Lo scopo della valvola di espansione è controllare il flusso di refrigerante dal lato di condensazione ad alta pressione del sistema all'evaporatore a bassa pressione. Nella maggior parte dei casi, la riduzione della pressione viene ottenuta attraverso un orifizio a flusso variabile, modulante o a due posizioni. Le valvole di espansione possono essere classificate in base al metodo di controllo.
VALVOLE DI ESPANSIONE TERMOSTATICA
I circuiti ad espansione diretta devono essere progettati e installati in modo che non vi sia il rischio che il refrigerante liquido ritorni al compressore. Per garantire questo stato, la superficie di scambio termico nell'evaporatore viene utilizzata per riscaldare il gas saturo secco in modo che si surriscaldi. La quantità di surriscaldamento è solitamente dell'ordine di 5 K.
Le valvole di espansione termostatiche (TEV) per tali circuiti incorporano un meccanismo che rileva il surriscaldamento del gas in uscita dall'evaporatore (Fig. 1). Il refrigerante bolle nell'evaporatore a Te e pe , finché non è tutto vapore, punto A e poi si surriscalda fino alla condizione Ts , pe , alla quale passa alla linea di aspirazione, punto B. Un contenitore separato dello stesso refrigerante alla temperatura Ts avrebbe una pressione ps , e la differenza ps − pe rappresentata da C–B in Fig. 1 è un segnale direttamente correlato alla quantità di surriscaldamento.
La valvola di espansione termostatica base (Fig. 2) è dotata di un rilevatore e di un elemento di potenza, caricati con lo stesso refrigerante presente nel circuito. La pressione ps generata nella fiala dal gas surriscaldato si equalizza attraverso il tubo capillare fino alla sommità del diaframma. Una molla regolabile fornisce l'equilibrio di ps - pe sulla membrana e lo stelo della valvola è fissato al centro. Se per qualsiasi motivo il surriscaldamento dovesse diminuire, vi sarà il rischio che del liquido raggiunga il compressore. Ts diminuirà con un corrispondente calo di ps. Le forze sulla membrana ora sono sbilanciate e la molla inizierà a chiudere la valvola.
p1 / p2 =T1 / T2
Al contrario, se il carico sull'evaporatore aumenta, il refrigerante evaporerà prima e ci sarà più surriscaldamento nella posizione della fiala. Quindi ps aumenterà e aprirà maggiormente la valvola per soddisfare la nuova domanda.
La fiala deve avere una capacità maggiore rispetto al resto dell'elemento di potenza altrimenti la carica al suo interno potrebbe passare tutta nella capsula della valvola e nel tubo, se questi sono più freddi. Se ciò accadesse, la fiala in Ts conterrebbe solo vapore e non risponderebbe ad una posizione Ts , ps sulla curva T − p.
Si può sfruttare quest'ultimo effetto. L'elemento di potenza può essere caricato in modo limitato in modo che tutto il refrigerante al suo interno sia vaporizzato ad una temperatura predeterminata (comunemente 0°C). Al di sopra di questo punto, la pressione al suo interno cesserà di seguire la curva del punto di ebollizione ma seguirà le leggi dei gas come mostrato in Fig. 3; e la valvola rimarrà chiusa. Questo viene fatto per limitare la pressione dell'evaporatore al primo avvio di un sistema caldo, che potrebbe sovraccaricare il motore di azionamento. Questa è denominata carica limite o pressione operativa massima. Tali valvole devono essere installate in modo che la fiala sia la parte più fredda.
La pendenza della curva T - p non è costante, quindi una pressione fissa della molla si tradurrà in un maggiore surriscaldamento a un intervallo di temperature operative più elevato. Per consentire ciò e fornire una valvola che possa essere utilizzata in un'ampia gamma di applicazioni, la fiala può essere caricata con una miscela di due o più fluidi volatili per modificarne la curva caratteristica.
Alcuni produttori utilizzano il principio dell'adsorbimento di un gas da parte di un materiale poroso come il gel di silice o il carbone. Poiché l'adsorbente è solido e non può migrare dalla fiala, queste valvole non possono subire inversioni di carica.
EQUALIZZATORE ESTERNO
Il semplice valvola di espansione termostatica si basa sul fatto che la pressione sotto il diaframma sia all'incirca uguale a quella all'uscita della bobina e che piccole cadute di pressione della bobina possano essere compensate regolando l'impostazione della molla.
