شیر انبساط، فشار مبرد مایع را حذف می‌کند تا اجازه انبساط یا تغییر حالت از مایع به بخار در اواپراتور را بدهد. مبرد مایع پرفشار وارد شده به شیر انبساط کاملاً گرم است.

عملکرد شیر انبساط مکانیکی:

شیر انبساط مکانیکی با علامت اختصاری(TEV or TXV)  نمایش داده می‌شود.این شیر دارای لوله بالب بوده و همچنین برای جلوگیری از ورود هرگونه ذرات معلق به سوپاپ و نشیمن بین لوله مایع و مجرای ورودی، شیر فیلتر نیز وجود دارد. در این نوع شیر انبساط میزان جریان مبرد به درون اواپراتور بوسیله دو عامل کنترل می­شود:

1-     فشار ورودی اواپراتور

2-   حرارت خروجی اواپراتور

شیرهای انبساط مختلفی بر اساس ساختار دستگاه برودتی مورد نظر و نحوه کنترل دبی ماده مبرد و همچنین نوع اواپراتور (خشک یا مرطوب) بکار رفته در سیستم، مورد استفاده قرار می‌گیرند که در ادامه انواع آنها را بررسی و مطالعه می‌کنیم.

پیش از بررسی عملکرد اکسپنشن ولو، بهتر است مروری داشته باشیم بر نحوه عملکرد سیکل تبرید تراکمی و همچنین فرآیند اختناق (خفقان) تا به واسطه آن بتوانیم درک و شناخت بهتری از نقش شیر انبساط و اهمیت آن داشته باشیم.

مطابق شکل زیر در فرآیند سیکل تبرید، ماده مبرد یا سرمازا (به شکل مایع) پس از عبور از شیر انبساط با افت فشار زیادی مواجه شده و به تبع آن افت دمای قابل توجهی نیز پیدا می‌کند و سپس وارد اواپراتور می شود. در اواپراتور یا تبخیر کننده، به دلیل آنکه دمای ماده مبرد کمتر از دمای محیط (آب یا هوا) است، گرمای محیط به ماده سرمازا منتقل می‌شود، به همین دلیل مبرد شروع به تبخیر شدن می‌کند. پس از آن بخار مبرد وارد کمپرسور شده و با افزایش فشار که افزایش دما را نیز در پی دارد، از کمپرسور خارج می‌گردد و به سمت کندانسور (چگالنده) منتقل می‌شود، در کندانسور نیز به وسیله انتقال گرمای ماده مبرد به محیط (آب یا هوا)، این ماده سرمازا مجدداً به حالت مایع تغییر فاز داده و به ورودی اکسپنشن ولو می‌رسد و به این ترتیب سیکل برودتی تا مادامی که کمپرسور روشن است تکرار می‌شود.

همانطور که در شکل بالا مشاهده می‌کنید، موقعیت شیر انبساط بین کندانسور و اواپراتور می‌باشد. در واقع این شیر به مانند کمپرسور، مرز ناحیه فشار بالا و فشار پایین در دستگاه‌های برودتی محسوب شده و در ناحیه خط مایع مبرد (Liquid line) قرار دارد. شیر انبساط بر خلاف کمپرسور که نقش افزایش فشار بخار مبرد در سیکل تبرید را دارد، باعث ایجاد افت فشار در مایع مبرد موجود در سیکل تبرید می‌شود.

فرآیند اختناق (Throttling process) یا اثر ژول – تامسون عبارت است از تغییر ترمودینامیکی یک سیال (گاز یا مایع)، هنگامی که از یک شیر (Valve) یا دریچه متخلخل (Porous plug) عبور می‌کند؛ به نحوی که در طول این عملیات، فرآیند اختناق در یک محیط ایزوله صورت می‌گیرد و هیچگونه انتقال حرارتی با محیط اطراف خود ندارد.

مطابق شکل زیر فرض کنید که یک نوع گاز یا سیال از نقطه شماره یک به سمت نقطه شماره دو در حال حرکت است و از یک شیر در حالت نیمه باز یا یک دریچه متخلخل عبور می‌کند. چنانچه این فرآیند با محیط اطراف خود ایزوله باشد و انتقال گرمایی صورت نپذیرد، سیال دچار افت فشار و به دنبال آن کاهش دما می‌شود و این همان اصل کلیدی در شیر انبساط (اکسپنشن ولو) موجود در سیستم های برودتی و تهویه مطبوع است.

در دمای اتاق، تمامی گازها به جز هیدروژن، هلیوم و نئون در اثر فرآیند اختناق دچار افت دما شده و سرد می‌شوند.

فرآیند اختناق یا خفگی با نام های دیگری نیز شناخته شده است از جمله :

·         اثر ژول – کلوین

·         اثر کلوین – ژول

·         انبساط ژول – تامسون

در واقع فرآیند خفقان و سرد شدن مبرد در طی آن که به وسیله شیر انبساط صورت می‌گیرد، نقطه عطفی در سیکل تبرید تراکمی است که باعث تشکیل تمامی پمپ‌های حرارتی، یخچال‌ها و سیستم‌های تبرید شده است.

