شیرهای اکسپنشن ولو ترموستاتیک
اکسپنشن ولوهای ترموستاتیک (TEV و TXV) یکی از قطعات پرکاربرد در سردخانه ها و چیلر تراکمی هستند. شیرهای انبساط یا اکسپنشن ولوها شیرهای اتوماتیکی هستند که جریان مبرد به اواپراتور را براساس بار اواپراتور کنترل می کنند. اگر بار در اواپراتور زیاد باشد، شیر اجازه عبور مبرد بیشتری را می دهد و در هنگام بار کم، عبور مبرد از شیر انبساط محدودتر می شود. شیر انبساط ترموستاتیک همچنین از برگشت مایع به کمپرسور جلوگیری می کند و خطر آسیب به کمپرسور را پائین می آورد. توجه کنید که شیر انبساط، دمای اواپراتور را کنترل نمی کند. لوله های مویی نیز تجهیزاتی هستند که برای کاربردهای خانگی استفاده می شوند ولی شیرهای انبساط دارای کاربردهای صنعتی، چیلرهای تراکمی و سردخانه ها هستند.
شماتیک سیکل تبرید چیلر تراکمی و سردخانه
سیستم تبرید
برای درک کارکرد شیرهای انبساط، توضیح کوتاهی در مورد سیکل تبرید ضروری است. سیستم تبرید را می توان به پروسه جذب و دفع گرما توسط مبرد (گاز فریونی) توصیف کرد. ساده ترین حالت شامل 3 قسمت است: کمپرسور، کندانسور، اواپراتور.
کمپرسور قلب سیکل تبرید است که باعث جریان مبرد می شود. مبرد کم فشار و کم دمای خروجی از اواپراتور توسط کمپرسور دریافت می شود بعد از کمپرس کردن، مبرد را به فشار و دمای بالاتری می رساند. بخار مبرد پر فشار سپس به کندانسور انتقال می یابد تا توسط آب یا هوای گذری از کندانسور،کاهش دما پیدا کند و مایع شود. مایع بدست آمده هنوز پر فشار است که بعد از عبور از شیر انبساط، دما و فشار آن کاهش می یابد و در این حالت به صورت مخلوط گاز و مایع است.
این مخلوط گاز و مایع در اواپراتور به فاز بخار برمی گردد و گرما را جذب می کند. انتخاب اکسپنشن ولو یکی از نکات مهم در سیکل تبرید است، تا جریان مبرد را به اواپراتور تنظیم کند. اکسپنشن ولوی که به درستی به کاربرده نشده باشد یا سایز درست انتخاب نشده باشد باعث بوجود آمدن مشکل در راندمان سیستم می شود. برای مثال، اکسپنشنی که دارای سایز کوچک باشد، از جریان مبرد به میزان کافی به اواپراتور جلوگیری می کند و باعث کاهش بار برودتی می شود. بزرگ گرفتن سایز اکسپنشن ولو اجازه عبور مبرد زیاد را به اواپراتور می دهد، در نتیجه باعث برگشت مایع مبرد به کمپرسور می شود. هر دو این موارد باعث آسیب به کمپرسور می شوند و بنابراین انتخاب شیر انبساط نیاز به توجه به نوع کاربرد و بار برودتی دارد.
انواع اکسپنشن ولوها
اکسپنشن ها را می توان به 4 دسته اصلی تقسیم کرد: ثابت مقاومتی، اکسپنشن ولوهای اتوماتیک (فشار ثابت)، اکسپنشن ولوهای ترموستاتیک و اکسپنشن ولوهای الکترونیک.
اکسپنشن های ثابت در برابر عبور جریان مایع مبرد مقاومت می کنند. 2 مثال از این گونه تجهیزات، لوله های مویی و یا لوله های کوتاه مقاومتی یا اریفیس ها هستند. این تجهیزات معمولاً در کاربردهای تهویه مطبوع کوچک و سردخانه های کوچک که اواپراتور دارای بار ثابتی است به کار می روند. مشکل این تجهیزات تغییرات بار برودتی است. اکپنشن ولوهای اتوماتیک (AEV) بهترین تجهیزات برای فشار ثابت اواپراتور و یا خروجی شیر هستند. زمانی که بار گرمایی در اواپراتور افزایش یابد، جریان مبرد AEV کاهش می یابد تا فشار اواپراتور ثابت باقی بماند.
