شیر انبساط در سیکل تبرید [بررسی عملکرد + نمودار تبرید]

پیشگفتار:

شیر انبساط حرارتی که با نام‌های شیر انبساط مکانیکی یا ترموستاتیکی نیز شناخته می‌شود، رایج‌ترین اکسپنشن ولو بکار رفته در دستگاه‌های برودتی است. اکسپنشن ولوهای مکانیکی، گاهاً با نام مخفف TEVs نیز عنوان می‌گردند که برگرفته از عبارت انگلیسی Thermal Expansion Vales است.شیر انبساط، یکی از اجزای درونی و حیاتی انواع چیلر هوا خنک، چیلر آب خنک،مینی چیلر،هواساز خانگی و صنعتی است که نقش بسیار مهمی در کنترل جریان مبرد درون سیستم دارد. این جزء که نام دیگر آن اکسپنشن ولو است، به چهار نوع مختلف تقسیم می‌شوند و هر یک برای دستگاه خاصی مناسب است. 

نقش شیر انبساط در سیکل تبرید

شیر انبساط و لوله مویین که به‌طورکلی تجهیزات انبساطی هستند، یکی از چهار جزء اصلی یک سیکل تبرید هستند و بدون این تجهیزات عملاً سیکل کامل نخواهد شد. یک سیکل تبرید شامل کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور می‌باشد.

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

•  کنترل مقدار مبرد ورودی به داخل اواپراتور

تاحدامکان می‌بایست سطوح تبادل کننده حرارت در اواپراتور (سطح جانبی لوله‌ها) با مایع مبرد موجود در جریان ورودی در تماس باشد، به‌نحوی‌که مبردی به شکل مایع، به داخل کمپرسور وارد نشود. اگر ظرفیت انتقال حرارت موردنیاز در اواپراتور افزایش یابد، اکسپنشن ولو اجازه می‌دهد 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 می‌یابد، شیر انبساط مقدار مبرد ورودی را کاهش خواهد داد و این‌چنین 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 می‌کند.

• 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 می‌شود.

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

(نمودار فشار_ آنتالپی سیکل تبرید)

شیر انبساط در سیستم‌ تهویه مطبوع

سیستم‌های تهویه مطبوع مدرن را می‌توان معجزة مهندسی و علم دانست. عملکرد پیچیدة این سیستم‌ها دقیقاً همان دلیلی است که شما می‌بایست برای تعمیر آن‌ها، حتماً یک مهندس تعمیرکار خبره و کاردان را خبر کنید! یکی از همین قطعات کاربردی و بسیار کلیدی سیستم هواسازها، شیر انبساط است که مهره‌های اصلی شطرنج ساخت هوای مطبوع محسوب می‌شود. اگر هیچ شیر انبساطی داخل سیستم هواسازی داخل هواساز شما نمی‌بود؛ احتمالاً دستگاه شما نمی‌توانست گرمای کافی را از اتاق یا منزل شما خارج نماید. حال که متوجه شدیم این قطعة کوچک و درعین‌حال معجزه‌گر تا چه حد می‌تواند مفید باشد؛ وقت آن است که کمی با آن بیشتر آشنا شویم. شیر انبساط (که گاهی اکسپنشن ولو یا Expansion Valve هم نامیده می‌شود.) یکی از اجزای قدرتمند یک دستگاه هواساز است که حداکثر میزان سرمایش را برای دستگاه شما ممکن می‌سازد. شیر انبساط به دستگاه شما کمک می‌کند تا جریان مبرد را درون سیستم تبریدی کنترل نماید. 
برای این‌که بهتر عملکرد اکسپنشن ولو را درک کنید، می‌بایست ابتدا سری به ارتباط فشار و دما بزنیم. از مقالات قبل ترموتجهیز به یاد دارید که فشار مبرد بالا می‌رفت و هم‌زمان دما نیز افزایش می‌یافت. این باعث تراکم بیشتر مولکول‌های این ماده می‌شد و این دقیقاً شرایطی است که مبرد در کمپرسور با آن مواجه است! تراکم بیشتر و هر چه بیشتر!

