شیر انبساط (اکسپنشن ولو) چیست؟

شیر انبساط یا همان اکسپنشن ولو (Expansion Valve) یکی از بخش‌ها یا قطعات مورد استفاده در سیکل تبرید است؛ ما دو نوع سیکل تبرید داریم:

۱- سیکل تبرید تراکمی

۲- سیکل تبرید جذبی

در هر دو این چرخه‌ها شیر انبساط نقش بسیار مهمی دارد و اگر نباشد بی شک این چرخه نمیتواند کار خود را که همان ایجاد برودت یا سرمایش است درست انجام دهد.

از همین رو قصد داریم در این بخش از سری مقالات آسا تهویه به معرفی، بررسی، انواع و حتی نحوه عملکرد شیر انبساط بپردازیم تا شما علاقه‌مندان با این قطعه بیشتر آشنا شوید؛ پس تا انتها با ما همراه باشید.

شیر انبساط چیست؟

اگر به خاطر داشته باشید در چرخه تبرید تراکمی، مایع مبرد را بعد از اینکه در بخش کندانسور خنک کردیم و به مایع تبدیل شد دوباره باید به سیکل برگردانیم تا بتواند گرما را از سیال (آب یا هوا) بگیرد و در نهایت برودت ایجاد کند ولی ما در فرآیند تبرید، فشار مبرد را در بخش کمپرسور افزایش دادیم و الان باید این فشار را برای اینکه مایع مبرد به اواپراتور وارد شود کاهش دهیم چرا که اواپراتور برای کار در فشار بالا ساخته نشده است.

وظیفه شیر انبساط یا همان اسکپنشن ولو دقیقا اینست که فشار و دمای مایع مبرد ورودی به اواپراتور را کاهش دهد برای اینکه یک تعریف علمی هم داشته باشیم، به مقدار مایعی که در زمان مشخص از سطح مقطع مشخص عبور میکند اصطلاحا دبی (Discharge) آن مایع میگویند و وظیفه شیر انبساط کنترل دبی (آبده) مایع مبرد ورودی به اواپراتور است.

دبی در اصل واحدی برای سنجش جریان است که واحد اندازه گیری آن متر مکعب بر ثانیه است.

برای اینکه بتوانیم نحوه عملکرد یا کارکرد دستگاه شیر انبساط را متوجه شویم نیاز داریم تا با یکی از اصل‌های علمی به نام اختناق (خفگی) یا اثر ژول تامسون آشنا شویم.

اثر ژول تامسون چیست؟

برای اینکه بدانید وظیفه شیر انبساط چیست نیاز داریم تا با هم به بررسی اثر ژول تامسون بپردازیم، دو دانشمند به نام‌های ژول و تامسون در سال ۱۸۵۳ تصمیم گرفتند تا فرآیند انبساط گاز در حین عبور از یک صفحه متخلخل را در یک فضایی که کاملا عایق دما (ایزوله) شده است بررسی کنند.

این آزمایش در دو حالت انجام شد:

۱- عبور گاز از یک شیر نیمه باز

۲- عبور گاز از یک سطح یا دریچه متخلخل

این دو دانشمند متوجه شدند به جز گازهای هیدروژن، هلیم و نئون، بقیه سیال‌ها (گاز و مایع) هنگام عبور از این شیر نیمه باز یا سطح متخلخل با افت فشار و در راستای آن افت دما روبرو میشوند.

از همین اصل برای شیر انبساط استفاده میکنند و با عبور دادن مایع مبرد از شیر نیمه باز یا سطح متخلخل قصد داریم فشار و دمای آن را کاهش دهیم تا زمانی که مایع مبرد وارد اواپراتور میشود کاملا آماده جذب گرمای محیط باشد.

گازهای هیدروژن، هلیوم و نئون در فرآیند اختناق یا خفگی بر خلاف دیگر سیال‌ها با افزایش دما روبرو میشدند!

محیط یا دریچه متخلخل چیست؟

منظور از یک دریچه یا محیط متخلخل در علم مکانیک یک جامد است که توسط شبکه‌های خالی یا منافذ به هم متصل است و این شبکه‌های خالی در دل این جسم جامد موجب جریان داشتن سیال در این جسم جامد است، البته فراموش نکنید این منافذ و فضاهای خالی به صورت نامنظم توزیع شده‌اند.

