7.4　節流部件

7.4.1　毛細管

毛細管一般內徑為0.7～2.5mm，長0.6～6m，適宜于冷凝壓力和蒸發壓力較穩定的小型熱泵裝置。

（1）毛細管的特點

①由紫銅管拉制而成，結構簡單，制造方便，價格低廉。

②沒有運動部件，本身不易產生故障和泄漏；與冷凝器和蒸發器通常采用焊接連接，連接處不易出現漏點。

③具有自補償的特點，即液態工質在一定壓差（冷凝壓力和蒸發壓力之差）下流經毛細管的流量是穩定的，當熱泵負荷變化導致壓差增大時，工質在毛細管內的流量也變大，使壓差回復到穩定值，但這種補償的能力較小。

④壓縮機停止運轉后，系統內的高壓側（冷凝器側）壓力和低壓側（蒸發器側）壓力可迅速得到平衡，再次啟動時，壓縮機的電動機啟動負荷較小，故可不用啟動轉矩大的電動機，這一點對半封閉和全封閉式壓縮機尤為重要，較適于熱泵采用開停調節制熱量和控制制熱溫度。

⑤毛細管的調節能力較弱，當熱泵的實際工況點偏離設計點時，則熱泵效率就要降低。此外，采用毛細管作節流部件時，要求工質充注量要準確。

⑥當工質中有臟物，或當蒸發溫度低于0℃而系統中有水時，易將毛細管的狹窄部位堵住。

（2）毛細管計算公式

工質在毛細管中流動可能有過冷液流動（過冷段）、氣液兩相流動（兩相段）和過熱氣流動（過熱段），但熱泵中通常只有過冷段和兩相段；當毛細管中工質與外界無熱交換時，為絕熱毛細管；有熱交換時，為非絕熱毛細管，熱泵中通常為絕熱毛細管。

①絕熱毛細管長度計算公式

過冷段長度計算式為：

　　（7-111）

式中，L_SC為毛細管過冷段長度，m；Δp_SC為過冷段壓降，Pa；D_I為毛細管內徑，m；f_SC為過冷段平均摩擦阻力系數，無量綱；v_SC為過冷液比體積，m³/kg；G_R為工質質量流速，kg/（m²·s）。

兩相段長度計算式為：

 

　　（7-112）

 

式中，L_TP為毛細管兩相段長度，m；D_I為毛細管內徑，m；f_TP為兩相段摩擦阻力系數（可取兩相段進、出口摩擦阻力系數的平均值），無量綱；v_TPO為兩相段出口處工質比體積，m³/kg；v_TPI為兩相段入口處工質比體積，m³/kg；p_TPI為兩相段進口處工質壓力，Pa；p_TPO為兩相段出口處工質壓力，Pa；G_R為毛細管中工質質量流速，kg/（m²·s）；k₁為方程參數，無量綱。

過熱段長度（工質近似按理想氣體處理）計算式為：

　　        （7-113）

式中，L_SH為毛細管過熱段長度，m；D_I為毛細管內徑，m；f_SH為過熱段摩擦阻力系數，無量綱；f_SHI為過熱段進口處摩擦阻力系數，無量綱；f_SHO為過熱段出口處摩擦阻力系數，無量綱；v_SHO為過熱段出口處工質比體積，m³/kg；為過熱段入口處工質比體積，m³/kg；p_SHI為過熱段進口處工質壓力，Pa；p_SHO為過熱段出口處工質壓力，Pa；G_R為毛細管中工質質量流速，kg/（m²·s）；R為氣體常數，J/（kg·K）；T為過熱氣溫度，K。

工質在過冷段、兩相段及過熱段中摩擦阻力系數的計算式為：

　　（7-114）

當工質處于兩相段時，動力黏度計算式為：

式中，Re為工質流動的雷諾數，無量綱；A、B為方程參數，無量綱；e/D_I為毛細管內壁的相對粗糙度（一般可取為3.27×10^-4），無量綱；G_R為毛細管中工質質量流速，kg/（m²·s）；D_I為毛細管內徑，m；μ為工質的動力黏度，Pa·s；x為工質處于兩相時的干度，無量綱；μ_V為工質飽和氣的動力黏度，Pa·s；μ_L為工質飽和液的動力黏度，Pa·s。

