一种新型压差控制自适应节流膨胀阀

摘 要   在深冷工程中,其所用制冷剂的节流膨胀由于存在着低温流体(尤其是低温两相流)流量难以准确测定的问题,很难实现流量自动控制.因此常采用固定流通截面的节流元件,但这种节流元件不能很好地适应制冷系统(尤其是在混合制冷剂制冷系统变工况运行的状况下),导致制冷系统效率下降,从而影响了整个低温系统的效率.为此,针对深冷多元混合工质节流制冷系统的变工况运行情况,设计出了一种能够根据节流前后的压差,自动调节循环流量的自适应节流阀.该节流阀是机械式自适应阀,结构简单、设计有新意,适用于低温场合,具实用价值.分别在室温和深冷环境下进行的流量实验表明,该压差控制节流阀调节流量的能力较强.

关键词   深冷   混合工质   节流   制冷机   自适应   节流阀   压差   控制



采用回热方式的多元混合工质制冷机可以有效提高制冷效率而实现更低的制冷温度，并且可以利用普冷领域广泛应用的单级油润滑压缩机驱动。由于制冷系统中混合工质与普冷工质在物性上具有很大的区别，会导致压缩机运行参数与采用普冷工质产生很大变化。对普冷运行工况时，由于温区跨度相对较小及工质本身的特性，当环境温度确定。压缩机冷凝压力（对应于压缩机排气高压）就已经确定。当达到制冷温度时，蒸发压力（对应于压缩机吸气低压）也就确定了。因此系统在整个运行过程中压力工况变化不大。而且普冷领域目录已经有成熟的技术措施实现制冷机控制来满足不同工况问的变换，如采用热力膨胀和电子膨胀阀可以调节蒸发器出口过热度，满足不同负荷需求，另外，普冷领域曾经采用过一种自动膨胀阀，又称为恒压膨胀阀，其工作原理是利用预先设定的弹簧压力实现蒸发压力的恒定，但是这种膨胀阀对于负荷变化呈现一种负反馈特征，即负荷大节流阀开度变小，制冷机流量进一步变小；或负荷减小，阀门开度却变大，造成系统运行不稳定，现在已很少使用。

对于深冷混合工质制冷系统，由于低沸点组元工质的采用，在制冷启动过程初期，整个系统基本处于较高温度，系统内工质绝大部分为气相，随着制冷的降低，制冷系统中除压缩机和冷凝器外的其他部件内工质的液相含量则会逐步增加，当制冷温度达到最低时，整个制冷系统内的工质液相含量达到最高。一方面，工质气液相的比容相差很大；另一方面，对于固定通道面积的节流元件，如常用的毛细管，其气相工质的通过能力显然没有液相工质大。因此对于一个容积固定的制冷系统，在一定工质充注量的情况下，必然会导致运行压力工况变化很大。其特点是在启动初期，几乎全部为气态工质通过固定流通面积的节流元件，因而系统压缩机排气压力很高，压缩机吸气压力很低，循环工质流量小，对应的制冷量小，使降温时间变长；随着系统温度的降低，通过节流元件的工质进入气液两相状态，流量相对增加，因而压缩机排气高压会降低，压缩机吸气低压会升高。上述变化趋势随着温度的降低进一步发展，最终到达稳定状态。到最终温度运行时，高低压差比最初压差减小很多。如最初压差一般在2.0MPa左右，而最终压差可能有会降低到1.0MPa。高低压差的降低，会大大减小工质的节流制冷效应，导致单位流量的工质制冷效率下降；同时对于固定容积的制冷系统，此时由于压缩机吸气低压升高，排气高压降低，系统循环流量增大来满足冷却负荷要求，增大的流量会增加回热换热器的换热负荷，增加换热温差；同时会增加流动阻力，进一步使系统效率下降。压缩机吸气低压升高带来另外一个负面影响就是使制冷温度升高。此外，对于具有固定通道面积的节流元件，例如毛细管，其结构参数是根据制冷系统达到稳定状态运行下的工况是适合的，而对应于其他状态则不是最优的。因此，保持一定节流前后压差范围对于深冷混合工质制冷机具有重要意义。

本文介绍了一种新型的压差控制自适应节流膨胀阀，能够实时反映压差变化，可以迅速调节流通量大小，确保节流前后压差在一定范围内变化，保证制冷系统变工况运行的平稳和高效，同时此阀结构简单，成本低，无需另外的控制器件。

