شیر انبساط یا اکسپنشن ولو چیست؟ الکترونیکی و ترموستاتیکی

شیر انبساط یا اکسپنشن ولو (expansion valve) مکانیزمی جهت کنترل دبی ماده سرمازا یا مبرد در سیستم های تبرید است. شیر انبساط یکی از اجزای اصلی سیکل تبرید تراکمی بخار و همچنین سیکل تبرید جذبی به شمار می رود و در تمامی دستگاه ها و سیستم های برودتی و تهویه مطبوع که بر اساس این سیکل های تبرید کار می کنند، استفاده می شوند. اکسپنشن ولو با عناوین شیر کنترل و یا شیر تنظیم نیز شناخته می شود؛ چراکه یکی از وظایف عمده آن کنترل جریان مبرد ورودی به اواپراتور در سیکل تبرید می باشد.

شیرهای انبساط مختلفی بر اساس ساختار دستگاه برودتی مورد نظر و نحوه کنترل دبی ماده مبرد و همچنین نوع اواپراتور (خشک یا مرطوب) بکار رفته در سیستم، مورد استفاده قرار می گیرند که در ادامه انواع آن را بررسی و مطالعه می کنیم.

پیش از بررسی عملکرد اکسپنشن ولو، بهتر است مروری داشته باشیم بر نحوه عملکرد سیکل تبرید تراکمی و همچنین فرآیند اختناق (خفقان) تا به واسطه آن بتوانیم درک و شناخت بهتری از نقش شیر انبساط و اهمیت آن داشته باشیم.

مطابق شکل زیر در فرآیند سیکل تبرید، ماده مبرد یا سرمازا (به شکل مایع) پس از عبور از شیر انبساط با افت فشار زیادی مواجه شده و به تبع آن افت دمای قابل توجهی نیز پیدا می کند و سپس وارد اواپراتور می شود. در اواپراتور یا تبخیر کننده، به دلیل آنکه دمای ماده مبرد کمتر از دمای محیط (آب یا هوا) است، گرمای محیط به ماده سرمازا منتقل می شود، به همین دلیل مبرد شروع به تبخیر شدن می کند. پس از آن بخار مبرد وارد کمپرسور شده و با افزایش فشار که افزایش دما را نیز در پی دارد، از کمپرسور خارج می گردد و به سمت کندانسور (چگالنده) منتقل می شود، در کندانسور نیز به وسیله انتقال گرمای ماده مبرد به محیط (آب یا هوا)، این ماده سرمازا مجدداً به حالت مایع تغییر فاز داده و به ورودی اکسپنشن ولو می رسد و به این ترتیب سیکل برودتی تا مادامی که کمپرسور روشن است تکرار می شود. پیشنهاد می شود به منظور مطالعه دقیق تر و درک کامل تر، مقاله سیکل تبرید تراکمی را مطالعه فرمائید.

همانطور که در شکل مشاهده می کنید موقعیت شیر انبساط بین کندانسور و اواپراتور می باشد. در واقع این شیر به مانند کمپرسور، مرز ناحیه فشار بالا و فشار پایین در دستگاه های برودتی محسوب می شود و در ناحیه خط مایع مبرد (Liquid line) قرار دارد. شیر انبساط بر خلاف کمپرسور که نقش افزایش فشار بخار مبرد در سیکل تبرید را دارد، باعث ایجاد افت فشار در مایع مبرد موجود در سیکل تبرید می شود.

فرآیند اختناق یا اثر ژول-تامسون و نقش شیر انبساط

فرآیند اختناق (Throttling process) یا اثر ژول – تامسون عبارت است از تغییر ترمودینامیکی یک سیال (گاز یا مایع)، هنگامی که از یک شیر (Valve) یا دریچه متخلخل (Porous plug) عبور می کند به نحوی که در طول این عملیات، فرآیند اختناق در یک محیط ایزوله صورت می گیرد و هیچگونه انتقال حرارتی با محیط اطراف خود ندارد.