熱泵中毛細管通常包括過冷段和兩相段，已知工況參數、工質流量及選定毛細管內徑后，分別計算出過冷段長度和兩相段長度，相加即得所需的毛細管長度。

當工質在毛細管出口處流速達到當地聲速時，毛細管處于壅塞流動狀態，毛細管出口壓力大于或等于背壓，此時的毛細管質流率（質量流速）稱為壅塞質流率或臨界質流率，其計算式為： 

　　（7-115）

式中，G_RC為臨界質流率（與毛細管結構尺寸無關，只與當地干度及工質熱物性有關），kg/（m²·s）；x為毛細管出口處工質的干度，無量綱；v_V為飽和氣的比體積，m³/kg；v_L為飽和液的比體積，m³/kg；s_V為飽和氣的熵，J/（kg·K）；s_L為飽和液的熵，J/（kg·K）；p為工質壓力，Pa。

當毛細管結構尺寸（長度及內徑）、工況參數等已知，需計算流過毛細管工質流量時，其計算步驟如下。

步驟一：假設毛細管出口壓力等于其背壓，計算此時的臨界質流率G_RC。

步驟二：假設毛細管按臨界質流率G_RC流動，計算其長度。

步驟三：將計算長度與已知長度比較。如計算長度與已知長度差值在合理范圍內，則毛細管工質質流率即為其臨界質流率；如計算長度大于已知長度，說明實際質流率大于臨界質流率，毛細管出口壓力高于背壓，此時需重新假設出口壓力，直到計算長度約等于已知長度時，所得質流率即為所求；如計算長度小于已知長度，則說明實際質流率小于臨界質流率，不出現壅塞，出口壓力等于背壓，此時只需在小于G_RC的質流率范圍搜索一個適宜的質流率，使計算得到的毛細管長度等于已知長度即可。

對毛細管長度也可采用簡化計算式進行估算。借鑒管道阻力計算方程，且對毛細管中工質進行均相處理，摩擦阻力系數采用： 

　　        （7-116）

則可得到毛細管長度的簡化計算式為： 

　　（7-117）

式中，L為毛細管長度，m；D_I為毛細管內徑，m；Re為工質在毛細管內流動的雷諾數，無量綱；p_C為工質在毛細管進口處的壓力（約等于工質在冷凝器的冷凝壓力），Pa；p_E為工質在毛細管出口處的壓力（毛細管直徑選取適宜時約等于工質在蒸發器中的蒸發壓力），Pa；ρ為工質的密度，kg/m³；V為工質的流速，m/s；ν為工質的運動黏度，m²/s。

實際應用該式時，可分段計算，也可采用進、出口平均參數一步計算，但在毛細管內徑選取時，應使工質在毛細管中的質流率不大于其臨界質流率。

②絕熱毛細管壓降計算公式　工質在管內流動近似按工業光滑管處理時，工質在毛細管中流動時壓降隨長度變化的計算式為： 

　　        （7-118）

式中，Δp_i為第i管段的壓降，Pa；G_R為工質在毛細管中的質量流速，kg/（m²·s）；ΔV_i為工質在第i管段進、出口截面的流速差，m/s；f_i為工質在第i管段的摩擦阻力系數，無量綱；V_Mi為工質在第i管段進、出口截面的流速平均值，m/s；ΔL_i為第i管段的長度，m；D_I為毛細管的內徑，m；f_L為管段內為液態工質時的摩擦阻力系數，無量綱；f_TP為管段內工質為兩相時的摩擦阻力系數，無量綱；e/D_I為相對粗糙度（取3.8×10^-4），無量綱；Re為雷諾數，無量綱；μ為工質的動力黏度，Pa·s。

7.4.2　熱力膨脹閥

熱力膨脹閥安裝在蒸發器進口處，由感溫包測知蒸發器出口處工質的過熱度，由此判斷工質流量的適當與否（過熱度較大時，說明工質流量不足；過熱度較小時，說明工質流量過大），并通過調整閥的開度控制工質的流量。

（1）熱力膨脹閥的類型與特點

熱力膨脹閥主要分為兩種：內平衡式熱力膨脹閥和外平衡式熱力膨脹閥。

①內平衡式熱力膨脹閥　結構及安裝示意如圖7-12所示。

在內平衡式熱力膨脹閥中，來自感溫包（感溫包貼在蒸發器出口處，其中裝有感溫介質，蒸發器出口處工質蒸氣的溫度變化時，感溫介質的壓力按一定規律變化）的蒸氣（或液體）壓力作用在膜片的上側，蒸發器入口處的工質壓力和彈簧壓力作用在膜片的下側。膜片與閥桿連接，當蒸發器出口處工質的過熱度變化時，感溫包壓力變化，驅動膜片帶動閥桿調節閥的開度，使工質的流量發生變化。通過調節螺釘，可調整閥中彈簧的壓力，對熱力膨脹閥的設定參數進行微調。

