Lo scopo della valvola di espansione è controllare il flusso di refrigerante dal lato di condensazione ad alta pressione del sistema nell'evaporatore a bassa pressione. Nella maggior parte dei casi, la riduzione della pressione è ottenuta attraverso un orifizio a portata variabile, modulante oa due posizioni. Le valvole di espansione possono essere classificate in base al metodo di controllo.
VALVOLE DI ESPANSIONE TERMOSTATICHE
I circuiti ad espansione diretta devono essere progettati e installati in modo che non vi sia alcun rischio di ritorno del refrigerante liquido 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 termostatica (TEV) per tali circuiti incorporano un meccanismo che rileverà 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 quindi si surriscalda fino a una condizione Ts , pe , in cui 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 rivelatore 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 al diaframma e lo stelo della valvola è fissato al centro. Se il surriscaldamento scende per qualsiasi motivo, vi è il rischio che il liquido raggiunga il compressore. Ts diminuirà con un corrispondente calo di ps . Le forze sul diaframma sono ora 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 energetico o la carica al suo interno potrebbe passare tutta nella capsula valvolare e nel tubo, se questi sono più freddi. Se ciò accadesse, la fiala a Ts conterrebbe solo vapore e non risponderebbe a una posizione Ts , ps sulla curva T − p.
Si può sfruttare quest'ultimo effetto. L'elemento di potenza può essere caricato in modo tale che tutto il refrigerante al suo interno sia vaporizzato a 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 viene definita carica limite o pressione massima di esercizio. 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 della molla fissa si tradurrà in un maggiore surriscaldamento a un intervallo di temperatura di esercizio più elevato. Per consentire ciò e fornire una valvola utilizzabile 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 gel di silice o carbone. Poiché l'adsorbente è un solido e non può migrare dalla fiala, queste valvole non possono subire inversioni di carica.
EQUALIZZATORE ESTERNO
Il semplice valvola di espansione termostatica fa affidamento sul fatto che la pressione sotto il diaframma sia approssimativamente uguale a quella all'uscita della bobina e piccole cadute di pressione della bobina possono essere compensate regolando l'impostazione della molla.
Quando una serpentina dell'evaporatore è suddivisa in un numero di passaggi paralleli, viene utilizzato un dispositivo di distribuzione con una piccola perdita di carico per garantire un flusso uguale attraverso ogni 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 ciò, il corpo della valvola viene modificato per accogliere una camera intermedia e una connessione di equalizzazione che viene portata all'uscita della bobina, vicino alla posizione della fiala. La maggior parte delle valvole di espansione termostatica è predisposta per un collegamento all'equalizzatore esterno (vedere Fig. 4).
La valvola di espansione termostatica è sostanzialmente un controllo proporzionale non smorzato e pendola continuamente, sebbene l'ampiezza di questa oscillazione possa essere limitata da una corretta selezione e installazione e se la valvola funziona sempre all'interno del suo intervallo di flusso di massa di progetto. Le difficoltà sorgono quando i compressori funzionano 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 diminuire in condizioni climatiche più fredde per risparmiare potenza del compressore. Le valvole su piccoli sistemi possono essere viste a volte chiudersi completamente e aprirsi completamente. Un'eccessiva oscillazione della valvola di espansione termostatica comporta un'irregolare alimentazione del refrigerante sulla superficie dell'evaporatore con conseguente lieve perdita di efficienza di scambio termico. Se l'oscillazione è causata da un ritardo tra il cambio 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 oscillazioni. La fiala deve essere sempre 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 grado più elevato di controllo e protezione del sistema. I vantaggi possono essere così riassunti:
- Controllo preciso del flusso su un'ampia gamma di capacità.
- Risposta rapida ai cambiamenti di carico.
- Migliore controllo a bassi surriscaldamenti in modo che sia necessaria una minore superficie dell'evaporatore per il surriscaldamento. Più 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, importante per i sistemi compatti.
