來說,即使內徑改變0.1mm,也會發生明顯的壓力變化。
需要指出的是,有些維修人員認為,增大毛細管內徑,就可以增加管內制冷劑的流通量,從而使空調器的制冷量增加。實際情況并非如此,制冷量反而下降,其因是管徑增大后,管內壓力升高,蒸發溫度亦升高,制冷劑蒸發吸熱量下降。
因此,采用毛細管的制冷設備,必須根據設計要求嚴格控制制冷劑的充加量。例如,200L左右的電冰箱加R12的質量在150g左右,上下偏差不大于5g。一般系統的首次充液量M可近似按下式確定:
M=20+0.6V(g)
式中:V——蒸發盤管內的容積(㎝3)
4)毛細管的特性
毛細管的優點:加工制作簡單,價格便宜,沒有運動部件,工作可靠,在冷凝器與蒸發器之間形成一個常通的通道,這樣壓縮機在停轉后,能使冷凝器與蒸發器之間的壓力報快地達到平衡狀態,從而使壓縮機再起動運轉很省力。因為這一優點對全封閉式制冷壓機來說極為重要。所以毛細管普遍應用于家用空調器中,作為制冷系統中的節流降壓裝置。
毛細管的缺點:制冷調節性能差,降溫速度慢,不適用于熱負荷變化大的制冷裝置。
2.手動膨脹閥
手動膨脹閥和普通的截止閥在結構上的不同之處主要是閥芯的結構與閥桿的螺紋形式。通常,截止閥的閥芯為一平頭,閥桿為普通螺紋,所以它只能控制管路的通斷和粗略地調節流量,難以調整在一個適當的過流截面積上以產生恰當的節流作用。而節流閥的閥芯為針型錐體或帶缺口的錐體,閥桿為細牙螺紋,所以當轉動手輪時,閥芯移動的距離不大,過流截面積可以較準、方便地調整。
手動膨脹閥的開啟度的大小是根據蒸發器負荷的變化而調節的,通常開啟度為手輪的1/8~1/4周,不能超過一周。否則,開啟度過大,會失去膨脹作用。因此,它不能隨蒸發器熱負荷的變動而靈敏地自動適應調節,幾乎全憑經驗結合系統中的反應進行手工操作。
目前,它只裝設于氨制冷裝置中,在氟利昂制冷裝置中,廣泛使用熱力膨脹閥進行自動調節。
3.浮球式膨脹閥
1)浮球式脹閥的工作原理
浮球節流閥是一種自動調節的節流閥。其工作原理是利用一個鋼制浮球為啟閉閥門的 動力,浮球隨液面高低在浮球室中升降,控制一個小閥門開啟度的大小變化而自動調帶供液量,同時起節流作用。當容器內液面降低時,浮球下降,節流孔自行開大,供液量增加;反之,當容器內液面上升時,浮球上升,節流孔自行關小供液量減少。待液面升至規定高度時,節流孔被關閉,保證容器不會發生超液或缺液的現象。
2)浮球節流閥的結構形式與安裝要求
浮球節流是用于具有自由液面的蒸發器、液體分離器和中間冷卻器供液量的自動調節。在氨制冷系統中廣泛應用的是一種低壓浮球閥。低壓浮球閥按液體在其中流通的方式,有直通式和非直通式兩種。直通浮球節流閥的特點是,進入容器的全部液體制冷劑首先通過閥孔進入浮球室,然后進入容器。因此,結構和安裝比較簡單,但浮球室的液面波動大。非直通式浮球節流閥的特點是,閥座裝在浮球室外,經節流后的制冷劑不需要通過浮球室而沿管道直接進入容器。因此,浮球室的液面較平穩,但其結構與安裝均較復雜。
目前,我國冷凍機廠生產的浮球節流閥都是這種非直通式的。這種浮球節流閥的結構由殼體、浮球、杠桿、閥座、平衡管、閥芯和蓋等組成的。
