Processo di dimensionamento e selezione della valvola di espansione della refrigerazione

La corretta selezione della valvola di espansione è fondamentale per l'efficienza e l'affidabilità del sistema di refrigerazione. Questa guida delinea l'approccio sistematico al dimensionamento e alla selezione delle valvole di espansione in base ai requisiti di sistema e alle condizioni operative. Le valvole di espansione regolano il flusso di refrigerante nell'evaporatore, rendendo la loro corretta selezione essenziale per le prestazioni del sistema, l'efficienza energetica e la protezione del compressore.

Tipi di valvole di espansione nei sistemi di refrigerazione

La valvola di espansione è un componente cruciale nei sistemi di refrigerazione, responsabile della riduzione della pressione del refrigerante, permettendogli di espandersi e raffreddare. Esistono due tipi primari di valvole di espansione: valvole di espansione termostatica (TXV) e valvole di espansione elettronica (EEV).

Valvole di espansione termostatica (TXV)

Le valvole di espansione termostatica sono costituite da due componenti primari che lavorano insieme: l'elemento termostatico (che agisce come attuatore del sistema) e l'orifizio (eseguendo l'espansione effettiva del refrigerante). Sono progettati per mantenere un surriscaldamento costante all'outlet evaporatore modulando il flusso di refrigerante in base alle richieste di carico di raffreddamento. L'elemento termostatico rileva la temperatura del refrigerante all'uscita dell'evaporatore e regola l'apertura della valvola per mantenere il surriscaldamento desiderato.

Valvole equalizzate internamente

Valvole equalizzate internamente Sengono la pressione dell'evaporatore all'uscita della valvola. Queste valvole ricevono refrigerante liquido caldo e ad alta pressione e ne riducono la pressione, consentendole di espandersi e raffreddare in modo significativo. Queste valvole sono adatte per evaporatori con caduta di pressione minima (inferiore a 0,02 MPa o 0,2 kgf/cm²). I vantaggi delle valvole equalizzate internamente includono:

• Design semplice e basso costo
• Facile da installare e mantenere
• Adatto a sistemi di refrigerazione di piccole e medie dimensioni

Tuttavia, le valvole equalizzate internamente potrebbero non essere adatte per sistemi con grandi gocce di pressione o configurazioni di evaporatore complesse.

Valvole equalizzate esternamente

Il funzionamento delle valvole equalizzate esternamente è simile alle valvole equalizzate internamente, tranne per il fatto che la pressione dell'evaporatore viene alimentata sul fondo del diaframma della valvola dal tubo di uscita evaporatore tramite una linea di pareggio. Questo design bilancia la temperatura della valvola di espansione durante la conversione di fase ed è necessario quando vi è apprezzabile calo di pressione tra l'uscita della valvola e l'uscita dell'evaporatore. Le valvole equalizzate esternamente sono adatte per:

• Grandi sistemi di refrigerazione con complesse configurazioni di evaporatore
• Sistemi con gocce ad alta pressione (sopra 0,02 MPa o 0,2 kgf/cm²)
• Applicazioni in cui è richiesto un controllo preciso del surriscaldamento

I vantaggi delle valvole equalizzate esternamente includono:

• Controllo surriscaldatore migliorato
• Adatto a sistemi di refrigerazione grandi e complessi
• Può gestire gocce ad alta pressione

Tuttavia, le valvole equalizzate esternamente sono più complesse e costose delle valvole equalizzate internamente.

Valvole di espansione elettronica (EEV)

Le valvole di espansione elettronica offrono un controllo più preciso attraverso la modulazione della larghezza dell'impulso. I loro criteri di selezione differiscono dalle valvole termostatiche, in genere dimensionate al 70-80% di capacità di carico per le applicazioni di condizionamento e refrigerazione, fornendo capacità di riserva per eventi come periodi a discesa. Gli EEV sono adatti per:

• Applicazioni di controllo della temperatura ad alta precisione
• Sistemi con carichi di raffreddamento variabili
• Applicazioni in cui l'efficienza energetica è fondamentale

I vantaggi degli EEV includono:

• Controllo della temperatura ad alta precisione
• Efficienza energetica
• Adatto per applicazioni di carico di raffreddamento variabili

Tuttavia, gli EEV sono più complessi e costosi delle valvole di espansione termostatiche.

