Processus de dimensionnement et de sélection des soupapes d'extension de réfrigération

Une bonne sélection de soupapes d'extension est essentielle pour l'efficacité et la fiabilité du système de réfrigération. Ce guide décrit l'approche systématique du dimensionnement et de la sélection des vannes d'extension en fonction des exigences du système et des conditions de fonctionnement. Les soupapes d'extension régulent le flux de réfrigérant dans l'évaporateur, ce qui rend leur sélection correcte essentielle pour les performances du système, l'efficacité énergétique et la protection des compresseurs.

Types de vannes d'extension dans les systèmes de réfrigération

La soupape d'expansion est un composant crucial des systèmes de réfrigération, responsable de la réduction de la pression du réfrigérant, lui permettant de se développer et de devenir froid. Il existe deux types principaux de vannes d'expansion: les vannes d'expansion thermostatique (TXV) et les vannes d'expansion électronique (EEV).

Vannes d'expansion thermostatique (TXV)

Les vannes d'expansion thermostatique se composent de deux composants principaux travaillant ensemble: l'élément thermostatique (agissant comme actionneur du système) et l'orifice (effectuant l'expansion réelle du réfrigérant). Ils sont conçus pour maintenir une surchauffe constante à la sortie de l'évaporateur en modulant le flux de réfrigérant en fonction des demandes de charge de refroidissement. L'élément thermostatique détecte la température du réfrigérant à la sortie de l'évaporateur et ajuste l'ouverture de la soupape pour maintenir la surchauffe souhaitée.

Vannes égalisées en interne

Les vannes égalisées en interne sensaient la pression de l'évaporateur à la sortie de la valve. Ces vannes reçoivent un réfrigérant liquide chaud et à haute pression et réduisent sa pression, ce qui lui permet de se développer et de refroidir considérablement. Ces soupapes conviennent aux évaporateurs avec une chute de pression minimale (inférieure à 0,02 MPa ou 0,2 kgf / cm²). Les avantages des vannes égalisées en interne comprennent:

• Conception simple et faible coût
• Facile à installer et à entretenir
• Convient pour les systèmes de réfrigération de petite à moyenne taille

Cependant, les vannes égalisées en interne peuvent ne pas convenir aux systèmes avec de grandes gouttes de pression ou des configurations d'évaporateurs complexes.

Vannes égalisées à l'extérieur

Le fonctionnement des vannes égalisées externes est similaire aux vannes égalisées en interne, sauf que la pression de l'évaporateur est alimentée au bas du diaphragme de la valve du tube de sortie de l'évaporateur via une ligne d'égaliseur. Cette conception équilibre la température de la soupape d'expansion pendant la conversion de phase et est nécessaire lorsqu'il y a une chute de pression appréciable entre la prise de soupape et la sortie de l'évaporateur. Les vannes égalisées à l'extérieur conviennent à:

• Grands systèmes de réfrigération avec des configurations d'évaporateurs complexes
• Systèmes avec des chutes à haute pression (supérieures à 0,02 MPa ou 0,2 kgf / cm²)
• Applications où un contrôle précis de la surchauffe est requis

Les avantages des vannes égalisées externes comprennent:

• Amélioration du contrôle des surchauffes
• Convient aux systèmes de réfrigération grands et complexes
• Peut gérer les chutes à haute pression

Cependant, les vannes égalisées externes sont plus complexes et coûteuses que les vannes égalisées en interne.

Vannes d'expansion électronique (EEV)

Les vannes d'expansion électronique offrent un contrôle plus précis par modulation de largeur d'impulsion. Leurs critères de sélection diffèrent des vannes thermostatiques, étant généralement dimensionnées à 70 à 80% de capacité de charge pour les applications de climatisation et de réfrigération, fournissant une capacité de réserve pour des événements tels que des périodes de traction. Les EEV conviennent à:

• Applications de contrôle de la température de haute précision
• Systèmes avec des charges de refroidissement variables
• Applications où l'efficacité énergétique est critique

Les avantages des EEV comprennent:

• Contrôle de température à haute précision
• Économe en énergie
• Convient pour les applications de charge de refroidissement variables

Cependant, les EEV sont plus complexes et coûteuses que les vannes d'expansion thermostatiques.