Quando la serpentina dell'evaporatore è divisa in più passaggi paralleli, viene utilizzato un dispositivo di distribuzione con una piccola perdita di pressione per garantire un flusso uguale attraverso ciascun passaggio. Sono comuni cadute di pressione di 1–2 bar. Ora ci sarà una differenza finita molto più grande tra la pressione sotto il diaframma e quella all'ingresso della bobina. Per correggere questo problema, il corpo della valvola viene modificato per ospitare una camera intermedia e un collegamento equalizzatore che porta all'uscita della bobina, vicino alla posizione della fiala. La maggior parte delle valvole di espansione termostatiche sono predisposte per un collegamento equalizzatore esterno (vedere Fig. 4).
La valvola di espansione termostatica è sostanzialmente un controllo proporzionale non smorzato e funziona continuamente, sebbene l'ampiezza di questa oscillazione possa essere limitata da una corretta selezione e installazione e se la valvola funziona sempre entro il suo intervallo di flusso di massa previsto. Le difficoltà sorgono quando i compressori vengono utilizzati a carico ridotto e il flusso di massa del refrigerante scende al di sotto dell'intervallo di progettazione della valvola. È utile mantenere costante la pressione di condensazione, anche se non deve essere costante e di solito può essere lasciata scendere quando fa freddo per risparmiare potenza del compressore. A volte è possibile vedere le valvole su piccoli sistemi chiudersi completamente e aprirsi completamente. Un'eccessiva oscillazione della valvola di espansione termostatica fa sì che la superficie dell'evaporatore abbia un'alimentazione irregolare di refrigerante con una conseguente leggera perdita di efficacia di scambio termico. Se l'oscillazione è causata da un ritardo tra il cambiamento di posizione della valvola e l'effetto all'uscita dell'evaporatore, una soluzione può essere quella di aumentare la massa della fiala del sensore che aumenterà lo smorzamento. Anche le valvole sovradimensionate e la posizione errata della fiala possono dar luogo a caccia. La fiala deve sempre essere posizionata sull'uscita orizzontale, il più vicino possibile all'evaporatore e non sul lato inferiore del tubo.
VALVOLE DI ESPANSIONE ELETTRONICHE
La valvola di espansione elettronica offre un livello più preciso di controllo e protezione del sistema. I benefici possono essere riassunti come segue:
- Controllo preciso del flusso su un'ampia gamma di capacità.
- Risposta rapida ai cambiamenti di carico.
- Migliore controllo ai bassi surriscaldamenti in modo che sia necessaria una minore superficie dell'evaporatore per il surriscaldamento. Una maggiore superficie per l'evaporazione si traduce in una temperatura di evaporazione più elevata e in una migliore efficienza.
- Il collegamento elettrico tra i componenti offre una maggiore flessibilità nel layout del sistema, che è importante per i sistemi compatti.
- La valvola può chiudersi quando il sistema si spegne, eliminando la necessità di un'ulteriore elettrovalvola di intercettazione.
Types of electronic valve in use include a continuous flow type in which the orifice size is varied by a stepper motor, and a pulse width modulated (PWM) type. In each case a controller is used in conjunction with the valve. The controller is pre-configured for the refrigerant and valve type and it receives the information from sensors, for example, pressure and temperature at the evaporator outlet. This enables the superheat to be determined. The output signal to the valve initiates the orifice adjustment. In the case of the PWM valve it is the relationship between the opening and closing which determines the capacity of the valve. The valve is either open or closed and each time interval of a few seconds will include an opening period depending on the signal.
Esiste un terzo tipo di valvola che combina entrambe le caratteristiche. Una tensione modulante viene inviata all'attuatore e, quando la tensione aumenta, la pressione nel contenitore dell'attuatore aumenta, determinando una maggiore apertura della valvola durante un "ciclo attivo" di durata fissa.
In ogni caso il controllo può essere configurato in modo che la valvola rimanga chiusa in caso di mancanza di corrente. In condizioni di carico parziale o di pressione di condensazione flottante, che si verifica a bassa temperatura ambiente, la pressione di condensazione diminuisce. Le valvole di espansione termostatiche tendono a oscillare, ma i sistemi con componenti elettronici funzionano a carico parziale esattamente nello stesso modo stabile che a pieno carico.
