Zawór rozprężny jest jednym z elementów sterujących parametrami obiegu chłodniczego. Od niego zależy w dużej mierze stabilność parametrów eksploatacyjnych parownika. Wykorzystuje się go do regulacji zasilania parowników czynnikiem roboczym.

Termostatyczny zawór rozprężny

Jednym z najczęściej spotykanych rozwiązań jest termostatyczny zawór rozprężny, którego konstrukcję przedstawiono na rysunku 1. Zawór ten instalowany jest między skraplaczem a parownikiem urządzenia chłodniczego. Ciekły czynnik dopływa ze skraplacza do dyszy, która oddziela stronę wysokiego ciśnienia od strony niskiego ciśnienia. Wzrost temperatury w czujniku, który umieszczony jest za parownikiem powoduje wzrost ciśnienia. Zwiększone ciśnienie w czujniku napiera na membranę, w efekcie następuje przesunięcie grzybka, oraz dopuszczenie czynnika chłodniczego do objętości parownika. Wyrównanie zewnętrzne odzwierciedla rzeczywisty przyrost temperatury przegrzania w parowniku. Termostatyczne zawory rozprężne opierają się na zasadzie regulacji proporcjonalnej tzn. przepuszczają one tylko taką ilość cieczy jaka zapewnia utrzymanie wartości przegrzania w wąskim zakresie, bez względu na wahania obciążenia cieplnego. Regulują one tylko temperaturę przegrzania w parowniku – nie regulują temperatury parownika [1].

Rys. 1. Termostatyczny zawór rozprężny [2]

Regulacja za pomocą termostatycznego zaworu rozprężnego zdaje egzamin przy współpracy z wieloma parownikami podłączonymi do wspólnego przewodu ssawnego. Dla termostatycznych zaworów rozprężnych temperatura przegrzania powinna wahać się w zakresie 6÷8 K. Podczas eksploatacji tych zaworów, gdy obserwuje się wysoką wartość temperatury przegrzania, oznacza to, że ilość czynnika odparowująca w parowniku jest zbyt mała. Przyczyny to np. oblodzenie w przekroju dyszy (uszkodzenie odwadniacza), zanieczyszczenia lub odparowanie w rurociągu doprowadzającym ciecz (za małe dochłodzenie cieczy w skraplaczu). Zbyt niska wartość przegrzania oznacza z reguły, że:

• jest zbyt duża ilość czynnika w parowniku,
• czujnik jest nie prawidło zamocowany,
• układ jest przepełniony,
• źle są dobrane parowniki do obciążenia cieplnego,
• kierunek przepływającego powietrza odpowiada kierunkowi przepływu czynnika roboczego.

Gdy zawór rozprężny jest oszroniony to przyczyną może być zapchany filtr w obiegu chłodniczym, zły montaż lub ubytek czynnika z czujnika pomiarowego [2].

Rys. 2. System sterowania jednostopniowym obiegiem chłodniczym

Elektroniczne zawory rozprężne

Na rysunku 2. przedstawiono przykładowo schemat obiegu chłodniczego, na którym zaznaczono sygnały pomiarowe oraz sygnały sterujące. Bezpośrednie sterowanie parametrami tego obiegu chłodniczego może odbywać się poprzez zmianę prędkości obrotowej silnika sprężarki chłodniczej i poprzez zmianę stopnia otwarcia zaworu rozprężnego. Pośrednio można jeszcze wpływać na parametry tego obiegu, sterując masowym natężeniem czynników, które dostarczają ciepło do parownika i odbierają ciepło ze skraplacza. By prawidłowo sterować obiegiem chłodniczym w szczególności parametrami parownika wymagane są co najmniej dwa parametry mierzone: ciśnienie odparowania i temperatura pary przegrzanej na ssaniu sprężarki. Za pomocą tych dwóch parametrów można ustalić odpowiedni przyrost temperatury przegrzania, tak by można było np. zapobiec uszkodzeniu płytek zaworowych sprężarki. Sygnały ciśnienia i temperatury przekazywane są do sterownika (rys. 3.), który po przetworzeniu tego sygnału wg algorytmu sterującego odpowiednio nastawia zawór rozprężny. Czujniki pomiarowe temperatury i ciśnienia umieszczane powinny być bezpośrednio na wylocie z parownika.

Rys. 3. Sterowanie układem chłodniczym: 1 – zawór rozprężny; 2 – silnik krokowy; 3 – czujniki temperatury i ciśnienia; 4 – parownik; 5 – sterownik

Ten typ regulacji parametrów parownika umożliwia zawór EZR do regulacji ciągłej PID (np. zawory Danfoss PHTQ, Danfoss TEAQ i CAREL E2V), które posiadają precyzyjną regulację nastawy stopnia otwarcia zaworu. Zawór rozprężny jako element zasilający parownik, który docelowo ma współpracować z regulatorem PID w instalacji chłodniczej, powinien być dobrany tak by:

• zakres pracy zaworu umożliwiał stabilną pracę parownika;
• posiadał możliwość precyzyjnego nastawiania przekroju roboczego, pozwalający na bardzo dokładną zmianę masowego natężenia przepływu przez zawór przy eksploatacyjnych różnicach ciśnienia przed i za zaworem;
• posiadał małą histerezę oraz bardzo małe opóźnienie w reakcji na sygnał sterujący pochodzący z regulatora;
• pozwalał na uzyskanie małego uchybu statycznego i dynamicznego w czasie regulacji automatycznej parametrów parownika.