Confronto delle valvole di espansione

La tabella seguente riassume le caratteristiche chiave delle valvole di espansione termostatica e delle valvole di espansione elettronica:

Tipo di valvola	Controllo surriscaldamento	Caduta di pressione	Complessità	Costo
TXV equalizzato internamente	Moderato	Basso	Basso	Basso
TXV equalizzato esternamente	Alto	Alto	Medio	Medio
Valvola di espansione elettronica (EEV)	Alto	Variabile	Alto	Alto

Parametri chiave per la selezione della valvola di espansione

Per selezionare correttamente una valvola di espansione per un sistema di refrigerazione, è necessario considerare diversi parametri:

1. Tipo refrigerante: Diversi refrigeranti richiedono progetti di valvole specifici
2. Capacità dell'evaporatore (QE): Il carico di raffreddamento determina il requisito di capacità di base
3. Evaporazione della temperatura/pressione (TE/PE): Influisce sulla capacità e il funzionamento della valvola
4. Temperatura/pressione di condensazione (TC/PC): Determina le condizioni di alto livello
5. Temperatura del refrigerante liquido (TL): Critico per determinare il sottolineatura e il corretto dimensionamento della valvola
6. Caduta di pressione in linea liquida, distributore ed evaporatore (ΔP): Influisce sulle prestazioni della valvola e la selezione del tipo di equalizzazione

Processo di selezione passo-passo

Passaggio 1: determinare la caduta di pressione attraverso la valvola

La caduta di pressione viene calcolata usando l'equazione:
ΔPTot = (PC - PE) - ΔP

Dove:

• PC = pressione di condensazione
• Pe = pressione evaporante
• ΔP = somma delle cadute di pressione in linea liquida, distributore ed evaporatore

Questo calcolo è fondamentale in quanto la caduta di pressione influisce direttamente sulla capacità della valvola.

Passaggio 2: determinare la capacità della valvola richiesta

Utilizzare la capacità di evaporatore (QE) per selezionare la capacità della valvola richiesta a una data temperatura di evaporazione. Se necessario, correggi la capacità dell'evaporatore in base al valore di sottolinerazione.

Il sottobicchio viene calcolato come:
Δtsub = tc - tl

Dove:

• TC = temperatura di condensazione
• Tl = temperatura liquida

La capacità della valvola richiesta è determinata da:
QV = QE / FSUB

Dove:

• FSUB = fattore di correzione del sottolineato dalle tabelle del produttore

Passaggio 3: selezionare la dimensione dell'orifizio appropriato

Usando la caduta di pressione calcolata attraverso la valvola, la temperatura di evaporazione e la capacità di evaporatore corretta, selezionare la dimensione dell'orifizio corrispondente dalle tabelle di capacità del produttore per il refrigerante specifico. La capacità della valvola di espansione deve essere uguale o leggermente maggiore della capacità di evaporatore calcolata.

Passaggio 4: scegli la carica termostatica

Selezionare la carica termostatica appropriata in base all'intervallo di applicazione e temperatura. Diversi tipi di addebito includono:

• G-Charge (Gas): Comunemente usato nel condizionamento dell'aria ma perde il controllo se la temperatura corporea della valvola scende al di sotto della temperatura del bulbo di rilevamento
• L-Charge (liquido): Fornisce un controllo preciso quando il corpo della valvola è più freddo del bulbo di rilevamento
• C/CL/CY-Charge (Cross Charge): Utilizzato in applicazioni a bassa temperatura, mantiene il controllo indipendentemente dalla temperatura corporea della valvola rispetto al bulbo di rilevamento
• S/SA/SL-Charge: Fornisce un controllo preciso e la protezione della pressione operativa massima (MOP)

Passaggio 5: selezionare Equalizzazione interna o esterna

Scegli tra equalizzazione interna o esterna in base alla caduta di pressione nell'evaporatore:

• Uso Equalizzazione interna Quando la caduta di pressione attraverso l'evaporatore è trascurabile (inferiore a 0,02 MPa o 0,2 kgf/cm²)
• Uso Equalizzazione esterna Quando si verifica una significativa caduta di pressione tra l'uscita della valvola e l'uscita dell'evaporatore o quando si utilizza un distributore di refrigerante di tipo a pressione all'ingresso dell'evaporatore

Impatto delle condizioni operative sulla selezione delle valvole

Effetto della temperatura del liquido e del sottobicchimento

La temperatura del liquido influisce in modo significativo sulla selezione della valvola. Come dimostrato in un caso di studio, una differenza di temperatura del liquido da 43 ° C a 21 ° C (a causa di un sottobosco in un compressore a due stadi) ha cambiato la valvola richiesta da un TE 12-5 a un modello TE 5-4 molto più piccolo.

