Zawory rozprężne odpowiadają za regulowanie przepływu czynnika chłodniczego tak, by instalacja pracowała bezawaryjnie, stabilnie i energooszczędnie. W konstrukcji zaworów rozprężnych – zarówno termostatycznych, jak i elektronicznych – producenci dążą do maksymalizacji tych trzech cech, przy jednoczesnym dostosowywaniu urządzeń do pracy z nowymi czynnikami oferowanymi na rynku.

Zadaniem zaworów rozprężnych, montowanych w instalacji klimatyzacyjnej, chłodniczej lub pomp ciepła bezpośrednio przed parownikiem, jest redukcja ciśnienia od wartości panującej w skraplaczu do wartości panującej w parowniku (czyli rozprężenie czynnika – stąd też nazwa). W ten sposób zawór reguluje przepływ czynnika chłodniczego tak, żeby strumień masy tłoczony przez sprężarkę był taki sam jak strumień masy w parowniku. Dzięki pracy zaworu rozprężnego czynnik chłodniczy trafia do sprężarki jako gaz (zabezpiecza to sprężarkę przed zalaniem nawet przy minimalnym obciążeniu cieplnym parownika).

Zawory rozprężne oferowane są w dwóch rodzajach:

• tradycyjne zawory termostatyczne (samoczynne);
• elektroniczne zawory rozprężne (z zewnętrznym źródłem zasilania).

Rys. 1. Termostatyczny zawór rozprężny [Danfoss]

Zawory rozprężne termostatyczne

Termostatyczne zawory rozprężne to urządzenia mechaniczne nie wymagające zasilania, które regulują przepływ czynnika chłodniczego do parownika, utrzymując określone przegrzanie przy wylocie z parownika. Charakteryzują się działaniem proporcjonalnym – napełnianie parownika czynnikiem chłodniczym jest proporcjonalne do obciążenia cieplnego. Działanie zaworu regulowane jest temperaturą przegrzewu, tj. różnicą temperatury wrzenia czynnika i temperatury gazu na końcu parownika – zawór zaczyna działać w momencie wystąpienia tzw. przegrzewu statycznego (minimalnej temperatury przegrzewu). Czynnik chłodniczy wpływa do komory wysokiego ciśnienia, następnie miedzy dyszą a iglicą przepływa do komory niskiego ciśnienia, gdzie jest rozprężany, osiągając ciśnienie wrzenia.

Za regulację przepływu odpowiadają:

• śruba regulująca naciąg sprężyny;
• ciśnienie w mieszku ciśnieniowym;
• ciśnienie w komorze niskiego ciśnienia.

Natomiast pracę zaworu kontroluje czujnik umieszczony na przewodzie ssawnym za parownikiem – zależnie od temperatury gazu za parownikiem przekazuje sygnał ciśnieniowy do zaworu.

Zawory rozprężne termostatyczne mogą być projektowane jako urządzenia z wewnętrznym lub zewnętrznym wyrównaniem ciśnienia. Rozwiązanie z wewnętrznym wyrównaniem ciśnienia nie uwzględnia strat ciśnienia na parowniku. Jeśli spadek ciśnienia na parowniku przekracza różnicę ciśnienia, która odpowiada zmianie temperatury parowania o 1K, stosuje się rozwiązanie z zewnętrznym wyrównaniem ciśnienia. W takim wypadku zawór ma dodatkowy króciec przyłączeniowy (zza parownika), co umożliwia uwzględnienie strat ciśnienia na parowniku.

Rys. 2. Termostatyczny zawór rozprężny serii TX6 ALCO

Istotne elementy konstrukcji zaworów termostatycznych

Za żywotność i precyzję kontroli zaworu odpowiada m.in. membrana – jej wykonanie materiałowe (np. ze ze stali nierdzewnej) oraz wielkość i kształt. Membrana płaska, o dużej średnicy, zapewnia precyzyjną kontrolę zaworu. Duża membrana odpowiada też za stabilne działanie w szerokim zakresie wydajności, wytwarzając dużą siłę.

Zawory termostatyczne mogą występować jako rozwiązanie zapewniające dużą elastyczność i odporność na błędy projektowe, tj. z wymiennymi dyszami. Zastosowanie takiego rozwiązania umożliwia łatwą modyfikację wydajności bez konieczności wymiany całego zaworu na nowy. Mogą mieć miejsce dwie sytuacje: dobrany zawór jest za duży i nie napełnia parownika zgodnie ze zmianami obciążenia cieplnego (przepływ do parownika jest za wysoki) lub zawór jest zbyt mały i będzie cały czas w pełni otwarty, co skutkować będzie wysoką temperaturą przegrzewu. W obu przypadkach pomaga wymiana dyszy – mniejsza wymusi ograniczenie przepływu, zaś większa zapewni odpowiednio dużą moc.