浮球節流閥在安裝時的要求是浮球室的氣體平衡管應接在筒身上,而不應接在液體分離器的吸氣管上。液體平衡管不應接在液體分離器與蒸發器之間的供液管上,也不應接在低壓循環儲液筒的氨泵吸液管上,以免浮球室內液面波動過大。蒸發器中的液體往往呈氣泡沸騰狀態,致使氣液混合物的密度顯著降低,造成蒸發器中的實際液面要高于浮球室的液面,因此將浮球節流閥安裝到蒸發器上時,最好把浮球節流閥適當降低一些。浮球節流閥的管路系統中一般應裝設液體過濾器(采用每平方厘米250孔的鋼絲網),以保證進入浮球閥內的液體無雜質,避免閥門堵塞。此外,還要裝設旁路手動節流閥,以便在浮球節流閥發生故障或清洗過濾器時仍可繼續供液。
4.熱力膨脹閥
熱力膨脹閥是氟利昂制冷裝置中根據吸入蒸氣的過熱程度來調節進入蒸發器的液態制冷劑量,同時將液體由冷凝壓力節流降壓到蒸發壓力的。
熱力膨脹閥的形式很多,但在結構上大致相同。按膨脹閥中感應機構動力室中傳力零件的結構不同,可分為薄膜式和波紋管式兩種;按使用條件不同,又可分為內平衡式和外平衡式兩種。目前,常用的小型氟利品熱力膨脹閥多為薄膜式內平衡熱力膨脹閥。
1)內平衡式熱力膨脹閥內平衡式熱力膨脹閥一般都由感溫包、感應薄膜、頂桿、閥針、彈簧、調節桿、調節桿座、入口過濾器和毛細管等組成。
感溫包里灌注氟利昂或其他易揮發的液體,把它緊固在蒸發器出口的回氣管上,用以感受回氣的溫度變化;毛細管是用直徑很細的銅管制成的,其作用是將感溫包內由于溫度的變化而造成的壓力變化傳遞到動力室的波紋薄膜上去。波紋薄膜是由很薄的(0.1~0.2mm)合金片沖壓而成的,斷面呈波浪形,能有2~3mm的位移變形。波紋薄膜由于動力室中壓力的變化而產生的位移通過其下方的傳動桿傳遞到閥針上,使閥針隨著傳動桿的上下移動而一起移動,以控制閥孔的開啟度。調節桿的作用是在系統調試運轉中,用以調整彈簧的壓緊程度來調整膨脹閥的開啟過熱度的,系統正常工作后不可隨意調節且應擰上調節桿座上的帽罩,以防止制冷劑從填料處泄漏。過濾網安裝在膨脹閥的進液端,用以過濾制冷劑中的異物,防止閥孔堵塞。
至于其工作原理,我們首先分析一下熱力膨脹閥工作時波紋薄膜的受力情況。金屬波紋薄膜受有三種力的作用:在膜片的上方,為感溫包中液體(與其感受到的溫度相對應的))飽和壓力對膜片產生的向下推力p;在膜片的下方,受閥座后面與蒸發器相通的低壓液體對膜片產生一個向上的推力Po(制冷劑的蒸發壓力);彈簧的張力W的作用。此外還有活動零件之間的摩擦力等因素構成的作用力,因為其值甚小,在分析時可以忽略不計。由以上分析可知,當三力處于平衡狀態,即滿足P=Po+W時,膜片不動,則閥口處于一定的開啟度。而當其中任何一個力發生變化時,就會破壞原有的平衡,則閥口的開啟度也隨之發生變化,直到建立新的平衡為止。
當外界情況改變,如由于供液不足或熱負荷增大,引起蒸發器的回氣過熱度增大時,則感溫包感受到的溫度也升高,飽和壓力p也就增大,因此形成:P>Po+W,這樣就會導致膜片下移,使閥口開啟度增大,制冷劑的流量也就增大,直至供液量與蒸發量相等時達到另平衡。反之,若由于供液過多或熱負荷減少,引起蒸發器的回氣過熱度減小,使感溫包感受到的溫度也降低時,則飽和壓力p也就減小,因此形成:P
