شیر انبساط (Expansion Valve) و لوله موئین که به نام تجهیزات انبساطی نامیده می‌شوند، جزئی از یک سیکل تبرید هستند. سیکل تبرید از چهار جزء اصلی تشکیل شده است که عبارتند از: کمپرسور، اواپراتور، شیر انبساط و کندانسور.
هدف از کاربرد قطعات انبساطی در یک سیکل تبرید، کاهش سریع فشار مبرد (سرمازا) است؛ این فرآیند به مبرد این اجازه را میدهد که سریعاً قبل از ورود به اواپراتور سرد شود. قطعات انبساطی که در سیکل تبرید مورد استفاده قرار می گیرند شامل سه نوع قطعه هستند:
- لوله های موئین (Capillary Tube)
- شیر انبساط ترموستاتیکی (TXV)
- شیر انبساط الکترونیکی (EXV)
در حال حاضر، کاربرد تجهیزات انبساطی بیشتر در سیستم‌های برودتی و تهویه مطبوع است که در ادامه مقاله بیشتر با این قطعات آشنا خواهیم شد.
شیر انبساط
شیر انبساط (Expansion Valve)، عملیات کنترل دبی مبرد (ماده سرمازا) را در سیستم های تبرید کنترل میکنند. باتوجه به اینکه یکی از وظایف عمده شیر های انبساط، کنترل جریان مبرد ورودی به اواپراتور است، با اسم‌های شیر کنترل و شیر تنظیم نیز شناخته می شوند.
بر اساس ساختار دستگاه برودتی و سیستم تهویه مطبوع مورد نظر و نحوه کنترل دبی مبرد و نوع اواپراتور (خشک یا مرطوب)، شیر های انبساط مختلفی به کار برده می شوند.
در فرآیند سیکل تبرید، مبرد به حالت مایع بعد از عبور از اکسپنشن ولو با افت فشار زیادی مواجه میشود و به دمای آن کاهش زیادی پیدا می‌کند، مبرد وارد اواپراتور میشود، در آنجا به سبب پایین بودن دمای مبرد نسبت به دمای محیط، گرمای محیط به ماده سرمازا انتقال پیدا می کند، که این پدیده باعث می شود مبرد شروع به تبخیر شدن نماید.
به این طریق بخار مبرد به کمپرسور وارد میشود و با افزایش فشار از کمپرسور خارج میشود (که این افزایش فشار باعث افزایش دما نیز میشود)، در مرحله بعد مبرد (که به حالت بخار است) به کندانسور منتقل شده و در آنجا مجدداً به فرم مایع برمی‌گردد و به ورودی شیر انبساط می‌رسد. سیکل برودتی تا زمانی که کمپرسور روشن است به صورت شرح داده شده تکرار میشود.
همانطور که توضیح داده شد، شیر انبساط در حدفاصل بین کندانسور و اواپراتور قرار دارد؛ در حقیقت شیر انبساط، مانند کمپرسور، مرز ناحیه فشار بالا و فشار پایین به حساب میآید و در ناحیه خط مایع مبرد قرار گرفته است. اکسپنشن ولو برخلاف کمپرسور که وظیفه افزایش فشار بخار مبرد را دارد، نقش کاهنده فشار در مایع مبرد موجود در سیکل تبرید را برعهده دارد.
نقش شیر انبساط
شیر انبساط، دو هدف اصلی را در سیکل تبرید به انجام می‌رساند، کنترل دبی مبرد ورودی به داخل اواپراتور و حفظ اختلاف فشار بین کندانسور و اواپراتور.
- کنترل دبی مبرد ورودی به داخل اواپراتور:
سطوح تبادل کننده حرارت در اواپراتور با مایع مبرد موجود در جریان ورودی، باید تا حد امکان در تماس باشند، تا مبردی به فرم مایع به داخل کمپرسور وارد نشود.
