五、节流装置的原理与分类

节流是压缩式制冷循环中不可缺少的四个主要过程之一。节流装置是对冷凝器中出来的制冷剂高压液体进行降压使之成为蒸发压力，同时根据系统负荷的变化来调整制冷剂液体进入蒸发器的数量。

常用的节流装置有手动膨胀阀、浮球式膨胀阀、热力膨胀阀、阻流式膨胀阀(毛细管)以及电子膨胀阀等。节流装置的基本原理是让高压液态制冷剂被迫经过一个小的过流截面而产生合适的局部阻力损失(或沿程损失)后压力骤降，与此同时节流后的制冷剂成为低压低温状态，部分液态制冷剂被汽化而吸收空气中的潜热。

1、手动节流阀

手动膨胀阀和普通的截止阀在结构上的不同之处主要是阀芯的结构与阀杆的螺纹形式。通常截止阀的阀芯是一个平面，阀杆为普通螺纹，所以它只能控制管路的通断和粗略地调节流量，难以调整在一个适当的过流截面积上而产生恰当的节流作用。而节流阀的阀芯为针型锥体或带缺口的锥体，阀杆为细牙螺纹，所以当转动手轮时，阀芯移动的距离不大，过流截面积可以较准确、方便地调整。节流阀开启度的大小是根据蒸发器负荷的变化而调节，通常开启度为手轮的1/8至1/4周，不超过一周。否则，开启度过大，会失去膨胀作用。因此它不能随蒸发器热负荷的变动而灵敏地自动适应调节，几乎全凭经验结合系统中的反应来进行人工操作。手动膨胀阀主要用于氨制冷系统，在氟利昂制冷系统中，广泛使用热力膨胀阀或电子膨胀阀进行自动调节。

2、浮球节流阀

浮球节流阀是一种自动调节的节流阀，是利用钢制浮球作为启、闭阀门的动力，浮球随液面高低在浮球室中升降，以控制小阀门开启度的大小而自动调节供液量，同时起到节流作用。当容器内液面降低时，浮球下降，节流孔自行开大，供液量增加。反之，当容器内液面上升时，浮球上升，节流孔自行关小，供液量减少。待液面升至规定高度时，节流孔被关闭，保证容器不会发生超液或缺液的现象。浮球节流阀是用于具有自由液面的蒸发器、液体分离器和中间冷却器供液量的自动调节。在氨制冷系统中得以广泛应用。

3、热力膨胀阀

热力膨胀阀是氟利昂制冷装置中根据吸入蒸气的过热程度来调节进入蒸发器液态制冷剂量的的装置，同时使液体制冷剂由冷凝压力通过节流降压到蒸发压力。

热力膨胀阀的型式很多，但在结构上大致相同。按膨胀阀感应机构动力室中传力结构可分为薄膜式和波纹管式；按使用条件可分为内平衡式和外平衡式。目前常用的小型氟利昂热力膨胀阀多为薄膜式内平衡热力膨胀阀。

内平衡式热力膨胀阀：

内平衡式热力膨胀阀由阀体、阀座、阀针、调节杆座、调节杆、弹簧、过滤器、传动杆、感温包、毛细管、气箱盖和感应薄膜组成。

感温包里灌注了氟利昂或其它易挥发的液体，把感温包紧固在蒸发器出口的回气管上，用以感受回气的温度变化；连接感温包与阀体的毛细管是将感温包内由于温度的变化而造成的压力变化传递给动力室的波纹薄膜。波纹薄膜由于动力室中压力的变化而产生位移，再传递给波纹薄膜下方的传动杆的阀针上，阀针随着传动杆的上下移动而一起移动来控制阀孔的开启度。

调节杆的作用是在制冷、制热系统调试时，用来紧、松弹簧的张弛度、以调整膨胀阀过热度的开启，系统正常工作后不可随意调节，且应拧上调节杆座上的帽罩，以防止制冷剂从填料处泄漏。

过滤网安装在膨胀阀的进液端，用以过滤制冷剂中的异物，防止阀孔堵塞。

热力膨胀阀的工作原理就是利用与回气过热度相关的P力变化来调节阀口的开启度，从而控制制冷剂的流量，实现自动调节。

热力膨胀阀的金属波纹薄膜受到来自三种力量的作用，膜片上方为感温包中液体(与其感受到的温度相对应的)的饱和压力P对膜片产生的向下推力P。膜片的下方受阀座后面与蒸发器相通的低压液体对膜片产生一个向上的推力P0(制冷剂的蒸发压力)和弹簧的张力W的作用。

