Termostatyczne zawory rozprężne

Seminarium z
Automatyki Chłodniczej i Klimatyzacyjnej/
TEMAT: Zalety i wady termostatycznych zaworów rozpręŜnych na
przykładzie rodziny regulatorów firm Honeywell i
Danfoss w zastosowaniu do zasilania wentylatorowych
chłodnic powietrza.
Prowadzący:
Dr inŜ. Z. Bonca
Wykonał:
Tomasz Czonstke
Termostatyczne zawory rozpręŜne znajdują szerokie zastosowanie w komercyjnym
chłodnictwie i klimatyzacji. Ich głównym zadaniem jest optymalne napełnienie parowników
czynnikiem chłodniczym. Są elementem automatyki o działaniu proporcjonalnym, co w
praktyce oznacza, Ŝe w sposób proporcjonalny do obciąŜenia cieplnego dostosowują
napełnienie parownika czynnikiem chłodniczym.
W przeciwieństwie do automatycznych zaworów rozpręŜnych, urządzenia te z
powodzeniem mogą być stosowane w instalacjach z jednym parownikiem jak i z wieloma
parownikami podłączonymi do jednego przewodu ssawnego. Jeśli temperatura skraplania we
wszystkich parownikach jest taka sama to w instalacji nie trzeba stosować dodatkowych
elementów automatyki. Jeśli natomiast termostatyczne zawory rozpręŜne będą zastosowane
przy parownikach o róŜnych temperaturach wrzenia, naleŜy dodatkowo zastosować zawory
dławiące wyrównujące ciśnienie w przewodzie ssawnym.
Termostatyczny zawór rozpręŜny naleŜy traktować, jako regulator bezpośredniego
działania (regulator o działaniu proporcjonalnym typu P), o prawie prostoliniowym przebiegu
charakterystyki statycznej. Chwilowe obciąŜenie cieplne parownika jest uzaleŜnione od
zadanego przez uŜytkownika przegrzania pary ∆tp w króćcu wypływowym parownika.
Sygnał, informujący o wartości stopnia przegrzania pary jest odbierany za pomocą czujnika
wypełnionego parą mokrą (czujnik ten jest umocowany na przewodzie wypływowym za
parownikiem) i przekazywany rurką kapilarną nad membranę zaworu TZR. Oczekiwaną
wartość przegrzania pary ∆tp ustala uŜytkownik za pomocą spręŜyny dociskającej iglicę do
dyszy zaworu
Schemat termostatycznego zaworu rozpręŜnego z wewnętrznym wyrównaniem ciśnienia
został pokazany na rysunku 1. Czynnik chłodniczy wpływa ze skraplacza do komory
wysokiego ciśnienia 10. Następnie przepływając pomiędzy dyszą 4, a iglicą 5 wpływa do
komory niskiego ciśnienia 9, redukując ciśnienie z ciśnienia skraplania do ciśnienia wrzenia.
Następnie czynnik przepływa do parownika. Elementami regulującymi przepływ czynnika
chłodniczego przez zawór są tutaj: 7 – śruba regulująca naciąg spręŜyny 6, ciśnienie w
mieszku ciśnieniowym 2, oraz ciśnienie w komorze niskiego ciśnienia 9, które traktowane jest
w tym przypadku jako ciśnienie w całym parowniku.
Rys 1. Schemat termostatycznego zaworu rozpręŜnego z wewnętrznym wyrównaniem
ciśnienia.
JeŜeli spadek ciśnienia przepływającego czynnika chłodniczego przez parownik
przekracza róŜnicę ciśnienia odpowiadającemu zmianie temperatury parowania o 1K to
stosuje się termostatyczne zawory rozpręŜne z zewnętrzym wyrównaniem ciśnienia. Dla
R134a będzie to około 8 kPa, a dla R407A 12 kPa. Schemat takiego zaworu pokazany jest na
rysunku 2.
Rys 2. Schemat termostatycznego zaworu rozpręŜnego z zewnętrznym wyrównaniem
ciśnienia.
