Le but de la soupape de détente est de contrôler le débit de réfrigérant du côté condensation haute pression du système vers l'évaporateur basse pression. Dans la plupart des cas, la détente se fait par un orifice à débit variable, modulant ou bi-position. Les détendeurs peuvent être classés selon la méthode de contrôle.
DÉTENDEURS THERMOSTATIQUES
Les circuits à détente directe doivent être conçus et installés de manière à ce qu'il n'y ait aucun risque de retour de fluide frigorigène liquide vers le compresseur. Pour assurer cet état, la surface d'échange de chaleur dans l'évaporateur est utilisée pour chauffer le gaz saturé sec afin qu'il devienne surchauffé. La quantité de surchauffe est généralement de l'ordre de 5 K.
Les détendeurs thermostatiques (TEV) pour de tels circuits incorporent un mécanisme qui détectera la surchauffe du gaz sortant de l'évaporateur (Fig. 1). Le réfrigérant bout dans l'évaporateur à Te et pe , jusqu'à ce qu'il ne soit plus que vapeur, point A, puis surchauffe jusqu'à un état Ts , pe , auquel il passe à la conduite d'aspiration, point B. Un récipient séparé du même réfrigérant à la température Ts aurait une pression ps , et la différence ps - pe représentée par C – B sur la figure 1 est un signal directement lié à la quantité de surchauffe.
Le détendeur thermostatique de base (Fig. 2) a un détecteur et un élément de puissance, chargé avec le même réfrigérant que dans le circuit. La pression ps générée dans la fiole par le gaz surchauffé s'égalise à travers le tube capillaire jusqu'au sommet du diaphragme. Un ressort réglable assure l'équilibre de ps − pe au niveau du diaphragme et la tige de soupape est fixée au centre. Si la surchauffe chute pour une raison quelconque, il y aura un risque que du liquide atteigne le compresseur. Ts diminuera avec une baisse correspondante de ps . Les forces sur le diaphragme sont maintenant déséquilibrées et le ressort commencera à fermer la vanne.
p1/p2 =J1/T2
Inversement, si la charge sur l'évaporateur augmente, le réfrigérant s'évaporera plus tôt et il y aura plus de surchauffe à la position de la fiole. Ensuite, ps augmentera et ouvrira la vanne plus largement pour répondre à la nouvelle demande.
Le flacon doit avoir une plus grande capacité que le reste de l'élément de puissance ou la charge qu'il contient peut passer dans la capsule à valve et le tube, s'ils sont plus froids. Si cela se produisait, la fiole à Ts ne contiendrait que de la vapeur et ne répondrait pas à une position Ts , ps sur la courbe T − p.
Il peut être fait usage de ce dernier effet. L'élément de puissance peut être chargé à la limite de sorte que tout le réfrigérant qu'il contient s'est vaporisé à une température prédéterminée (généralement 0°C). Au-dessus de ce point, la pression à l'intérieur de celui-ci cessera de suivre la courbe du point d'ébullition mais suivra les lois des gaz comme indiqué sur la figure 3; et la vanne restera fermée. Ceci est fait pour limiter la pression de l'évaporateur lors du premier démarrage d'un système chaud, ce qui pourrait surcharger le moteur d'entraînement. C'est ce qu'on appelle la charge limite ou la pression de fonctionnement maximale. Ces vannes doivent être installées de manière à ce que l'ampoule soit la partie la plus froide.
La pente de la courbe T - p n'est pas constante, de sorte qu'une pression de ressort fixe entraînera une plus grande surchauffe à une plage de températures de fonctionnement plus élevée. Pour permettre cela et fournir une valve qui peut être utilisée dans une large gamme d'applications, la fiole peut être chargée d'un mélange de deux fluides volatils ou plus pour modifier la courbe caractéristique.
Certains fabricants utilisent le principe de l'adsorption d'un gaz par un matériau poreux comme le gel de silice ou le charbon de bois. L'adsorbant étant un solide et ne pouvant pas migrer hors de l'ampoule, ces valves ne peuvent pas subir d'inversion de charge.
ÉGALISEUR EXTERNE
Le simple détendeur thermostatique repose sur le fait que la pression sous le diaphragme est approximativement la même que celle à la sortie de la bobine, et de petites chutes de pression de la bobine peuvent être compensées par des ajustements du réglage du ressort.
