膨胀阀工作原理.doc

膨胀阀工作原理及正确维护
膨胀阀的合理维护
叶明哲
摘 要 膨胀阀工作状况的好坏，直接决定专业空调运行状况的好坏。本文介绍了膨胀阀的工作原理，并对膨胀阀的运行进行了具体分析，从增大制冷量、节约能源的角度，提出要对膨胀阀进行定期检查和调整。
关键词 膨胀阀 MSS线 匹配 过热度
1．概述
热力膨胀阀是组成制冷装置的重要部件，是制冷系统中四个基本设备之一。它实现冷凝压力至蒸发压力的节流，同时控制制冷剂的流量；它的体积虽小，但作用巨大，它的工作好坏，直接决定整个系统的工作质量。但是在实际中，膨胀阀的运行情况往往被忽视，使膨胀阀成为空调运行与维护中的一个死角。而定期检查和调整膨胀阀，对空调的运行寿命，节约能源，降低运行成本，却有着重要的意义。
2．膨胀阀的工作过程分析
2．1．膨胀阀工作原理：
热力膨胀阀是控制蒸发器出口气态制冷剂的过热度来控制进入蒸发器的制冷剂流量。按照平衡方式不同，膨胀阀分为外平衡式和内平衡式。在专用空调空调中，由于蒸发器有分路并采用莲蓬头分液器，压降比较大，造成蒸发器进出口温度各不相同。在这种情况下，使用内平衡式膨胀阀会因蒸发器出口温度过低而造成热力膨胀阀过度关闭，以至膨胀阀丧失对蒸发器的供液调节功能。所以专用空调均采用外平衡式膨胀阀，目前所使用的风冷式专用空调，如HIROSS、STULZ、ISOVEL、AIREDELE和法亚均采用这种结构。采用外平衡式可以避免膨胀阀过度关闭的情况，保证有压降的蒸发器也得到正常的供液。膨胀阀的结构如图一所示：热力膨胀阀由感应机构、执行机构、调整机构和阀体组成。感应机构中充注氟利昂工质，感温包设置在蒸发器出口处。由于过热度的影响，其出口处温度与蒸发温度之间存在温差，通常称为过热度。感温包感受到蒸发器出口温度后，使整个感应系统处于对应的饱和压力Pb。如图一，该压力将通过膜片传给顶杆直到阀芯。在压力腔上部的膜片仅有Pb存在，膜片的下方有调整弹簧的弹簧力Pt和蒸发压力P0，三者处于平衡时有Pb=Pt+Po,当Pb>Pt+Po时，表示蒸发器热负荷偏大，出口过热度偏高，通过膜片到顶杆传递这一压力信号，使阀芯下移，膨胀阀开启变大，制冷剂流量按比例增加。反之，膨胀阀开启变小，制冷剂流量按比例减小。
2.2.膨胀阀的最佳“匹配”
专业空调的膨胀在出厂后，已经与蒸发器进行最佳“匹配”。“匹配”就是要求膨胀阀和蒸发器一起工作能够稳定运行的同时，产生最大的能量。每台蒸发器均存在一条最小的稳定信号线（MSS线），如图二。从图可知，在蒸发器的MSS线上，不同的制冷剂均对应一临界过热度；当蒸发器工作在MSS线左侧，则制冷系统将不稳定，若工作在MSS线右侧，系统工作稳定但过热度太大而蒸发器的利用率不高；斜线为热力膨胀阀的静态线，理论上，工作点A应该是最佳匹配点，此时蒸发器过热度处于临界状态，制冷量最大且处于临界稳定状态。
２．３. 确定正确的过热度
要保证膨胀阀工作在最佳匹配点，就必须保证膨胀阀合适的过热度。专用空调的膨胀阀合适的过热度是5～8℃，它由静装配过热度与有效过热度组成。图四显示了专用空调膨胀阀的典型静态性能曲线，它的静态特性指出了其容量和蒸发器出口气态制冷剂过热度的关系。使阀门开始开启所需要的过热度称为开启过热度（A点），又叫静装配过热度，一般的静装配过热度约为3℃。从热力膨胀阀开始开启至额定开度所需要的过热度增量（即线段AB），称为膨胀阀的有效过热度或可变过热度。其数值的大小与弹簧的刚度及阀芯的行程有关，一般有效过热度约为2～5℃，通常把热力膨胀阀的静装配过热度与有效过热度之和称为工作过热度，即平时所说的过热度。因此，我们只有保证过热度在A、B两点之间，膨胀阀才能达到最大冷量，又不会引起湿冲程。专业空调过热度都要求在５～8℃之间。如果发现过热度不在该范围内，就要进行调整。
