انواع شیر انبساط

شیر انبساط یا اکسپنشن ولو چیست؟

بی تردید شیر انبساط یا اکسپنشن ولو (expansion valves) را می توان یکی از چهار بخش اصلی سیکل تبرید نام برد که انواع مختلفی دارد. یکی از عمده وظایف آن کنترل جریان مبرد ورودی به اواپراتور در سیکل تبرید می باشد. این قطعه در زمان نیاز به تولید سرما، اجازه ورود مبرد به اواپراتور را داده و موجب تبدیل حالت مبرد از مایع به گاز می‌شود. این تغییر حالت موجب جذب انرژی توسط گاز شده و در اواپراتور سرما ایجاد می‌کند.

شیر انبساط برای دو هدف اصلی در سیکل تبرید بکار می روند:

• کنترل مقدار مبرد ورودی به داخل اواپراتور:

تا آنجا که ممکن است می بایست سطوح تبادل کننده حرارت در اواپراتور با مایع مبرد موجود در جریان ورودی در تماس باشد، بدون اینکه مبرد مایع شده، به داخل کمپرسور وارد شود. اگر ظرفیت انتقال حرارت مورد نیاز در اواپراتور افزایش یابد، شیر انبساط یا اکسپنشن ولو اجازه می دهد مقدار بیشتری از ماده سرمازا به داخل اواپراتور راه یابد و همین طور برعکس. یعنی زمانی که ظرفیت برودتی اواپراتور کاهش می یابد، اکسپنشن ولو نیز مقدار مبرد ورودی را کاهش خواهد داد. این صورت از 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.

• حفظ اختلاف فشار بین کندانسور (فشار بالا) و اواپراتور (فشار پایین):

هدف دیگر شیر انبساط یا اکسپنشن ولو در سیکل تبرید، حفظ اختلاف فشار ایجاد شده در سیستم که ناشی از کار کمپرسور می باشد.

لازم به ذکر است 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. اکسپنشن ولو همچنین فشار بین کندانسور (فشار بالا) و اواپراتور (فشار پایین) را حفظ می کند.

تصویر زیر عملکرد شیر انبساط در نمودار فشار – آنتالپی را نشان می دهد.

انواع شیر انبساط یا اکسپنشن ولو:

شیر انبساط ها در انواع مختلفی تولید می‌شوند که هفت نوع اصلی از آنها وجود دارند:

• شیر انبساط ترموستاتیک (Thermostatic expansion valves)
• شیر دستی (Manual valve)
• لوله موئین (Capillary tube)
• شیر انبساط 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)

از رایج ترین انواع شیرهای انبساط می توان شیرهای انبساط مکانیکی و الکترونیکی در سیستم های برودتی و تهویه مطبوع را نام برد. این شیرها کاربرد فراوانی در این صنعت دارند.

شیر انبساط ترموستاتیک (اکسپنشن ولو مکانیکی)

شیر انبساط ترموستاتیک (اکسپنشن ولو مکانیکی)، به سه دسته اصلی تقسیم بندی می گردد. انواع شیر انبساط ترموستاتیک عبارتند از:

1) شیر انبساط ترموستاتیکی با سوزن قابل تعویض

شیر انبساط ترموستاتیکی وظیفه پاشش یکنواخت گاز به اواپراتور را بر عهده دارد. کنترل فرآیند پاشش گاز توسط میزان سوپرهیت گاز کنترل می‌شود. این گروه از اکسپنشن ولو های مکانیکی دارای اتصالات مهره‌ای و جوشی می باشند. این شیرها اغلب برای بازه دمایی 60- تا 50+ درجه سانتیگراد مناسب هستند. در بازه ظرفیت 0.5 تا 1890 کیلووات قابل استفاده می باشند. از معروفترین برندهای این شیرهای انبساط می توان شرکت دانفوس را نام برد.

