热力膨胀阀的工作原理——受力分析

在感应机构内灌注液体制冷剂后，与其温度相对应的饱和压力p就通过毛细管而作用在膜片的上波纹面(参看图6-2)。使膜片有一向下的推力P,其值等于p×(膜片受压面积)。再看阀体里面部分，整个阀体是处在阀孔喷射出的低压湿蒸汽区域，其压力就是蒸发压力P0，它充满整个阀体中，并且通过传动杆孔之间的间隙，作用于膜片的下波纹面形成一个向上作用力P0。其值等于p0×(膜片受压面积)。还有一个向上的弹簧压缩力W，它通过传动杆和垫片也传给膜片的下波纹面。至于由冷凝压力pk引起的作用于阀针上的向下力pk，其值等于pkx(阀针孔面积)，但因阀针孔面积很小，故pk值很小，在分析时可以忽略不计。因此，膜片的上下两面分别作用着P,P0与W力，并且是方向相反地对抗着，当三个力处在平衡状态即P=Po+W时，膜片不动，也就是阀针的位量不动，阀针孔的开启度不变。只要这三个力中任一力变化就会破坏原有的平衡，此时P≠Po+W。P与(Po+W)的差值称不平衡力。由于膨胀阀各活动零件之间存在摩擦力，当不平衡力小于摩擦力时，膜片仍处于原位置不动，只有当不平衡力大于摩擦力时，膜片才开始动作(从而改变了阀针孔的开启度)。此时弹簧的伸长度发生变化，W值就相应改变，直至建立新的平衡位置时(P,P0与W三力重新平衡)，膜片才停止动作。由于膨胀阀内各活动零件之间的摩擦力很小，一般在分析时亦可忽略不计。

膨胀阀的工作原理就是利用P力的变化来改变阀针孔的开启度，从而改变制冷剂的流量，实现自动调节。膨胀阀工作时，可把感温包扎在蒸发器出口管道上，如图6-3所示。此时，感温包中的饱和压力P是讯号，由p而引起的P力是主动力，因为感温包所处C点的过热温度总是大于蒸发温度，故一般情况下，P力总是大于PO力。如果P力与PO力相等，不管有无弹簧力W,阀门将无法起调节作用。如果P力大于P0力，而无弹簧力W作用，将永远使阀门处于开足位置而亦无法实现调节。因此，弹簧力W是起着平衡调节作用的力，改变W力的大小，可以改变膨胀阀的工作性能。当p>(Po+W)时，膜片向下移动，使阀针孔开大;当P< (Po+W)时，膜片向上移动，使阀针孔关小。从阀针孔严密关闭到克服W力后开始开启所需的过热度(C点过热温度与蒸发器内蒸发温度之差)，称膨胀阀的静装配过热度(一般约为3℃)"膨胀阀的工作过热度(一般5℃左右)总是大于静装配过热度。静装配过热度太小会造成膨胀阀关闭不严密，以及可能因吸气管带液而使压缩机产生液击。静装配过热度太大又会造成膨胀阀的工作过热度过高而使蒸发器传热面积得不到充分利用，影响制冷机工作经济性。

现在以图6-3冷库的蛇形蒸发排管为例，来说明膨胀阀的工作情况。该制冷系统采用F-12为制冷剂，膨胀阀的感温包也充注F-12。感温包扎在蒸发器出口的蒸汽过热区(C点)。液态F-12经膨胀阀孔节流喷入阀体成为低温湿蒸汽，从A点流入蒸发排管，在排管中蒸发吸热，使湿蒸汽中液体成分逐渐减少，至B点时全部蒸发成干蒸汽。如忽略排管内流动阻力，则在B点前F-12的温度不变，即为该蒸发压力下的饱和温度。当干蒸汽离开B点后，将继续吸热成为过热蒸汽，温度逐渐上升，至C点的温度作为膨胀阀感温包受传感的过热温度，温包内的F-12压力是C点过热温度相对应的饱和压力(忽略蒸发排管与感温包的传热温差)。