Dla obiegów chłodniczych, w których przewiduje się regulację ciągłą parametrów parownika należy dobierać zawory o niewielkich gabarytach i do tego błyskawicznie reagujących na sygnał sterujący. Te parametry spełniają z reguły najmniejsze z typoszeregu dostępne na rynku elektroniczne zawory rozprężne, w których wartość przekroju roboczego nastawiana jest za pomocą silniczków krokowych.

W celu określenia własności zaworu regulacyjnego należy sporządzić jego charakterystyki:

• charakterystykę wewnętrzną zaworu k_v = f(h), gdzie h = L_x/ L_max jest stopniem otwarcia zaworu, który definiowany jest jako stosunek bieżącego przesunięcia liniowego L_x do jego maksymalnego możliwego skoku L_max (jego wartość zmienia się w zakresie od 0 do 1) oraz w przypadku przepływu cieczy parametr k_v = Q√ρ/Δp, gdzie Q [Nm³/h] jest objętościowym natężeniem przepływu cieczy, ρ [kg/m³] jest gęstością cieczy a Δp [103 N/m²] to maksymalny spadek ciśnienia na zaworze;
• charakterystykę otwarcia S = f(h), gdzie S to pole powierzchni przepływu;
• charakterystykę przepływową (roboczą) Q = f(h), gdzie Q to objętościowe natężenie przepływu cieczy, przy określonym ciśnieniu na wlocie do zaworu.

Przykładowy zawór rozprężny można opisać jedną charakterystyką otwarcia, jedną charakterystyką wewnętrzną oraz rodziną charakterystyk przepływowych (dla różnych ciśnień na wlocie do zaworu). Charakterystyki te określają parametry zaworów oraz możliwości ich zastosowania w układach chłodniczych.

W układach regulacji pracy parownika na dobór zaworu rozprężnego, który ma pracować w sposób ciągły, ma wpływ kształt charakterystyki wewnętrznej i charakterystyki przepływowej. Generalnie powinno dążyć się do uzyskania małych zmian współczynnika wzmocnienia zaworu. W związku z tym zawory o liniowej charakterystyce wewnętrznej oraz liniowej lub wypukłej ku dołowi charakterystyce przepływowej stosuje się w przypadku dużych lub stałych spadków ciśnienia na zaworze. W przypadku zmiennych spadków ciśnienia na zaworze dobierać należy zawory o stało procentowej charakterystyce wewnętrznej.

(...)

Parametry parownika z EZR o sterowaniu ciągłym

(...)

Podsumowanie

Zawory rozprężne pozwalają osiągać niską temperaturę procesu odparowania. W zależności od przeznaczenia i jakości prowadzonego procesu technologicznego stosuje się zawory rozprężne typu TZR – gdy nie jest wymagana duża dokładność regulacji lub EZR – gdy wymaga się dużej dokładności podczas sterowania procesami zachodzącymi w parowniku. Praca zaworu rozprężnego ma wpływ nie tylko na ustalanie się parametrów w parowniku. Ma również wpływ na pracę skraplacza.

Termostatyczne zawory rozprężne TZR pozwalają tylko osiągnąć założoną temperaturę przegrzania na ssaniu sprężarki. Temperatura panująca w parowniku zależna jest w tym wypadku od powierzchni wymiany ciepła. Elektroniczne zawory rozprężne sterowane ciągłym algorytmem nie posiadają takich ograniczeń – ich dokładność regulacji wacha się w zakresie ΔT = 2÷4 K. Praca takich zaworów może być uzależniona od kilku parametrów zadawanych na sterownik jako sygnały wejściowe, co w ich przypadku jest największą zaletą.

LITERATURA:

[1] S. A. ANDERSEN: Automatyczne urządzenia chłodnicze. Wydawnictwo przemysłu lekkiego i spożywczego. Warszawa. 1964.
[2] www.danfoss.com
[3] KICZKOWIAK T., OCIEPA Z., TARNOWSKI W., WACHOWICZ E., WACHOWICZ. M.: Laboratorium z podstaw automatyki. WUPK. Koszalin 1999.
[4] Robert MATYSKO: Wybrane zagadnienia modelowania, sterowania i optymalizacji obiegów cieplnych działających w oparciu o układy ORC. Zeszyty Naukowe Instytutu Maszyn Przepływowych Polskiej Akademii Nauk w Gdańsku. 2013. nr 557/1516.

Robert MATYSKO
Instytut Maszyn Przepływowych
Polska Akademia Nauk

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 06/2014