內平衡式熱力膨脹閥適用于工質流經蒸發器時壓降不大的情況，否則宜采用外平衡式熱力膨脹閥。

②外平衡式熱力膨脹閥　結構和安裝示意如圖7-13所示。

與內平衡式熱力膨脹閥相比，該閥多了一條外部平衡管，該管下方與蒸發器出口處的工質相連通，上方接膜片下部的空間，從而使膨脹閥所提供的過熱度與蒸發器出口處的飽和溫度相適應，而不受因蒸發器壓降所引起的工質飽和溫度變化的影響。為了保證閥的正常工作，膜片下部的空間與蒸發器入口處隔絕，膜片的運動通過密封片傳遞給閥桿。

（2）熱力膨脹閥的流量計算公式

工質流過熱力膨脹閥的質量流量的近似估算式為（準確數據應以產品樣本資料或實測數據為準）： 

　　        （7-119）

對圓錐形閥針：

式中，m_R為通過熱力膨脹閥的工質流量，kg/s；C_D為流量系數，無量綱；A_V為熱力膨脹閥的通流截面積，m²；ρ_I為工質在閥進口處的密度，kg/m³；p_C為工質的冷凝壓力，Pa；p_E為工質的蒸發壓力，Pa；v_O為工質在閥出口處的比體積，m³/kg；ρ_CL為工質在冷凝壓力下飽和液的密度，kg/m³；x_O為工質在閥出口處的干度，無量綱；v_EV為工質蒸發壓力下飽和氣的比體積，m³/kg；v_EL為工質在蒸發壓力下飽和液的比體積，m³/kg；H為閥針提升（開啟）高度，m；D_I為閥孔直徑，m；α為閥針角度，（°）。

對常用工質，其流過熱力膨脹閥的質量流量的簡化計算式為： 

　　（7-120）

式中，m_R為通過熱力膨脹閥的工質流量，kg/s；K為主要與工質物性有關的常數，工質為R22時取為15346，工質為R717時取為10855；C_D為流量系數（對R22，約0.65～0.75；對R717，約0.5～0.6），無量綱；A_V為熱力膨脹閥的通流截面積，m²；p_C為熱力膨脹閥進口處的壓力（約等于冷凝壓力），bar；p_E為熱力膨脹閥出口處的壓力（約等于蒸發壓力），bar。

（3）典型熱力膨脹閥的規格參數

R22工質不同通孔直徑的熱力膨脹閥在變工況時性能數據如表7-23所示。

（4）熱力膨脹閥的選用方法

①類型選擇　自熱力膨脹閥出口至蒸發器出口，熱泵工質的壓降導致的溫度下降超過2～3℃時，選用外平衡式熱力平衡閥，否則，選用內平衡式熱力膨脹閥。

實際應用中，蒸發器前無分液器時，工質流經蒸發器的壓降通常不大，可考慮選用內平衡式熱力膨脹閥；蒸發器前有分液器時，往往工質在流經分液器時阻力較大，此時宜選用外平衡式熱力膨脹閥。

②容量選擇　基本原則是使通過熱力膨脹閥的工質流量與蒸發器的熱負荷相匹配，因此，應保證在不同使用工況下，膨脹閥的容量略大于蒸發器的熱負荷，裕量可取20%～30%。

膨脹閥的容量受工質在閥前后參數的影響很大，如進口狀態、閥前后壓差等，閥前后壓差與工質冷凝壓力和蒸發壓力之差的關系近似為：

 Δp_VIO≈p_CO-p_EI-Δp_CY-Δp_GG-Δp_SJ-Δp_FJ-Δp_FY-Δp_GJ-Δp_YW-Δp_GL　　（7-121）

式中，Δp_VIO為膨脹閥前后的壓差，Pa；p_CO為冷凝器出口處工質的壓力，Pa；p_EI為蒸發器進口處工質的壓力，Pa；Δp_CY為工質流經儲液器壓降，Pa；Δp_GG為工質流經干燥過濾器的壓降，Pa；Δp_SJ為工質流經視鏡的壓降，Pa；Δp_FJ為工質流經各種閥件（電磁閥、球閥、單向閥等）的壓降，Pa；Δp_FY為工質流經分液器的壓降，Pa；Δp_GJ為工質流經管件（三通、四通、彎頭、擴口、縮口等）的壓降，Pa；Δp_YW為液管高度差引起的壓降，Pa；Δp_GL為工質在管路中流動的沿程壓降，Pa。

