7.4　节流部件

7.4.1　毛细管

毛细管一般内径为0.7～2.5mm，长0.6～6m，适宜于冷凝压力和蒸发压力较稳定的小型热泵装置。

（1）毛细管的特点

①由紫铜管拉制而成，结构简单，制造方便，价格低廉。

②没有运动部件，本身不易产生故障和泄漏；与冷凝器和蒸发器通常采用焊接连接，连接处不易出现漏点。

③具有自补偿的特点，即液态工质在一定压差（冷凝压力和蒸发压力之差）下流经毛细管的流量是稳定的，当热泵负荷变化导致压差增大时，工质在毛细管内的流量也变大，使压差回复到稳定值，但这种补偿的能力较小。

④压缩机停止运转后，系统内的高压侧（冷凝器侧）压力和低压侧（蒸发器侧）压力可迅速得到平衡，再次启动时，压缩机的电动机启动负荷较小，故可不用启动转矩大的电动机，这一点对半封闭和全封闭式压缩机尤为重要，较适于热泵采用开停调节制热量和控制制热温度。

⑤毛细管的调节能力较弱，当热泵的实际工况点偏离设计点时，则热泵效率就要降低。此外，采用毛细管作节流部件时，要求工质充注量要准确。

⑥当工质中有脏物，或当蒸发温度低于0℃而系统中有水时，易将毛细管的狭窄部位堵住。

（2）毛细管计算公式

工质在毛细管中流动可能有过冷液流动（过冷段）、气液两相流动（两相段）和过热气流动（过热段），但热泵中通常只有过冷段和两相段；当毛细管中工质与外界无热交换时，为绝热毛细管；有热交换时，为非绝热毛细管，热泵中通常为绝热毛细管。

①绝热毛细管长度计算公式

过冷段长度计算式为：

　　（7-111）

式中，L_SC为毛细管过冷段长度，m；Δp_SC为过冷段压降，Pa；D_I为毛细管内径，m；f_SC为过冷段平均摩擦阻力系数，无量纲；v_SC为过冷液比体积，m³/kg；G_R为工质质量流速，kg/（m²·s）。

两相段长度计算式为：

 

　　（7-112）

 

式中，L_TP为毛细管两相段长度，m；D_I为毛细管内径，m；f_TP为两相段摩擦阻力系数（可取两相段进、出口摩擦阻力系数的平均值），无量纲；v_TPO为两相段出口处工质比体积，m³/kg；v_TPI为两相段入口处工质比体积，m³/kg；p_TPI为两相段进口处工质压力，Pa；p_TPO为两相段出口处工质压力，Pa；G_R为毛细管中工质质量流速，kg/（m²·s）；k₁为方程参数，无量纲。

过热段长度（工质近似按理想气体处理）计算式为：

　　        （7-113）

式中，L_SH为毛细管过热段长度，m；D_I为毛细管内径，m；f_SH为过热段摩擦阻力系数，无量纲；f_SHI为过热段进口处摩擦阻力系数，无量纲；f_SHO为过热段出口处摩擦阻力系数，无量纲；v_SHO为过热段出口处工质比体积，m³/kg；为过热段入口处工质比体积，m³/kg；p_SHI为过热段进口处工质压力，Pa；p_SHO为过热段出口处工质压力，Pa；G_R为毛细管中工质质量流速，kg/（m²·s）；R为气体常数，J/（kg·K）；T为过热气温度，K。

工质在过冷段、两相段及过热段中摩擦阻力系数的计算式为：

　　（7-114）

当工质处于两相段时，动力黏度计算式为：

式中，Re为工质流动的雷诺数，无量纲；A、B为方程参数，无量纲；e/D_I为毛细管内壁的相对粗糙度（一般可取为3.27×10^-4），无量纲；G_R为毛细管中工质质量流速，kg/（m²·s）；D_I为毛细管内径，m；μ为工质的动力黏度，Pa·s；x为工质处于两相时的干度，无量纲；μ_V为工质饱和气的动力黏度，Pa·s；μ_L为工质饱和液的动力黏度，Pa·s。