Comparaison des vannes d'expansion

Le tableau suivant résume les caractéristiques clés des vannes d'expansion thermostatique et des vannes d'étendue électronique:

Type de soupape	Contrôle de surchauffe	Chute de pression	Complexité	Coût
Txv égalisé en interne	Modéré	Faible	Faible	Faible
Txv égalisé à l'extérieur	Haut	Haut	Moyen	Moyen
Valve d'expansion électronique (EEV)	Haut	Variable	Haut	Haut

Paramètres clés pour la sélection des soupapes d'extension

Pour sélectionner correctement une vanne d'extension pour un système de réfrigération, plusieurs paramètres doivent être pris en compte:

1. Type de réfrigérant: Différents réfrigérants nécessitent des conceptions de soupape spécifiques
2. Capacité de l'évaporateur (QE): La charge de refroidissement détermine l'exigence de capacité de base
3. Température / pression d'évaporation (TE / PE): Affecte la capacité et le fonctionnement de la valve
4. Température / pression de condensation (TC / PC): Détermine les conditions de haut niveau
5. Température de réfrigérant liquide (TL): Critique pour déterminer le sous-refroidissement et le dimensionnement de la valve correct
6. Chute de pression dans la ligne liquide, le distributeur et l'évaporateur (ΔP): Affecte les performances de la valve et la sélection du type d'égalisation

Processus de sélection étape par étape

Étape 1: Déterminer la chute de pression à travers la valve

La chute de pression est calculée à l'aide de l'équation:
Δptot = (PC - PE) - ΔP

Où:

• PC = pression de condensation
• PE = pression d'évaporation
• Δp = somme de baisse de pression dans la ligne liquide, le distributeur et l'évaporateur

Ce calcul est critique car la chute de pression affecte directement la capacité de la valve.

Étape 2: Déterminer la capacité de valve requise

Utilisez la capacité de l'évaporateur (QE) pour sélectionner la capacité de soupape requise à une température d'évaporation donnée. Si nécessaire, corrigez la capacité de l'évaporateur en fonction de la valeur de sous-refroidissement.

Le sous-refroidissement est calculé comme:
Δtsub = tc - tl

Où:

• TC = température de condensation
• TL = température liquide

La capacité de valve requise est déterminée par:
QV = QE / FSUB

Où:

• FSUB = facteur de correction de sous-refroidissement des tables du fabricant

Étape 3: Sélectionnez la taille de l'orifice approprié

À l'aide de la chute de pression calculée à travers la valve, de la température d'évaporation et de la capacité d'évaporateur corrigée, sélectionnez la taille de l'orifice correspondant parmi les tables de capacité du fabricant pour le réfrigérant spécifique. La capacité de soupape d'expansion doit être égale ou légèrement supérieure à la capacité d'évaporateur calculée.

Étape 4: Choisissez la charge thermostatique

Sélectionnez la charge thermostatique appropriée en fonction de l'application et de la plage de température. Différents types de charge comprennent:

• G-charge (gaz): Couramment utilisé dans la climatisation mais perd le contrôle si la température corporelle de la valve tombe en dessous de la température de l'ampoule de détection
• L-charge (liquide): Fournit un contrôle précis lorsque le corps de soupape est plus froid que l'ampoule de détection
• C / Cl / Cy-Charge (charge croisée): Utilisé dans les applications à basse température, maintient le contrôle quelle que soit la température corporelle de la valve par rapport à l'ampoule de détection
• Charge S / SA / SL: Offre un contrôle précis et une protection maximale de pression de fonctionnement (MOP)

Étape 5: Sélectionnez l'égalisation interne ou externe

Choisissez entre l'égalisation interne ou externe en fonction de la chute de pression dans l'évaporateur:

• Utiliser égalisation interne Lorsque la chute de pression à travers l'évaporateur est négligeable (inférieure à 0,02 MPa ou 0,2 kgf / cm²)
• Utiliser égalisation externe Lorsqu'il y a une chute de pression significative entre la prise de soupape et la prise de l'évaporateur, ou lors de l'utilisation d'un distributeur de réfrigérant de type à goutte à pression à l'entrée de l'évaporateur

Impact des conditions de fonctionnement sur la sélection des soupapes

Effet de la température du liquide et du sous-refroidissement

La température liquide affecte considérablement la sélection des soupapes. Comme démontré dans une étude de cas, une différence de température liquide de 43 ° C à 21 ° C (due à un sous-refroidisseur dans un compresseur à deux étages) a changé la valve requise d'un TE 12-5 à un modèle TE 5-4 beaucoup plus petit.