工質在管路中的流動的沿程壓降計算式為：

　　（7-122）

式中，f_YC為沿程阻力系數，無量綱；ρ_CL為冷凝壓力下工質液體的密度，kg/m³；V_RL為管路中工質液體的速度，m/s；L為管路長度，m；D_I為管路內徑，m；Re_F為工質液體流動的雷諾數，無量綱；ν_CL為冷凝壓力下工質液體的運動黏度，m²/s。

工質流經閥件或管件的壓降可用其當量長度確定，部件閥件和管件在不同配管直徑時的當量長度如表7-24所示。

液管進、出口高度差引起的壓降計算式為：

Δp_YW=ρ_CLgΔH　　        （7-123）

式中，g為重力加速度，m/s²；ΔH為液管高度差（膨脹閥高于冷凝器出口時），m。

分液器及分液管的壓降通常可取為：

 Δp_FY=50kPa

此外，為保證工質在膨脹閥進口處為液相形式，應使工質在冷凝器出口處有一定的過冷度，過冷度大小與冷凝器出口至膨脹閥進口之間的壓降相適應，且應有一定的裕量，以保證極端工況下膨脹閥工作的穩定性。

膨脹閥容量及其前后壓降確定后，即可參考生產商提供的產品樣本選取適宜的熱力膨脹閥；當膨脹閥實際工況或工質與生產商樣本不同時，可通過閥流量計算式進行換算。

③膨脹閥前后接口型式選擇　熱力膨脹閥可能有螺紋接口和焊接接口，前者可更換性好，但操作復雜，易出現泄漏；后者處理簡單可靠，但膨脹閥有故障時更換難度較大。

膨脹閥前的工質液管盡量與膨脹閥的進口尺寸相配套，膨脹閥后的兩相流動管路盡量與膨脹閥的出口尺寸相配套。

④其他考慮因素　工質流過膨脹閥對閥件沖擊較大，影響其穩定性，可考慮選用具有沖擊平衡設計、穩定性較好的膨脹閥；壓縮機開機時往往會出現吸氣壓力短時間陡降，為此可考慮選擇壓縮機開機時閥的工質通道全開的膨脹閥；當機組有制熱、制冷等不同運行模式，工質可能需正向或反向流過膨脹閥時，可考慮選用雙向熱力膨脹閥。

⑤熱力膨脹閥選用示例

示例一：蒸發器設計熱負荷為38kW，工質為R22，蒸發溫度為0℃，蒸發壓力為398kPa，冷凝壓力為1375kPa，冷凝器和蒸發器之間管路及閥件壓降之和為270kPa（膨脹閥除外），熱力膨脹閥選用方法如下。 

計算膨脹閥進、出口壓降：

 Δp_VIO=1375-398-270=707kPa

根據蒸發溫度為0℃，膨脹閥前后壓降為707kPa，蒸發器熱負荷為38kW，可選標稱蒸發器熱負荷為44.2kW的H型熱力膨脹閥。

示例二：熱泵工質為R22，蒸發器熱負荷為14kW，蒸發溫度為5℃，冷凝溫度為40℃，蒸發器分六路供液，供液管內徑為13mm，供液管長度為30m，蒸發器安裝在儲液器上方，高度差為6m，熱力膨脹閥的選用步驟如下。

因有分液頭，選用外平衡式熱力膨脹閥；由工質冷凝溫度，可得冷凝壓力為1534kPa；由工質蒸發溫度，可得蒸發壓力為584kPa；由供液管長度、內徑及蒸發器熱負荷，可得工質在供液管中的沿程壓降約為8kPa；冷凝器與膨脹閥之間彎頭、閥門、干燥過濾器等的總壓降約為20kPa；液管進、出口高度差引起的壓降約為67kPa（1534kPa時工質液體的密度為1131kg/m³）；分液器及分液管壓降各取50kPa，即二者之和為100kPa。

則膨脹閥前后壓降為：

 Δp_VIO=1534-584-8-20-67-100=755kPa

根據蒸發溫度、閥前后壓差、蒸發器熱負荷，參考表7-23，可選用標稱直徑為5mm的膨脹閥，其各項指標可滿足要求。

示例三：工質為R717，蒸發壓力為p_E=472kPa，冷凝壓力為p_C=1557kPa，工質液體出冷凝器的過冷度為ΔT_SC=6℃，通過膨脹閥的工質流量為m_R=0.7kg/s，熱力膨脹閥的選用步驟如下。 