این شیرها جریان مبرد را زمانی که بار گرمایی اواپراتور کاهش یابد افزایش می دهند تا فشار اواپراتور در میزان تنظیمی باقی بماند. شیرهای انبساط ترموستاتیک بهترین گزینه برای تغییرات بار در اواپراتورها هستند. TEVها جریان مبرد را با تغییرات سوپرهیت خروجی از اواپراتور کنترل می کنند. شیرهای ترموستاتیک جریان مبرد را زمانی کاهش می دهند که سوپرهیت کم است و در نتیجه بار گرمایی اواپراتور کم است. این تاثیر باعث می شود که بهترین شرایط برای حداکثر ظرفیت اواپراتور تامین شود. زمانی اکسپنشن ولو الکترونیک (EEV) مورد استفاده قرار می گیرد می توان کنترل دقیقی بر میزان مبرد تزریقی در اواپراتور داشت و میزان سوپرهیت با دقت بالایی کنترل می شود.
اکسپنشن ولو ترموستاتیک چگونه کار می کند؟
اکسپنشن ولو ترموستاتیک کارهای زیر را انجام می دهد:
1- فشار مبرد را کاهش می دهد
اولین و مهمترین کار شیرهای ترموستاتیک، کاهش فشار مبرد از فشار کندانسور به فشار اواپراتور است. در کندانسور، مبرد در فشار بالا قرار دارد، شیرهای ترموستاتیک فشار مبرد عبوری را به سطح فشار اواپراتور می رسانند و به این دلیل افت دمای ناگهانی رخ می دهد و باعث تولید برودت در اواپراتور می شود.
2- اواپراتور را فعال نگه می دارند
شیرهای اکسپنشن ولو ترموستاتیک به مبرد عبوری اجازه تولید برودت در اواپراتور می دهند. در بارهای زیاد جریان مبرد به اواپراتور افزایش می یابد و بلعکس و باعث کارکرد اواپراتور در بارهای مختلف براساس بار برودتی مورد نیاز می شوند و همچنین سوپرهیت گاز خروجی از اواپراتور را تنظیم می کنند.
3- به جریان مبرد بر اساس نیاز اجازه عبور می دهند
این یکی از دیگر نکات مهم این شیرهاست که به جریان عبوری از شیر براساس بار اواپراتور اجازه ی عبور می دهند. این پدیده از برگشت مایع به کمپرسور و آسیب به کمپرسور جلوگیری می کند.
شیرهای انبساط ترموستاتیک چگونه کار می کنند
-
اصول اولیه کارکرد
برای درک روش کار شیرهای اکسپنشن ولو ترموستاتیک ، نگاهی به اجزای اصلی شیر می اندازیم. یک حباب حس کننده دما که توسط یک لوله مویی به بالای دیافراگم شیر انبساط متصل است. دیافراگم شیر باعث حرکت پین می شود. فنر سوپرهیت زیر پین قرار دارد و معمولاً توسط یک پیچ انتهایی از خارج از شیر قابل تنظیم است. 3 فشار بر دیافراگم نیرو وارد می کنند و باعث حرکت آن می شوند: فشار حباب P1، فشار اکولایزر P2 و فشار فنر متعادل کننده P3. دما باعث افزایش و کاهش فشار گاز درون حباب می شود که بر روی دیافراگم نیرو وارد می کنند که باعث حرکت دیافراگم می شود. در حالت کارکرد عادی شیر، فشار حباب برابر فشار اکولایزر به علاوه فشار فنر است (P1=P2+P3).
در نتیجه شیرهای TEV با استفاده از اختلاف بین فشارهای حباب و اکولایزر و فنر کار می کنند.