热泵中毛细管通常包括过冷段和两相段，已知工况参数、工质流量及选定毛细管内径后，分别计算出过冷段长度和两相段长度，相加即得所需的毛细管长度。

当工质在毛细管出口处流速达到当地声速时，毛细管处于壅塞流动状态，毛细管出口压力大于或等于背压，此时的毛细管质流率（质量流速）称为壅塞质流率或临界质流率，其计算式为： 

　　（7-115）

式中，G_RC为临界质流率（与毛细管结构尺寸无关，只与当地干度及工质热物性有关），kg/（m²·s）；x为毛细管出口处工质的干度，无量纲；v_V为饱和气的比体积，m³/kg；v_L为饱和液的比体积，m³/kg；s_V为饱和气的熵，J/（kg·K）；s_L为饱和液的熵，J/（kg·K）；p为工质压力，Pa。

当毛细管结构尺寸（长度及内径）、工况参数等已知，需计算流过毛细管工质流量时，其计算步骤如下。

步骤一：假设毛细管出口压力等于其背压，计算此时的临界质流率G_RC。

步骤二：假设毛细管按临界质流率G_RC流动，计算其长度。

步骤三：将计算长度与已知长度比较。如计算长度与已知长度差值在合理范围内，则毛细管工质质流率即为其临界质流率；如计算长度大于已知长度，说明实际质流率大于临界质流率，毛细管出口压力高于背压，此时需重新假设出口压力，直到计算长度约等于已知长度时，所得质流率即为所求；如计算长度小于已知长度，则说明实际质流率小于临界质流率，不出现壅塞，出口压力等于背压，此时只需在小于G_RC的质流率范围搜索一个适宜的质流率，使计算得到的毛细管长度等于已知长度即可。

对毛细管长度也可采用简化计算式进行估算。借鉴管道阻力计算方程，且对毛细管中工质进行均相处理，摩擦阻力系数采用： 

　　        （7-116）

则可得到毛细管长度的简化计算式为： 

　　（7-117）

式中，L为毛细管长度，m；D_I为毛细管内径，m；Re为工质在毛细管内流动的雷诺数，无量纲；p_C为工质在毛细管进口处的压力（约等于工质在冷凝器的冷凝压力），Pa；p_E为工质在毛细管出口处的压力（毛细管直径选取适宜时约等于工质在蒸发器中的蒸发压力），Pa；ρ为工质的密度，kg/m³；V为工质的流速，m/s；ν为工质的运动黏度，m²/s。

实际应用该式时，可分段计算，也可采用进、出口平均参数一步计算，但在毛细管内径选取时，应使工质在毛细管中的质流率不大于其临界质流率。

②绝热毛细管压降计算公式　工质在管内流动近似按工业光滑管处理时，工质在毛细管中流动时压降随长度变化的计算式为： 

　　        （7-118）

式中，Δp_i为第i管段的压降，Pa；G_R为工质在毛细管中的质量流速，kg/（m²·s）；ΔV_i为工质在第i管段进、出口截面的流速差，m/s；f_i为工质在第i管段的摩擦阻力系数，无量纲；V_Mi为工质在第i管段进、出口截面的流速平均值，m/s；ΔL_i为第i管段的长度，m；D_I为毛细管的内径，m；f_L为管段内为液态工质时的摩擦阻力系数，无量纲；f_TP为管段内工质为两相时的摩擦阻力系数，无量纲；e/D_I为相对粗糙度（取3.8×10^-4），无量纲；Re为雷诺数，无量纲；μ为工质的动力黏度，Pa·s。

7.4.2　热力膨胀阀

热力膨胀阀安装在蒸发器进口处，由感温包测知蒸发器出口处工质的过热度，由此判断工质流量的适当与否（过热度较大时，说明工质流量不足；过热度较小时，说明工质流量过大），并通过调整阀的开度控制工质的流量。

（1）热力膨胀阀的类型与特点

热力膨胀阀主要分为两种：内平衡式热力膨胀阀和外平衡式热力膨胀阀。

①内平衡式热力膨胀阀　结构及安装示意如图7-12所示。

在内平衡式热力膨胀阀中，来自感温包（感温包贴在蒸发器出口处，其中装有感温介质，蒸发器出口处工质蒸气的温度变化时，感温介质的压力按一定规律变化）的蒸气（或液体）压力作用在膜片的上侧，蒸发器入口处的工质压力和弹簧压力作用在膜片的下侧。膜片与阀杆连接，当蒸发器出口处工质的过热度变化时，感温包压力变化，驱动膜片带动阀杆调节阀的开度，使工质的流量发生变化。通过调节螺钉，可调整阀中弹簧的压力，对热力膨胀阀的设定参数进行微调。

