عملکرد انواع شیرهای انبساط و کاربرد آن‌ها

شیر انبساط یکی از چهار جزء اصلی سیکل تبرید تراکمی ( کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور) است. شیر انبساط وظیفه‌ی کاهش فشار مبرد را در سیکل تبرید دارد و به واسطه‌ی آن، دما در اواپراتور کاهش می‌یابد. سیکل یا چرخه‌ی تبرید، یک فرآیند خنک‌سازی است که در آن سیالی مانند هوا یا آب به وسیله  مبرد، سرد شده یا گرم شده و برای سرمایش و گرمایش محیط استفاده می‌شود. در ادامه‌ی این مقاله شیر انبساط را بررسی می‌کنیم:

انتخاب درست شیر انبساط اثر مستقیم بر روی عملکرد سرمایشی دستگاه تهویه‌ی مطبوع دارد. ظرفیت اسمی و ظرفیت عملیاتی شیرهای انبساط معمولاً تفاوت دارند و ظرفیت اسمی، از ظرفیت عملیاتی بالاتر است. شیر انبساط در  دو نوع ترموستاتیک و الکترونیکی طراحی و تولید می‌شود.

نقش شیر انبساط در سیکل تبرید

نقش اصلی شیر انبساط، کاهش فشار مبرد خروجی از کندانسور و کاهش دما در اواپراتور است. برای تنظیم جریان ورودی به اواپراتور، ظرفیت و میزان بار سرمایشی باید با شیر انبساط متناسب باشد تا وقتی مبرد از دهانه‌ی تنگ شیر عبور می‌کند، فشار آن کاهش یافته و فرآیند تبخیر با توجه به گرمای حاصله آغاز شود.

1. کنترل مقدار مبرد ورودی به داخل اواپراتور: سطح تبادل‌کننده‌ی حرارت در اواپراتور باید تا جای ممکن با مایع مبرد موجود در جریان ورودی در تماس باشد، طوری‌که مبرد بصورت مایع، وارد کمپرسور نشود. اگر ظرفیت انتقال حرارت مورد نیاز در اواپراتور بالا رود، شیر انبساط مقدار بیشتری از مبرد را به اواپراتور می‌فرستد و برعکس.
2. حفظ اختلاف فشار بین کندانسور و اواپراتور: اختلاف فشار موجود در سیستم که نتیجه‌ی عملکرد کمپرسور است، در سیکل تبرید توسط شیر انبساط حفظ می‌شود. دمای تبخیر به ظرفیت کمپرسور، بازده و ویژگی‌های اواپراتور بستگی دارد.

اجزای مختلف شیر انبساط

• اکسپنشن های ترموستاتیک از سه بخش اصلی پاور اکسپنشن، سوزن و پایه‌ی اکسپنشن تشکیل شده اند که هر یک به سهم خود بر عملکرد سیکل تبرید تأثیر می‌گذارند.
• برای چیلرهای با ظرفیت پایین و مینی چیلرها استفاده از شیر انبساط‌های ترموستاتیک مقرون‌به‌صرفه است.

محل نصب شیر انبساط

شیر انبساط بین خروجی کندانسور و اواپراتور نصب می‌شود.

نحوه‌ی انتخاب شیر انبساط در سیکل تبرید 

جهت انتخاب شیر انبساط مناسب باید این نکات را بدانید:

1. سیکل تبرید با چه مبردی کار می کند؟
2. سیکل تبرید چه توان برودتی‌ای دارد؟
3. دمای اواپراتور چقدر است؟

با داشتن این اطلاعات می‌توان شیر انبساط مناسبی را خریداری کرد.

انواع شیر انبساط

شیر انبساط عامل کنترل فشار مبرد است. ما در این مقاله تعدادی از انواع شیر انبساط را نام برده‌ایم و به سه نوع پرکاربرد در سیستم‌های تهویه مطبوع می‌پردازیم :

• شیر انبساط حرارتی
• شیر دستی
• لوله‌ی مویین
• شیر اتوماتیک
• شیر انبساط الکترونیکی
• شیر شناور فشار پایین
• شیر شناور فشار بالا

شیر انبساط ترموستاتیکی

شیرهای انبساط ترموستاتیک به دلیل بازده خوب و تناسب با کاربردهای مختلف سیستم‌های تبرید از پر کاربردترین انواع شیرهای انبساط هستند. این شیر براساس سوپرهیت شدن بخارِ خط مکش کمپرسور عمل می‌کند؛ میزان سوپرهیت را می‌توان با پیچ تنظیم، تغییر داد. روی دیافراگم این شیر سه نیرو وارد می‌شود:

1. فشار اواپراتور
2. فشار فنر
3. فشار مخلوط مایع و بخار اشباع

هدف اصلی استفاده از شیر انبساط ترموستاتیک، استفاده‌ی مؤثر از تمام کویلِ اواپراتور است. اگر کویل اواپراتور کاملاً پر نشود، نمی‌توان شیر انبساط را برای کمترین سوپر هیت (باز بودن شیر) تنظیم کرد و فقط بخشی از کویل به‌صورت فعال عمل می‌کند. هدف اصلی از وجود پیچ تنظیم روی شیر انبساط این است که شیر برای یک سوپر هیت دیگر تنظیم گردد  اگر اواپراتور خیلی پر شود، خط مکش برفک می‌زند و باعث سوپرهیت پایین می‌شود، یا ورود مبرد به کمپرسور ضربه وارد می‌کند.