3． 定期检查调整膨胀阀的原因
专业空调刚投入运行，膨胀阀是不用调整，但是在空调连续使用几年后，由于阀针的磨损、系统有杂质、阀孔部分有堵塞及弹簧弹力减弱等原因，影响了膨胀阀的开启度，使得膨胀阀偏离了它的工作点，表现为膨胀阀开启度偏小或过大。膨胀阀开启度太小的话，就会造成供液不足(见图四曲线3)，使得没有足够的氟利昂在蒸发器内蒸发，制冷剂在蒸发管内流动的途中就已经蒸发完了，在这以后的一段蒸发器管中没有液体制冷剂可供蒸发，只有蒸汽被过热，因此，相当的一部分管路在传热上未能充分发挥其效能，造成制冷量不足，降低了空调的制冷效果。专业空调的压缩机大多采用蒸发器回来的蒸汽来冷却压缩机，如果膨胀阀开启不够，就造成蒸汽过热度过大，冷却作用减小，压缩机的排气温度增高，润滑油质量降低；压缩机长时间高温，会严重影响压缩机的工作寿命，和睦模块ISOVEL空调就曾发生压缩机长时间高温造成烧机现象。另外由于机房温度降不下来，又增加了压缩机的开启台数,增加了耗电量。与此相反，如果膨胀阀开启过大，即膨胀阀向蒸发器的供液量大于蒸发器负荷，会造成部分制冷剂来不及在蒸发器内蒸发，同气态制冷剂一起进入压缩机，引起湿冲程，甚至冲缸事故，损坏压缩机。99年，杭州市电信分公司景芳二楼程控机房一台ISOPAK专业空调就因为膨胀阀开启过大，造成一个压缩机阀片击穿。因此，有必要定期检查调整膨胀阀。定期检查调整膨胀阀，就是尽量让膨胀阀工作在最佳匹配点。
4. 膨胀阀的调整
4．1．膨胀阀调整前的检查
在调整膨胀阀之前，必须确认空调制冷异常是由于膨胀阀偏离最佳工作点引起的，而不是因为氟利昂少、干燥过滤器堵塞、滤网、风机皮带等原因所引起的。同时，必须保证感温包采样信号的正确性，专用空调的感温包必须水平安装在管的下侧方45度的位置，绝对不可安装在管道的正下方，以防管子底部积油等因素影响感温包正确感温。更不能安装在立管上。检查冷凝器风机控制方式是否是调速，只有调速风机才能保证冷凝压力恒定，如果是压力开关控制，则冷凝压力必须高于14kg/cm2，以防压力开关频繁动作造成压力波动，影响调试的准确性。
4．2．膨胀阀调整时注意事项
热力膨胀阀的调整工作，必须在制冷装置正常运行状态下进行，由于蒸发器出口处无法放置温度计，可以利用压缩机的吸气压力作为蒸发器内的饱和压力来校核过热度。调整中，如果感到过热度太小，即流量太大，则可把调节螺杆按顺时针方向转动半圈或一圈（即增大弹簧力，减小膨胀阀开启度），使流量减小，反之，若感到过热度太大，即供液不足，则可把调节螺杆朝相反方向（逆时针）转动，使流量增大。由于实际工作中的热力膨胀阀感温系统存在在着一定的热惰性，形成信号传递滞后，因此整个调整过程必须耐心细致，调节螺杆转动的圈数一次不宜过多（直杆式膨胀阀的调节螺杆转动一圈，过热度变化大概改变1~2℃），两次调整膨胀阀之间必须间隔15分钟以上。耐心地经多次调整直至满足要求为止。
4．3．膨胀阀具体的调整步骤
4．3．1膨胀阀过热度的测量
过热度如图五所示测量，步骤如下：