内平衡式热力膨胀阀适用于工质流经蒸发器时压降不大的情况，否则宜采用外平衡式热力膨胀阀。

②外平衡式热力膨胀阀　结构和安装示意如图7-13所示。

与内平衡式热力膨胀阀相比，该阀多了一条外部平衡管，该管下方与蒸发器出口处的工质相连通，上方接膜片下部的空间，从而使膨胀阀所提供的过热度与蒸发器出口处的饱和温度相适应，而不受因蒸发器压降所引起的工质饱和温度变化的影响。为了保证阀的正常工作，膜片下部的空间与蒸发器入口处隔绝，膜片的运动通过密封片传递给阀杆。

（2）热力膨胀阀的流量计算公式

工质流过热力膨胀阀的质量流量的近似估算式为（准确数据应以产品样本资料或实测数据为准）： 

　　        （7-119）

对圆锥形阀针：

式中，m_R为通过热力膨胀阀的工质流量，kg/s；C_D为流量系数，无量纲；A_V为热力膨胀阀的通流截面积，m²；ρ_I为工质在阀进口处的密度，kg/m³；p_C为工质的冷凝压力，Pa；p_E为工质的蒸发压力，Pa；v_O为工质在阀出口处的比体积，m³/kg；ρ_CL为工质在冷凝压力下饱和液的密度，kg/m³；x_O为工质在阀出口处的干度，无量纲；v_EV为工质蒸发压力下饱和气的比体积，m³/kg；v_EL为工质在蒸发压力下饱和液的比体积，m³/kg；H为阀针提升（开启）高度，m；D_I为阀孔直径，m；α为阀针角度，（°）。

对常用工质，其流过热力膨胀阀的质量流量的简化计算式为： 

　　（7-120）

式中，m_R为通过热力膨胀阀的工质流量，kg/s；K为主要与工质物性有关的常数，工质为R22时取为15346，工质为R717时取为10855；C_D为流量系数（对R22，约0.65～0.75；对R717，约0.5～0.6），无量纲；A_V为热力膨胀阀的通流截面积，m²；p_C为热力膨胀阀进口处的压力（约等于冷凝压力），bar；p_E为热力膨胀阀出口处的压力（约等于蒸发压力），bar。

（3）典型热力膨胀阀的规格参数

R22工质不同通孔直径的热力膨胀阀在变工况时性能数据如表7-23所示。

（4）热力膨胀阀的选用方法

①类型选择　自热力膨胀阀出口至蒸发器出口，热泵工质的压降导致的温度下降超过2～3℃时，选用外平衡式热力平衡阀，否则，选用内平衡式热力膨胀阀。

实际应用中，蒸发器前无分液器时，工质流经蒸发器的压降通常不大，可考虑选用内平衡式热力膨胀阀；蒸发器前有分液器时，往往工质在流经分液器时阻力较大，此时宜选用外平衡式热力膨胀阀。

②容量选择　基本原则是使通过热力膨胀阀的工质流量与蒸发器的热负荷相匹配，因此，应保证在不同使用工况下，膨胀阀的容量略大于蒸发器的热负荷，裕量可取20%～30%。

膨胀阀的容量受工质在阀前后参数的影响很大，如进口状态、阀前后压差等，阀前后压差与工质冷凝压力和蒸发压力之差的关系近似为：

 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为膨胀阀前后的压差，Pa；p_CO为冷凝器出口处工质的压力，Pa；p_EI为蒸发器进口处工质的压力，Pa；Δp_CY为工质流经储液器压降，Pa；Δp_GG为工质流经干燥过滤器的压降，Pa；Δp_SJ为工质流经视镜的压降，Pa；Δp_FJ为工质流经各种阀件（电磁阀、球阀、单向阀等）的压降，Pa；Δp_FY为工质流经分液器的压降，Pa；Δp_GJ为工质流经管件（三通、四通、弯头、扩口、缩口等）的压降，Pa；Δp_YW为液管高度差引起的压降，Pa；Δp_GL为工质在管路中流动的沿程压降，Pa。

