Der Zweck des Expansionsventils besteht darin, den Kältemittelfluss von der Hochdruck-Kondensationsseite des Systems in den Niederdruck-Verdampfer zu steuern. In den meisten Fällen wird die Druckreduzierung durch eine variable Durchflussblende erreicht, entweder modulierend oder mit zwei Positionen. Expansionsventile können nach der Methode der Steuerung klassifiziert werden.
THERMOSTATISCHE ERWEITERUNGSVENTILE
Kreisläufe mit direkter Expansion müssen so konzipiert und installiert werden, dass kein Risiko besteht, dass flüssiges Kältemittel zum Kompressor zurückfließt. Um diesen Zustand sicherzustellen, wird eine Wärmeaustauschfläche im Verdampfer verwendet, um das trockene gesättigte Gas zu erhitzen, so dass es überhitzt wird. Die Überhitzung liegt üblicherweise in der Größenordnung von 5 K.
Thermostatische Expansionsventile (TEVs) für solche Kreisläufe beinhalten einen Mechanismus, der die Überhitzung des den Verdampfer verlassenden Gases erkennt (Abb. 1). Das Kältemittel siedet im Verdampfer bei Te und pe, bis es vollständig verdampft ist, Punkt A, und überhitzt dann auf einen Zustand Ts, pe, bei dem es zur Saugleitung, Punkt B, gelangt. Ein separater Behälter mit demselben Kältemittel bei der Temperatur Ts hätte den Druck ps , und die Differenz ps − pe, dargestellt durch C–B in Abb. 1, ist ein Signal, das direkt mit der Größe der Überhitzung zusammenhängt.
Das grundlegende thermostatische Expansionsventil (Abb. 2) hat einen Detektor und ein Leistungselement, die mit dem gleichen Kältemittel wie im Kreislauf gefüllt sind. Der durch das überhitzte Gas in der Ampulle erzeugte Druck ps gleicht sich über das Kapillarrohr bis zur Oberseite der Membrane aus. Eine einstellbare Feder sorgt für das Gleichgewicht von ps − pe an der Membran, und der Ventilschaft ist in der Mitte befestigt. Sollte die Überhitzung aus irgendeinem Grund abfallen, besteht die Gefahr, dass Flüssigkeit in den Kompressor gelangt. Ts nimmt mit einem entsprechenden Abfall von ps ab. Die Kräfte auf die Membran sind nun aus dem Gleichgewicht geraten und die Feder beginnt, das Ventil zu schließen.
p1 / p2 =T.1 / T2
Umgekehrt verdampft das Kältemittel früher, wenn die Belastung des Verdampfers zunimmt, und es entsteht mehr Überhitzung an der Position der Ampulle. Dann wird ps zunehmen und das Ventil weiter öffnen, um den neuen Bedarf zu decken.
Das Fassungsvermögen der Phiole muss größer sein als der Rest des Antriebselements, oder die darin enthaltene Ladung kann vollständig in die Ventilkapsel und das Rohr gelangen, wenn diese kälter sind. In diesem Fall würde das Fläschchen bei Ts nur Dampf enthalten und nicht auf eine Position Ts , ps auf der T − p-Kurve reagieren.
Von diesem letzteren Effekt kann Gebrauch gemacht werden. Das Leistungselement kann begrenzt geladen werden, so dass das gesamte darin enthaltene Kältemittel bei einer vorbestimmten Temperatur (üblicherweise 0 °C) verdampft ist. Oberhalb dieses Punktes folgt der Druck darin nicht mehr der Siedepunktkurve, sondern folgt den Gasgesetzen, wie in Fig. 3 gezeigt; und das Ventil bleibt geschlossen. Dies geschieht, um den Verdampferdruck beim ersten Start eines warmen Systems zu begrenzen, der den Antriebsmotor überlasten könnte. Dies wird als Grenzladung oder maximaler Betriebsdruck bezeichnet. Solche Ventile müssen so installiert werden, dass die Phiole der kälteste Teil ist.