Na iglice w termostatycznym zawórze rozpręŜnym działają trzy siły: Fp, Fe i Fs. To
od wartości tych sił zaleŜy czy zawór będzie otwarty czy zamknięty. Siła Fs wywołana
przez napięcie spręŜyny nastawczej i siła Fe pochodząca od ciśnienia panującego w
parowniku oddziałują w taki sposób by zamknąć dysze i zmniejszyć przepływ, natomiast
siła Fp- siła z jaką czynnik oddziałowuje na górną część zaworu obniŜa iglice i otwiera
dyszę. JeŜeli siły Fe i Fs będą większe od Fp to zawór się zamknie, w przeciwnym
przypadku zawór będzie otwarty. Na rysunku 3 widać zasadę działania termostatycznego
zaworu rozpręŜnego.
Rys 3. Zasada działania termostatycznego zaworu rozpręŜnego.
Rolą zaworu rozpręŜnego jest utrzymywanie stałego napełnienia czynnikiem chłodniczym
parownika. Regulacja napełnienia wygląda następująco. Czujnik zaworu jest umieszczony
bezpośrednio za parownikiem na przewodzie ssawnym. Jego zadaniem jest przekazywanie
sygnału ciśnieniowego do zaworu na podstawie temperatury gazu znajdującego się za
parownikiem. Schemat podłączenia pokazany jest poniŜej na rysunku 4.
Rys 4. Schemat podłączenia termostatycznego zaworu rozpręŜnego.
Czynnik w parowniku wrze w stałej temperaturze. W miarę przepływania czynnika
wzdłuŜ parownika, ilość czynnika w fazie gazowej wzrasta, a czynnika w fazie ciekłej maleje.
W pewnym momencie cały czynnik ulega odparowaniu. Od tego miejsca jego temperatura
wzrasta. RóŜnica temperatury wrzenia i temperatury gazu na końcu parownika jest nazywana
przegrzewem lub temperaturą przegrzewu. Termostatyczny zawór rozpręŜny reaguje na
temperaturę przegrzewu. Prawidłowo skonstruowany termostatyczny zawór rozpręŜny jest
zamknięty jeśli w instalacji nie występuje minimalna temperatura przegrzewu – tak zwany
przegrzew statyczny TSS. Dopiero po osiągnięciu przegrzewu statycznego, zawór zaczyna się
otwierać i umoŜliwia przepływ czynnika chłodniczego do parownika. To, na jaką wysokość
otworzy się zawór zaleŜy od przegrzewu otwarcia TSO. W ten sposób termostatyczny zawór
rozpręŜny chroni spręŜarkę przed zalaniem w momencie, gdy obciąŜenie cieplne parownika
jest minimalne.
Gdy temperatura czynnika chłodniczego na końcu parownika wzrasta, wzrasta takŜe
ciśnienie w czujniku termostatycznego zaworu rozpręŜnego. Sygnał ciśnieniowy jest
przekazywany rurką kapilarną bezpośrednio do mieszka termostatycznego zaworu
rozpręŜnego, a trzpień zaworu przesuwa się w dół umoŜliwiając przepływ czynnika o
większym strumieniu. Do parownika zaczyna dopływać więcej czynnika chłodniczego.
Powoduje to, Ŝe całkowite odparowanie czynnika chłodniczego zachodzi w dalszej części
parownika, a to z kolei sprawia, Ŝe temperatura przegrzewu zmniejsza się – obniŜając tym
samym ciśnienie w czujniku.
Wśród termostatycznych zaworów rozpręŜnych dość duŜym powodzeniem cieszą się te z
wymienialną dyszą. UmoŜliwiają one zmianę mocy zaworu bez potrzeby wymiany całego
zaworu na nowy, w przypadku gdy zawór został błędnie dobrany do instalacji. Np. gdy
napełnienie parownika „nie podąŜa” za zmianami obciąŜenia, moŜe to oznaczać, Ŝe dobrany
zawór jest zbyt duŜej mocy. Moc nominalna zaworu będzie w dolnej części charakterystyki
statycznej.