Una valvola del tipo a flusso continuo è mostrata nella Fig. 5. La sede della valvola e il cursore sono realizzati in ceramica solida. La forma della guida della valvola garantisce una caratteristica di capacità altamente lineare tra il 10 e il 100%. A seconda del controller e della sua configurazione, una singola valvola di controllo può essere utilizzata per diversi compiti di controllo. I possibili usi includono: valvola di espansione per il controllo del surriscaldamento, controllo della pressione di aspirazione per il controllo della capacità, iniezione di liquido per il desurriscaldamento del compressore, controllo della pressione di condensazione e controllo del bypass del gas caldo per compensare la capacità in eccesso del compressore e garantire che la pressione di evaporazione non scenda al di sotto di un valore impostato punto.
TUBI CAPILLARI E RESTRITORI
L'orifizio variabile della valvola di espansione può essere sostituito, in piccoli impianti, da un tubo lungo e sottile. Questo è un dispositivo non modulante e presenta alcune limitazioni, ma fornirà un controllo ragionevolmente efficace su un'ampia gamma di condizioni se selezionato e applicato correttamente. La portata di massa è una funzione della differenza di pressione e del grado di sottoraffreddamento del liquido in entrata. Il tubo capillare viene utilizzato quasi esclusivamente nei piccoli impianti di climatizzazione e si autoregola entro determinati parametri. L'aumento della temperatura ambiente comporta un aumento del carico sullo spazio condizionato e la pressione di condensazione aumenterà, forzando un maggiore flusso di refrigerante.
Sono comuni tubi con fori di 0,8–2 mm con lunghezze di 1–4 m. Il tubo capillare è montato solo su apparecchiature costruite e testate in fabbrica, con cariche di refrigerante esatte. Non è applicabile ai sistemi installati sul campo.
Il dispositivo di espansione del restrittore supera alcune limitazioni del tubo capillare. L'orifizio può essere forato con precisione, mentre i tubi capillari possono subire variazioni nel diametro interno lungo la loro lunghezza, con conseguenti modifiche alle prestazioni previste. La Fig. 6 mostra come viene applicato il dispositivo in un condizionatore reversibile. Nella Fig. 6a il dispositivo è mostrato nella normale modalità di raffreddamento. Un proiettile libero di muoversi orizzontalmente per una piccola quantità viene premuto contro una sede forzando il refrigerante attraverso la restrizione centrale che funge da dispositivo di espansione. Quando il flusso si inverte, Fig. 6b, il proiettile ritorna nell'altra sede, ma la scanalatura consente il flusso attorno all'esterno e attraverso di essa, quindi la restrizione è molto piccola.
Normalmente viene montato all'uscita del condensatore anziché all'ingresso dell'evaporatore. Ciò significa che invece di una linea del liquido verso l'evaporatore, il tubo contiene liquido e gas di evaporazione e deve essere isolato. Sebbene l'accumulo di calore sia dannoso per le prestazioni, la caduta di pressione, utilizzata per azionare il fluido, normalmente si sarebbe verificata comunque nella valvola di espansione. Le linee del liquido verso gli evaporatori remoti sui sistemi split possono essere piuttosto lunghe e in una linea del liquido ad alta pressione del tipo più comunemente utilizzato, la caduta di pressione può comportare un aumento della pressione del condensatore e la tendenza alla formazione di bolle. Anche il limitatore può essere fornito come parte dell'unità condensante ed è rimovibile, consentendo di apportare modifiche per ottenere prestazioni ottimali.
VALVOLE E INTERRUTTORI A GALLEGGIANTE A BASSA PRESSIONE
Gli evaporatori allagati richiedono un livello di liquido costante, in modo che i tubi rimangano bagnati. È sufficiente una semplice valvola a galleggiante, che però deve essere posizionata con il galleggiante all'esterno del guscio dell'evaporatore, poiché la superficie del liquido bollente è agitata e il movimento costante provocherebbe un'eccessiva usura del meccanismo. Il galleggiante è quindi contenuto all'interno di una camera separata, accoppiata tramite linee di bilanciamento allo scafo (vedi Fig. 7).
Tale valvola è un dispositivo di misurazione e potrebbe non fornire un arresto positivo quando il compressore è fermo. In queste circostanze, il refrigerante continuerà a fuoriuscire nell'evaporatore finché le pressioni non si saranno stabilizzate e il livello del liquido potrebbe salire troppo vicino all'uscita di aspirazione. Per garantire questa chiusura è necessaria un'elettrovalvola nella linea del liquido.
Poiché il galleggiante a bassa pressione necessita di un'elettrovalvola per una chiusura ermetica, questa valvola può essere utilizzata come controllo on-off insieme ad un orifizio preimpostato e controllata da un interruttore a galleggiante (Fig. 8).