مطابق شکل زیر فرض کنید که یک نوع گاز یا سیال از نقطه شماره یک به سمت نقطه شماره دو در حال حرکت است و از یک شیر در حالت نیمه باز یا یک دریچه متخلخل عبور می کند. چنانچه این فرآیند با محیط اطراف خود ایزوله باشد و انتقال گرمایی صورت نپذیرد، سیال دچار افت فشار و به دنبال آن کاهش دما می شود و این همان اصل کلیدی در شیر انبساط (اکسپنشن ولو) موجود در سیستم های برودتی و تهویه مطبوع است.

در دمای اتاق، تمامی گازها به جز هیدروژن، هلیوم و نئون در اثر فرآیند اختناق دچار افت دما شده و سرد می شوند.

فرآیند اختناق یا خفگی با نام های دیگری نیز شناخته شده است از جمله :

• اثر ژول – کلوین
• اثر کلوین – ژول
• انبساط ژول – تامسون

در واقع فرآیند خفقان و سرد شدن مبرد در طی آن که به وسیله شیر انبساط صورت می گیرد، نقطه عطفی در سیکل تبرید تراکمی است که باعث تشکیل تمامی پمپ های حرارتی، یخچال ها و سیستم های تبرید شده است.

شایان ذکر است که اختناق یک فرآیند غیر قابل بازگشت می باشد که باعث ایجاد تلفاتی در سیستم شده و محدودیتی را برای کارایی دستگاه ایجاد می کند.

نقش شیر انبساط یا اکسپنشن ولو

شیر انبساط به منظور تحقق دو هدف اصلی در سیکل تبرید تعبیه شده است:

1– کنترل مقدار مبرد ورودی به داخل اواپراتور:

تا حد امکان می بایست سطوح تبادل کننده حرارت در اواپراتور (سطح جانبی لوله ها) با مایع مبرد موجود در جریان ورودی در تماس باشد، به نحوی که مبردی به شکل مایع، به داخل کمپرسور وارد نشود. اگر ظرفیت انتقال حرارت مورد نیاز در اواپراتور افزایش یابد، اکسپنشن ولو اجازه می دهد مقدار بیشتری از ماده سرمازا به داخل اواپراتور راه یابد و عکس این موضوع نیز صادق خواهد بود، یعنی زمانی که ظرفیت برودتی اواپراتور کاهش می یابد، شیر انبساط مقدار مبرد ورودی را کاهش خواهد داد و این چنین کاهش نرخ جریان جرمی (Mass flow) ماده مبرد در اواپراتور، باعث تثبیت میزان سوپرهیت در آن شده و از ورود مایع مبرد به درون کمپرسور جلوگیری می کند.

2- حفظ اختلاف فشار بین کندانسور (ناحیه فشار بالا) و اواپراتور (ناحیه فشار پایین):

اختلاف فشار ایجاد شده در سیستم که ناشی از کار کمپرسور است، توسط شیر انبساط یا اکسپنشن ولو در سیکل تبرید حفظ می شود.

شیر انبساط به طور مستقیم  بر روی دمای تبخیر (Evaporation temperature) تاثیر نداشته و آن را کنترل نمی کند اما این شیر میزان سوپرهیت موجود در اواپراتور را از طریق کنترل نرخ جریان جرمی ماده مبرد ورودی به اواپراتور، تنظیم می کند. این شیر همچنین فشار بین دو ناحیه فشار بالا و فشار پایین را حفظ می کند

دمای تبخیر به ظرفیت کمپرسور، بازده و مشخصه های اواپراتور بستگی دارد. عملکرد یک اکسپنشن ولو در سیکل تبرید در شکل زیر نشان داده شده است، همچنین افت فشار ایجاد شده در ماده مبرد در یک نمودار فشار- آنتالپی را نیز می توانید مشاهده کنید.