冷库在连续降温过程中，膨胀阀阀孔随着C点过热度的变化在频繁地开大与关小。设开始时排管内F-12的蒸发压力P0为1.86公斤/厘米2，相应的蒸发温度为一15℃(B点前)，在C点的过热温度为一10.5℃。如忽略传热温差，则感温包内F-12的充剂温度亦为-10.5℃,感温包内的饱和压力P则为2.19公斤/厘米2，膨胀阀的工作过热度为4.5℃。又设折算的弹簧压紧力w(其值等于弹簧压紧力w除以膜片受压面积)为0.23公斤/厘米2(约相当于静装配过热度3℃)。此时膜片受到的向下不平衡力(折算至每厘米2膜片受压力)为:

此不平衡力促使膜片向下移动，阀针孔开始开大，制冷剂流量随着增加，蒸发压力与温度上升，干蒸汽B点的位置左移至B1点。同时亦使弹簧的压缩力有了增加，直至三力平衡(P=Po+w)为止，阀门才停止动作。

然而这一平衡现象是暂时的。因为当阀门开大，制冷剂流量增大，蒸发温度上升后，C点制冷剂的过热温度亦要下降。但由于温度传递有滞后现象，C点制冷剂的温度变化不能立即反映到感温包内。随着时间的推迟，感温包内F-12的温度才逐渐下降，从而又使膜片上面的压力p值下降，出现p< (Po+w)的情况，此时膜片就要向上移动，阀针孔关小，制冷剂流量随着减小，蒸发压力与温度下降，干蒸汽点位置由B1后移至B2点。同时亦减轻了弹簧的压缩力，直至三力再次平衡，阀门又停止动作。

同样，这一平衡现象仍是暂时的。因为蒸发温度下降后，C点的过热温度又有些升高，由于温度传递的滞后现象，要经过片刻后感温包内的温度才会逐渐上升，从而再次使p值增高，出现P>（p0+w)的情况而使阀针孔开大。干蒸汽点由B2前移至B3..3…热力膨胀阀就是这样频繁地开大、关小地工作。冷库降温的初阶段，阀门动作的辐度较大，降温快。当接近终温时，由于蒸发温度与冷库温度差小，阀门每一动作的辐度逐渐缩小，降温速度就减慢。从上例中看出，每开大或关小一次，其蒸发温度就下降一点，因此，膨胀阀的流量是波浪式地逐步减小。当工作过热度减至最低限度时(不小于静装配过热度)，阀门就无能力自行缩小了。若人为地过分放松弹簧的压缩予紧力，阀门就会失去控制作用，出现突跳现象，破坏了正常降温。

一个理想的热力膨胀阀应当控制使进入蒸发器中的液态制冷剂正好等于在蒸发器中蒸发的数量;在工作温度条件下，过热度不能过高，以便使蒸发器能够得到充分的利用;在工作过程中应当随着冷负荷的变化迅速改变进入蒸发器的液态制冷剂的数量，使之保持平衡。但是，由于膨胀阀感温包所感受的温度不那么及时，因为感温包本身有一个热惯性，使讯号传递有滞后现象。例如:当阀门开大时，过热度就随着缩小，由于感温包的感受热量不及时，阀门还继续开大，以致超过正常的需要量，过量液体进入蒸发器，使蒸发器出口管道(即口点)的过热度小于所要求的过热度，阀门才关小。同理，在阀门关小时，过热度随着增大，也由于感温包的感受热量不及时，阀门还继续关小，以致小于正常需要量，使进入蒸发器的流量不足，蒸发器出口管道(即C点)过热度大于所要求的过热度，阀门才开大，如此反复不已。另外，由于膨胀阀各活动零件之间存在摩擦力，所以膨胀阀的供液量总是如图6-4所示波动地进行着，不能完全适应制冷系统实际需要的供液量，所以热力膨胀阀的灵敏度还不理想，有待于进一步改革。