Lorsqu'un serpentin d'évaporateur est divisé en plusieurs passes parallèles, un dispositif de distribution avec une faible perte de charge est utilisé pour assurer un débit égal à travers chaque passe. Des chutes de pression de 1 à 2 bars sont courantes. Il y aura maintenant une différence finie beaucoup plus grande entre la pression sous le diaphragme et celle à l'entrée de la bobine. Pour corriger cela, le corps de la valve est modifié pour accueillir une chambre médiane et une connexion d'égalisation qui est amenée à la sortie de la résistance, à proximité de la position de la fiole. La plupart des détendeurs thermostatiques sont équipés d'un raccord d'équilibrage externe (voir Fig. 4).
Le détendeur thermostatique est essentiellement une commande proportionnelle non amortie et chasse en continu, bien que l'amplitude de cette oscillation puisse être limitée par une sélection et une installation correctes, et si la vanne fonctionne toujours dans sa plage de conception de débit massique. Des difficultés surviennent lorsque les compresseurs fonctionnent à charge réduite et que le débit massique de réfrigérant tombe en dessous de la plage de conception de la vanne. Il est utile de maintenir la pression de condensation stable, même si elle n'a pas besoin d'être constante et peut généralement être autorisée à baisser par temps froid pour économiser la puissance du compresseur. Les vannes des petits systèmes peuvent être vues se fermer complètement et s'ouvrir complètement à certains moments. Une chasse excessive du détendeur thermostatique signifie que la surface de l'évaporateur a une alimentation en réfrigérant irrégulière avec une légère perte résultante de l'efficacité du transfert de chaleur. Si le pompage est provoqué par un décalage temporel entre le changement de position de la vanne et l'effet en sortie d'évaporateur, une solution peut être d'augmenter la masse de l'ampoule du capteur ce qui augmentera l'amortissement. Des valves surdimensionnées et une mauvaise position de la fiole peuvent également donner lieu à un pompage. La fiole doit toujours être située sur la sortie horizontale, au plus près de l'évaporateur et non sur la face inférieure du tuyau.
DÉTENDEURS ÉLECTRONIQUES
Le détendeur électronique offre un degré plus fin de contrôle et de protection du système. Les avantages peuvent être résumés comme suit :
- Contrôle précis du débit sur une large gamme de capacités.
- Réponse rapide aux changements de charge.
- Meilleur contrôle à faible surchauffe de sorte que moins de surface d'évaporateur est nécessaire pour la surchauffe. Plus de surface d'évaporation se traduit par une température d'évaporation plus élevée et une meilleure efficacité.
- La connexion électrique entre les composants offre une plus grande flexibilité dans la disposition du système, ce qui est important pour les systèmes compacts.
- La vanne peut se fermer lorsque le système s'arrête, ce qui élimine le besoin d'une électrovanne d'arrêt supplémentaire.
Les types de vannes électroniques utilisés comprennent un type à débit continu dans lequel la taille de l'orifice est modifiée par un moteur pas à pas, et un type à modulation de largeur d'impulsion (PWM). Dans chaque cas, un contrôleur est utilisé conjointement avec la vanne. Le contrôleur est préconfiguré pour le réfrigérant et le type de vanne et il reçoit les informations des capteurs, par exemple, la pression et la température à la sortie de l'évaporateur. Ceci permet de déterminer la surchauffe. Le signal de sortie vers la vanne lance le réglage de l'orifice. Dans le cas de la vanne PWM, c'est le rapport entre l'ouverture et la fermeture qui détermine la capacité de la vanne. La vanne est soit ouverte soit fermée et chaque intervalle de temps de quelques secondes comprendra une période d'ouverture en fonction du signal.
Il existe un troisième type de valve qui combine les deux caractéristiques. Une tension de modulation est envoyée à l'actionneur et, à mesure que la tension augmente, la pression dans le récipient de l'actionneur augmente, ce qui entraîne une ouverture accrue de la vanne pendant un «cycle de marche» de durée fixe.
Dans chaque cas, la commande peut être configurée de manière à ce que la vanne reste fermée en cas de perte de puissance. Dans des conditions de charge partielle ou de pression de condensation flottante, ce qui se produit à basse température ambiante, la pression de condensation diminue. Les détendeurs thermostatiques ont tendance à chasser, mais les systèmes avec composants électroniques fonctionnent à charge partielle exactement de la même manière et de manière stable qu'à pleine charge.