此外还有活动零件之间的摩擦力等因素构成的作用力，因为其值甚小，在分析时可以忽略不计。由以上分析可知，当三力处于平衡状态，即满足P＝P0+W时，膜片不动，则阀口处于一定的开启度。而当其中任何一个力发生变化时，就会破坏原有的平衡，则阀口的开启度也就随之发生变化，直到新的平衡建立为止。

当外界温度发生改变、供液不足或热负荷增大，致使蒸发器的回气过热度增大时，感温包感受到的温度也随之升高，饱和压力P也就增大，形成P＞P0+W，这样就会导至膜片下移，使阀口开启度增大，制冷剂的流量也就增大，直至供液量与蒸发量相等时达到新的平衡。如果供液过多或热负荷减少，就会引起蒸发器回气过热度减小，使感温包感受到的温度也降低，饱和压力P也就减小，形成P＜P0+W，这样就会导至膜片上移，使阀口开启度减小，制冷剂的供液量也就减少，直至与蒸发器的热负荷相匹配为至。另外，从上述关系不难看出，调节弹簧的张力W，便能获得阀口开启的不同过热度（此过热度称为静装配过热度或关闭过热度），一般蒸发器的过热度维持在3～5℃的范围之内。

外平衡式热力膨胀阀：

外平衡热力膨胀阀与内平衡热力膨胀阀在结构上略有所不同，不同的地方在于感应薄膜下部空间与膨胀阀出口是互不相通，而是通过一根小口径的平衡管与蒸发器出口相连。也就是说外平衡热力膨胀阀膜片下部的压力，不是阀门节流后的蒸发压力，而是蒸发器出口处的制冷剂压力。避免了蒸发器阻力损失较大时，过热度控制不在一定范围内而对蒸发器传热面积不充分的影响。

内、外平衡式热力膨胀阀工作原理完全相同，只是适用的条件不同，如果蒸发器中制冷剂的压力损失较大时，使用内平衡式热力膨胀阀，就会造成蒸发器的传热面积的利用率降低。蒸发器供液量不足，出口处气态制冷剂的过热度增大，制热量相应减小，所以在实际应用中，蒸发器压力损失较小时，才使用内平衡式热力膨胀阀，而压力损失较大时会采用外平衡式热力膨胀阀(当膨胀阀出口到蒸发器出口的压力降对应的蒸发温度降低超过2～3℃时)。

安装热力膨胀阀时应注意的问题

①首先应检查膨胀阀是否完好，特别注意检查感温动力机构（感温包）是否泄漏。
②膨胀阀应正立式安装，不允许倒置。
③感温包安装在蒸发器的出气管上，紧贴包缠在水平无积液的管段上，外加隔热材料缠包，或插入吸气管上的感温套内。
④当水平回气管直径小于25mm时，感温包可扎在回气管上部；当水平回气管直径大于25mm时，感温包可扎在回气管下侧45°处（以防管子底部积油等因素影响感温包的正确感温）。
⑤外平衡膨胀阀的平衡管一般都安装在感温包后面100mm处的回气管上，并应从管顶部引出，以防润滑油进入阀内。⑥一个系统中有多个膨胀阀时，外平衡管应接到各自蒸发器的出口。

毛细管

电冰箱、空调器等小型制冷设备中，常使用毛细管做节流装置。毛细管节流主要是采用管径和长度的大小来控制液体制冷剂的流量，使蒸发器能在适当的状况下工作。制冷工程中一般称内径0.5～2mm左右，长度在1～4m左右的紫钢管为毛细管。与节流阀相比毛细管作为节流装置的优点是：无运动件、不会磨损、不易泄漏、制造容易、价格便宜、安装简单。缺点是：流量小、不能人为调节。

确定毛细管的内径及长度以后，毛细管的流量主要受进、出口两侧（高、低压两端）压力差大小的影响，与来液过热度大小、含闪发气体多少以及管弯曲程度、盘绕圈数等都有关。因此机组系统一旦确定后，不能任意改变工况或更换任意规格的毛细管。实验表明，在同样工况和同样流量条件下，毛细管的长度与其内径的4.6次方近似成正比，即