工质在管路中的流动的沿程压降计算式为：

　　（7-122）

式中，f_YC为沿程阻力系数，无量纲；ρ_CL为冷凝压力下工质液体的密度，kg/m³；V_RL为管路中工质液体的速度，m/s；L为管路长度，m；D_I为管路内径，m；Re_F为工质液体流动的雷诺数，无量纲；ν_CL为冷凝压力下工质液体的运动黏度，m²/s。

工质流经阀件或管件的压降可用其当量长度确定，部件阀件和管件在不同配管直径时的当量长度如表7-24所示。

液管进、出口高度差引起的压降计算式为：

Δp_YW=ρ_CLgΔH　　        （7-123）

式中，g为重力加速度，m/s²；ΔH为液管高度差（膨胀阀高于冷凝器出口时），m。

分液器及分液管的压降通常可取为：

 Δp_FY=50kPa

此外，为保证工质在膨胀阀进口处为液相形式，应使工质在冷凝器出口处有一定的过冷度，过冷度大小与冷凝器出口至膨胀阀进口之间的压降相适应，且应有一定的裕量，以保证极端工况下膨胀阀工作的稳定性。

膨胀阀容量及其前后压降确定后，即可参考生产商提供的产品样本选取适宜的热力膨胀阀；当膨胀阀实际工况或工质与生产商样本不同时，可通过阀流量计算式进行换算。

③膨胀阀前后接口型式选择　热力膨胀阀可能有螺纹接口和焊接接口，前者可更换性好，但操作复杂，易出现泄漏；后者处理简单可靠，但膨胀阀有故障时更换难度较大。

膨胀阀前的工质液管尽量与膨胀阀的进口尺寸相配套，膨胀阀后的两相流动管路尽量与膨胀阀的出口尺寸相配套。

④其他考虑因素　工质流过膨胀阀对阀件冲击较大，影响其稳定性，可考虑选用具有冲击平衡设计、稳定性较好的膨胀阀；压缩机开机时往往会出现吸气压力短时间陡降，为此可考虑选择压缩机开机时阀的工质通道全开的膨胀阀；当机组有制热、制冷等不同运行模式，工质可能需正向或反向流过膨胀阀时，可考虑选用双向热力膨胀阀。

⑤热力膨胀阀选用示例

示例一：蒸发器设计热负荷为38kW，工质为R22，蒸发温度为0℃，蒸发压力为398kPa，冷凝压力为1375kPa，冷凝器和蒸发器之间管路及阀件压降之和为270kPa（膨胀阀除外），热力膨胀阀选用方法如下。 

计算膨胀阀进、出口压降：

 Δp_VIO=1375-398-270=707kPa

根据蒸发温度为0℃，膨胀阀前后压降为707kPa，蒸发器热负荷为38kW，可选标称蒸发器热负荷为44.2kW的H型热力膨胀阀。

示例二：热泵工质为R22，蒸发器热负荷为14kW，蒸发温度为5℃，冷凝温度为40℃，蒸发器分六路供液，供液管内径为13mm，供液管长度为30m，蒸发器安装在储液器上方，高度差为6m，热力膨胀阀的选用步骤如下。

因有分液头，选用外平衡式热力膨胀阀；由工质冷凝温度，可得冷凝压力为1534kPa；由工质蒸发温度，可得蒸发压力为584kPa；由供液管长度、内径及蒸发器热负荷，可得工质在供液管中的沿程压降约为8kPa；冷凝器与膨胀阀之间弯头、阀门、干燥过滤器等的总压降约为20kPa；液管进、出口高度差引起的压降约为67kPa（1534kPa时工质液体的密度为1131kg/m³）；分液器及分液管压降各取50kPa，即二者之和为100kPa。

则膨胀阀前后压降为：

 Δp_VIO=1534-584-8-20-67-100=755kPa

根据蒸发温度、阀前后压差、蒸发器热负荷，参考表7-23，可选用标称直径为5mm的膨胀阀，其各项指标可满足要求。

示例三：工质为R717，蒸发压力为p_E=472kPa，冷凝压力为p_C=1557kPa，工质液体出冷凝器的过冷度为ΔT_SC=6℃，通过膨胀阀的工质流量为m_R=0.7kg/s，热力膨胀阀的选用步骤如下。 