1) 停机。将数字温度表的探头插入到蒸发器回气口处的保温层内，准备读出蒸发器回气的温度T1。将压力表与压缩机低压阀的三通相连（HIROSS40UA等没有低压阀的空调，则将压力表与蒸发器上的接头相连），准备读出蒸发器出口压力所对应的温度T2。

2) 开机，让压缩机运行15分钟以上，进入正常运行状态，使系统压力和温度达到一恒定值。现场测得高压压力为18Kg/cm2，高压开关始终处于闭合运行状态，故对系统影响不大，不用作特别处理。
3) 读出蒸发器出口温度T1与蒸发器出口压力所对应的温度T2，过热度为两读数之差。注意，必须同时读出这两个读数，因为膨胀阀是一个机械结构，它的动作会同时引起T1和T2的改变。
膨胀阀过热度应在5-8℃之间，如果不是，则进行调整。
4．3．2具体调整步骤
1) 拆下膨胀阀的防护盖；
2) 转动调整螺杆2—4圈；（专业空调的膨胀阀一般采用压杆式和散型齿轮式，散型齿轮式是用一个小齿轮带动一个大齿轮，调节的圈数比较多，一般可以调2~4圈；压杆式可调圈数比较少，每次调1/4圈；O65空调的膨胀阀采用散型齿轮式）
3) 等10分钟后，从新测量过热度，是否在正常范围，不是的话，重复上述操作。调节过程必须小心仔细。（如果膨胀阀油堵严重，应用无水乙醇进行清洗，再从重新装上；失去调节功能的膨胀阀应更换；更换时，注意安装位置和做好保温）
5．膨胀阀调整实例
现根据上述步骤对杭州市电信分公司惠兴路七局程控机房的HIROSS空调膨胀阀进行了调整，具体过程如下。
惠兴路七局程控机房市话容量6万门，装有三台HIROSS，二台为O55型（94年安装），一台为40UA型（99年安装），能满足制冷量要求。当时室外温度34.8℃，在检查中发现一台94年安装的HIROSS055型空调在两个压缩机都运行的情况下，进回风温差偏小（回风22.5℃，送风16.8℃）空调制冷效果不明显。观察视液镜和干燥过滤器，发现氟利昂充足，排除少氟和过滤器堵塞，进一步检查，发现两台空调压缩机回气有过热、膨胀阀出口处温度偏低现象，用数字式温度计测得其中蒸发器出口温度为18℃，压力表测得回气压力为3.2kg/cm2，对应的温度为-5℃，过热度为23℃，明显偏离正常的过热度，从而诊断为膨胀阀开启度不够，决定调整膨胀阀开启度。进行正确调整后，蒸发器出口温度为12℃，用压力表测得回气压力为4.8kg/cm2，对应的温度为4.5℃，相减后过热度为7.5℃。
现场调整前后的具体数据如下：
HIROSSO55空调数值
蒸发器出口
温度
（度）
压缩机回气
压力
(kg/cm2)
压缩机回气
压力对应的
温度（度）
过热度
（度）
过热度是否
符合要求
厂家调试标准值*
<14
4.5~6
2.5~11
5~8
标准值
1#系统
本次调整前
21.0
3.2
-5.0
26.0
否
本次调整后
13.4
5.0
5.8
7.6
是
2#系统
本次调整前
20.5
4.0
0.0
20.5
否
本次调整后
13.9
5.2
6.0
7.9
是
（注：厂家调试标准值由HIROSS空调上海办事处提供）
本次调整中，1#、2#系统过热度分别为7.6℃和7.9℃，进一步向下调整，系统压力开始出现波动，表明膨胀阀工作超出了MSS线，进入不稳定区，故本次调整，最佳过热度分别为7.6℃和7.9℃。
膨胀阀调整前后的进回风温、湿度如下：

空调回风
空调送风温度
回送风温差

温度（度）
湿度（RH）
温度（度）
湿度（RH）
（度）
调整前
22.5
54.8
16.8
75.4
5.7
调整后
22.5
54.8
14.3
84.3
8.2