Tutte le tabelle di capacità standard sono in genere calcolate per un valore di sottobicchi di 4 ° C. Quando si differenzia l'effettivo sottolineato, la capacità della valvola deve essere regolata utilizzando i fattori di correzione forniti dai produttori.

Effetto della caduta di pressione nell'evaporatore

Nei sistemi con apprezzabile caduta di pressione attraverso l'evaporatore, è necessario utilizzare le valvole equalizzate esternamente. Per R134A, una caduta di pressione di 0,01 MPa (0,1 kgf/cm²) aumenta il surriscaldamento statico di circa 1 ° C, il che limita il flusso refrigerante e riduce la capacità del sistema.

Una valvola equalizzata internamente in un sistema con una significativa caduta di pressione dell'evaporatore funzionerà a un surriscaldamento più alto del desiderato. Ad esempio, in un sistema con una caduta di pressione di 6 psi attraverso l'evaporatore, una valvola equalizzata internamente funzionerebbe con surriscaldamento di 13 ° F anziché il 9 ° F desiderato.

Impostazioni e regolazione surriscaldanti

Il surriscaldamento è fondamentale per il corretto funzionamento della valvola e la protezione del sistema. Nel condizionamento dell'aria, la maggior parte delle valvole è impostata su surriscaldamento a 10 ° F. La regolazione del surriscaldamento cambia il surriscaldamento statico, che è il surriscaldamento in cui la valvola inizia ad aprirsi da una condizione completamente chiusa.

Per regolare il surriscaldamento:

1. Misurare la temperatura all'uscita dell'evaporatore (t)
2. Misurare la pressione di evaporazione il più vicino possibile all'evaporatore
3. Determinare la temperatura di evaporazione (ET) dai grafici a temperatura pressione
4. Calcola surriscaldamento come: Superheat = T - ET
5. Regola il TXV se necessario

Dimensionamento della valvola e prestazioni del sistema

Conseguenze di dimensionamento improprio

La corretta dimensionamento della valvola è cruciale per le prestazioni del sistema. Una valvola sottodimensionata farà morire di fame l'evaporatore del refrigerante, mentre una valvola di grandi dimensioni può inondare il compressore con refrigerante. Entrambe le situazione porta a un funzionamento inefficiente, una riduzione della capacità del sistema e un aumento del consumo di energia.

Per le valvole di espansione elettronica, i criteri di selezione in genere raccomandano:

• 70-80% di capacità di carico per le normali applicazioni di refrigerazione
• 50-60% per applicazioni a bassa temperatura per garantire una capacità sufficiente durante i periodi a discesa

Considerazioni sull'efficienza energetica

La valvola di espansione influisce direttamente sull'efficienza energetica del sistema. I TXV sono stati reintrodotti alla fine degli anni '80 poiché il consumo di energia è diventato un problema importante, sostituendo dispositivi di misurazione fissa come tubi capillari e pistoni di misurazione in molte applicazioni.

Una valvola di espansione di dimensioni adeguate e adeguate garantisce prestazioni evaporatori e protezione del compressore ottimali, portando a un funzionamento ad alta efficienza energetica. Troppo poco surriscaldamento può danneggiare il compressore, mentre troppo surriscaldamento provoca scarse prestazioni di evaporatore e surriscaldamento del compressore.

Conclusione

La corretta selezione e dimensionamento delle valvole di espansione della refrigerazione è un processo sistematico che richiede un'attenta considerazione di più parametri. La selezione della giusta valvola di espansione comporta la comprensione dei requisiti di sistema, il calcolo delle capacità corrette e la contabilità per condizioni operative come il sottolineatura e la caduta di pressione.

Una valvola di espansione ben scelta non solo garantisce prestazioni ottimali del sistema, ma migliora anche l'efficienza energetica e estende la durata delle attrezzature. Il processo di selezione dovrebbe seguire le linee guida del produttore e considerare requisiti specifici dell'applicazione per ottenere i migliori risultati.

Seguendo l'approccio passo-passo delineato in questa guida, ingegneri e tecnici possono selezionare con sicurezza valvole di espansione che forniscono un controllo preciso del refrigerante per sistemi di refrigerazione affidabili ed efficienti.