انواع شیر انبساط یا اکسپنشن ولو (مکانیزم کنترل دبی ماده مبرد)

همانطور که در ابتدای این مقاله نیز اشاره شد، شیر انبساط یکی از مکانیزم های کنترل دبی ماده سرمازا یا مبرد می باشد. در مجموع کلیه مکانیزم های کنترل جریان مبرد که ممکن است در سیستم های تهویه مطبوع و یا دستگاه های برودتی نیز بکار روند عبارتند از:

• شیر انبساط حرارتی (Thermal Expansion valve)
• شیر دستی (Manual valve)
• لوله موئین (Capillary tube)
• شیر اتوماتیک (Automatic valve)
• شیر انبساط الکترونیکی (Electronic Expansion valve)
• شیر شناور فشار پایین (Low-pressure float valve)
• شیر شناور فشار بالا (Low-pressure float valve)

شکل زیر تصویر جامعی از روش های کنترل دبی ماده مبرد در سیکل تبرید را نشان می دهد. با توجه به اینکه شیرهای انبساط حرارتی (مکانیکی) و الکترونیکی در صنعت تهویه مطبوع و برودت صنعتی کاربرد وسیعی دارند در ادامه بیشتر بر روی این نوع شیرها تمرکز می کینم و آن ها را مورد بررسی فنی قرار می دهیم.

شیرهای انبساط مکانیکی و الکترونیکی رایج ترین مکانیزم های کنترل دبی ماده مبرد در سیستم های برودتی و تهویه مطبوع به شمار می روند.

نحوه عملکرد شیر انبساط مکانیکی (اکسپنشن ولو ترموستاتیکی)

شیر انبساط حرارتی که با نام های شیر انبساط مکانیکی یا ترموستاتیکی نیز شناخته می شود، رایج ترین اکسپنشن ولو بکار رفته در دستگاه های برودتی است. اکسپنشن ولوهای مکانیکی، گاهاً با نام مخفف TEVs نیزعنوان می گردند که برگرفته از عبارت انگلیسی Thermal Expansion Vales می باشد. البته برخی از شرکت های معروف سازنده نظیر کمپانی دانفوس شیرهای انبساط حرارتی خود را با نشان TXV معرفی می کنند.

این شیر از اجزای زیر تشکیل شده است:

1. دیافراگم (Diaphragm)
2. محفظه عبور مبرد
3. بدنه شیر (Valve body)
4. فنر تنظیم فشار استاتیک سوپرهیت
5. حباب حسگر (sensing bulb)
6. دریچه اتصال متعادل کننده خارجی

در ابتدا انواع فشارهای وارده به دیافراگم شیر انبساط را مورد بررسی قرار دهیم:

• فشار فنر (به سمت به بالا)
• فشار اواپراتور (به سمت بالا)
• فشار حباب حسگر (به سمت پایین)

درواقع این فشارها به طور دائم و با توجه به شرایط کاری سیستم نسبت به یکدیگر در حال تقابل هستند تا میزان مبرد ورودی به داخل اواپراتور تنظیم شود.

شایان ذکر است که میزان نیرو (فشار) فنر شیر انبساط مکانیکی توسط شرکت سازنده تنظیم یا کالیبره می شود که در واقع تعیین کننده میزان سوپرهیت در خروجی اواپراتور است و در صورتی که از تنظیم به هر دلیلی خارج شود، مشکلاتی را برای سیستم به وجود خواهد آورد و می بایست توسط دستورالعمل کمپانی سازنده و توسط مهندسان یا تکنسین های آموزش دیده، مجدداً کالیبره شود.

شیر انبساط ترموستاتیکی بر اساس میزان دمایِ بخارِ سوپرهیتِ خروجی از اواپراتور، نرخ جریان مبرد ورودی به اواپراتور را کنترل و تنظیم می کند. در شکل زیر یک اکسپنشن ولو مکانیکی (ترموستاتیکی) را مشاهده می کنید که به یک کویل انبساط مستقیم (DX) یا همان اواپراتور هوایی متصل شده است.

حباب حسگر دما در خروجی اواپراتور نصب می شود، همانطور که اشاره کردیم، این سنسور، دمای بخار سوپرهیت مبرد خروجی از اواپراتور را حس می کند. از طرف دیگر این سنسور حبابی شکل به وسیله یک لوله موئین (capillary tube) به قسمت فوقانی دیافراگم اکسپنشن ولو متصل می شود.