- La valvola può chiudersi quando il sistema si arresta, il che elimina la necessità di un'ulteriore elettrovalvola di intercettazione.
I tipi di valvola elettronica in uso includono un tipo a flusso continuo in cui la dimensione dell'orifizio viene variata da un motore passo-passo e un tipo a modulazione di larghezza di impulso (PWM). In ogni caso viene utilizzato un controller insieme alla valvola. Il controller è preconfigurato per il tipo di refrigerante e valvola e riceve le informazioni dai sensori, ad esempio pressione e temperatura all'uscita dell'evaporatore. Ciò consente di determinare il surriscaldamento. Il segnale di uscita alla valvola avvia la regolazione dell'orifizio. Nel caso della valvola PWM è il rapporto tra l'apertura e la chiusura che determina la capacità della valvola. La valvola è aperta o chiusa e ogni intervallo di tempo di pochi secondi includerà un periodo di apertura in funzione del segnale.
Esiste un terzo tipo di valvola che combina entrambe le caratteristiche. Una tensione modulante viene inviata all'attuatore e, all'aumentare della tensione, la pressione nel contenitore dell'attuatore aumenta, con conseguente aumento dell'apertura della valvola durante un "ciclo di attivazione" di durata fissa.
In ogni caso il controllo può essere configurato in modo che la valvola rimanga chiusa in caso di mancanza di alimentazione. In condizioni di carico parziale o pressione di condensazione fluttuante, che si verifica a bassa temperatura ambiente, la pressione di condensazione diminuisce. Le valvole di espansione termostatica tendono a oscillare, ma i sistemi con componenti elettronici funzionano a carico parziale esattamente nello stesso modo e in modo stabile come a pieno carico.
Una valvola a flusso continuo è mostrata in Fig. 5. La sede della valvola e il cursore sono realizzati in ceramica solida. La forma del cursore della valvola prevede 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 diverse attività 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 del compressore in eccesso e garantire che la pressione di evaporazione non scenda al di sotto di un valore impostato punto.
TUBI CAPILLARI E RESTRITTORI
L'orificio 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 massica è una funzione della differenza di pressione e del grado di sottoraffreddamento del liquido all'ingresso. Il tubo capillare è utilizzato quasi esclusivamente nei piccoli impianti di climatizzazione ed è autoregolante entro certi parametri. L'aumento della temperatura ambiente provoca un aumento del carico sullo spazio condizionato e la pressione di condensazione aumenterà, forzando un flusso maggiore di refrigerante.
Sono comuni fori dei tubi di 0,8–2 mm con lunghezze di 1–4 m. Il tubo capillare è montato solo su apparecchiature costruite e collaudate in fabbrica, con cariche di refrigerante esatte. Non è applicabile ai sistemi installati sul campo.
Il dispositivo di espansione del limitatore supera alcune delle limitazioni del tubo capillare. L'orifizio può essere perforato con precisione, mentre i tubi capillari possono subire variazioni del diametro interno lungo la loro lunghezza, con conseguenti modifiche alle prestazioni previste. La Fig. 6 mostra come il dispositivo viene applicato in un climatizzatore reversibile. In Fig. 6a il dispositivo è mostrato in modalità di raffreddamento normale. Un proiettile che è libero di muoversi orizzontalmente di una piccola quantità viene premuto contro un sedile forzando il refrigerante attraverso la restrizione centrale che funge da dispositivo di espansione. Quando il flusso si inverte, Fig. 6b, il proiettile torna all'altra sede, ma la scanalatura consente il flusso attorno all'esterno oltre che attraverso di esso, in modo che la restrizione sia molto piccola.
Normalmente è montato all'uscita del condensatore piuttosto che all'ingresso dell'evaporatore. Ciò significa che invece di una linea del liquido verso l'evaporatore, il tubo contiene liquido e gas flash e deve essere isolato. Sebbene l'assorbimento di calore sia dannoso per le prestazioni, la caduta di pressione, utilizzata per azionare il fluido, si sarebbe comunque verificata normalmente 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 di condensazione ed è rimovibile, consentendo di apportare modifiche per ottenere prestazioni ottimali.