NaleŜy w tym wypadku wymienić zawór na inny o mniejszej mocy, lub w przypadku
zaworów z wymienialną dyszą, wymienić dyszę, na taką, która wymusi mniejszy przepływ
czynnika chłodniczego do parownika. Podobnie będzie w przypadku, gdy temperatura
przegrzewu będzie się utrzymywać cały czas na za wysokim poziomie. Oznacza to, Ŝe
dobrany zawór jest zbyt małej mocy i zawór cały czas pracuje przy pełnym otwarciu. NaleŜy
go wymienić na większy, czyli na dyszę o większej mocy.
Aby dokonać prawidłowego doboru termostatycznego zaworu rozpręŜnego do
instalacji naleŜy:
● określić dla jakiego czynnika chłodniczego dobierany jest zawór;
● określić moc cieplną parownika;
● określić temperaturę i ciśnienie wrzenia w parowniku;
● określić spadek ciśnienia jaki będzie zachodził w parowniku (jest to niezbędne aby określić
czy zawór rozpręŜny będzie z wewnętrznym czy zewnętrznym wyrównaniem ciśnienia);
● określić ciśnienie i temperaturę w skraplaczu;
● określić jaki będzie spadek ciśnienia i temperatury pomiędzy skraplaczem a zaworem
rozpręŜnym;
● znać sposób połączenia zaworu z instalacją, oraz średnice przewodów;
● uzyskać informację czy instalacja wymaga bypassów;
● uzyskać informację czy spręŜarka wymaga ograniczania ciśnienia po stronie ssawnej.
Zalety
• Bardzo dokładna kontrola wydajności przepływającego czynnika chłodniczego w
zaleŜności od zapotrzebowania chłodu.
• Zabezpiecza parownik przed „wysuszeniem” przy wysokich obciąŜeniach
chłodniczych.
• Zabezpiecza spręŜarkę przed „zalaniem: poprzez utrzymywanie stałego przegrzania
niezaleŜnie od obciąŜenia.
Wady
• nie zabezpieczają optymalnych warunków zasilania parownika,
• mała przydatność w zastosowaniu do systemów automatycznego sterowania i
monitoringu instalacji,
• konieczne dokładne wykonanie czujnika, dobra izolacja i przyleganie do przewodu,
• jeŜeli wymagana jest bardzo mała róŜnica pomiędzy czynnikiem chłodzonym a
parownikiem zawór nie moŜe być zastosowany,
• brak oszczędności energii w przypadku zmian obiąŜenia cieplnego,
• niewykorzystana część parownika w której pary są przegrzane.
Niedoskonałości
• zakres zastosowań termostatycznych zaworów rozpręŜnych w znacznym stopniu
zaleŜy od wybranego wypełnienia,
• konwencjonalne termostatyczne zawory rozpręŜne wymagają sezonowej regulacji
przegrzania statycznego,
•
•
•
•
termostatyczny zawór rozpręŜny posiada dostatecznie wąski zakres regulacji
wydajności chłodniczej, co niejednokrotnie komplikuje konstrukcję systemu i
zwiększa ilość zaworów w instalacji, a tym samym podnosi koszt inwestycyjny,
termostatyczny zawór rozpręŜny ma za zadanie utrzymywać stałą wartość prze grzania
i nie ma moŜliwości automatycznej adaptacji przegrzania, dlatego ograniczona jest
jego zdolność do regulacji wydajności parownika,
zanieczyszczenie filtrów w linii cieczy i straty ciśnienia w rurociągach mogą wpłynąć
na przedostawanie się gazu do termostatycznego zaworu rozpręŜnego i w rezultacie
znaczne obniŜenie wydajności zaworu,
całkowita migracja wypełnienia czujnika zaworu do przestrzeni nadmembranowej
spowoduje utratę kontroli nad zaworem.
Bibliografia:
•
•
•
•
•
•
H. Ullrich, Technika Chłodnicza. Poradnik Tom I, Wydawnictwo I.P.P.U. MASTA
Sp. z o.o. 1999 .
K. Kalinowski, Amoniakalne urządzenia chłodnicze. Tom 2, IPPU MASTA sp. z o.o.
2005.
http://www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl
http://www.klimatyzacja.pl
http://fulereny.blink.pl/mum/TZR.pdf
http://fulereny.blink.pl/mum/TZR2.pdf