英华特技术分享 | 膨胀阀选型

节流机构是制冷系统的基本元件之一，在制冷系统中起到以下作用：

1.调节系统高低压压差；

2.调节制冷剂流量；

3.保持蒸发器内合理的过热度。

节流元件的性能和可靠性对于制冷系统影响较大。如果节流元件向蒸发器的供液量过大，液态制冷剂可能会进入压缩机导致回液乃至液击问题；如果向蒸发器内的供液量不足，蒸发器换热面积不能充分利用，造成蒸发压力降低，制冷量减小，回气过热度增大等问题。因此节流机构选型至关重要。

目前商业及工业制冷常用的节流元件有热力膨胀阀和电子膨胀阀。从膨胀阀的作用调节高低压压差，控制制冷剂流量，保持蒸发器过热度来看影响选型的因素包括制冷剂的类型，膨胀阀前后压差，膨胀阀的流量即能力等。需要强调的是膨胀阀的选型要以蒸发器设计能力而非压缩机的能力为依据。我们以热力膨胀阀为例介绍一下膨胀阀选择步骤：

1 确定制冷剂种类

首先要确定系统使用的制冷剂型号，因为不同的制冷剂对应不同的压力和材料特性，如R22、R134a、R404A、R507、R407C和R410A等。

2 确定设计蒸发温度，冷凝温度

确认制冷剂类型后确认系统设计的蒸发温度和冷凝温度，我们就得到了对应的蒸发压力和冷凝压力，这是膨胀阀选型的两个基本参数。

3 膨胀阀两端压降计算

（1）冷凝压力（Pc）：这是热力膨胀阀进口端的压力，可以通过制冷系统的设计参数获得。

（2）蒸发压力（Pe）：这是热力膨胀阀出口端的压力，同样可以通过制冷系统的设计参数获得。

（3）供液铜管的压力降（ΔP1）：这是从冷凝器出口到热力膨胀阀进口之间的管路压力损失，还包括弯头、阀件等的阻力损失。可以通过计算管路的摩擦损失来确定。

（4）液体管升高的压力损失（ΔP2）：如果液体管道有高度差，还需要考虑由于液体管升高产生的压力损失，可以用公式ΔP3=ρgh计算，其中ρ是制冷剂的密度，g是重力加速度，h是液体管道的升高高度。

（5）分液器和分液毛细管的压力降（ΔP3）：这是由于分液器和分液毛细管造成的额外压力损失，通常可以取经验值1bar。

综合以上因素，热力膨胀阀需要的压降（ΔP）可以通过以下公式计算：

ΔP=Pc–(ΔP1+ΔP2)−ΔP3−Pe

膨胀阀选型时阀前压力并不是冷凝压力。虽然这高压部分的压力降影响相对小，但是特定系统如采用闪蒸经济器的系统在选择膨胀阀时需要将这部分压降也考虑进去,这会对膨胀阀选型产生直接的影响。

下图为某品牌选型软件对于蒸发温度-25℃下，冷量10kW时阀前压降分别为0.5bar和11bar时的膨胀阀选型推荐分别为DPF3.0和DPF3.2，且负荷比有较大的差异。

4 膨胀阀入口液体温度（过冷度）确定

根据系统冷凝器的配置情况和是否存在辅助过冷的装置确认合理的阀前过冷度值。过冷度对于膨胀阀的能力有较大影响，需要根据过冷度选择对应的膨胀阀能力修正系数。

5 膨胀阀能力和过热度确认

膨胀阀是向蒸发器提供压降，并控制制冷剂流量及过热度。所以必须根据膨胀阀对应的蒸发器的能力和设计的系统过热度来确认所需膨胀阀的制冷量及过热度。

6 热力膨胀阀型式选择

热力膨胀阀有内平衡式和外平衡式的，它们的区别简单来说就是内平衡式膨胀阀膜片下面感受到的是蒸发器入口压力，外平衡式膨胀阀膜片下方感受到的是蒸发器出口压力。因此对于蒸发器压力损失或压力降较大如有分液器的系统，流动阻力大、盘管长的，如蒸发排管系统等都建议使用外平衡式的热力膨胀阀。

需要注意的是：当热力膨胀阀负荷比低于30%时易出现膨胀阀振荡现象，即膨胀阀交替开大、关小，无法进入一个稳定工作状态。

从上图(c)中可以清晰地看出膨胀阀负荷比在29%时，过热度出现剧烈的有规律的上下波动，即系统出现振荡现象，而在膨胀阀负荷比分别为31%（图(b)所示）和33%（图(a)）时，系统正常运行。但与图(a)相比较，图(b)曲线显示明显在幅度增大并有周期性演化的趋向。【1】

因此热力膨胀阀选型时负荷比需要取30%~100%区间。电子膨胀阀的控制精度好于热力膨胀阀，建议负荷比取10%~100%区间。下图为某品牌测试的冷库系统膨胀阀过大时系统温度，过热度及制冷剂流量变化图：

因此，对于周期性负荷波动较大系统建议对系统负荷最小负荷和设计负荷做计算，避免最小负荷状态时进入膨胀阀的不稳定工作区，导致系统异常波动。以典型的采用变频压缩机制冷系统为例：

某采用英华特变频压缩机的-18℃库温的制冷系统，其设计蒸发温度，冷凝温度-25℃/40℃。系统运行初始阶段压缩机以90Hz高频运行，将温度在规定时间内从室温快速降至-18℃后降频，通过低频持续运行保证温度稳定，最低运行频率为30Hz。降温期间系统最大负荷5.8kW，恒温阶段系统负荷1.7kW。该工况下，系统制冷剂的质量流量会从90Hz时的206.4kg/h降至30Hz时的60.8kg/h。

如果系统按照降温阶段最大负荷做冷风机和热力膨胀阀选型，热力膨胀阀在系统恒温阶段就会因为流量过小进入不稳定状态，导致系统压力及过热度异常波动。

这对于有恒温需求的系统来说难以保证稳定温度，需要针对不同负荷阶段设置不同的热力膨胀阀。

同工况如果采用电子膨胀阀，因为电子膨胀阀的稳定工作区间更大，且可通过控制器直接响应压缩机频率变化，调节精度和速度显著优于热力膨胀阀。因此变频系统节流组件优先选择电子膨胀阀。

以上，我们对膨胀阀选型的必要条件做了总结，并对于典型系统中膨胀阀选型中需要注意的问题做了选型计算介绍。希望能对大家的实际应用有所帮助。

参考文献：

【1】热力膨胀阀选型方法研究及对系统可靠性的影响 P28 李丽芬