Die Steigung der T − p-Kurve ist nicht konstant, so dass ein fester Federdruck zu einer größeren Überhitzung in einem höheren Betriebstemperaturbereich führt. Um dies zu ermöglichen und ein Ventil bereitzustellen, das in einem breiten Anwendungsbereich verwendet werden kann, kann die Phiole mit einer Mischung aus zwei oder mehr flüchtigen Fluiden gefüllt werden, um die charakteristische Kurve zu modifizieren.
Einige Hersteller nutzen das Prinzip der Adsorption eines Gases durch ein poröses Material wie Kieselgel oder Aktivkohle. Da das Adsorptionsmittel ein Feststoff ist und nicht aus der Phiole wandern kann, können diese Ventile keine Ladungsumkehr erleiden.
EXTERNER AUSGLEICHER
Das Einfache thermostatisches Expansionsventil stützt sich darauf, dass der Druck unter der Membran ungefähr gleich dem am Spulenausgang ist, und kleine Spulendruckabfälle können durch Anpassungen der Federeinstellung ausgeglichen werden.
Wenn eine Verdampferschlange in mehrere parallele Durchgänge unterteilt ist, wird eine Verteilervorrichtung mit geringem Druckverlust verwendet, um einen gleichmäßigen Durchfluss durch jeden Durchgang sicherzustellen. Üblich sind Druckabfälle von 1–2 bar. Es wird nun eine viel größere endliche Differenz zwischen dem Druck unter der Membran und dem am Spuleneinlass geben. Um dies zu korrigieren, wird der Körper des Ventils so modifiziert, dass er eine mittlere Kammer und eine Ausgleichsverbindung aufnimmt, die zum Spulenauslass in der Nähe der Phiolenposition geführt wird. Die meisten thermostatischen Expansionsventile haben Vorkehrungen für einen externen Ausgleichsanschluss (siehe Abb. 4).
Das thermostatische Expansionsventil ist im Wesentlichen eine ungedämpfte Proportionalsteuerung und pendelt kontinuierlich, obwohl die Amplitude dieser Schwingung durch richtige Auswahl und Installation begrenzt werden kann und wenn das Ventil immer innerhalb seines Auslegungsbereichs des Massenstroms arbeitet. Schwierigkeiten treten auf, wenn Kompressoren mit reduzierter Last betrieben werden und der Kältemittelmassenstrom unter den Auslegungsbereich des Ventils fällt. Es ist hilfreich, den Verflüssigungsdruck konstant zu halten, obwohl er nicht konstant sein muss und bei kälterem Wetter normalerweise fallen gelassen werden kann, um Kompressorleistung zu sparen. Ventile an kleinen Systemen können sich manchmal vollständig schließen und vollständig öffnen. Übermäßiges Schwingen des thermostatischen Expansionsventils bedeutet, dass die Verdampferoberfläche eine unregelmäßige Kühlmittelzufuhr mit einem daraus resultierenden leichten Verlust an Wärmeübertragungseffektivität hat. Wenn das Pendeln durch eine Zeitverzögerung zwischen der Änderung der Ventilposition und der Wirkung am Verdampferauslass verursacht wird, kann eine Lösung darin bestehen, die Masse der Sensorphiole zu erhöhen, was die Dämpfung erhöht. Übergroße Ventile und eine falsche Position der Ampullen können ebenfalls zu Jagd führen. Die Ampulle sollte immer am waagerechten Auslauf stehen, möglichst nah am Verdampfer und nicht an der Unterseite des Rohres.
ELEKTRONISCHE ERWEITERUNGSVENTILE
Das elektronische Expansionsventil bietet ein feineres Maß an Steuerung und Systemschutz. Die Vorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Präzise Durchflussregelung über einen breiten Kapazitätsbereich.
- Schnelle Reaktion auf Laständerungen.
- Bessere Regelung bei geringer Überhitzung, sodass weniger Verdampferfläche für die Überhitzung benötigt wird. Mehr Oberfläche für die Verdampfung führt zu einer höheren Verdampfungstemperatur und einem besseren Wirkungsgrad.
- Die elektrische Verbindung zwischen Komponenten bietet eine größere Flexibilität im Systemlayout, was für kompakte Systeme wichtig ist.
- Das Ventil kann schließen, wenn das System heruntergefahren wird, wodurch die Notwendigkeit eines zusätzlichen Abschalt-Magnetventils entfällt.
