汉森科技之——浮球阀和气动阀在制冷系统热气融霜中的应用
陈曾清 张黎明
中国制冷行业经过几十年的高速发展，已成为全球制冷空调行业的制造大国和消费大国。现在对制冷系统的经济性、节能性、安全性、自动化程度等方面提出了更高的要求。在工商制冷系统中，热气融霜是蒸发器融霜应用最广泛的一种方式。同时热气融霜也是系统中最为关键和复杂的环节之一。近年来国内冷库和速冻设备因热气融霜操作等导致安全事故频发。本文根据北美热气融霜自控阀件和控制的市场数据和国际氨制冷学会相关信息，结合国内外制冷系统的实际情况，从实用性、安全性、节能性等方面介绍浮球阀和气动阀在热气融霜工艺中的应用，给制冷同行带来不同角度的观点。
1 汉森热气融霜制冷系统工艺流程
热气融霜的实现方式有很多种。图1是采用排液浮球阀配合气动阀热气融霜工艺流程示意图，排液浮球阀用作蒸发器排液的流量控制，气动阀作为回气截止阀。图2是一种工业制冷行业常见压力调节阀配合两步开启电磁阀热气融霜工艺流程示意图，其中压力调节阀为蒸发器排液的控制阀，两步开启电磁阀作为回气截止阀。图1所示的工艺设计比图2所示的工艺设计在运行上更为节能。这是由于采用图1所示的融霜设计有几个优势。首先由于回气气动阀为常开阀，当系统断电后管路保持畅通，避免因液态制冷剂气化导致压力过高，具有更好的安全性。其次气动阀在蒸发器正常制冷工作时无需引入高压高温的制冷剂热气（两步开启电磁阀实在通过引入高压气体至电磁阀内部而使阀门打开，打开处于制冷工作状态，会有制冷剂在阀门阀芯活塞上方冷凝）则融霜结束后阀门内部活塞上方无制冷剂冷凝液，开启时间短，缩短热气融霜流程时间，节约能耗。另外采用浮球阀排液后可保证融霜热气充分冷凝，需要较少热气进入蒸发器，确保融霜压力最低。
图1 浮球阀热气融霜工艺流程示意图
Fig. 1 Schematic of typical high side float valve gas defrosting process flow
图 2 压力
图 2 压力阀热气融霜工艺流程示意图
Fig. 2 Schematic of pressure valve gas defrosting process flow
2采用浮球阀的热气融霜
浮球阀具有通过控制液体流过又阻止气体流过阀门的特点。滑块通过连杆与浮球连在一起。浮球的升降带动滑块移动从而控制液体的流量。图3给出了浮球阀的剖面图。当液态制冷剂进入浮球阀腔体，液位上升，因浮力的作用浮球上浮带动滑块移动，增加节流口的开度，通过阀门的流量增加；当制冷剂液位降低时，浮球下移带动滑块移动，使得节流口开度减小，制冷剂流量减小直至关闭。阀门关闭时液体和气体制冷剂均不能通过阀门。该机械型的浮球阀具有简单可靠、手动开启、安装便捷、调节能力广，同时带有排油放空设计，适用于制冷系统中不同场合应用。
图3 浮球阀剖面图
Fig. 3 Sectional view of high side float valve
图4 两种不同浮球融霜控制比较
Fig. 4 Comparison of two different floating ball defrost controls
热气融霜的关键点是需要排除蒸发器内部的全部液体。为了防止制冷剂液体积聚在蒸发器换热盘管的最低处和妨碍融霜，需要维持一定的热气量通过蒸发器内部，在浮球阀完全关闭时也要考虑这种设计。因此排液浮球阀用于热气融霜时都标配一只手动调节阀（手动开关）。如图4右侧所示，手动调节阀可以允许一定量的热气通过阀门，防止液体积聚在盘管内部。对于汉森的融霜浮球阀通常旋转1.5圈调整手动调节阀的开度，实际应用中需要根据具体工况和蒸发器能力大小作具体调节。
采用压力调节原理控制排液量受热气电磁阀的选型、所需热气量、排液压力阀的选型、蒸发器内部压降等因素影响非常大，而这些因素很难量化。而排液浮球阀能充分保证只有热气全部冷凝成制冷剂液体（100%液体）后才打开，因此采用浮球阀控制排液可避免上述因素的影响。
采用浮球排液阀可以降低制冷系统的能耗。图5和图6分别给出了采用浮球阀和压力调剂阀的融霜效率分析[1]。通过2张图的对比可以看出采用浮球阀融霜时，过量的高温气态制冷剂进入制冷系统低温低压侧的比值仅为3%，而采用压力调节阀的过量热气比为25%，这极大程度的减少融霜时过量热气进入制冷系统的低温低压侧，充分减少了压缩机为抵消过量热气带来的额外附加负荷，同时大大增加了有效融霜的比例，有效减少了压缩机组的额外能耗。