VALVOLE A GALLEGGIANTE E INTERRUTTORI 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, ma deve essere posizionata con il galleggiante all'esterno del guscio dell'evaporatore, poiché la superficie del liquido in ebollizione è agitata e il movimento costante provocherebbe un'usura eccessiva del meccanismo. Il galleggiante è quindi contenuto all'interno di una camera separata, accoppiata con linee di bilanciamento al guscio (vedi Fig. 7).
Tale valvola è un dispositivo di misurazione e potrebbe non fornire un arresto positivo quando il compressore viene arrestato. In queste circostanze, il refrigerante continuerà a fuoriuscire nell'evaporatore finché le pressioni non si saranno equalizzate e il livello del liquido potrebbe salire troppo vicino all'uscita di aspirazione. Per fornire questo arresto, è necessaria un'elettrovalvola nella linea del liquido.
Poiché il galleggiante di bassa pressione necessita di un'elettrovalvola per la chiusura ermetica, questa valvola può essere utilizzata come controllo on-off in combinazione con 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 porta 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 per livello e sensibilità. Una valvola a farfalla è montata per fornire il dispositivo di riduzione della pressione.
In caso di guasto di un controllo del galleggiante, il livello nel guscio potrebbe aumentare e il liquido passare nell'aspirazione del compressore. Per avvertire di ciò, un secondo interruttore a galleggiante è solitamente montato a un livello superiore, per azionare un allarme e un disinserimento.
Se una serpentina allagata si trova in un serbatoio di liquido, il livello del refrigerante sarà all'interno del serbatoio, rendendo difficile il posizionamento del controllo di livello. In tali casi, è possibile formare una trappola per gas o un sifone nel tubo di bilanciamento inferiore per fornire un livello indiretto nella camera del galleggiante. Possono anche essere predisposti sifoni o sifoni per contenere un fluido non volatile come l'olio, in modo che i tubi di bilanciamento rimangano al riparo dal gelo.
VALVOLE A GALLEGGIANTE AD ALTA PRESSIONE
Su un sistema allagato con un solo evaporatore, 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 condensa. La camera del galleggiante è alla pressione del condensatore e il controllo è definito 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 dal carico dell'impianto. Con questo metodo sono possibili sistemi a basso carico che utilizzano scambiatori di calore a mantello e piastre e refrigeratori spray. Il tipo di valvola a galleggiante in Fig. 10 può funzionare con refrigeranti ad ammoniaca o anidride carbonica. I circuiti dell'economizzatore con l'interruttore a galleggiante che espandono 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, in quanto non può rilevare le esigenze di nessuno dei due.
La difficoltà della carica critica può essere superata consentendo a tutto il refrigerante liquido in eccesso che lascia l'evaporatore di riversarsi in un ricevitore o accumulatore nella linea di aspirazione, facendolo bollire 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 della caduta di pressione avviene in una valvola di espansione secondaria dopo che il liquido caldo è passato attraverso le bobine all'interno del ricevitore. In questo modo, il calore è disponibile per 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 a 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 ha una migliore superficie bagnata interna, con un miglioramento del trasferimento di calore.
ALTRI CONTROLLI DI LIVELLO
Se un piccolo elemento riscaldante viene posizionato al livello del liquido richiesto di un evaporatore allagato, insieme a un elemento sensibile al calore, quest'ultimo rileverà una temperatura maggiore se non è presente refrigerante liquido. Questo segnale può essere utilizzato per azionare un'elettrovalvola.
La valvola di espansione termostatica o elettronica può essere utilizzata anche per mantenere un 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 a una condizione di surriscaldamento e la valvola si apre per far entrare altro liquido.