La forma più comune di rilevatore di livello è un galleggiante metallico che trasporta un nucleo di ferro che sale e scende all'interno di un manicotto di tenuta. Una bobina di induzione circonda il manicotto e viene utilizzata per rilevare la posizione del nucleo. Il segnale risultante viene amplificato per commutare l'elettrovalvola e può essere regolato in termini di livello e sensibilità. Per fornire il dispositivo di riduzione della pressione è montata una valvola a farfalla.
In caso di guasto di un controllo a galleggiante, il livello nel guscio potrebbe aumentare e il liquido potrebbe passare nell'aspirazione del compressore. Per avvisare di ciò, di solito viene montato un secondo interruttore a galleggiante ad un livello più alto, per azionare un allarme e un disinserimento.
Se la serpentina è allagata in un serbatoio di liquido, il livello del refrigerante sarà all'interno del serbatoio, rendendo difficile il posizionamento del controllo di livello. In questi casi, è possibile realizzare un sifone o un sifone nel tubo di bilanciamento inferiore per fornire un livello indiretto nella vaschetta del galleggiante. Si possono anche predisporre sifoni o trappole per contenere un fluido non volatile come l'olio, in modo che i tubi di bilanciamento rimangano esenti dal gelo.
VALVOLE A GALLEGGIANTE AD ALTA PRESSIONE
Su un sistema allagato con evaporatore singolo, è possibile montare una valvola a galleggiante che farà passare l'eventuale liquido scaricato dal condensatore direttamente all'evaporatore. L'azione è la stessa di uno scaricatore di vapore. La camera del galleggiante è alla pressione del condensatore e il controllo è denominato galleggiante ad alta pressione (Fig. 9).
L'interruttore a galleggiante ad alta pressione mantiene il condensatore drenato senza la necessità di un ricevitore ad alta pressione. Il livello nell'evaporatore è fissato dalla carica dell'impianto. Con questo metodo sono possibili sistemi a basso carico che utilizzano scambiatori di calore a piastre e mantello e refrigeratori spray. Il tipo di valvola a galleggiante nella Fig. 10 può funzionare con refrigeranti ad ammoniaca o anidride carbonica. I circuiti economizzatore con l'interruttore a galleggiante che espande il liquido verso un vaso di espansione flash intermedio vengono utilizzati per applicazioni a bassa temperatura. Questo controllo non può alimentare più di un evaporatore poiché non è in grado di rilevare il fabbisogno di nessuno dei due.
La difficoltà della carica critica può essere superata consentendo a qualsiasi eccesso di refrigerante liquido che lascia l'evaporatore di riversarsi in un ricevitore o accumulatore nella linea di aspirazione e facendolo evaporare con il liquido caldo che lascia il condensatore. In questo sistema, il circuito del ricevitore a bassa pressione, il liquido viene scaricato dal condensatore attraverso il galleggiante ad alta pressione, ma la fase finale di caduta di pressione avviene in una valvola di espansione secondaria dopo che il liquido caldo è passato attraverso le serpentine all'interno del ricevitore. In questo modo il calore è disponibile per far evaporare il liquido in eccesso che esce dall'evaporatore (vedi Fig. 11).
Due scambiatori di calore trasportano il liquido caldo dal condensatore all'interno di questo recipiente. La prima bobina si trova nella parte superiore del ricevitore e fornisce un surriscaldamento sufficiente per garantire che il gas entri nel compressore in condizioni asciutte. La serpentina inferiore fa evaporare il liquido in eccesso, lasciando l'evaporatore stesso. Con questo metodo di alimentazione del refrigerante, l'evaporatore presenta una migliore superficie interna bagnata, con un miglioramento dello scambio termico.
ALTRI CONTROLLI DI LIVELLO
Se un piccolo elemento riscaldante viene posizionato al livello del liquido richiesto di un evaporatore allagato, insieme ad un elemento termosensibile, quest'ultimo rileverà una temperatura maggiore se non è presente il refrigerante liquido. Questo segnale può essere utilizzato per azionare un'elettrovalvola.
La valvola di espansione termostatica o elettronica può essere utilizzata anche per mantenere il livello del liquido. La fiala e un elemento riscaldante sono entrambi fissati a un bulbo al livello del liquido richiesto. Se il liquido non è presente, il riscaldatore riscalda la fiala fino ad una condizione di surriscaldamento e la valvola si apre per ammettere più liquido.