Zu den verwendeten Typen von elektronischen Ventilen gehören ein Typ mit kontinuierlichem Durchfluss, bei dem die Öffnungsgröße durch einen Schrittmotor variiert wird, und ein Typ mit Impulsbreitenmodulation (PWM). In Verbindung mit dem Ventil wird jeweils ein Regler verwendet. Der Regler ist für das Kältemittel und den Ventiltyp vorkonfiguriert und erhält die Informationen von Sensoren, z. B. Druck und Temperatur am Verdampferausgang. Dadurch kann die Überhitzung bestimmt werden. Das Ausgangssignal zum Ventil initiiert die Öffnungseinstellung. Beim PWM-Ventil ist es das Verhältnis zwischen Öffnen und Schließen, das die Kapazität des Ventils bestimmt. Das Ventil ist entweder offen oder geschlossen und jedes Zeitintervall von wenigen Sekunden beinhaltet eine Öffnungsperiode, abhängig vom Signal.
Es gibt einen dritten Ventiltyp, der beide Merkmale kombiniert. Eine modulierende Spannung wird an den Aktuator gesendet, und wenn die Spannung ansteigt, steigt der Druck im Behälter des Aktuators, was zu einer erhöhten Ventilöffnung während eines „Ein-Zyklus“ von fester Dauer führt.
Die Steuerung kann jeweils so konfiguriert werden, dass das Ventil bei Stromausfall geschlossen bleibt. Unter Teillastbedingungen oder schwebendem Verflüssigungsdruck, der bei niedriger Umgebungstemperatur auftritt, sinkt der Verflüssigungsdruck. Thermostatische Expansionsventile neigen zum Schwingen, aber Systeme mit elektronischen Komponenten arbeiten bei Teillast genauso und stabil wie bei Volllast.
Ein Ventil mit kontinuierlichem Durchfluss ist in Abb. 5 dargestellt. Der Ventilsitz und der Schieber bestehen aus fester Keramik. Die Form des Ventilschiebers sorgt für eine sehr lineare Leistungskennlinie zwischen 10 und 100 %. Je nach Regler und dessen Konfiguration kann ein einziges Regelventil für unterschiedliche Regelaufgaben eingesetzt werden. Zu den möglichen Anwendungen gehören: Expansionsventil zur Überhitzungsregelung, Saugdruckregelung zur Leistungsregelung, Flüssigkeitseinspritzung zur Enthitzung des Kompressors, Verflüssigungsdruckregelung und Heißgas-Bypass-Regelung, um eine überschüssige Kompressorleistung auszugleichen und sicherzustellen, dass der Verdampfungsdruck nicht unter einen Sollwert fällt Punkt.
KAPILLARROHRE UND BESCHRÄNKUNGEN
Die variable Öffnung des Expansionsventils kann in kleinen Systemen durch ein langes dünnes Rohr ersetzt werden. Dies ist ein nicht modulierendes Gerät und hat gewisse Einschränkungen, aber es wird bei richtiger Auswahl und Anwendung eine einigermaßen wirksame Kontrolle über einen weiten Bereich von Bedingungen geben. Der Massenstrom ist eine Funktion der Druckdifferenz und des Grades der Unterkühlung der Flüssigkeit beim Eintritt. Das Kapillarrohr wird fast ausschließlich in Kleinklimaanlagen eingesetzt und ist innerhalb gewisser Parameter selbstregulierend. Eine steigende Umgebungstemperatur führt zu einer zunehmenden Belastung des klimatisierten Raums und der Verflüssigungsdruck steigt, wodurch ein größerer Kältemittelfluss erzwungen wird.
Üblich sind Rohrbohrungen von 0,8–2 mm bei Längen von 1–4 m. Das Kapillarrohr wird nur bei werkseitig gebauten und geprüften Geräten mit genauen Kältemittelfüllungen montiert. Sie gilt nicht für vor Ort installierte Systeme.