زمانی که مایع مبرد از فضای کوچک اطراف پین یا سوزن موجود در بدنه شیر عبور می کند، دچار افت فشار تا سطح فشار تبخیر می شود. زمانی که فشار از روی مایع برداشته می شود میل به اتمیزه شدن پیدا می کند و به ذرات بسیار ریزتری تبدیل می شود. سپس این ذرات کوچک از مایع مبرد از طریق شیر توزیع (distributor valve) و لوله ها، وارد لوله های مسی کویل DX شده و در همین حین به تدریج تبخیر می شوند. در قسمت انتهایی لوله های کویل (قسمت X)، تمامی مایع مبرد به بخار تبدیل می شود و در زمان خروج از کویل (در نقطه O)، این بخار به سوپرهیت تبدیل شده و دمای آن مقداری بالاتر از دمای بخار اشباع است.

اگر ظرفیت کویل انبساط مستقیم افزایش یابد (به طور مثال دور بالاتری از یک کولر گازی را انتخاب کنید)، مبرد بیشتری تبخیر می شود و به همین دلیل نقطه X تمایل دارد به سمت ورودی اواپراتور حرکت کند. به عبارت بهتر در چنین شرایطی نقطه ایی که تمام مایع مبرد به بخار اشباع تبدیل می شود، در نواحی نزدیک تری از ورودی خود اواپراتور تشکیل می شود. به همین دلیل دمای سوپرهیت خروجی از اواپراتور (نقطه O) افزایش می یابد و این افزایش دما به حباب حسگر منتقل می شود. چون در داخل حباب حسگر یک نوع مایع مشابه مبرد وجود دارد، این افزایش دما باعث ایجاد افزایش فشار اشباع در ناحیه فوقانی دیافراگم شیر انبساط می شود. در شرایطی که دیافراگم نیز خود به پین شیر متصل است و به تبع افزایش فشار در بالای دیافراگم، پین نیز به سمت پایین حرکت می کند. این حرکت رو به پایین سبب می شود ناحیه عبوری مبرد بزرگ تر شده و مقدار مبرد بیشتری به داخل اواپراتور راه یابد و اینگونه میزان مبرد عبوری با ظرفیت تبخیر اواپراتور متناسب می شود.

برعکس فرآیند فوق، زمانی که ظرفیت کویل یا اواپراتور کاهش می یابد، دمای سوپرهیت خروجی از اواپراتور کاهش یافته و در نتیجه فشار ایجاد شده از سمت حباب حسگر بر قسمت فوقانی دیافراگم نیز کمتر می شود و دیافراگم و پیستون متصل به آن به سمت بالا حرکت می کند و اینچنین ناحیه عبور مبرد تنگ تر شده و در نهایت میزان مبرد کم تری به داخل کویل راه می یابد.

در اواپراتورهای آبی نیز عملکرد شیرهای انبساط مکانیکی به همین ترتیب می باشد، با این تفاوت که دیگر در خروجی شیر انبساط نیازی به استفاده از شیر توزیع نخواهد بود.

روش تنظیم اکسپنشن ولو مکانیکی (ترموستاتیکی)

دمای بخار سوپرهیت خروجی از اواپراتور را می توانیم به وسیله میزان کشش فنر اکسپنشن ولو تنظیم کنیم.

مطابق شکل زیر اگر نیرو یا فشار فنر را بیشتر کنیم، نمودار سبز رنگ بیشتر به سمت راست منتقل می شود و این به معنای نیاز به سوپرهیت بیشتر به منظور غلبه بر نیروی فنر می باشد و هر مقدار نیروی فنر کم تر شود بالعکس به میزان سوپرهیت کم تری نیاز داریم. این نیرو باید توسط کمپانی یا متخصصین مربوطه تنظیم شود؛ چراکه به شدت بر روی کارایی و عملکرد سیکل تبرید تأثیرگذار است.

متعال کننده(equalizer) در شیر انبساط مکانیکی:

به دلیل اینکه در کویل های انبساط مستقیم (Dx) افت فشار ایجاد شده در مبرد پس از عبور از شیر توزیع و لوله ها و قبل از ورود به کویل زیاد است، در این نوع کویل ها معمولاً بهمراه شیر انبساط از متعادل کننده خارجی نیزاستفاده می شود.