1   新型压差控制自适应节流膨胀阀的结构设计

该自适应节流膨胀阀由压差感应机构和通量调节结构构成。图1是自适应节流膨胀阀的结构示意图。压差感应机构由外壳、压力弹簧、一端封闭的弹性波纹管构成；通量调节机构由阀体、传动杆和阀针构成。弹性波纹管与外壳构成低压感应腔体A，波纹管与阀体构成高压感应腔体B，压力弹簧用以平衡腔体之间压差产生的力；传动杆与波纹管的封闭端相连，阀针连接在传动杆上面；压差变化使波纹管产生位移，通过传动杆带动阀针运动，因而可以调节节流膨胀阀的开度。反馈毛细管连接低压出口与低压感应腔体相连，用以感应低压变化。其工作过程如下：根据预先调整的弹簧压力，节流膨胀阀在设定压差下保持设定开度；当高低压之间的压差变大时，波纹管通过传动杆带动阀针向上运动。因此，通孔开度变大，流量增加使节流前后压差不再增大而保持一个平衡；反之，当压差减小时，波纹管通过传动杆动阀针向下运动。因此，通孔开度减小，流量减小使节流前后压差增大保持一个新的平衡，由此可以通过感应节流前后压差的变化来调节节流孔开度，实现自适应调节目的。



图1  新型自适应节流膨胀阀结构示意图

1.外壳；2.压力弹簧；3.弹性波纹管；4.阀体；5.传达室动杆；6.阀针；7.所馈毛细管

2   新型压差控制自适应节流膨胀阀的实验结果

针对上述新型压差控制自适应节流膨胀阀，分别进行了室温氮气和深冷混合工质的流量特性实验。具体实验结果如下。

在毛细管室温氮气流量特性实验台的基础上，进行了自适应节流膨胀阀的实验。同时与毛细管的室温流量特性进行对比，对比毛细管特征尺寸为：内径1.2mm，长度为1.0m。结果如图2所示。



图2  自适应节流膨胀阀与毛细管氮气流量特性的对比图

从实验结果可以看出，与毛细管的流量特性（流量与压差呈线性关系变化）不同，自适应节流膨胀阀的流量特性明显呈非线性变化。在压差较小时，自适应膨胀阀的流量比较小，随着节流前后压差的增大，流量由明显增长。如图2所示，在节流前后压差为0.1MPa时，膨胀阀的流量为0.12m3/h,毛细管的流量约为0.5m3/h，是膨胀阀流量的4倍，当节流前后的压差增大到0.6m3/hMPa时，毛细管的流量是1.84m3/h，而膨胀阀的流量增大到3.65m3/h，约为毛细管流量的2倍。实验结果表明，自适应节流膨胀阀随着节流前后压差的变化而对流量有明显的调节作用。

在毛细管深冷混合工质流量特性实验台上，进行了自适应节流膨胀阀的实验。为了实时测量节流前后的压力，分别在节流前后安装了2个压力传感器（AK-2型，航天工业总公司701研究所），对每个压力传感器都单独进行了标定，标定范围为0.1～2.5MPa，精度为±0.5%。图3分别是制冷系统内存在热负荷时两种节流元件的前后压力以及流量的变化图。图中：p表示压力；Q表示是流量；pin表示节流前压力；pout表示节流后压力；t表示时间。



图3  节流前后压力及流量变化图

从实验结果可以看出，以毛细管作为节流元件的制冷系统内，在加上一定的热负荷时，由于系统内温度的升高，气相成分有所增加，导致节流前压力升高。节流后压力降低，流量出会一直不断地减小，这种趋势会随着热负荷的不断增加而变大；而以自适应膨胀阀作为节流元件的制冷系统内，在加上热负荷的一段时间内，由于节流前后压差的增大，膨胀阀通量变大而使得流量在初期会有所增加，随着制冷系统的进一步稳定，流量会随着工质气相成分的不断增加而减小。需要说明的是，这种变化也与热负荷的大小有关系，如热负荷较小时，由于节流前后的压差变化较小，流量仍然会降低。加外，实验还表示：采用自适应膨胀阀在制冷系统的降温初期。由于压差较大的关系，系统内的流量会比固定通道面积的毛细管大，使得系统降温时间减少而迅速达到稳定状态。

3   结论

针对深冷混合工质制冷系统的特点，设计出了一种新型的压差控制自适应节流膨胀阀，能够实时反映压差变化且迅速调节流量大小，确保节流前后压差在一定范围内变化，保证制冷系统变工况运行的平稳和高效，同时此阀结构简单、成本低，无需另外的控制器件。

对新型压差控制自适应节流膨胀阀分别进行了室温氮气流量特性和深冷混合工质流量特性的实验。室温下自适应膨胀阀的流量特性与毛细管的流量特性有着明显的差别。随着节流前后压差的增大，膨胀阀流量迅速增大。用于深冷混合工质制冷系统中的初步实验表明，采用自适应膨胀阀作为节流元件时，其流量调节范围较具有固定流通面积和毛细管要大。

楼主的好帖，有理论有实际，让我明白了不少东西。谢谢。我就在实践中用过一个外国品牌的自力式压差调节阀，很好用。有兴趣的朋友可私下交流。