با کاهش فشار مبرد، این ماده کم‌کم خنک می‌شود و حالا نوبت شیر انبساط است تا خودی نشان دهد! پس از خنک شدن مبرد، شیر انبساط که مخصوص تنظیم جریان مبرد است، پا پیش می‌گذارد و مانع عبور مبرد به‌سوی کویل‌های اواپراتور می‌شود. 

سوال: اگر اکسپنشن ولو نبود چه می‌شد؟ واضح است! تصور کنید که در صورت نبود یک شیر تنظیم مشابه با شیر انبساط، مبرد پیش از آن که کاهشی در فشار خود تجربه کند، به درون کویل‌های اواپراتور می‌ریزد. اکسپنشن ولو اجازه می‌دهد تا تنها مقداری اندک از مبرد به درون کویل‌ها بریزد. مشخص است که عملکرد شیر انبساط موجب می‌شود که ضمن کاهش فشار در مبرد، دمای آن هم به حد قابل‌توجهی کاهش پیدا کند. 

انواع اکسپنشن ولو

در برخی از استانداردها، شیر تنظیم را حاوی 7 نوع شیر اصلی می‌دانند که شامل: شیرهای انبساط ترموستاتیک، شیرهای انبساط دستی، شیرهای انبساط مویین، شیرهای انبساط اتوماتیک، شیرهای انبساط الکترونیکی، دریچه‌های شناور کم‌فشار و دریچه‌های شناور پرفشار. اما در حقیقت، گروه‌بندی مدرن و اصلی شیر انبساط شامل تصویر زیر می‌شود: 

• اکسپنشن ولو اتوماتیک: این مدل از اکسپنشن ولو با کمک یک دیافراگم عامل فشار کار می‌کند که مبرد را از خطوط مایع به اواپراتور می‌رساند. یکی از معایب این شیر انبساط این است که در نوسان بار، ممکن است دچار خرابی گردد. این اکسپنشن ولوها را معمولاً در دستگاه‌هایی که بار آن‌ها نوسان بسیاری پیدا می‌کند،توصیه نمی‌کنند. 
• اکسپنشن ولو ترموستاتیک: شیر انبساط ترموستاتیک که با عنوان TEV نیز خوانده می‌شود، از یک مکانیسم سوپاپی استفاده می‌کند که جریان مبرد مایع را به کویل‌های اواپراتور می‌رساند و آن را تحت کنترل نگه می‌دارد. دستگاه‌هایی که در دل خود اکسپنشن ولو دارند معمولاً حتی زیر نوسان بار هم به‌خوبی کار می‌کنند و به‌شدت برای تهویه مطبوع مناسب هستند. حتی زمانی که اواپراتور خیلی گرم می‌شود، این سوپاپ‌ها موجب برقراری جریان بالاتری از مبرد به سمت اواپراتور می‌گردد و پس از سرد شدن آن، مجدداً این جریان کاهش پیدا می‌کند. بماند که این دستگاه مجهز به سنسور خاصی هم هست که دمای بالاتر اواپراتور را نیز تشخیص می‌دهد. 

• لوله مویین: لوله‌ای با قطر کوچک است که معمولاً روی خطوط ساکشن نصب می‌شود و خود لولة مویین ممکن است مجهز به کویل‌های متعدد باشد. برای این‌که آلودگی و کثیفی از مبرد دور بماند، معمولاً یک فیلر را به سر این لوله متصل می‌سازند تا آن را پاک‌سازی نماید. در مقایسه با اکسپنشن ولو ترموستاتیک، لوله مویین بسیار ارزان‌تر است و برای هواسازهای پنجره‌ای یا اتاقی به کار می‌رود.

• اکسپنشن ولو شناور: این شیر انبساط که همان‌طور که از نام آن مشخص است، در مبرد مایع غوطه‌ور می‌شود؛ شناورهای بالا و پایین این سوپاپ تنظیم، جریان مبرد مایع را کنترل می‌کنند و آن را برای رسیدن به اواپراتور در یک سطح خاص نگه می‌دارند.