ما سعی کردیم به صورت جامع شیر انبساط را برای شما توضیح دهیم ولی در این مرحله بهتر است تا به بررسی نقش و وظیفه شیر انبساط در سیکل تبرید بپردازیم.

وظیفه شیر انبساط در سیکل تبرید

ما در واقع هدفمان برای استفاده از شیر انبساط انجام دو وظیفه است که عبارتند از:

1. کنترل فشار بین کندانسور و اواپراتور
2. کنترل مقدار مایع مبرد ورودی به اواپراتور

• اگر به یاد داشته باشید در مقاله تفاوت اواپراتور و کندانسور اشاره کردیم که بعد از اینکه مایع مبرد در اواپراتور تبخیر شد به صورت گاز وارد کمپرسور میشود و وظیفه این دستگاه اینست که این گاز را متراکم کند و به همین دلیل فشار آن نیز افزایش پیدا میکند؛ این گاز بعد از افزایش فشار وارد کندانسور میشود و در این بخش این گاز را باید به مایع تبدیل میکنیم ولی برای اینکه دوباره به اواپراتور بازگردد، نیاز دارد تا فشار آن کاهش پیدا کند، شیر انبساط دقیقا در نقطه مقابل کمپرسور وظیفه کاهش فشار مایع مبرد ورودی به اواپراتور را دارد.
• اگر به خاطر داشته باشید در مقاله سوپرهیت و سابکول چیست اشاره کردیم که ۱۰ الی ۱۵ درصد انتهایی کویل‌ها فضایی است که مایع مبرد باید گرمای نهان خود را دریافت کند تا کاملا به بخار یا بخار اشباع تبدیل شود به این فرآیند سوپرهیت گفته میشود (به دلیل اینکه اگر مایع مبرد به صورت مایع وارد کمپرسور شود آسیب‌های جدی به دستگاه وارد میشود).

از همین رو باید ظرفیت برودتی اواپراتور افزایش پیدا کند خوب طبیعتا شیر انبساط اجازه میدهد تا مایع مبرد بیشتری وارد اواپراتور شود و برعکس اگر ظرفیت برودتی این دستگاه اگر کاهش پیدا کند اکسپنشن ولو مقدار مایع ورودی به اواپراتور را کاهش میدهد از همین رو پیش‌تر اشاره کردیم که یکی از وظایف Expansion Valve کنترل مقدار مایع مبرد ورودی به اواپراتور است.

انواع شیر انبساط

به صورت جامع اشاره کردیم که شیر انبساط یا همان اکسپنشن ولو در اصل وظیفه کنترل فشار مایع مبرد ورودی به اواپراتور و مقدار مایع مبرد ورودی (دبی مایع مبرد) را بر عهده دارد ولی در این بخش قصد داریم شما را با انواع شیرهای انبساط آشنا کنیم تا درک بهتری نسبت به این قطعه از سیکل تبرید داشته باشید.

انواع شیر انبساط عبارتند از:

• شیر اتوماتیک
• لوله موئین
• شیر انبساط دستی
• شیر شناور با فشار پایین
• شیر شناور با فشار بالا
• شیر انبساط الکترونیکی
• شیر انبساط حرارتی

برای اینکه شما بهتر و دقیق تر متوجه انواع شیرهای انبساط شوید یه شماتیک از انواع اکسپنشن ولو را در تصویر زیر قرار دادیم.

شیرهای انبساط همانطور که میبینید انواع مختلفی دارد ولی بیشتر از شیرهای انبساطی الکترونیکی و مکانیکی استفاده میکنند و این دو مدل بیشتر رایج هستند.

برای اینکه بهتر بتوانیم با نحوه عملکرد انواع شیر انبساط آشنا شویم بهتر است تا کمی اطلاعات درباره قطعات سازنده شیر انباسط بدست بیاوریم.

اجزای تشکیل دهنده شیر انبساط

• دیافراگم (diaphragm)
• حباب حسگر یا بالب حرارتی (The sensing bulb)
• بدنه شیر (The valve body)
• محفظه عبور مبرد
• اکولایزر یا متعادل کننده
• فنر تنظیم فشار استاتیک سوپرهیت

شما میتوانید اجزای تشکیل دهنده شیر انبساط را در تصویر بالا ببینید.

در این بخش برای آشنایی هر چه بیشتر شما با اکسپنشن ولو قصد داریم تا تعدادی از اجزای تشکیل دهنده شیر انبساط را با هم بررسی کنیم.