Zastosowania i rozwiązania konstrukcyjne zaworów termostatycznych

Zawory termostatyczne, ze względu na niskie koszty, prostotę działania i samodzielną pracę (nie wymagają zasilania) wciąż są chętnie wykorzystywane w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych (np. w układach z wieloma parownikami). Duży wybór elementów termostatycznych pozwala wybrać rozwiązanie najbardziej optymalne dla danej instalacji (klimatyzacja, pompy ciepła, chłodzenie nisko- i średniotemperaturowe).

Przykładami rozwiązań poprawiających jakość i funkcjonalność zaworów termostatycznych oraz dostosowujących je zarówno do konkretnych zastosowań, jak i oczekiwań użytkowników co do stabilności pracy są:

• spawana konstrukcja elementu termostatycznego;
• specjalna konstrukcja portu, która zapewnia stabilność regulacji w warunkach trudniejszych, tj. przy małym przepływie czynnika i zmiennym ciśnieniu kondensacji (np. seria zaworów TX6 firmy ALCO) – tzw. balanced port;
• podwójne gniazdo dyszy, poprawiające działanie przy częściowym obciążeniu (np. seria zaworów LIRE fi rmy ALCO);
• zastosowanie śrub z brązu dla zaworów rozprężnych przeznaczonych do prac w niskich temperaturach odparowania (-45 do -120°C), co umożliwia zmniejszenie naprężeń;
• stosowanie wymiennego filtra (wielkość oczka 100) na wejściu, co pozwala na jego wyczyszczenie lub wymianę na nowy (np. zawór SR firmy Parker).

Zawory termostatyczne mają jednak pewne ograniczenia, stąd kolejnym krokiem w ewolucji tych urządzeń stały się zawory elektroniczne.

Elektroniczne zawory rozprężne

(...)

Działanie dwukierunkowe zaworów

(...)

Silniki i sterowniki zaworów elektronicznych

(...)

Większe bezpieczeństwo zaworów

(...)

Trwałość+szczelność+akustyka=wyższa jakość

Pracując nad jakością zaworów rozprężnych, producenci dążą do poprawienia ich trwałości, szczelności oraz redukcji hałasu. Parametry decydujące o tych cechach użytkowych poprawiane są dzięki stosowaniu odpowiednich rozwiązań materiałowych i konstrukcyjnych.

Stosowanie zaworów rozprężnych

Zawory rozprężne znajdują bardzo szerokie zastosowanie w instalacjach klimatyzacyjnych i chłodniczych, np.:

• kontrola przegrzania par na ssaniu (przy regulacji wydajności przez by-pass);
• kontrola przegrzania par na tłoczeniu (z czujnikiem zamocowanym na wylocie ze sprężarki);
• kontrola temperatury oleju powracającego do karteru sprężarki;
• upustowa regulacja wydajności;
• regulacja ciśnienia skraplania;
• chłodzenie międzystopniowe w sprężarkach dwustopniowych;
• funkcja „HiTcond” (patent firmy Carel) – kompensowanie chwilowych wzrostów ciśnienia/temperatury skraplania poprzez ograniczenie wydajności sprężarki za pomocą elektronicznego zaworu rozprężnego.

Jak podaje większość producentów, typowe zawory przystosowane są do pracy ze wszystkimi „powszechnie znanymi” czynnikami chłodniczymi syntetycznymi i do systemów podkrytycznych na dwutlenek węgla. Do pracy w systemie nadkrytycznym wysokiego ciśnienia stosuje się specjalnie przygotowane zawory, które odpowiadają za utrzymanie optymalnego ciśnienia w chłodnicy gazu i w zbiorniku bezpośrednim. Regulują dławienie gazu wypływającego z chłodnicy i przepływającego do zbiornika bezpośredniego (czy też parownika) lub regulują obejście gazu ze zbiornika do przewodu ssawnego sprężarki.

Stosowanie nowych czynników chłodniczych przynosi też nowe zastosowania (funkcjonalności) zaworów rozprężnych. Przykładowo, w agregatach ZXME Emerson Climate Technologies układ wtrysku czynnika, w którym zawór odgrywa niebagatelną rolę, odpowiada za chłodzenie (spadek przegrzewu) czynnika przed sprężarką. Kiedy temperatura tłoczenia rośnie ponad określony poziom, zawór rozprężny wtryskuje czynnik do rurociągu ssawnego sprężarki. Rozwiązanie to poprawia trwałość agregatu (sprężarki) w przypadku stosowania np. czynnika R407F, którego temperatura tłoczenia (przy porównywalnym odparowaniu i skraplaniu) jest o kilkanaście stopni wyższa w porównaniu do R404A.

Podsumowanie

Zawory rozprężne będą w coraz większym stopniu wpisywać się w pełną automatykę i inteligentne sterowanie instalacji chłodniczych, klimatyzacyjnych i pomp ciepła. Można oczekiwać, że kolejne rozwiązania zaworów rozprężnych nie będą przynosiły szczególnych rewolucji, lecz będą pozwalać na dalsze “śrubowanie” parametrów i własności użytkowych przez coraz lepsze wykorzystanie możliwości konstrukcyjnomateriałowych bez znacznego windowania kosztów inwestycyjnych.

Joanna RYŃSKA
dziennikarka branżowa