شیر انبساط اتوماتیک

این شیر در پاسخ به تغییرات بار سرمایشی، با کم و زیاد کردن مقدار مبرد ورودی به اواپراتور، فشار آن را در حد ثابتی نگه می‌دارد و برای ثابت نگهداشتن فشار اواپراتور از مقابله‌ی دو نیرو استفاده می‌کند

1. فشار اواپراتور روی دیافراگم
2. فشار فنر روی دیافراگم

وقتی فنر برای فشار خاصی تنظیم شده، فشار اواپراتور در این مقدار ثابت باقی می‌ماند. هنگام خاموش بودن دستگاه، فشار اواپراتور بالاتر از فشار فنر است و مبردی از شیر انبساط اتوماتیک عبور نمی‌کند. با شروع به کار کمپرسور و مکش از اواپراتور، فشار اواپراتور کاهش یافته، به زیر فشار تعیین شده می‌رسد و مسیر ورود مبرد مایع به اواپراتور باز می‌شود. در صورت وجودِ بار در اواپراتور و تبخیرِ مایعِ تزریق شده به اواپراتور، فشار بالا رفته و اورفیس جابه‌جا می‌شود تا فشار داخل اواپراتور تنظیم شود.

وقتی کمپرسور خاموش شود، به‌خاطر تبخیر در اواپراتور، فشار بالاتر رفته و مسیر عبور مبرد از شیر اتوماتیک انبساط بسته می‌شود. شیر انبساط اتوماتیک، با ثابت نگهداشتنِ فشار داخل اواپراتور عمل می‌کند. درصورتی‌که بار سرمایشی روی اواپراتور زیاد باشد، میزان و سرعت تبخیر مبرد در اواپراتور بیشتر می‌شود و فشار داخل اواپراتور افزایش می‌یابد.

نیروی وارده به دیافراگم، باعث بسته و کم شدن مجرای عبور مبرد می‌شود تا با مکش کمپرسور دوباره فشار داخل اواپراتور کاهش یابد. وقتی بار برودتی زیاد باشد، نمی‌توان از تمام سطح اواپراتور برای تبخیر شدن و گرما گرفتن استفاده کرد، بنابراین توان سرمایشی دستگاه محدود می‌شود. اما وقتی بار سرمایشی اواپراتور کم باشد،فشار داخل اواپراتور به دلیل تبخیر کمتر، دیرتر بالا می‌رود و شیر انبساط اتوماتیک دیرتر مسیر مبرد را می‌بندد؛ این اتفاق می‌تواند باعث ورود مایع به کمپرسور و آسیب دیدن آن شود.

با توجه به اینکه فشار تنظیمی شیر انبساط اتوماتیک ثابت می باشد لذا فشار باید برای پایین ترین دما تنظیم گردد و همچنین باید یک شیر برقی قبل از شیر انبساط اتوماتیک نصب کرد تا با عمل کردن ترموستات مسیر حرکت مبرد را مسدود نماید .

شیر انبساط الکترونیک (برقی)

این شیر برقی یک نوع استپ موتور است که به‌وسیله‌ی دو سنسور، دو دما را اندازه‌گیری می‌کند و با فرمان گرفتن از یک برد الکترونیکی میزان پاشش مبرد را تنظیم می‌کند. سنسور اول که سنسور گاز GT است، در خروجی اواپراتور نصب شده و میزان سوپرهیت را مشخص می‌کند. سنسور دوم سنسور اواپراتور (ET) است که در ورودی اواپراتور نصب می‌شود و دمای ورودی اواپراتور را مشخص می‌کند.

اثر ژول- تامسون یا فرآیند اختناق 

به تغییر ترمودینامیکی یک سیال، هنگام عبور از یک شیر یا دریچه‌ی متخلخل، فرآیند اختناق گفته می‌شود. فرآیند اختناق در یک محیط ایزوله صورت می‌گیرد و هیچ تبادل حرارتی با محیط اطراف ندارد. دمای تمام گازها غیر از هیدروژن، هلیوم و نئون، در دمای اتاق، به‌خاطر فرآیند اختناق پایین آمده و سرد می‌شوند. کشف فرآیند سرد شدنِ مبرد به وسیله‌ی شیر انبساط، نقطه‌ی عطفی در تکنولوژی‌های مربوط به تبرید تراکمی بود و پس از آن  بیشتر یخچال‌ها و سیستم‌های تبرید تراکمی با توجه به این فرآیند ساخته شده‌اند.