• اکولایزر یا متعادل کننده:

در واقع متعادل کننده یا اکولایزر یک لوله است که از خط مکش به شیر انبساط متصل شده و وظیفه آن در اکسپنشن ولو اینست که بر اساس فشار مکش بتواند فشار زیر دیافراگم را کنترل و نتنظیم کند به زبان ساده مقدار مایع مبرد ورودی به شیر انبساط را کنترل میکند.

• دیافراگم:

دیافراگم همانطور که در تصویر بالا میبینید موجب باز و بسته شدن مسیر مایع مبرد به شیر انبساط میشود و سه فشار میتواند آن را تحت تاثیر قرار دهد.

1. فشار اواپراتور که به سمت بالا است.
2. فشار فنر هم به سمت بالاست.
3. فشار حباب حسگر رو به پایین است.

• بالب و لوله موئین:

وظیفه این بخش نیز اینست که دمای خروجی در اواپراتور را اندازه گیری کند و نسبت به آن به شیر انبساط دستور دهد که چه مقدار مایع مبرد باید وارد اواپراتور شود.

• فنر سوپرهیت:

فنر در واقع سوزن را کنترل کرده و نیروی آن را مهار میکند.

• سوزن:

سوزن در واقع بالا و پایین میرود و با این کار فضایی که قرار است مبرد از آن عبور کند را کم و زیاد میکند که مقدار مایع مبرد ورودی را کنترل میکند.

 

در این بخش هم کمی با اجزای تشکیل دهنده Expansion Valve آشنا شدید، حالا میتوانیم بهتر انواع شیر انباسط را با هم بررسی کنیم و ببینیم کدام عملکرد بهتری دارند و میتواند گزینه مناسب‌تری باشد.

معرفی شیر انبساط الکترونیکی EEV

یکی از محبوبترین شیرهای انبساط در دنیای تهویه مطبوع شیر انبساط الکترونیکی است که بیشتر در پروژه‌هایی با ظرفیت و مقیاس بالا استفاده میشود؛ در این مدل یک سنسور در ورودی اواپراتور یا همان خروجی شیر انبساط قرار میگیرد و یک سنسور دمایی هم در خروجی اواپراتور که بر اساس دمای خروجی از اواپراتور دستور تنظیم مقدار مایع مبرد ورودی به این دستگاه صادر میشود که در شیر انبساط الکترونیکی توسط یک کنترلر الکترونیکی ارسال میشود؛ بعد از دریافت این دستورات استپ موتورهای این اکسپنشن ولو به چرخش در آمده و میزان مبرد ورودی را کنترل میکنند.

انواع شیر انبساط الکترونیکی:

همانطور که تصاویر بالا دیدیم ما سه نوع شیر انبساط الکترونیکی داریم که عبارتند از:

1. شیر انبساط الکترونیکی آنالوگ (Analog Valves)
2. شیر انبساط الکترونیکی پالسی (Pulse-Width-Modulated)
3. شیر انبساط الکترونیکی موتور پله‌ای (Stepper motor)

۱- شیر انبساط الکترونیکی آنالوگ:

این مدل از اکسپنشن ولوها قابلیت کنترل بسیار دقیق مایع مبرد ورودی به اواپراتور را دارند چرا که پیستونی که در شیر انبساط مدل آنالوگ قرار گرفته قابلیت این را دارد که کاملا باز یا بسته شود و به همین دلیل اشاره کردیم که توانایی کنترل دقیق‌تر مبرد را پیش از رسیدن به بخش تبخیر دارند ولی یکی از ضعف‌های این سیستم، پیچیده بودن فرآیند در Expansion Valve آنالوگ نسبت به دیگر انواع شیر انبساط الکترونیکی راندمان و بازدهی کمتری دارد و امروزه از این مدل در موارد بسیار معدودی استفاده میشود.

۲- شیر انبساطی پالسی:

مکانیزم شیرهای انبساط پالسی بسیار متفاوت از دیگر مدل‌ها است در اکسپنشن ولو پالسی سوزن یا پینی که شیر دارد فقط دو حالت دارد:

۱- کاملا باز

۲- کاملا بسته

اینجا سوال در ذهن ما شکل میگیرد که اگر این شیر انبساط فقط دو حالت دارد پس چگونه میتوان میزان مایع مبرد را کنترل کرد؟

پاسخ: زمان!