图5 采用浮球阀融霜30min的效率图
Fig. 5 Defrost efficiency diagram with high side float valve for 30 minutes
表1是国际氨制冷学会的氨制冷管道手册中上述2种融霜方式的对比评分[2]。通过系统性的对比，可以发现采用排液浮球阀融霜明显比压力调节阀融霜更具有优势。
3 采用气动阀的热气融霜
图7和图8分别是汉森一步开启（HCK2）和两步开启（HCK5D）的气动阀结构图。HCK2气动阀依靠不锈钢弹簧保持常开状态,当通过阀门导管进入高压气体时会压缩弹簧向下移动使活塞密封处坚固地贴在阀体上而关闭阀门。但气动阀关闭时产生的震动会引起的管道震动，所以应注意制冷剂气源处于适宜的气源压力。释放高压气源的压力时，管道内的气体压力和弹簧压力大于驱动气体压力时，会使得阀体向上移动，阀门即开启。残余的高压气体从活塞泄压至系统内，阀门上游入口的压力及弹簧迫使阀门常开。HCK5D气动阀的工作原理与HCK2气动阀一致，最大的区别是其内部有2个平衡活塞，能够自动实现两步开启。
当管道公称直径超过50mm时，在开启阀门前应先泄压蒸发器内部的压力。因为当阀门关闭时会一直有气体制冷剂泄压至低压侧。气动阀适合应用在关闭时间较短的场合，如热气融霜或对泄压至低压侧不敏感的应用。阀门安装和储存时需确保阀门洁净和干燥，一步开启气动阀可垂直安装或水平安装在管道上，阀体上箭头方向应与制冷剂流动方向一致。制冷管道内应保持洁净、干燥。
当管道公称直径小于等于50mm时，采用一步开启气动阀时可选用1只电磁阀用于关闭气动阀，推荐使用HS6（4mm）热气电磁阀；DN50以上直径阀门，推荐使用HS8A (13mm)热气电磁阀。为避免制冷系统开启以及融霜过后液体制冷剂的冲击，尤其对DN50或DN50以上采用一步开启阀门,可并联1只小型电磁阀平衡蒸发器的压力。
现场安装的热气气源导阀必须安装在热气融霜热气电磁阀的上游，且安装位置尽量靠近气动阀。这样有利于减少沿管道方向的温降，维持全部热气至活塞上方，同时切断气源时活塞上方热气泄压量较小。而内部的导孔带有过滤网，可以降低热气的速度。如果两只一步开启气动阀同时工作, 为了保证工作稳定，每个气动阀均应配内置过滤网。
以图9所示采用气动阀融霜有内平衡（使用两步开启气动阀）和外平衡（使用一步开启气动阀）两种安装方式。由于一步开启气动阀内部只有一只活塞，需要并联一只旁通电磁阀。对于制冷量为30~150KW的蒸发器，Bruce Nelson推荐旁通时间控制在5~7min[8]。两步开启气动阀由于内部有两只活塞，无需并联旁通电磁阀，内部可实现自动泄压，阀门进出口压差小于0.8 bar时阀门全部开启。
相比于其他类型两步开启阀，汉森的气动阀均具有如下优势：阀门热气源进口均自带过滤网，延长阀门使用寿命；内部结构非常简单易懂，方便操作人员检修和维护；均为常开阀门，只有在热气融霜过程中才有热气被引入阀门内部，因此无制冷剂在阀门活塞上方冷凝，减少开启时间，导阀常闭设计使系统断电后更加安全；手动开启阀杆长度可视，操作非常便捷。
Bruce Nelson对比了内平衡和外平衡两种不同气动阀应用，并给出了的综合评分[3]。
表2 内平衡和外平衡融霜方式的评分比较
Tab. 2 Comparison of scores of internal and external balance defrosting methods
设计条件 条件描述 权重分值 启动阀两步开启
内平衡 外平衡
安全性 系统断电引起水锤的风险
压降 压降对能耗的影响
现场安装 焊接、配管、接线等
材料成本 实现相同功能特性时的材料成本
维护、便于理解、
客户接受度
维护的难易程度、阀门技术理解的难易
程度、备件获取的难易程度
与系统连接 连接形式和尺寸，无需额外的变径和焊接
能力范围 阀门配合系统所需的能力
热气融霜的方式有很多种，其特点各不相同。本文介绍了采用融霜排液浮球阀和气动阀的融霜原理和特点。实际工程应用中，热气融霜受融霜持续时间、霜层厚度、融霜频率、工况温度、热气温度和压力、蒸发器材质等因素影响，能耗和效率变化较大，需要根据实际情况具体分析，选择融霜效率高、安全性强的融霜方式。
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