Toutes les tables de capacité standard sont généralement calculées pour une valeur de sous-refroidissement de 4 ° C. Lorsque le sous-refroidissement réel diffère, la capacité de la valve doit être ajustée à l'aide de facteurs de correction fournis par les fabricants.

Effet de la chute de pression dans l'évaporateur

Dans les systèmes avec une chute de pression appréciable à travers l'évaporateur, des vannes égalisées externes doivent être utilisées. Pour R134A, une baisse de pression de 0,01 MPa (0,1 kgf / cm²) augmente la surchauffe statique d'environ 1 ° C, ce qui restreint le flux de réfrigérant et réduit la capacité du système.

Une vanne égalisée en interne dans un système avec une chute de pression d'évaporatrice significative fonctionnera à une surchauffe plus élevée que souhaitée. Par exemple, dans un système avec une chute de pression de 6 psi à travers l'évaporateur, une vanne égalisée en interne fonctionnerait à 13 ° F surchauffe au lieu des 9 ° F souhaités.

Paramètres de surchauffe et ajustement

La surchauffe est essentielle pour un bon fonctionnement de la valve et une protection du système. Dans la climatisation, la plupart des vannes sont réglées sur une surchauffe de 10 ° F. Le réglage de la surchauffe modifie la surchauffe statique, qui est la surchauffe où la valve commence à s'ouvrir à partir d'un état entièrement fermé.

Pour ajuster la surchauffe:

1. Mesurer la température à la sortie de l'évaporateur (T)
2. Mesurez la pression d'évaporation aussi près que possible de l'évaporateur
3. Déterminer la température d'évaporation (ET) des graphiques à température pression
4. Calculer la surchauffe comme: Superheat = T - ET
5. Ajustez le TXV si nécessaire

Dimensionnement de la valve et performances du système

Conséquences de la tarification incorrecte

Le dimensionnement de la valve approprié est crucial pour les performances du système. Une vanne sous-dimensionnée affamera l'évaporateur du réfrigérant, tandis qu'une valve surdimensionnée peut inonder le compresseur de réfrigérant. L'une ou l'autre situation conduit à un fonctionnement inefficace, à une capacité du système réduite et à une consommation d'énergie accrue.

Pour les vannes d'expansion électronique, les critères de sélection recommandent généralement:

• Capacité de charge de 70 à 80% pour les applications de réfrigération normales
• 50-60% pour les applications à basse température afin d'assurer une capacité suffisante pendant les périodes de traction

Considérations d'efficacité énergétique

La valve d'expansion affecte directement l'efficacité énergétique du système. Les TXV ont été réintroduits à la fin des années 1980, la consommation d'énergie devenue un problème important, remplaçant les dispositifs de mesure fixes comme les tubes capillaires et les pistons de mesure dans de nombreuses applications.

Une soupape d'expansion correctement dimensionnée et ajustée garantit des performances optimales de l'évaporateur et une protection contre le compresseur, conduisant à un fonctionnement économe en énergie. Trop peu de surchauffe peut endommager le compresseur, tandis que trop de surchauffe provoque une mauvaise performance de l'évaporateur et une surchauffe du compresseur.

Conclusion

La sélection et le dimensionnement appropriés des vannes d'extension de réfrigération sont un processus systématique nécessitant une considération attentive de plusieurs paramètres. La sélection de la bonne soupape d'expansion consiste à comprendre les exigences du système, à calculer les capacités correctes et à tenir compte des conditions de fonctionnement telles que le sous-refroidissement et la chute de pression.

Une valve d'expansion bien choisie garantit non seulement des performances optimales du système, mais améliore également l'efficacité énergétique et prolonge la durée de vie de l'équipement. Le processus de sélection doit suivre les directives du fabricant et prendre en compte les exigences de demande spécifiques pour obtenir les meilleurs résultats.

En suivant l'approche étape par étape décrite dans ce guide, les ingénieurs et les techniciens peuvent sélectionner en toute confiance les vannes d'extension qui fournissent un contrôle de réfrigérant précis pour des systèmes de réfrigération fiables et efficaces.