膨脹閥進口處工質液體密度為：

 ρ_CL=580kg/m³

膨脹閥進口處工質液體焓為：

 h_VI=h_CL-c_pLΔT_SC=391-5×6=361kJ/kg

式中，h_CL為冷凝壓力下飽和液的焓，kJ/kg；c_pL為冷凝壓力下飽和液的比定壓熱容，kJ/（kg·℃）。

設膨脹閥出口處工質干度為x且近似認為膨脹閥出口處壓力等于工質蒸發壓力，則有：

 xh_EV+（1-x）h_EL=h_CL

式中，h_EV為蒸發壓力下飽和氣的焓，kJ/kg；h_EL為蒸發壓力下飽和液的焓，kJ/kg。查R717物性表并代入上式，得：

 1464.5x+211×（1-x）=361

解得：

 x=0.12

膨脹閥出口處工質的比體積為：

 v_VO=xv_EV+（1-x）v_EL

式中，v_EV為蒸發壓力下飽和氣的比體積，m³/kg；v_EL為蒸發壓力下飽和液的比體積，m³/kg。查R717物性表并代入上式，得：

 v_VO=0.12×0.2650+（1-0.12）×1.575×10^-3=0.0332m³/kg

則工質流過膨脹閥的流量系數為：

 

則膨脹閥通流截面積為：

 

則膨脹閥通孔直徑為：

 

選取通孔直徑為?8mm的熱力膨脹閥可滿足要求。

7.4.3　電子膨脹閥

電子膨脹閥是用電子傳感器感受蒸發器出口處工質過熱度信號，并用電動執行機構控制閥開度的膨脹閥，可克服熱力膨脹閥信號反饋滯后大、調節范圍有限、控制精度低等不足。

電子膨脹閥與熱力膨脹閥的簡要比較如表7-25所示。

（1）電子膨脹閥的分類

電子膨脹閥分為電磁式和電動式兩類。

電磁式電子膨脹閥通常用電磁線圈帶動閥桿運動。通過調節電磁線圈的電壓，產生不同的電磁力，控制閥的開度。

電動式電子膨脹閥一般由步進電動機驅動閥桿運動。根據電動機與閥桿的連接方式可細分為直動型和減速型兩種。

（2）電子膨脹閥的基本特性參數

①型號規定　電子膨脹閥的型號規定為DPF □□-□：DPF表示電子膨脹閥；第一個□表示閥的公稱通徑，單位為mm；第二個□表示適用工質類型，A表示R22，B表示R407C，C表示R410A等；第三個□表示生產企業系列順序號，用阿拉伯數字表示。例如DPF1.8A-2，表示用于R22工質的電子膨脹閥，公稱通徑為1.8mm，是企業系列產品中的第2個產品。

②適用要求

a.工質溫度：通常為-30～70℃（通電率50%以下）。

b.使用壓力：隨工質不同而有所區別，對R22為0～3.0MPa，對R407C為0～3.3MPa，對R410A為0～4.2MPa。

c.工質流動方向：正向和反向均可。

d.額定電壓：不大于直流36V，優選電壓為直流12V、直流24V，波形為矩形方波，脈沖頻率可企業與用戶協商。

③性能參數

a.最大動作壓差：在90%的額定電壓，規定的勵磁方式、勵磁速度等條件下，閥能可靠動作的最大動作壓力差，R22為2.26MPa，R407C為2.48MPa，R410A為3.43MPa。

b.逆向開閥壓差：應不小于1.47MPa（不帶關閉功能的產品除外）。

c.閥口泄漏量（不帶關閉功能的產品除外）：當閥公稱通徑不大于2.4mm時，泄漏量應不大于600mL/min；當閥公稱通徑為2.4～4mm時，應不大于1000mL/min。

d.電氣性能：閥線圈引線與閥體間的絕緣電阻不小于100MΩ；閥線圈引線與閥體間能承受交流500V、1min或交流600V、1s的電氣強度試驗，無擊穿或閃絡現象（整定漏電流值為5mA）；線圈溫升不大于60℃。

e.噪聲：不大于45dB（A）。

f.壽命：閥經10萬次開閉動作試驗，仍可滿足相關要求；關閉止動器在閥經3萬次全閉動作后仍可滿足相關要求。