Une vanne de type à débit continu est illustrée à la Fig. 5. Le siège de la vanne et le coulisseau sont en céramique solide. La forme du tiroir de vanne permet une caractéristique de débit très linéaire entre 10 et 100 %. Selon le contrôleur et sa configuration, une seule vanne de régulation peut être utilisée pour différentes tâches de régulation. Les utilisations possibles incluent : soupape de détente pour le contrôle de la surchauffe, contrôle de la pression d'aspiration pour le contrôle de la capacité, injection de liquide pour la désurchauffe du compresseur, contrôle de la pression de condensation et contrôle de la dérivation des gaz chauds pour compenser la capacité excessive du compresseur et garantir que la pression d'évaporation ne descende pas en dessous d'un ensemble point.
TUBES CAPILLAIRES ET RESTRICTEURS
L'orifice variable du détendeur peut être remplacé, dans les petits systèmes, par un long tube fin. Il s'agit d'un appareil non modulant et qui a certaines limites, mais il donnera un contrôle raisonnablement efficace sur une large gamme de conditions s'il est correctement sélectionné et appliqué. Le débit massique est fonction de la différence de pression et du degré de sous-refroidissement du liquide à l'entrée. Le tube capillaire est utilisé presque exclusivement dans les petits systèmes de climatisation et s'autorégule dans certains paramètres. L'augmentation de la température ambiante entraîne une augmentation de la charge sur l'espace conditionné et la pression de condensation augmente, forçant un débit de réfrigérant plus important.
Les alésages de tube de 0,8 à 2 mm avec des longueurs de 1 à 4 m sont courants. Le tube capillaire n'est monté que sur des équipements fabriqués et testés en usine, avec des charges de réfrigérant exactes. Elle ne s'applique pas aux systèmes installés sur site.
Le dispositif d'expansion restricteur surmonte certaines des limitations du tube capillaire. L'orifice peut être percé avec précision tandis que les tubes capillaires peuvent souffrir de variations de diamètre interne sur leur longueur, ce qui entraîne des modifications des performances prévues. La figure 6 montre comment le dispositif est appliqué dans un climatiseur réversible. Sur la figure 6a, le dispositif est représenté en mode de refroidissement normal. Une balle qui est libre de se déplacer horizontalement d'une petite quantité est pressée contre un siège, forçant le réfrigérant à travers la restriction centrale qui agit comme un dispositif d'expansion. Lorsque le flux s'inverse, figure 6b, la balle revient vers l'autre siège, mais le rainurage permet un flux autour de l'extérieur ainsi qu'à travers celui-ci, de sorte que la restriction est très faible.
Il est normalement monté à la sortie du condenseur plutôt qu'à l'entrée de l'évaporateur. Cela signifie qu'au lieu d'une conduite de liquide vers l'évaporateur, le tuyau contient du liquide et du gaz flash et doit être isolé. Bien que l'accumulation de chaleur soit préjudiciable aux performances, la chute de pression, qui est utilisée pour entraîner le fluide, se serait normalement produite de toute façon dans le détendeur. Les conduites de liquide vers les évaporateurs distants sur les systèmes divisés peuvent être assez longues et dans une conduite de liquide haute pression du type le plus couramment utilisé, la chute de pression peut entraîner une augmentation de la pression du condenseur et une tendance à la formation de bulles. De plus, le limiteur peut être livré avec l'unité de condensation et est amovible, ce qui permet d'apporter des modifications pour obtenir des performances optimales.
VANNES ET INTERRUPTEURS À FLOTTEUR BASSE PRESSION
Les évaporateurs noyés nécessitent un niveau de liquide constant, afin que les tubes restent mouillés. Une simple soupape à flotteur suffit, mais doit être située avec le flotteur à l'extérieur de la coque de l'évaporateur, car la surface du liquide en ébullition est agitée et le mouvement constant entraînerait une usure excessive du mécanisme. Le flotteur est donc contenu dans une chambre séparée, couplée à des lignes d'équilibrage à la coque (voir Fig. 7).
Une telle vanne est un dispositif de dosage et peut ne pas assurer une fermeture positive lorsque le compresseur est arrêté. Dans ces circonstances, le réfrigérant continuera à fuir dans l'évaporateur jusqu'à ce que les pressions se soient égalisées, et le niveau de liquide pourrait monter trop près de la sortie d'aspiration. Pour assurer cette fermeture, une électrovanne est nécessaire dans la conduite de liquide.
Étant donné que le flotteur basse pression nécessite une électrovanne pour une fermeture étanche, cette vanne peut être utilisée comme commande tout ou rien en conjonction avec un orifice préréglé et contrôlée par un interrupteur à flotteur (Fig. 8).