در شیرهای انبساط مکانیکی از دو نوع متعادل کننده استفاده می شود:

• متعادل کننده خارجی (External equalizer)
• متعادل کننده داخلی (Internal equalizer)

در سیستم هایی که از شیر تقسیم یا توزیع استفاده می شود می بایست حتماً از متعادل کننده خارجی استفاده گردد؛ چرا که در غیر اینصورت تخمین و اندازه گیری سوپرهیت با خطا مواجه شده و راندمان سیکل کاهش می یابد. معمولاً از متعادل کننده های داخلی که در خروجی اکسپنشن ولو و در همان مجموعه شیر نصب می شود، در سیستم هایی که شیر تقسیم وجود ندارد استفاده می گردد.

در کویل های مجهز به متعادل کننده خارجی یک لوله از بخار سوپرهیت در خروجی اواپراتور به قسمت زیرین دیافراگم شیر انبساط متصل می شود.

شیر انبساط یا اکسپنشن ولو الکترونیکی

شیرهای انبساط الکترونیکی به لطف پیشرفت تکنولوژی و دانش کنترل، نسبت به شیرهای انبساط مکانیکی دقت بالاتری داشته و امروزه در دستگاه هایی که نیازمند تنظیم دقیق تر مقدار مبرد ورودی به اواپراتور می باشند، کاربرد بیشتری دارند. درواقع، تنها عیب این شیرها نسب به شیرهای انبساط ترموستاتیکی قیمت بالاتر آن ها است.

امروزه سه نوع اکسپنشن ولو الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند که عبارتند از:

• شیر انبساط الکترونیکی مجهز به موتور پله ای (Stepper motor)
• شیر انبساط الکترونیکی پالسی (Pulse-Width-Modulated )
• شیر انبساط الکترونیکی آنالوگ (Analog Valves)

نوع قرار گیری شیر انبساط الکترونیکی و کنترلر آن در سیکل تبرید را می توانید در شکل زیر مشاهده کنید.

شیر انبساط الکترونیکی مجهز به موتور پله ای

موتور پله ای در بسیاری از سیتم های کنترلیِ دستگاه های صنعتی به علت عملکرد مناسب و دقت بالا، مورد استفاده قرار گرفته است. در صنعت تهویه مطبوع و برودت صنعتی نیز این نوع تکنولوژی در شیرهای انبساط الکترونیکی به منظور کنترل دبی ماده مبرد بکار گرفته می شود که همواره تاکنون نتایج مطلوبی را به همراه داشته است. بویژه در چیلرهای تراکمی هوا خنک و چیلرهای تراکمی آب خنک که کاربرد وسیعی دارند.

در انیمیشن زیر نوعی موتور پله ای را می بینید که دارای چهار سیم پیچ مجزا می باشد. موتور پله ای یک موتور الکترونیکی جریان مستقیم و بدون ذغال (Brushless DC electric motor) است. حرکت دورانی چرخدنده به وسیله یک مارپیچ به حرکت خطی تبدیل می شود. هر چقدر تعداد مگنت ها یا همان سیم پیچ ها بیشتر باشد، بازه حرکت چرخدنده و مارپیچ کوچکتر شده و دقت بالاتری پیدا می کند. موتور پله ای قادر است به طور پیوسته در جهت ساعت گرد و پاد ساعت گرد بر اساس ترتیب مغناطیس ایجاد شده در سیم پیچ ها حرکت کند و در نتیجه مارپیچ متصل به چرخدنده نیز می تواند حرکت رفت و برگشتی داشته باشد تا اینگونه به طور پیوسته و با دقت مناسبی دبی جرمی ماده مبرد ورودی به اواپراتور کنترل شود. موتور پله ای قادر است بر اساس سیگنال های مغناطیسی دریافتی (به طور مثال 200 سیگنال بر ثانیه) به حرکت درآید. مکانیزم چرخدنده ها یا همان گیربکس باعث افزایش گشتاور خروجی موتور پله ای می شوند و این به معنی قدرت خروجی بیشتر آن بوده که در سیستم های کنترلی مورد استفاده قرار می گیرد.