نقش شیر انبساط یا اکسپنشن ولو

شیر انبساط به منظور تحقق دو هدف اصلی در سیکل تبرید تعبیه شده است:

1-     کنترل مقدار مبرد ورودی به داخل اواپراتور

تا حد امکان می‌بایست سطوح تبادل کننده حرارت در اواپراتور (سطح جانبی لوله‌ها) با مایع مبرد موجود در جریان ورودی در تماس باشد، به نحوی که مبردی به شکل مایع، به داخل کمپرسور وارد نشود. اگر ظرفیت انتقال حرارت مورد نیاز در اواپراتور افزایش یابد، اکسپنشن ولو اجازه می‌دهد مقدار بیشتری از ماده سرمازا به داخل اواپراتور راه یابد و عکس این موضوع نیز صادق خواهد بود؛ یعنی زمانی که ظرفیت برودتی اواپراتور کاهش می‌یابد، شیر انبساط مقدار مبرد ورودی را کاهش خواهد داد و این چنین کاهش نرخ جریان جرمی (Mass flow)  ماده مبرد در اواپراتور، باعث تثبیت میزان سوپرهیت در آن شده و از ورود مایع مبرد به درون کمپرسور جلوگیری می‌کند.

2-   حفظ اختلاف فشار بین کندانسور (ناحیه فشار بالا) و اواپراتور (ناحیه فشار پایین)

اختلاف فشار ایجاد شده در سیستم که ناشی از کار کمپرسور است، توسط شیر انبساط یا اکسپنشن ولو در سیکل تبرید حفظ می شود. شیر انبساط بطور مستقیم  بر روی دمای تبخیر (Evaporation temperature)  تاثیر نداشته و آن را کنترل نمی‌کند؛ اما این شیر میزان سوپرهیت موجود در اواپراتور را از طریق کنترل نرخ جریان جرمی ماده مبرد ورودی به اواپراتور، تنظیم می‌کند. این شیر همچنین فشار بین دو ناحیه فشار بالا و فشار پایین را نیز حفظ می کند.

دمای تبخیر به ظرفیت کمپرسور، بازده و مشخصه‌های اواپراتور بستگی دارد. عملکرد یک اکسپنشن ولو در سیکل تبرید در شکل زیر نشان داده شده است. همچنین افت فشار ایجاد شده در ماده مبرد در یک نمودار فشار- آنتالپی را نیز می‌توانید مشاهده کنید.

انواع شیر انبساط یا اکسپنشن ولو (مکانیزم کنترل دبی ماده مبرد)

همانطور که در ابتدای این مقاله نیز اشاره شد، شیر انبساط یکی از مکانیزم‌های کنترل دبی ماده سرمازا یا مبرد می‌باشد. در مجموع کلیه مکانیزم‌های کنترل جریان مبرد که ممکن است در سیستم های تهویه مطبوع و یا دستگاه‌های برودتی نیز بکار روند عبارتند از:

·         شیر انبساط حرارتی  (Thermal Expansion valve)

·         شیر دستی  (Manual valve)

·         لوله موئین  (Capillary tube)

·         شیر اتوماتیک  (Automatic valve)

·         شیر انبساط الکترونیکی  (Electronic Expansion valve)

·         شیر شناور فشار پایین  (Low-pressure float valve)

·         شیر شناور فشار بالا  (Low-pressure float valve)

نحوه عملکرد شیر انبساط مکانیکی (اکسپنشن ولو ترموستاتیکی)

شیر انبساط حرارتی که با نام‌های شیر انبساط مکانیکی یا ترموستاتیکی نیز شناخته می‌شود، رایج‌ترین اکسپنشن ولو بکار رفته در دستگاه‌های برودتی است. اکسپنشن ولوهای مکانیکی، گاهاً با نام مخفف TEVs نیزعنوان می‌گردند که برگرفته از عبارت انگلیسی Thermal Expansion Vales می‌باشد. البته برخی از شرکت‌های معروف سازنده نظیر کمپانی دانفوس شیرهای انبساط حرارتی خود را با نشان TXV معرفی می کنند.

این شیر از اجزای زیر تشکیل شده است:

1.       دیافراگم  (Diaphragm)

2.     محفظه عبور مبرد

3.    بدنه شیر (Valve body)

4.      فنر تنظیم فشار استاتیک سوپرهیت

5.     حباب حسگر  (sensing bulb)

6.     دریچه اتصال متعادل کننده خارجی

در ابتدا انواع فشارهای وارده به دیافراگم شیر انبساط را مورد بررسی قرار دهیم:

·         فشار فنر (به سمت به بالا)

·         فشار اواپراتور (به سمت بالا)

·         فشار حباب حسگر (به سمت پایین)

درواقع این فشارها به طور دائم و با توجه به شرایط کاری سیستم نسبت به یکدیگر در حال تقابل هستند تا میزان مبرد ورودی به داخل اواپراتور تنظیم شود. شایان ذکر است که میزان نیرو (فشار) فنر شیر انبساط مکانیکی توسط شرکت سازنده تنظیم یا کالیبره می‌شود که در واقع تعیین کننده میزان سوپرهیت در خروجی اواپراتور است و در صورتی که از تنظیم به هر دلیلی خارج شود، مشکلاتی را برای سیستم به وجود خواهد آورد و می بایست توسط دستورالعمل کمپانی سازنده و توسط مهندسان یا تکنسین‌های آموزش دیده، مجدداً کالیبره شود.

سخن آخر

در این مقاله سعی شد به نقش پر اهمیت شیر انبساط در سیستم های تهویه مطبوع پرداخته شود؛ هرچند برای پرداختن به این قطعه حساس و مهم بطور کلی میتوان مطالب فراوان نوشت.

در انتها یک فیلم از نحوه عملکرد شیر انبساط را برای شما عزیزان قرار داده ایم تا با تماشای آن بتوانید مطالب بالا را بهتر درک کنید: