膨脹閥工作異常對空調制冷系統的影響及解決方案

　　1.  概述：

　　正常情況下，空調隨著冷凝壓力下降，制冷量是上升的。但在冬季運行情況下的機房空調，這種制冷量并沒有上升，反而是下降的，有時還會出現大量的低壓故障，造成壓縮機停機，機房溫度過高，威脅通訊設備安全，這種現象尤其以ISOVEL、法亞等機房空調為代表。

　　檢查發現，上述問題的產生，和膨脹閥工作狀況有關；換句話說，冷量下降和低壓故障是膨脹閥工作異常所致，而不是因為氟利昂少、干燥過濾器堵塞、濾網、風機、皮帶等引起的。

　　2.  膨脹閥工作原理：

　　膨脹閥是控制蒸發器出口氣態制冷劑的過熱度來控制進入蒸發器的制冷劑流量。專用空調采用外平衡式膨脹閥，結構如圖一所示：膨脹閥由感應機構、執行機構、調整機構和閥體組成。感應機構中充注氟利昂工質，感溫包設置在蒸發器出口處。

　　由于過熱度的影響，其出口處溫度與蒸發溫度之間存在溫差，通常稱為過熱度。感溫包感受到蒸發器出口溫度后，使整個感應系統處于對應的飽和壓力Pb，如圖一，該壓力將通過膜片傳給頂桿。

　　在壓力腔上部的膜片僅有Pb存在，膜片的下方有調整彈簧的彈簧力Pt和蒸發壓力P0，三者處于平衡時有Pb=Pt+Po,當Pb>Pt+Po時，表示蒸發器熱負荷偏大，出口過熱度偏高，通過膜片向頂桿傳遞這一壓力信號，使閥芯下移，膨脹閥開啟變大，制冷劑流量按比例增加。反之，膨脹閥開啟變小，制冷劑流量按比例減小。

　　3.  過冷度：

　　制冷劑冷凝為液體，繼續進行冷卻，即過冷，液體實際溫度和飽和溫度的差值叫過冷度。一般來說，一定數值的過冷，是必要的，也是有益的，可以防止制冷劑在膨脹閥前的管路中汽化使流經膨脹閥的制冷劑質量流量減少，阻止膨脹閥容量的降低，增大制冷量。但是如果過冷太大，會干擾膨脹閥的工作狀況，嚴重時導致膨脹閥工作失效。

　　R22建議采用的過冷度見表：

　　4.  膨脹閥失效原因分析：

　　如果我們忽略膨脹閥體溫度的影響，膨脹閥的開啟度只取決于感溫包內氣體的壓力，感溫包溫度發生變化，感溫壓力才會變化，膨脹閥開啟度也發生變化。但在實際情況下，膨脹閥體壓力膜片上部也相當于一個感溫包（如圖2），它感受的是閥體的溫度，也就是制冷劑液體的溫度。

　　這樣一來，感溫氣體壓力，取決于膨脹閥膜片上部和感溫包兩邊共同的壓力，如果制冷劑溫度發生變化，那么感溫氣體壓力也會發生變化，這種壓力變化就會干擾膨脹閥的正常工作。

　　如果制冷劑溫度較高，膨脹閥膜片上部壓力會增大，相應開啟度也變大，這就是夏天空調蒸發壓力會上升的原因。在冬季，制冷劑過冷度較大，即制冷劑溫度較低，閥體溫度也會降低，左邊感溫包的壓力就會下降，受其影響，膨脹閥開啟變小，流經膨脹閥的制冷劑流量下降，送入蒸發器的制冷劑減少，導致蒸發壓力降低，制冷量下降；當這個過冷度太大（室內溫度25度，進入膨脹閥的液體溫度不宜低于10度），就會產生嚴重點的干擾信號，導致膨脹閥過度關閉，低壓明顯偏低；如果低壓壓力低于空調機組告警值時，就會產生低壓告警，導致空調停機。

　　下面是杭州市電信分公司景芳軟交換機房一臺HIROSS40UA機房空調在冬季運行時，通過調節室外機風速方法獲得不同的冷凝壓力，下面是不同冷凝壓力下測得的蒸發壓力數據：

　　從表中可以看出，隨著冷凝溫度的逐步下降，蒸發壓力也開始下降，冷凝壓力在17.0~13.5kg/cm2期間，蒸發壓力下降較為緩慢；當冷凝器排熱過度，冷凝壓力進一步下降時，蒸發壓力下降的趨勢開始增大，當高壓壓力低于11.5kg/cm2時，空調蒸發壓力明顯偏低，最低達到2.4kg/cm2，不久空調出現低壓報警（HIROSS空調低壓開關設置為2.6kg/cm2報警）。

　　而在北方地區，過冷現象對膨脹閥的工作干擾尤其明顯，由于氣溫過低，冷凝器冷凝過度，制冷劑過冷度太大，直接使膨脹閥膜片上部的氣體冷凝出現成為液體，膨脹閥無法打開，空調完全失去工作能力。