هنگامی که مایعی داخل اواپراتور وجود ندارد، این اکسپنشن ولو با باز و بسته‌شدن مبرد بیشتری به درون اواپراتور می‌کشاند. هنگامی که کمپرسور کار می‌کند؛ محفظة شناور جریان مبرد متراکم را دریافت کرده و شیر باز می‌شود و مبرد به درون اواپراتور راه پیدا می‌کند. وقتی هم که سطح این مایع در محفظة شناور کاهش پیدا کند؛ دریچه‌های آن بسته می‌شود و جلوی ورود مبرد را به اواپراتور می‌گیرد. 

(اجزا و ساختمان داخلی شیر کنترل)

مشکلات عمده اکسپنشن ولو

در مقایسه با اجزای نازک نارنجی هواساز، شیر تنظیم معمولاً گرگ باران‌دیده است و فولاد آب‌دیدة جان‌سخت! پس خیلی‌خیلی دیرتر از سایر اجزای سیستم خراب می‌شود. اما این حقیقت دارد که اکسپنشن ولو می‌بایست فشارهای مختلفی را تنظیم نماید و همین ممکن است روزی منجر به خراب‌شدن آن شود. وقتی اکسپنشن ولو دستگاه شما خراب شود، طبیعی است که مبرد بیش از حد به اواپراتور سرازیر می‌شود و دستگاه شما نمی‌تواند به‌خوبی قبل اتاق را سرد کند. این یکی از مشکلات عمدة اکسپنشن ولو است که برای حل آن، بهترین راه مشورت با کارشناسان و مهندسان چیره‌دست است! پس اگر سؤالی دارید و گمان می‌کنید شیر تنظیم انبساط هواساز شما خراب شده است.

(نقش شیر انبساط در سیستم های تبریدی)

نتیجه گیری:

شیر انبساط حرارتی یا ترموستاتیکی، یکی از پرکاربردترین نوع شیرهای انبساط است. این شیرها ساختمان پیچیده‌تری نسبت به لوله مویین دارند که باعث می‌شود کارایی آنها بهتر شود. مدل حرارتی از دو قسمت اصلی ساخته شده است. بنده اصلی شیر و یک حباب حرارتی که توسط لوله‌ای باریک به هم متصل‌اند. در داخل حباب حرارتی که می‌توان گفت نقش حسگر حرارتی را دارد، مقدار مبرد موجود است. حباب حرارتی بر روی لوله خروجی اواپراتور نصب می‌شود. شیر انبساط نیز قبل از ورودی اواپراتور. در بنده اصلی شیر نیز سوزن، دیافراگم و فنر تنظیم‌کننده وجود دارند. هرگاه دمای گاز خروجی اواپراتور افزایش یابد، به عبارتی سوپرهیت افزایش پیدا کند، مبرد داخل حباب حرارتی اکسپنشن ولو بخار می‌شود و با فشار خود از طریق لوله مخصوص باعث بازشدن شیر انبساط به مقدار مشخصی می‌گردد که با این کار حجم مبرد عبوری از شیر افزایش می‌یابد و سوپرهیت به مقدار استاندارد خود برمی‌گردد و هرگاه دمای گاز خروجی اواپراتور یا به عبارتی سوپرهیت کاهش یابد، مبرد حباب حرارتی مایع شده، فشارش کم می‌شود و باعث بسته‌شدن شیر می‌شود و به‌این‌ترتیب با کاهش حجم مبرد عبوری مقدار سوپرهیت نیز به حالت عادی می‌رسد.

تیم تخصصی ما در وب سایت " ترموتجهیز " تجربه وسیعی در زمینه طراحی، اجرا و فروش سیستم‌های تهویه مطبوع دارد. شما می‌توانید قبل از هر اقدامی با تیم مشاوره فنی و رایگان ترموتجهیز تماس حاصل فرمائید. ما همیشه بهترین‌ها را قبل از ارائه توصیه‌ها در نظر می‌گیریم. تیم ما از شنبه تا پنجشنبه از ساعت 8:30 تا 17:00 در خدمت شما عزیزان می‌باشد. (تماس با ما)

✍تیم تحریریه ترموتجهیز به شما پیشنهاد می کند تا در خصوص این مطالب نیز مطالعه ای داشته باشید!

• بهترین محل نصب کندانسور کولر گازی کجاست؟
• کندانسور چیلر تراکمی [از چیستی تا عملکرد دستگاه!]
• نگهداری و تعمیر چیلر تراکمی و جذبی [چک لیست کامل]