膨胀阀进口处工质液体密度为：

 ρ_CL=580kg/m³

膨胀阀进口处工质液体焓为：

 h_VI=h_CL-c_pLΔT_SC=391-5×6=361kJ/kg

式中，h_CL为冷凝压力下饱和液的焓，kJ/kg；c_pL为冷凝压力下饱和液的比定压热容，kJ/（kg·℃）。

设膨胀阀出口处工质干度为x且近似认为膨胀阀出口处压力等于工质蒸发压力，则有：

 xh_EV+（1-x）h_EL=h_CL

式中，h_EV为蒸发压力下饱和气的焓，kJ/kg；h_EL为蒸发压力下饱和液的焓，kJ/kg。查R717物性表并代入上式，得：

 1464.5x+211×（1-x）=361

解得：

 x=0.12

膨胀阀出口处工质的比体积为：

 v_VO=xv_EV+（1-x）v_EL

式中，v_EV为蒸发压力下饱和气的比体积，m³/kg；v_EL为蒸发压力下饱和液的比体积，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

则工质流过膨胀阀的流量系数为：

 

则膨胀阀通流截面积为：

 

则膨胀阀通孔直径为：

 

选取通孔直径为ϕ8mm的热力膨胀阀可满足要求。

7.4.3　电子膨胀阀

电子膨胀阀是用电子传感器感受蒸发器出口处工质过热度信号，并用电动执行机构控制阀开度的膨胀阀，可克服热力膨胀阀信号反馈滞后大、调节范围有限、控制精度低等不足。

电子膨胀阀与热力膨胀阀的简要比较如表7-25所示。

（1）电子膨胀阀的分类

电子膨胀阀分为电磁式和电动式两类。

电磁式电子膨胀阀通常用电磁线圈带动阀杆运动。通过调节电磁线圈的电压，产生不同的电磁力，控制阀的开度。

电动式电子膨胀阀一般由步进电动机驱动阀杆运动。根据电动机与阀杆的连接方式可细分为直动型和减速型两种。

（2）电子膨胀阀的基本特性参数

①型号规定　电子膨胀阀的型号规定为DPF □□-□：DPF表示电子膨胀阀；第一个□表示阀的公称通径，单位为mm；第二个□表示适用工质类型，A表示R22，B表示R407C，C表示R410A等；第三个□表示生产企业系列顺序号，用阿拉伯数字表示。例如DPF1.8A-2，表示用于R22工质的电子膨胀阀，公称通径为1.8mm，是企业系列产品中的第2个产品。

②适用要求

a.工质温度：通常为-30～70℃（通电率50%以下）。

b.使用压力：随工质不同而有所区别，对R22为0～3.0MPa，对R407C为0～3.3MPa，对R410A为0～4.2MPa。

c.工质流动方向：正向和反向均可。

d.额定电压：不大于直流36V，优选电压为直流12V、直流24V，波形为矩形方波，脉冲频率可企业与用户协商。

③性能参数

a.最大动作压差：在90%的额定电压，规定的励磁方式、励磁速度等条件下，阀能可靠动作的最大动作压力差，R22为2.26MPa，R407C为2.48MPa，R410A为3.43MPa。

b.逆向开阀压差：应不小于1.47MPa（不带关闭功能的产品除外）。

c.阀口泄漏量（不带关闭功能的产品除外）：当阀公称通径不大于2.4mm时，泄漏量应不大于600mL/min；当阀公称通径为2.4～4mm时，应不大于1000mL/min。

d.电气性能：阀线圈引线与阀体间的绝缘电阻不小于100MΩ；阀线圈引线与阀体间能承受交流500V、1min或交流600V、1s的电气强度试验，无击穿或闪络现象（整定漏电流值为5mA）；线圈温升不大于60℃。

e.噪声：不大于45dB（A）。

f.寿命：阀经10万次开闭动作试验，仍可满足相关要求；关闭止动器在阀经3万次全闭动作后仍可满足相关要求。