Die Drosselausdehnungsvorrichtung überwindet einige der Beschränkungen des Kapillarrohrs. Die Öffnung kann präzisionsgebohrt sein, während Kapillarröhrchen Schwankungen im Innendurchmesser über ihre Länge aufweisen können, was zu Änderungen der vorhergesagten Leistung führt. Fig. 6 zeigt, wie die Vorrichtung in einer reversiblen Klimaanlage angewendet wird. In Fig. 6a ist die Vorrichtung im normalen Kühlmodus gezeigt. Eine Kugel, die sich um einen kleinen Betrag horizontal frei bewegen kann, wird gegen einen Sitz gedrückt, wodurch das Kältemittel durch die zentrale Drosselung gedrückt wird, die als Expansionsvorrichtung wirkt. Wenn sich die Strömung umkehrt, Fig. 6b, bewegt sich das Geschoss zurück zum anderen Sitz, aber die Rillen ermöglichen eine Strömung um die Außenseite herum sowie durch sie hindurch, so dass die Einschränkung sehr klein ist.
Es wird normalerweise eher am Auslass des Kondensators als am Einlass des Verdampfers angebracht. Dies bedeutet, dass anstelle einer Flüssigkeitsleitung zum Verdampfer die Leitung Flüssigkeit und Entspannungsgas enthält und isoliert werden muss. Obwohl die Wärmeaufnahme der Leistung abträglich ist, wäre der Druckabfall, der zum Antrieb des Fluids verwendet wird, normalerweise sowieso im Expansionsventil aufgetreten. Flüssigkeitsleitungen zu entfernten Verdampfern in Split-Systemen können ziemlich lang sein, und in einer Hochdruck-Flüssigkeitsleitung des üblicherweise verwendeten Typs kann der Druckabfall zu einem erhöhten Kondensatordruck und einer Tendenz zur Blasenbildung führen. Auch die Drossel kann als Teil der Verflüssigereinheit geliefert werden und ist abnehmbar, sodass Änderungen vorgenommen werden können, um eine optimale Leistung zu erzielen.
NIEDERDRUCK-SCHWIMMERVENTILE UND -SCHALTER
Überflutete Verdampfer benötigen einen konstanten Flüssigkeitsstand, damit die Rohre benetzt bleiben. Ein einfaches Schwimmerventil reicht aus, muss aber mit dem Schwimmer außerhalb des Verdampfergehäuses angeordnet werden, da die Oberfläche der siedenden Flüssigkeit bewegt wird und die ständige Bewegung einen übermäßigen Verschleiß in der Mechanik verursachen würde. Der Schwimmer ist daher in einer separaten Kammer enthalten, die mit Ausgleichsleitungen mit dem Gehäuse verbunden ist (siehe Abb. 7).
Ein solches Ventil ist eine Dosiervorrichtung und stellt möglicherweise keine sichere Absperrung bereit, wenn der Kompressor angehalten wird. Unter diesen Umständen wird weiterhin Kältemittel in den Verdampfer lecken, bis sich die Drücke angeglichen haben, und der Flüssigkeitsspiegel könnte zu nahe an den Saugauslass ansteigen. Um diese Absperrung bereitzustellen, wird ein Magnetventil in der Flüssigkeitsleitung benötigt.
Da der Niederdruckschwimmer zum dichten Schließen ein Magnetventil benötigt, kann dieses Ventil in Verbindung mit einer voreingestellten Blende als Auf-Zu-Regelung verwendet und von einem Schwimmerschalter gesteuert werden (Abb. 8).
Die gebräuchlichste Form eines Füllstandsdetektors ist ein metallischer Schwimmer, der einen Eisenkern trägt, der in einer Dichtungsmanschette steigt und fällt. Eine Induktionsspule umgibt die Hülse und dient zum Erfassen der Position des Kerns. Das resultierende Signal wird verstärkt, um das Magnetventil zu schalten, und kann in Pegel und Empfindlichkeit angepasst werden. Als Druckreduziereinrichtung ist ein Drosselventil eingebaut.
Sollte eine Schwimmersteuerung ausfallen, kann der Füllstand im Gehäuse ansteigen und Flüssigkeit in die Kompressoransaugung gelangen. Um davor zu warnen, wird normalerweise ein zweiter Schwimmerschalter auf einem höheren Niveau angebracht, um einen Alarm und eine Abschaltung zu betätigen.