2) شیر انبساط ترموستاتیکی با سوزن ثابت

شیر انبساط ترموستاتیکی با سوزن ثابت نیز همچون شیر انبساط ترموستاتیکی با سوزن قابل تعویض، وظیفه پاشش یکنواخت گاز به اواپراتور را بر عهده دارد. شیر انبساط ترموستاتیکی با سوزن ثابت در بازه ظرفیت 0.5 تا 245 کیلووات قابل استفاده است. این نوع از اکسپنشن ولوهای مکانیکی برای محصولاتی مانند شیر انبساط چیلر و شیر انبساط یخچال و سردخانه های پیش ساخته مناسب می باشد.

3) شیر تزریقی ترموستاتیک

این نوع شیر انبساط ترموستاتیکی از انواع شیر انبساط کاربردهای مختلفی از قبیل پایین آوردن دمای گاز از دمای سوپرهیت (desuperheating) و همچنین در تبرید دو مرحله‌ای پاشش مایع در اینتر کولر در سیستم تبرید مناسب می باشد. از دیگر کاربردهای شیر انبساط تزریقی ترموستاتیکی می توان به این مورد اشاره نمود که برای پاشش مایع به درون خط مکش برای کاهش دمای تخلیه در زمانی که سیستم با مکش بخار بیش از اندازه سوپرهیت شده، کار می‌کند، بکار می رود.

در زیر تصویر شماتیک شیر انبساط ترموستاتیکی به همراه اجزا آن نشان داده شده است

• دیافراگم (Diaphragm)
• فضای عبور مبرد
• بدنه شیر انبساط (Valve body)
• فنر تنظیم فشار استاتیک سوپرهیت
• حباب حسگر (sensing bulb)
• دریچه اتصال متعادل کننده خارجی

نحوه قرارگیری شیر انبساط ترموستاتیکی با سوزن قابل تعویض به صورت زیر می باشد.

شیر انبساط یا اکسپنشن ولو الکترونیکی

با پیشرفت تکنولوژی و دانش کنترلرهای الکترونیکی، شیر انبساط یا اکسپنشن ولوهای الکترونیکی (Electronic Expansion valve) ایجاد شدند تا بتوان بوسیله آنها تنظیمات دقیق تری برای مقدار مبرد ورودی به اواپراتور ایجاد نمود. شیرهای انبساط الکترونیکی نسبت به شیرهای انبساط مکانیکی دقت بالاتری داشته ولی دارای قیمت بالاتری می باشند.

انواع شیر انبساط یا اکسپنشن ولو الکترونیکی دارای سه مدل می باشند که در زیر به شرح آنها خواهیم پرداخت:

1) شیر انبساط الکترونیکی مجهز به موتور پله ای (Stepper motor)

در صنعت تبرید و تهویه مطبوع و دیگر صنایعی از سیستم های کنترلی به جهت عملکرد مناسب و دقت بالاتر مورد نیاز می باشد، استفاده از شیر انبساط الکترونیکی مجهز به موتور پله ای کاربرد بسیار دارد. در سیستم های برودتی نیز برودت به منظور کنترل دبی مبرد بکار گرفته می شود. این شیرهای انبساط در چیلرهای تراکمی هوا خنک و چیلرهای تراکمی آب خنک کاربرد وسیعی دارند.

2) شیر انبساط الکترونیکی پالسی (Pulse Width Modulated)

در شیرهای انبساط الکترونیکی (Electronic Expansion valve) از نوع پالسی فاکتوری که باعث کنترل مقدار ورود ماده مبرد به داخل اواپراتور می شود در حقیقت “زمان” می باشد. در این شیرها یک مکانیزم دیجیتال صفر و یک (خاموش / روشن) وجود دارد. در واقع پین یا سوزن شیر یا کاملا در حالت تمام باز (Fully open) قرار گرفته و یا در وضعیت کاملاً بسته (closed) به سر می برد. به این معنی که با کنترل زمان فعال بودن مغناطیس سیم پیچ ها یا همان کویل های مغناطیسی، می توانیم ظرفیت اواپراتور و مقدار ورود ماده سرمازا به داخل آن را کنترل کنیم.

3) شیر انبساط الکترونیکی آنالوگ (Analog Valves)

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