در واقع با اندازه‌گیری زمانی که پین یا سوزن به حالت کاملا باز یا بسته است میتوان کنترل مایع مبرد ورودی به اواپراتور را بدست گرفت.

۳- شیر انبساطی موتور پله‌ای:

میتوان گفت شیر انبساطی موتور پله‌‌ای بهترین در بین اکسپنشن ولوهای الکترونیکی است که همانطور که در شکل میبینید از یک موتور جریان مستقیم و یک چرخ دنده در دل آن استفاده شده است در چهار جهت این چرخ دنده جریان الکترومغناطیسی قرار داده شده تا با توجه به شرایط این جریان مغناطیسی بتواند این چرخ دنده را در جهت ساعتگرد یا پادساعتگرد بچرخاند.

شیر انبساط موتور پله‌ای اخیرا به دلیل راندمان بالا، مورد استقبال شرکت‌های تولید کننده سیستم‌های تهویه مطبوع و برودتی قرار گرفته است.

مزایای شیر انبساط الکترونیکی:

• کوچک بودن شیر انبساط الکترونیکی نسبت به انواع اکسپنشن ولو
• بازدهی و راندمان بالا
• کنترل با دقت و ودقیق جریان مبرد (کنترل دبی مبرد)
• افزایش طول عمر کمپرسور
• کاهش هزینه انرژی
• نصب سریع و راحت

لوله موئین (Capillary tube):

در واقع لوله مویین همانطور که میبینید یک ورودی با دهانه کوچک یک لوله مسی بلند و مارپیچ و در نهایت یک خروجی بزرگ‌تر نسبت به ورودی دارد؛ مایع مبرد پر فشار از کندانسور خارج میشود و از دهانه کوچک وارد لوله موئین میشود، این مایع پر فشار بعد از عبور از این لوله مارپیج و اصطکاک بالا هم فشار و هم کمی از دمای خود را از دست میدهد و آماده ورود به اواپراتور است.

ولی به دلیل ساده بودن فرآیند لوله موئین از آن در سیستم‌های تهویه مطبوع با مقیاس و ظرفیت کوچک استفاده میکنند چرا که این دستگاه دقت بالایی ندارد و در فشارهای مختلف نمیتوان از آن استفاده کرد.

شیر انبساطی ترموستاتیکی TEVs:

شیر انبساط حرارتی و مکانیکی دیگر نام‌های اکسپنشن ولو ترموستاتیکی است که آن را با نماد TEVs که مخفف Thermal Expansion valve نمایش میدهند، شما شاید بعضی از اوقات با عبارت TXV روبرو شوید؛ شرکت دانفوس و بعضی از دیگر شرکت‌ها شیر انبساط ترموستاتیکی خود را با این نماد نمایش میدهد.

در واقع نحوه عملکرد شیر انبساطی مکانیکی به این شکل است که در خروجی اواپراتور به جای سنسور الکترونیکی، بالب یا حباب حرارتی قرار داده میشود؛ زمانی که مبرد در اواپراتور کمتر از میزان مورد نیاز باشد، میرد گرم میشود و همین موضوع باعث داغ شدن حباب حرارتی میشود، در همین راستا گاز حبس شده در بالب گرم و منبسط شده و به از طریق لوله به سمت فنری که در شیر انبساط ترموستاتیکی قرار دارد حرکت میکند، فنر فشرده شده و مایع مبرد بیشتری از شیر انبساط وارد اواپراتور میشود.

در حالت دیگر هم زمانی که دمای حباب خنک شود گاز محبوس در آن به مایع تبدیل میشود و فشار از روی شیر انبساط بر میدارد و مایع مبرد کمتری وارد اواپراتور میشود.

ساز و کار این شیر انبساط به همین سادگی است.

در این مقاله سعی کردیم تا شما را با شیرهای انبساط، انواع آن و نحوه عملکردشان آشنا کنیم تا در نهایت بتوانیم تمام بخش‌های سیکل تبرید تراکمی را با هم به صورت مفصل بررسی کنیم تا شما متوجه فرآیند سرماسازی چیلر بشوید.

امیدواریم از مطالعه این مقاله لذت برده باشید و لطفا نظرات و تجربیات ارزشمند خود را با ما و دیگر علاقه‌مندان به اشتراک بگذارید.