حباب دمای بخار مبرد خروجی از اواپراتور را حس می کند. دمای حباب دقیقاً با دمای بخار مبرد خروجی از اواپراتور برابر است. زمانی که دمای حباب افزایش یابد، فشار حباب نیز افزایش می یابد و در نتیجه شیر اجازه عبور مبرد بیشتر به اواپراتور را می دهد. شیر به خروج مبرد بیشتر ادامه می دهد تا فشار اکولایزر افزایش یابد (فشار فنر و اکولایزر) و بالانس باز بودن شیر توسط این 3عامل کنترل می شود و وقتی دمای حباب کاهش یابد باعث می شود، پین شیر به سمت جلوی شیر حرکت کند و مبرد کمتری به سمت اواپراتور جریان یابد.
شیر به این میزان عبور جریان ادامه می دهد تا فشار اکولایزر و فنر کاهش یابد و دوباره بالانس قبلی تغییر کند. پس برای تنظیم شیر، زمانی که فشار فنر افزایش یابد با ساعتگرد چرخاندن پیج تنظیم، جریان مبرد به اواپراتور کاهش می یابد و برای کاهش فشار فنر با چرخاندن پیچ تنظیم به صورت پادساعتگرد باعث افزایش جریان مبرد به اواپراتور و کاهش دمای مبرد و حباب می شویم. فشار فنر مشخص کننده سوپرهیت است که شیر را کنترل می کند. افزایش فشار فنر باعث افزایش سوپرهیت می شود و کاهش فشار فنر باعث کاهش سوپرهیت می شود. کاهش بار گرمایی اواپراتور باعث کاهش بخار و دمای حباب شیر می شود و در نتیجه شیر به سمت بسته شدن حرکت می کند تا 3 فشار به تعادل برسند.
2. تاثیر افت فشار در شیر انبساط
فشار اضافی نیرو وجود دارد که بر کارکرد شیر تاثیر می گذارد. این فشار P4 برابر افت فشار در شیر است.
P4 = افت فشار X (مساحت سطح/سطح موثر دیافراگم)
فشار یک عامل کلیدی برای باز شدن شیر است، در نتیجه معادله قبلی را اصلاح می کنیم:
P1+P4=P2+P3
3. روش متعادل کردن (equalization method)
کار کرد شیرهای انبساط را می توان با روابط بین فشارهای حباب، اکولایزر و فنر متعادل کننده توصیف کرد. فشار متعادل کننده برابر فشار اواپراتور است که شیر حس می کند و به قسمت پائین دیافراگم وارد می شود. فشار اواپراتور از طریق 2 روش به قسمت زیری دیافراگم اکسپنشن ولو منتقل می شود. اگر شیر دارای اکولایزر داخلی باشد، فشار اواپراتور در خروجی شیر به دیافراگم از طریق یک مسیر در بدنه شیر یا لقی اطراف میله شیر منتقل می شود. اگر شیر دارای اکولایزر خارجی باشد، سطح زیر دیافراگم توسط مواد پکینگ از فشار خارج شیر ایزوله شده است و میله دارای لقی ناچیزی است. فشار اواپراتور توسط یک لوله متصل به خط ساکشن (خروجی اواپراتور) به اتصال اکولایزر در شیر انبساط منتقل می شود. اتصال اکولایزر یر روی شیر به سطح زیری دیافراگم منتهی می شود.
4. کاربرد شیرهای اکسپنشن ولو ترموستاتیک
بر اساس ویژگی های کارکرد شیرهای TEV، در رنج وسیعی از کاربردها به کار می روند. این کاربردها شامل ظرفیت های کم در چیلرهای تراکمی و سردخانه هاT دستگاه های یخ ساز و کاربردهای دما پائین است. بیشتر چیلرهای تراکمی و سردخانه ها از روش هایی برای کاهش ظرفیت سیستم استفاده می کنند که می توان به آن حالت کم بار (پارت لود) گفت. راحت ترین روش کاهش ظرفیت، استفاده از آنلودر در سر سیلندر کمپرسور سیلندر پیستونی و یا اسلاید ولو در کمپرسور اسکرو است. در مورد تأثیر این حالت کنترل ظرفیت بر اکسپنشن ولو صحبت خواهیم کرد. شیرهای انبساط در سیستم هایی که دارای کنترل ظرفیت زیاد هستند، توانایی کارکرد خوبی ندارند. در نتیجه استفاده از کنترل ظرفیت نیازمند طراحی مناسب و نصب تجهیزات مناسب است.