اگر ظرفیت تبادل حرارت مورد نیاز در اواپراتور بالا برود، شیر انبساط اجازه میدهد که مقدار بیشتری از ماده مبرد به داخل اواپراتور وارد شود؛ و هنگامی که ظرفیت دمایی اواپراتور کاهش پیدا کند، شیر انبساط مقدار مبرد ورودی را کاهش میدهد و این امر منجر به تثبیت میزان سوپر هیت شده و از وارد شدن مایع مبرد به داخل کمپرسور جلوگیری به عمل می‌آورد.
- حفظ اختلاف فشار بین کندانسور و اواپراتور:
اختلاف فشاری که به سبب کار کمپرسور در سیستم ایجاد میشود، توسط شیر انبساط در سیکل تبرید حفظ می‌گردد.
لوله های مویین
لوله‌ی مویین، لوله‌ای است با سایز مشخص و طول زیاد و پر پیچ و خم. لوله های مویین دارای یک سوراخ ورودی هستند که مایع مبرد فشار بالایی که از کنداسور خارج شده و از طریق این منفذ وارد لوله میشود. به این طریق فشار مبرد در دهانه ورودی افزایش پیدا می‌کند و خروجی لوله مویین پایین میآید.
فشار مبرد با عبور از لوله مویین و به دلیل اصطکاک موجود در دیواره آن، به سرعت کاهش پیدا می‌کند. کاربرد این قطعه در سیستم‌های کوچک تهویه مطبوع با ظرفیت‌های پایین‌تر نیز وجود دارد؛ مزایای استفاده از لوله‌ی مویی علاوه بر قیمت پایین تر آن، سازگاری با تمام مبردهای فریونی و … است.
اما باید این نکته را در نظر داشت که کنترل نرخ جریان مبرد از این طریق، به اندازه دو نوع دیگر (شیرهای انبساطی) نیست. با توجه به اینکه دهانه ورودی مبرد به لوله مویین یک منفذ ثابت است پس باید سیستم دارای شارژ متناسب با مبرد باشد تا از وارد آمدن فشار زیاد به لوله مویین و از کار افتادن این قطعه جلوگیری گردد.
مقاله مرتبط: علت یخ زدن لوله مویی کولر گازی
انواع شیر انبساط
شیرهای انبساط ترموستاتیکی (مکانیکی) و شیرهای الکترونیکی، از رایجترین وسیله‌های کنترل کننده دبی ماده مبرد در انواع سیستم‌های تهویه مطبوع و دستگاه‌های برودتی هستند.
شیر انبساط ترموستاتیکی (مکانیکی) TXV:
شیرهای انبساط حرارتی، با نام‌های دیگری نیز شناخته می‌شوند: شیر انبساط مکانیکی و یا ترموستاتیکی. این نوع از شیرهای انبساطی، از بخش های زیر تشکیل شده است:
- دیافراگم
- محفظه عبور مبرد
- بدنه شیر
- فنر تنظیم فشار استاتیک سوپرهیت
- حباب حسگر
- دریچه اتصال متعادل کننده خارجی
مزیت شیر انبساطی ترموستاتیکی نسبت به لوله مویین این است که توانایی تغییر جریان ورودی مبرد در یک سیکل تبرید تهویه مطبوع را دارد.
در قسمت خروجی اواپراتور، یک سنسور که حبابی حرارتی است قرار داده میشود، این سنسور به وسیله یک لوله به شیر انبساط ترموستاتیکی متصل است.
اگر مبرد در اواپراتور از میزان مورد تقاضا کمتر باشد، مبرد گرم شده و پس از خروج از اواپراتور منجر به گرم شدن سنسور می شود؛ گاز موجود در حباب حرارتی با گرم شدن منبسط خواهد شد و از طریق یک لوله به فنری که در شیر انبساطی ترموستاتیکی قرار دارد می‌رسد، این عمل باعث فشرده شدن فنر و در نتیجه باز شدن بیشتر دریچه ورود مبرد به داخل اواپراتور میشود.
نتیجه امر این است که به ورود مبرد بیشتر به اواپراتور، دما متعادل خواهد شد. اتفاق دیگری که میافتد این است که با افزایش ورود مبرد به داخل اواپراتور، دمای مبرد خارج شده از اواپراتور، نسبت به حالت معمول کاهش می‌یابد. این اتفاق منجر به مایع شدن گاز داخل حباب و کاهش حجم آن میشود.