　　故障分析結論：

　　綜上所述，冬季空調產生低壓故障的原因是制冷劑液體過冷，干擾了膨脹閥的開啟度，從而導致膨脹閥工作異常。

　　5.  解決方案：

　　我們根據下面兩點思路制定了解決方案：

　　1）讓膨脹閥不受過冷度影響。

　　2）防止過冷度過大。

　　5.1. 電子膨脹閥——吸氣過熱度控制

　　從膨脹閥角度出發，不采用熱力膨脹閥，采用電子膨脹閥。由于電子膨脹閥根據微電腦的指令，調節閥的開啟度，不受閥體溫度的影響，可以較好地解決這一問題。

　　吸氣過熱度控制系統由電子膨脹閥、壓力傳感器、溫度傳感器、控制器組成，工作時，壓力傳感器P將蒸發器出口壓力、溫度傳感器T將壓縮機吸氣過熱度傳給控制器，控制器將信號處理后，隨后輸出指令作用于電子膨脹主閥的步進電機，將閥開到需要的位置。以保持蒸發器需要的供液量。電子膨脹閥——吸氣過熱度控制制冷系統原理圖如圖三所示：

圖3 電子膨脹閥——吸氣過熱度控制制冷系統原理圖

　　5.2. 壓力調節閥和旁通調節閥穩定冷凝壓力。

　　在我國北方地區，由于冬季寒冷，最低溫度可達-40℃，標準的機房空調機無法在此溫度下正常運行。需要對冷凝器進行改造，以實現一臺冷凝器冬、夏自動控制有效冷凝面積，達到低溫下制冷運行的目的。

　　原理如下：（圖4）當冬季冷凝壓力下降時，壓力調節閥根據閥前冷凝壓力關小調節閥，使冷凝器中液面升高，減小冷凝面積，使冷凝壓力回升到給定值；當冷凝壓力回升到一定值時，調節閥相對開大，使冷凝壓力不致過分升高。旁通調節閥則根據貯液器內的壓力來控制其開啟度，使貯液器內的壓力與冷凝壓力始終保持恒定的差值，不致過高。這種方法可以防止制冷劑過冷，避免膨脹閥出現過度關閉的問題，從而保證膨脹閥的正常工作。

　　5.3. 壓力控制冷卻風量。

　　采用壓力開關控制風機的開?；蛘哂脡毫φ{速器控制風速來調節冷卻風量，進而達到控制冷凝壓力的目的。我們進行了不同的試驗。

　　壓力控制器控制：將冷凝器風機改為壓力控制，壓力開關控制風機的開或停來調節冷卻風量，保障冷凝壓力在一個合適范圍，防止過冷度失控。方法如下（我們采用PENN PLT056N025型壓力控制器）：

　　1)  停機，切斷空調電源。

　　2)  拆下調速板和溫度傳感器，在ISOVEL調速板位置裝上壓力控制器。

　　3)  接好電線（接線方法如圖三所示）和壓力探頭，防止制冷劑泄露。

　　4)  將壓力控制器動作壓力設置為1.7MPa，回差壓力設置為0.3MPa。

　　5)  檢查無誤后，送電開機，根據壓力表讀數校正壓力控制器的設定。

　　改造后，空調的冷凝壓力由壓力控制器控制，當高壓壓力高于1.7Mpa時，冷凝風機啟動,當壓力低于1.4 Mpa時，冷凝風機停止,通過風機的開停,將壓力控制在1.4—1.7Mpa之間，防止了風機的連續運轉造成制冷劑過冷度太大，制冷劑的過冷度被限定在容許的范圍內（3－6℃），圖6是冷凝器的壓力工作圖。

　　從圖中可以看出，系統壓力波動較為頻繁，但由于ISOVEL空調冷凝器下部裝有一個較大的儲液桶，起到供液均衡作用，所以對空調工作影響不大。缺點是風機頻繁啟動，噪聲比改造前有所提高。

　　壓力調速控制：用壓力調速器取代了壓力控制器（我們采用JOHNSON的P215DP-9100型壓力調速器），控制器根據系統壓力自動控制風機轉速，并達到一個平衡點，工作方式如圖7，當冷凝壓力達到1.6MPa時，壓力開關輸出電壓，風機啟動，這時，風機轉速很低，隨著冷凝壓力的升高，風機轉速加快，直到冷凝壓力大于等于2.0MPa時，壓力控制器輸出最大電壓，此時風機達到最大轉速；隨著冷凝壓力的降低，風機轉速降低，當壓力等于啟動點的位置1. 6MPa時，壓力開關切斷電壓，風機停機。接線圖8如，這種方式，彌補了方法A的缺點，制冷循環壓力穩定，沒有風機頻繁啟動的噪聲，尤其適合在住宅小區等對噪聲有控制的地方。

　　6.  方案評估

　　方案1，電子膨脹閥反應和動作速度快，開閉特性和速度均可人為設定，可在10%--100%的范圍內進行精確調節，完全不受制冷劑溫度影響，但技術要求高，適合空調生產廠家采用。

　　方案2，要對外機進行改造，需要兩只壓力調節閥相互配合控制，費用較大，北方地區可以考慮采用。

　　方案3，投資較小，只需要安裝一只壓力控制器或者壓力調速器就可以，不用更改制冷系統，方便快捷，而且費用低，尤其是后一種壓力調速方法，采用無級調速，避免了風扇的頻繁啟動，降低噪聲的同時，延長了風機的運行壽命，適合我們采用。

　　7.  結束語

　　我們采用了方案三中的壓力調速方法，對杭州市區所有的ISOVEL、法亞空調等機房空調的外機進行了改造，并對機房所有專用空調過冷度進行檢查，使過冷度保持在合適的范圍，徹底解決了冬季空調頻繁的低壓故障，保證了空調的正常運行，確保了機房的安全。