La forme la plus courante de détecteur de niveau est un flotteur métallique portant un noyau de fer qui monte et descend à l'intérieur d'un manchon d'étanchéité. Une bobine d'induction entoure le manchon et est utilisée pour détecter la position du noyau. Le signal résultant est amplifié pour commuter l'électrovanne et peut être ajusté en niveau et en sensibilité. Un papillon des gaz est installé pour fournir le dispositif de réduction de pression.
En cas de défaillance d'une commande à flotteur, le niveau dans la coque peut monter et du liquide passer dans l'aspiration du compresseur. Pour avertir de cela, un deuxième interrupteur à flotteur est généralement installé à un niveau supérieur, pour actionner une alarme et une coupure.
Lorsqu'un serpentin noyé est situé dans un réservoir de liquide, le niveau de réfrigérant sera à l'intérieur du réservoir, ce qui rend difficile le positionnement du contrôle de niveau. Dans de tels cas, un piège à gaz ou un siphon peut être formé dans le tuyau d'équilibrage inférieur pour donner un niveau indirect dans la chambre du flotteur. Des siphons ou des pièges peuvent également être agencés pour contenir un fluide non volatil tel que de l'huile, de sorte que les tuyaux d'équilibrage restent à l'abri du gel.
VANNES À FLOTTEUR HAUTE PRESSION
Sur un système noyé à un seul évaporateur, une vanne à flotteur peut être installée qui fera passer tout liquide drainé du condenseur directement à l'évaporateur. L'action est la même que celle d'un purgeur de vapeur. La chambre du flotteur est à la pression du condenseur et la commande est appelée flotteur haute pression (Fig. 9).
L'interrupteur à flotteur haute pression maintient le condenseur vidangé sans avoir besoin d'un récepteur haute pression. Le niveau dans l'évaporateur est fixé par la charge du système. Les systèmes à faible charge utilisant des échangeurs de chaleur à calandre et à plaques et des refroidisseurs par pulvérisation sont possibles avec cette méthode. Le type de vanne à flotteur de la Fig. 10 peut fonctionner avec des réfrigérants à base d'ammoniac ou de dioxyde de carbone. Les circuits d'économiseur avec l'interrupteur à flotteur dilatant le liquide vers un vase d'expansion flash intermédiaire sont utilisés pour les applications à basse température. Cette commande ne peut pas alimenter plus d'un évaporateur, car elle ne peut pas détecter les besoins de l'un ou de l'autre.
La difficulté de la charge critique peut être surmontée en permettant à tout excédent de réfrigérant liquide sortant de l'évaporateur de se répandre dans un récepteur ou un accumulateur dans la conduite d'aspiration, et en le faisant bouillir avec le liquide chaud quittant le condenseur. Dans ce système, le circuit du récepteur basse pression, le liquide est évacué du condenseur par le flotteur haute pression, mais l'étape finale de chute de pression a lieu dans un détendeur secondaire après que le liquide chaud ait traversé les serpentins à l'intérieur du récepteur. De cette façon, la chaleur est disponible pour faire bouillir le surplus de liquide sortant de l'évaporateur (voir Fig. 11).
Deux échangeurs de chaleur transportent le liquide chaud du condenseur à l'intérieur de ce récipient. Le premier serpentin se trouve dans la partie supérieure du récepteur et fournit une surchauffe suffisante pour garantir que le gaz pénètre dans le compresseur à l'état sec. Le serpentin inférieur fait bouillir le surplus de liquide, laissant l'évaporateur lui-même. Avec cette méthode d'alimentation en réfrigérant, l'évaporateur a une meilleure surface mouillée interne, avec une amélioration du transfert de chaleur.
AUTRES CONTRÔLES DE NIVEAU
Si un petit élément chauffant est placé au niveau de liquide requis d'un évaporateur noyé, avec un élément de détection de chaleur, alors ce dernier détectera une température plus élevée si le réfrigérant liquide n'est pas présent. Ce signal peut être utilisé pour faire fonctionner une électrovanne.
Le détendeur thermostatique ou électronique peut également être utilisé pour maintenir un niveau de liquide. La fiole et un élément chauffant sont tous deux fixés à une ampoule au niveau de liquide requis. S'il n'y a pas de liquide, le réchauffeur chauffe la fiole jusqu'à un état de surchauffe et la soupape s'ouvre pour admettre plus de liquide.