انواع حباب حرارتی:
- حباب حرارتی پر از مایع: این نوع حباب حرارتی با مقدار زیادی مبرد پر شده است. مبرد بکار رفته در حباب حرارتی می‌تواند شبیه به مبرد بکار رفته در سیکل سامانه (Parallel – Charged) و یا از نوع دیگری (Cross – Charged) باشد.
- حباب حرارتی با حداکثر فشار عملکرد: در این نوع حباب حرارتی دارای حداکثر فشار عملکرد فشار می باشد، مثلا اگر روی شیر انبساط برای MOP حک شده باشد ۵۰ این یعنی این اینکه شیر انبساط اجازه نمی دهد که فشار اواپراتور بیشتر از Psi 50 برسد. حباب در این نوع دارای مقدار کمی مبرد است و همین امر کمک می کند که دمای اواپرتور از حدی بالاتر نرود.
- حباب حرارتی دارای جاذب: در این نوع حباب حرارتی، حباب به همراه مبرد با نوعی ماده که در حکم یک جاذب (جذب کننده) را دارد پرمی‌شود.
با برگشت گاز به داخل حباب، فشار از روی فنر شیر انبساط برداشته میشود که باعث این خواهد شد که دریچه مقداری بسته شود و بنابراین مبرد کمتری به اواپراتور فرستاده خواهد شد. شیر انبساط ترموستاتیکی بر اساس مقدار دمای بخار سوپرهیت خارج شده از اواپراتور، نرخ جریان مبرد وارد شده به اواپراتور را تنظیم می‌کند.
دمای بخار سوپرهیت خارج شده از اواپراتور را میتوان با استفاده از میزان کشش فنر شیر انبساط تنظیم نمود. به این صورت که اگر نیرو یا فشار را بیشتر کنیم، به سوپرهیت بیشتری برای غلبه بر نیروی فنر نیاز است؛ و هر اندازه که نیروی فنر را کاهش دهیم، به مقدار سوپرهیت کمتری نیاز خواهد بود. این نیرو یا فشار باید توسط متخصصین مربوطه تنظیم گردد، زیرا به شدت بر عملکرد سیکل تبرید اثرگذار خواهد بود.
شیر انبساط الکترونیکی
همینطور که اشاره شد، شیرهای انبساط دستی و لوله‌های مویین، امکان کنترل خودکار جریان را فراهم نمی‌کنند. شیر انبساط الکترونیکی بیشتر در سیستم تهویه مطبوع با ظرفیت بالا به کار برده می‌شوند. امروزه در سیستم‌هایی که به تنظیم دقیق‌تر دبی مبرد ورودی به اواپراتور نیازمند هستند، از شیر انبساط الکترونیکی استفاده میشود.
این نوع از شیرهای انبساطی متنوع هستند و بستگی به شرکت سازنده دارای تکنولوژی‌های خاصی در ساخت است. همچنین این نوع از شیرهای انبساط نسبت به قطعات انبساطی دیگر در سیستم‌های تهویه از محبوبیت بیشتری برخوردار است، که از دلایل آن میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- بازدهی بالاتر،
- توانایی کنترل دقیق جریان مبرد،
- ابعاد کوچکتر،
- تحمل فشار مبردهای جدید،
- افزایش طول عمر کمپرسور،
به طور معمول این دسته از شیرها دارای یک سنسور دمایی در خروجی اواپراتور و یک سنسور دمایی در ورودی اواپراتور (که در واقع خروجی شیر انبساط است) هستند.
مکانیزم عملکرد شیرهای انبساط الکترونیکی، مشابه با شیرهای انبساطی ترموستاتیکی است با این وجه تمایز که سیگنال دریافت برای تغییر در میزان مبرد، به وسیله یک کنترلر الکتریکی ارسال میشود؛ در حقیقت درون این شیرها، استپ موتورهایی تعبیه شدهاند که با دوران خود میتوانند میزان دریچه برای خروج مبرد را باز یا بسته کنند.