4.1 . فاکتورهای طراحی سیستم
پیش بینی راندمان TEV در سیستم هایی با کاهش ظرفیت مشکل است و فاکتورهای بسیاری برای این کار درگیر هستند. این فاکتورها شامل: سایز اکسپنشن ولو، توزیع مبرد، تغییرات TEV، طراحی کویل اواپراتور، لوله کشی ساکشن و محل حباب است. طراحی شیر TEV باید تا آنجا که ممکن است به حداکثر بار حرارتی نزدیک باشند. بیشتر با نرخ ظرفیت تا 10 درصد زیر حداکثر شرایط بار برای سیستم هایی که دارای کاهش ظرفیت طولانی هستند استفاده می شود و میزان سوپرهیت در حالت عادی کارکرد کمی بیشتر از حد طبیعی خواهد بود.
4.2. طراحی سیستم برای شرایط کم بار با 2 یا چند اواپراتور برای پوشش یک بار برودتی
در سیستم هایی که کمپرسور تا 50 درصد ظرفیت توانایی آنلود کردن دارد، باید در هنگام انتخاب اکسپنشن ولو و توزیع کننده گاز دقت کرد. اگر کمپرسور بتواند زیر 33 درصد ظرفیت آنلود کند باید به نکاتی دقت شود تا اکسپنشن کارکرد درستی داشته باشد. شکل زیر شماتیک لوله کشی برای 3 حالت بالانس کردن اکسپنشن و توزیع کننده گاز را برای کارکرد در حالت آنلود کمپرسور نشان می دهد. در هندبوک اشری (ASHRAE) اطلاعات کامل برای لوله کشی موجود است که در سایت گروه مهندسی مهر اسپند قابل مشاهده است.
هر شیر برقی اکسپنشن ولو به آنلودر کمپرسور متصل است. زمانی که ظرفیت کمپرسور تا 50 درصد کاهش یابد یکی از 2 شیر برقی جریان مبرد را به اکسپنشن ولو قطع می کند. شیر TEV که در حال کار است بنابر 50% ظرفیت کمپرسور، توانایی پوشش بار بروتی مورد نیاز را دارد. این تکنیک با جدا کردن بخشهای اواپراتور امکانپذیر است و امکان کاهش بار زیاد را فراهم می کند.
4.3. یک اواپراتور که با 2 اکسپنشن ولو کنترل می شود
برای کویل های اواپراتور که در طراحی جدا نشده اند، تکنیک های زیر ممکن است برای حالت کم بار کمک کننده باشد. شکل زیر نشان دهنده استفاده از دو اکسپنشن و 2 توزیع کننده گاز با یک اواپراتور است. هر مدار اواپراتور توسط 2 مدار توزیع کننده تغذیه می شود. شیرهای برقی به کنترل ظرفیت کمپرسور (آنلودر) متصل هستند. با استفاده از این طرح، اکسپنشن و توزیع کننده گاز A توانایی پوشش 67 درصد بار برودتی و B توانایی پوشش 33 درصد بار برودتی را داراست. کاهش ظرفیت توزیع کننده باعث باز شدن و بستن شیرهای برقی مطابق جدول زیر می شود:
4.4. کاربرد آمونیاک
شیرهای اکسپنشن ولو ترموستاتیک برای کاربردهای آمونیاک نیازمند توجه به نکات طراحی ویژه ای هستند که ناشی از تاثیر خوردگی بخار آمونیاک است و باید جنس اکسپنشن ولو از استیل یا آلیاژ استیل باشد. در سیستم های آمونیاک، تشکیل بخار (فلش) در شیر باعث خوردگی نشیمنگاه شیر می شود. این تأثیر را باید به سرعت بالای آمونیاک که با آلودگی ها مخلوط است، کرد. خوردگی نشیمنگاه را می توان با روشهای زیر کم کرد:
- در هر شرایطی ورودی شیر انبساط عاری از مخلوط بخار و مایع باشد و تنها مایع وجود داشته باشد.
- سیستم فیلتر کردن خوب در سیستم وجود داشته باشد.
- کاهش سرعت آمونیاک در اکسپنشن ولو با کاهش افت فشار در ورودی.