2)外平衡式熱力膨脹閥
外平衡熱力膨脹閥與內平衡熱力膨脹閥在結構上略有不同,其不同處是感應薄膜下部空間與膨脹閥出口互不相通,而且通過一根小口徑的平衡管與蒸發器出口相連。換句話說,外平衡熱力膨脹閥膜片下部的制冷劑壓力不是閥門節流后的蒸發壓力,而是蒸發器出口處的制冷劑壓力。這樣可以避免蒸發器阻力損失較大時的影響,把過熱度控制在一定的范圍內,使蒸發器傳熱面積充分利用。外平衡熱力膨脹閥的結構原理如下圖所示。
內、外平衡式熱力膨脹閥的工作原理完全相同,只是適用的條件不同,如果蒸發器中制冷劑的壓力損失較大,使用內平衡式熱力膨脹閥時,就會使蒸發器供液量不足,出口處氣態制冷劑的過熱度增大。也就使蒸發器的傳熱面積的利用率降低,制冷量相應減小。所以,在實際應用中,蒸發器壓力損失較小時,一般使用內平衡式熱力膨脹閥;而壓力損失較大時(當膨脹閥出口至蒸發器出口制冷劑的壓力降相應的蒸發溫度降低超過2~3℃時),應采用外平衡式熱力膨脹閥。
3)安裝熱力膨脹閥時應注意的問題
(1)首先應檢查膨脹閥是否完好,特別注意檢查感溫動力機構是否泄露。
(2)膨脹閥應正立式安裝,不允許倒置。
(3)感溫包安裝在蒸發器的出氣管上,緊貼包纏在水平無積液的管段上,外加隔熱材料纏包,或插入吸氣管上的感溫套內。
(4)當水平回氣管直徑小于25mm時,感溫包可扎在回氣管頂部;當水平回氣管直徑大于25mm時,感溫包可扎在回氣管下側45°處,以防管子底部積油等因素影響感溫包正確感溫。
(5)外平衡膨脹閥的平衡管一般都安裝在感溫包后面100mm處的回氣管上,并應從管頂部引出,以防潤滑油進入閥內。
(6)當一個系統中有多個膨脹閥時,外平衡管應接到各自蒸發器的出口。
5.電子膨脹閥
電子膨脹閥是由電子電路進行控制的膨脹閥,它是變頻制冷空調設備中的關鍵部件。電子膨脹閥有其他膨脹閥無法比擬的優點。它的流量控制范圍大,動作迅速,調節精細,動作穩定,可以使制冷劑往、返兩個方向流動。
在變頻式制冷空調設備中,壓縮機由變頻電動機拖動,電動機的轉速可以根據室內制冷量的需要而連續變化,最終使壓縮機的制冷量達到連續變化的自動控制,為配合制冷量的連續變化,采用電子膨脹閥變頻式壓縮機匹配使用。由于電子膨脹閥能夠根據型計算機的指令,迅速調節閥的開啟度,快速控制制冷劑的流量,可減小房間室內的溫差,因而能夠增強空調的舒適程度,又可最大限度地節能。
電子腳脹閥由主閥與定子線圈兩部分組成,電子膨底閥的驅動部件是一個脈沖步進電動機。
當定子線圈接受微型計算機送來的脈沖電壓時,所產生的磁場與磁鋼的磁場相互作用產生一扭矩驅使轉子組以一定的角度步進式向左或向右旋轉,從而帶動閥針上、下移動。
當轉子組向右旋轉至一定位置時,轉子組上的撞塊與螺紋套上的撞塊相碰,閥體處于閥座上的閥口的最低位置,膨脹閥全閉。轉子組向左旋轉,閥口打開,當定子線圈工作完全開脈沖數后,膨脹閥全開。 若轉子組繼續向左旋轉,直至旋出螺紋套,彈簧可幫助轉子組在右旋時可靠動作。
電子膨脹閥的優點:流量調節范圍大;控制精度高;適用于智能控制;能適用于高效率的制冷劑流量的快速變化。
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