L1/L2=(d1/d2)4.6

当环境温度升高或制冷剂充加量过多时，冷凝器压力变高，毛细管流量增大会使蒸发器压力及蒸发温度随之升高。反之，当环境温度降低或制冷剂充加量不足时，冷凝器压力变低，毛细管流量减小会使蒸发器压力及蒸发温度随之降低，导致制热量下降，甚至升不到所需的温度。

因此，采用毛细管的制冷设备，必须根据设计要求严格控制制冷剂的充加量。上下偏差不大于5-10克。一般系统的首次充液量M可近似按下式确定：

M=20+0.6V（克）

式中：V—蒸发盘管内容积(cm3)

毛细管工作原理：当有一定过热度的液体制冷剂进入毛细管后，会沿着流动方向发生压力状态变化，过冷液体随压力逐渐降低而变为相应压力的饱和液相段液体（压力不大且呈线性变化）。从毛细管中出现第一个气泡至毛细管末端气流共存段，越到毛细管末端，单位长度的压力越大（饱和蒸气的含量沿流动方向逐步增加而压力呈非线性变化）。

当压力降到低于其相应的饱和压力时，就要产生闪发现象，促使制冷剂液体自身蒸发降温，即随着压力的降低制冷剂的温度也相应降低。制冷剂通过毛细管的流量随着入口压力的增加，毛细管入口流量也相因增加，同时制冷剂随着蒸发器内压力的降低，毛细管入口流量也会相因增加，当达到极限值时，其流量不再随压力的变化而增大。

通过改变毛细管的长度或内径，可以调整空气能的蒸发温度。要提高蒸发温度，可以缩短毛细管的长度或增大内径。如果要降低蒸发温度，可加长毛细管或减小毛细管的内径。毛细管节流在特定工况下，与制冷剂充注量相匹配，可以使制冷装置的工作达到最佳状态。且当压缩机停机后，系统内高低压力可以通过毛细管迅速达到平衡，更有利于压缩机的频繁启动。但是毛细管节流对于制冷系统工况的变化适应性比较差，不能在各种情况下都处于最佳状态。

因为毛细管内径小，比较容易被脏物和水分堵塞，因此制冷系统必须保证内部清洁、干燥，并在毛细管前使用干燥过滤器。由于毛细管的通径极小，再加上有一定的长度，高压液态制冷剂在通过这种狭窄的通道时，压力及流量瞬间急剧下降。根据制冷剂特有的物理性质，当压力下降时，温度就下降。毛细管就是通过这一原理对制冷剂进行节流降压降温的。

毛细管中能使润湿其管壁的液体自然上升的作用力。此力指向液体凹面所朝向的方向，其大小与该液体的表面张力成正比，与毛管半径成反比。在地层毛细孔隙中常表现为两相不混溶液体(如油和水)弯曲界面两侧的压力差。

电子膨胀阀

电子膨胀阀主要是控制吸气过热度，吸气过热度控制系统由电子膨胀阀、压力传感器、温度传感器、控制器组成，工作时，压力传感器将蒸发器出口压力（P1）、温度传感器将压缩机吸气过热度传给控制器，控制器将信号处理后，随后输出指令作用于电子膨胀主阀的步进电机，将阀开到需要的位置。以保持蒸发器需要的供液量。

电子膨胀阀的步进电机是根据蒸发器出口压力（P1）、压缩机吸气过热度变化实时输出变化的动力，这个实时输出变化的动力能及时克服各种工况和各种负荷情况下主膨胀阀变化的弹簧力，使阀的开度满足蒸发器供液量的需求，进而蒸发器的供液量能实时与蒸发负荷相匹配，即电子膨胀阀可通过控制器人为设定，有效的控制过热度。

另外，电子膨胀阀从全闭到全开状态其用时仅需几秒钟，反应和动作速度快，开闭特性和速度均可人为设定。电子膨胀阀可在10--100的范围内进行精确调节，且调节范围可根据不同产品的特性进行设定。电子膨胀阀——吸气过热度控制，制冷系统无论是在标准工况、变工况、满负荷、变负荷运行时都能维持较高的COP值。电子膨胀阀控制一般应用在吸气过热度低于2℃-5℃左右的制冷装置中，因此有效的利用蒸发面积，提高蒸发负荷，获取更高的COP值，电子膨胀阀控制还需进一步发展。