امروزه از شیرهای انبساط الکترونیکی در روفتاپ پکیج و حتی گاهی در مینی چیلرها نیز استفاده می شود

نتایج و بررسی ها نشان داده که شیرهای مجهز به موتور پله ای عملکرد بهتری نسبت به شیرهای پالسی و آنالوگ دارند و به همین دلیل تولید و استفاده از شیرهای دارای موتور پله ای رشد بسیار بیشتری داشته و امروزه بیشتر شرکت های تولید کننده دستگاه های برودتی، تمایل به استفاده از چنین شیرهایی دارند.

اکسپنشن ولو الکترونیکی پالسی

در شیرهای انبساط الکترونیکی از نوع پالسی در واقع با یک مکانیزم دیجیتال صفر و یک (خاموش و روشن) مواجه هستیم. چنانکه در این نوع شیر انبساط الکترونیکی، پین یا سوزن شیر یا در حالت تمام باز (Fully open) قرار دارد و یا در وضعیت کاملاً بسته (closed). به همین دلیل در کنترلرهای این شیر فاکتوری که باعث کنترل مقدار ورود ماده مبرد به داخل اواپراتور می شود “زمان” است. به این معنا که با کنترل زمانِ فعال بودن مغناطیسِ سیم پیچ ها یا همان کویل های مغناطیسی، می توانیم ظرفیت اواپراتور و مقدار ورود ماده سرمازا به داخل آن را کنترل کنیم. شکل زیر پالس های زمانی متفاوت شیر را بر مبنای فرمان کنترلر و مقدار بار اواپراتور نشان می دهد. زمان فعال بودن مغناطیس را پهنای پالس(pulse width) می نامند.

درشیرهای پالسی حرکت پیستون یا پین شیر ناگهانی است، چون بر اثر مغناطیس بصورت لحظه ای باز یا بسته می شود و این ممکن است باعث ایجاد ارتعاش و پدیده چکش آبی (water hammer) شود. به همین دلیل بر روی پین یا پیستون شیرهای انبساط الکترونیکی پالسی، یک سوراخ بسیار کوچک به منظور انتقال بخشی از مایع مبرد در نظر گرفته می شود تا به مانند یک دمپر(damper) باعث جلوگیری از پدیده چکش آبی گردد. با این وجود، معمولاً سعی می شود از این نوع شیرهای انبساط الکترونیکی در اواپراتورهای صفحه ای (BPHE) استفاده نگردد؛ زیرا ارتعاشات ذکر شده باعث ایجاد تنش و کاهش عمر مبدل های حرارتی صفحه ای (اواپراتور صفحه ای) می شود.

شیر انبساط الکترونیکی آنالوگ

شیرهای انبساط الکترونیکیِ آنالوگ بر خلاف نوع پالسی، می توانند پین یا پیستون شیر را در موقعیت های مختلفی از بازه کاملاً باز تا کاملاً بسته شیر قرار دهند. به همین دلیل این نوع از شیرهای انبساط الکترونیکی به لحاظ تئوری قادر هستند دبی مبرد ورودی به اواپراتور را بهتر کنترل کنند. اما در عمل به دلیل پیچیده بودن مدار کنترلی شیرهای آنالوگی، این نوع شیرها عملکرد ضعیف تری نسبت به شیرهای مجهز به موتور پله ای و حتی شیرهای پالسی دارند.

شیر انبساط یا اکسپنشن ولو یکی از مؤلفه های مهم در سیستم های برودتی و تهویه مطبوع

شرکت مهندسی تهویه نگار با بیش از یک دهه فعالیت در زمینه طراحی و فروش سیستم های تهویه مطبوع و دستگاه های برودت صنعتی، افتخار دارد تا با کارفرمایان عزیز همکاری کرده و مناسب ترین سیستم مورد نیاز ایشان را به لحاظ فنی و مالی، معرفی نماید.

تهویه نگار دستگاه های متعددی از جمله چیلرهای تراکمی هوا خنک و آب خنک، مینی چیلرهای آپارتمانی، انواع هواساز معمولی و هایژنیک، روفتاپ پکیج یا پکیج یونیت پشت بامی، برج خنک کننده، انواع درای کولر، کندانسور هوایی و آبی و … را در شهرهای مختلف ایران طراحی و به فروش رسانده است. به منظور خرید و دریافت مشاوره با کارشناسان ما تماس بگیرید.

کارشناس فروش (عمادی) 09904494274