شیر انبساط الکترونیکی در سه نوع مختلف طراحی شده و مورد استفاده قرار می‌گیرند:
- موتور پله‌ای
- پالسی
- شیر انبساط الکترونیکی آنالوگ
شیر الکترونیکی مجهز به موتور پله‌ای: موتور پله‌ای به خاطر عملکرد مناسب و دقت بالا، در اکثر سیستم‌های کنترلی دستگاه‌های صنعتی به کار برده میشود.
موتور پله‌ای، یک موتور الکترونیکی جریان مستقیم و بدون ذغال است. در این موتور حرکت دورانی چرخدنده توسط یک مارپیچ، تبدیل به حرکتی خطی میشود. هر اندازه تعداد مارپیچ‌ها بیشتر باشد، بازه حرکت چرخ دنده و مارپیچ کوچکتر میشود و در نتیجه دقت بیشتری پیدا می‌کند.
موتور پله‌ای می‌تواند به صورت پیوسته در جهت‌های ساعت‌گرد و پادساعت‌گرد، بر اساس ترتیب مغناطیسی که در سیم پیچ‌ها ایجاد میشود حرکت کرده و باعث شود مارپیچ متصل به چرخدنده هم قادر خواهد بود حرکت رفت و برگشتی داشته باشد؛ بنابراین دبی ماده مبرد ورودی به اواپراتور با دقت مناسب و به طور پیوسته کنترل میشود.
به طور کلی شیرهای مجهز به موتور پله‌ای در مقایسه با شیرهای پالسی و آنالوگ عملکرد بهتری را دارند.
شیر الکترونیکی پالسی: این نوع از شیرهای انبساطی، بر اساس یک مکانیزم دیجیتال صفر و یک (روشن و خاموش) کار میکنند. به شکلی که در این شیرها، پین (سوزن) شیر در یکی از این دو حالت قرار دارد: یا کاملاً باز است و یا کاملاً بسته.
بنابراین در کنترلرهای این نوع شیر، “زمان” فاکتور کنترل کننده دبی ورودی ماده مبرد به درون اواپراتور است.
معنی عبارت فوق این است که میتوان با کنترل زمان فعال بودن مغناطیسی سیم‌پیچ‌ها (کویل‌های مغناطیسی) ظرفیت اواپراتور و دبی (مقدار) مبرد به درون آن را کنترل نمود.
شیر الکترونیکی آنالوگ: این نوع از شیرها برخلاف انواع پالسی، قادر هستند که پین شیر را در یک بازه گسترده از کاملاً باز تا کاملاً بسته قرار دهند. با توضیح داده شده از نظر تئوری این شیرها دبی مبرد وارد شده به اواپراتور را بهتر کنترل خواهند کرد، اما در عمل به سبب پیچیده بودن مدار کنترلی شیرهای آنالوگ، این گروه از شیرهای انبساطی عملکرد ضعیف‌تری را در مقایسه با شیرهای دو گروه دیگر (موتور پله‌ای و پالسی) دارند.
⚠️
یک شیر کنترل خودکار جریان مبرد، در صورتی که در وضعیت ایده‌آل خودکار کند، باید همواره اواپراتور را پر از مایع و کندانسور را در وضعیت خشک نگه‌دارد و در عین‌حال باید از نفوذ مبرد به کمپرسور جلوگیری نماید.
» نتیجه گیری
بطور کلی وظیفه شیر انبساط عبارت است از کنترل جریان مبرد ورودی به اواپراتور، بگونه‌ای که متناسب با نیاز سیستم در هر لحظه باشد. شیر انبساط حرارتی این کار را با دو فاکتور اصلی یعنی کنترل بین درجه حرارت گاز و فشار اواپراتور انجام میدهد. بنابراین شیر انبساط باید میزان مبرد ورودی به اواپراتور را طوری کنترل کند که همیشه اطمینان کامل از عدم ورود مبرد اضافی و مایع به کمپرسور وجود داشته باشد.
بدون دیدگاه