Wenn sich eine überflutete Spule in einem Flüssigkeitstank befindet, befindet sich der Kältemittelpegel innerhalb des Tanks, was die Positionierung der Füllstandssteuerung erschwert. In solchen Fällen kann im unteren Ausgleichsrohr eine Gasfalle oder ein Siphon gebildet werden, um ein indirektes Niveau in der Schwimmerkammer zu erreichen. Siphons oder Siphons können auch so angeordnet werden, dass sie eine nichtflüchtige Flüssigkeit wie Öl enthalten, damit die Ausgleichsrohre frostfrei bleiben.
HOCHDRUCK-SCHWIMMVENTILE
Bei einem gefluteten Einzelverdampfersystem kann ein Schwimmerventil eingebaut werden, das jegliche abgelassene Flüssigkeit aus dem Kondensator direkt zum Verdampfer leitet. Die Wirkung ist die gleiche wie bei einem Kondensatableiter. Die Schwimmerkammer steht auf Kondensatordruck und die Steuerung wird als Hochdruckschwimmer bezeichnet (Abb. 9).
Der Hochdruck-Schwimmerschalter hält den Kondensator entleert, ohne dass ein Hochdrucksammler erforderlich ist. Das Niveau im Verdampfer wird durch die Anlagenfüllung festgelegt. Mit dieser Methode sind Systeme mit geringer Aufladung unter Verwendung von Plattenwärmetauschern und Sprühkühlern möglich. Der Schwimmerventiltyp in Abb. 10 kann mit Ammoniak- oder Kohlendioxid-Kältemitteln arbeiten. Economizer-Schaltungen, bei denen der Schwimmerschalter die Flüssigkeit zu einem zwischengeschalteten Flash-Ausdehnungsgefäß entspannt, werden für Niedertemperaturanwendungen verwendet. Diese Steuerung kann nicht mehr als einen Verdampfer versorgen, da sie die Bedürfnisse von keinem von beiden erkennen kann.
Die Schwierigkeit der kritischen Füllung kann überwunden werden, indem zugelassen wird, dass überschüssiges flüssiges Kältemittel, das den Verdampfer verlässt, in einen Sammler oder Akkumulator in der Saugleitung überläuft und dieses mit der warmen Flüssigkeit, die den Kondensator verlässt, verdampft. In diesem System, dem Niederdruck-Sammlerkreislauf, wird Flüssigkeit aus dem Kondensator durch den Hochdruckschwimmer abgelassen, aber der letzte Schritt des Druckabfalls findet in einem sekundären Expansionsventil statt, nachdem die warme Flüssigkeit durch Schlangen innerhalb des Sammlers gelaufen ist. Auf diese Weise steht Wärme zum Abkochen überschüssiger Flüssigkeit zur Verfügung, die den Verdampfer verlässt (siehe Abb. 11).
Zwei Wärmetauscher transportieren die warme Flüssigkeit aus dem Kondensator in dieses Gefäß. Die erste Spule befindet sich im oberen Teil des Empfängers und sorgt für genügend Überhitzung, um sicherzustellen, dass das Gas in trockenem Zustand in den Kompressor eintritt. Die untere Spule verdampft überschüssige Flüssigkeit und verlässt den Verdampfer selbst. Bei dieser Methode der Kältemittelzufuhr hat der Verdampfer eine bessere innere benetzte Oberfläche mit einer Verbesserung der Wärmeübertragung.
ANDERE STUFENKONTROLLEN
Wenn ein kleines Heizelement zusammen mit einem Wärmesensorelement auf dem erforderlichen Flüssigkeitsniveau eines überfluteten Verdampfers platziert wird, dann wird letzteres eine höhere Temperatur erfassen, wenn kein flüssiges Kältemittel vorhanden ist. Dieses Signal kann zur Ansteuerung eines Magnetventils verwendet werden.
Das thermostatische oder elektronische Expansionsventil kann auch zur Aufrechterhaltung eines Flüssigkeitsniveaus verwendet werden. Das Fläschchen und ein Heizelement werden beide auf dem erforderlichen Flüssigkeitsniveau an einen Kolben geklemmt. Wenn keine Flüssigkeit vorhanden ist, erwärmt die Heizvorrichtung das Fläschchen auf einen Überhitzungszustand und das Ventil öffnet sich, um mehr Flüssigkeit einzulassen.