1) 查湿空气的焓湿图,可以知道22.5 ℃、54.8% 时，湿空气的含湿量X=9.4g/kg，湿空气的密度可用下例公式计算
ρ=P(1+x)/461.5*(273.15+t)(0.622+x)，kg/m3 （该公式引自于《空调与制冷手册》p22）
空气压力P=101325Pa 。
x为空气的含湿量。
空调的空气质量循环量为G=ρ*风量循环量，HIROSSO55空调的风量循环量为19800M3/S，折算为5.5M3/S，故空气质量循环量
G=101325(1+0.0094)/[461.5*(273.15+22.5)(0.622+0.0094)]*5.5 　　=6.41 kg/s
根据 h=1.005t+x(2500+1.84t),kJ/kg （该公式引自于《空调与制冷手册》P6）
分别算出：
h1=1.005*22.5+0.0094(2500+1.84*22.5)=45.50kJ/kg
h2=1.005*16.8+0.0094(2500+1.84*16.8)=40.67kJ/kg h’2=1.005*14.3+0.0094(2500+1.84*14.3)=38.11kJ/kg
故调整前制冷量
Q=G(h1-h2)=6.41*(45.50-40.67)=30.96KJ/S=30.96KW
调整后的制冷量
Q’=G(h1-h’2)=6.41*(4550-38.11)=47.31 KW
非常接近HIROSSO55空调的标准制冷量（回风温度22 、湿度50%时，标准制冷量为51.5KW）。
调整后制冷量比调整前增大了
47.31-30.96=16.35kw 。
２）通过电流表检测，压缩机调整后电流如下：(压缩机额定电流为14A)
　　　　　　压缩机１
　　　　　　压缩机２
　调整前电流(A)
　调整后电流(A)
　调整前电流(A)
　调整后电流(A)
Ａ相
Ｂ相
Ｃ相
Ａ相
Ｂ相
Ｃ相
Ａ相
Ｂ相
Ｃ相
Ａ相
Ｂ相
Ｃ相
10.2
10.3
9.9
11.5
11.6
11.4
10.4
10.5
10.3
11.8
11.8
11.9
　　膨胀阀调整前后，压缩机电流每相只增加了１个多安培，不到１／１０，但制冷量却增加了近１／３，故增加制冷量的同时，起到了节能的目的。同时，压缩机壳体中部的表面温度从调整前的52℃降低到29℃，表明压缩机冷却良好，从而延长了压缩机的寿命。
６．膨胀阀检查的周期
经过对杭州市电信分公司近二百多台专用空调的运行情况统计，发现膨胀阀偏离工作点的情况通常发生在使用寿命的中后期，因此，决定对膨胀阀的检查调整重点放在空调寿命的中后期上，下面是根据实际统计确立的膨胀阀检查周期。
膨胀阀检查调整周期
使用前4年
5~8年中
第9年以后
1次/年
2次/年
3次/年
另外，在实际中，发现直接采用仪表检查膨胀阀工作情况，往往要浪费大量的时间，于是，采用了目检与仪表检查相结合的方法，即先用眼睛观察压缩机回气管的结露情况，发现异常后，再用仪表检查。这样，可以节约大量的时间，而且完全可以达到检查目的。
7．结束语
经过上述认证，
定期检查膨胀阀并不麻烦，但对空调的制冷效果、空调寿命、节约能源以及保证机房安全具有重要的意义。

参考资料：
1． 彦启森主编.《空气调节用制冷技术》.北京：中国建筑工业出版社，1985
2． 郑贤德主编.《制冷原理与装置》.北京：机械工业出版社，2001
3． 陈沛霖、岳孝方主编.《空调与制冷技术手册》.上海：同济大学出版社，1999第二版