Erweiterungsgerät

Images of expansion valves

Einführung

Die Expansionsvorrichtung dient dazu, den Druck des flüssigen und vom Verflüssigungssatz im Kältekreislauf erzeugten Kältemittels schnell zu reduzieren. Dadurch kann das Kältemittel schnell abkühlen, bevor es in den Verdampfer gelangt.

Thermostatisches Expansionsventil

Das thermostatische Expansionsventil (TEV) regelt die Menge des flüssigen Kältemittels, das in den Verdampfer einer Anlage eingespritzt wird. Sein Betrieb basiert auf der Verdampfer-Austrittstemperatur und dem Druck (Überhitzungswärme).

TEV mit internem Druckausgleich

Das TEV versucht unter allen Bedingungen ein stabiles Überhitzungsniveau im Verdampfer aufrechtzuerhalten, indem es den Kältemittelmassenstrom in Abhängigkeit von der Verdampferlast anpasst. Dies wird durch eine Membran im Inneren des Ventilgehäuses erreicht, die die Temperatur vor und nach dem Verdampfer vergleicht. Das thermostatische Expansionsventil ist über eine Kapillare mit einem thermostatischen Element verbunden, das als Temperaturfühler dient. Die Druckdifferenz zwischen dem Druck am Eingang des Verdampfers und dem Druck im Inneren des thermostatischen Elements wird durch eine Membran im Inneren des Ventilkopfes ausgeglichen. Bei dieser Art von TEV-Ventil werden die Druckverluste im Verdampfer nicht berücksichtigt, und der Druck, der die Membrane ausgleicht, ist der Druck hinter der Ventildüse (am Eingang des Verdampfers). Die Folge dieser Lösung ist eine geringere Genauigkeit bei der Messung der Überhitzung.

TEV mit externem Druckausgleich

Dieser Ventiltyp enthält neben den Ein- und Auslassöffnungen für das Kältemittel eine zusätzliche Öffnung, an die eine Ausgleichsleitung (zusätzliches Kapillarrohr) angeschlossen ist. Sie ist am Ausgang des Verdampfers, direkt neben dem Thermostatelement, installiert. Dadurch wird der Überhitzungswert nicht nur durch die gemessene Temperatur, sondern auch durch den Druck beeinflusst, was die Genauigkeit der Regelung erhöht. Die Komponenten eines TEV und eines Kolben sind in der Zeichnung dargestellt. Der Kolben, der den entsprechenden Druck des überhitzten Gases überträgt, besteht aus einem hohlen Metallbehälter, der mit einer kühlenden Flüssigkeit gefüllt ist. Ein Kapillarrohr verbindet den Kolben mit dem Ventilgehäuse. Der Kolben wird in direktem Kontakt mit der Saugleitung in der Nähe des Verdichtereinlasses angebracht.

Wenn die Überhitzung zunimmt, steigt der Druck im Kolben, weil mehr Kältemittel im Kolben verdampft. Der erhöhte Druck wird durch das Kapillarrohr übertragen und drückt die Membran im Kopf des TEV zusammen.

Dadurch bewegt sich die Nadel, öffnet die Ventilöffnung und erhöht so den Kältemittelmassenstrom. Das Gleichgewicht über der Membran wird mit einer Feder eingestellt, die manuell oder werkseitig justiert werden kann. Je steifer die Feder, desto höher ist die zum Öffnen des Ventils erforderliche Überhitzungswärme.

Elektronisches Expansionsventil (EEV)

Elektronische Expansionsventile werden meist in sehr großen Anlagen und Anlagen mit hohen Anforderungen an die Regelgenauigkeit eingesetzt. Wir unterscheiden zwischen modulierenden elektronischen Expansionsventilen (Stepper) mit einer sich kontinuierlich einstellenden Düse und elektronisch gesteuerten ON/OFF-Ventilen (Impuls) mit einem Magnetventil, das periodisch geöffnet und geschlossen wird.

Modulierende elektronische Expansionsventile

Modulierende elektronische Expansionsventile werden durch Temperatur- oder Drucksensoren gesteuert. Transkritische Verflüssigungssätze iCOOLTM CO2 sind mit dieser Art von Expansionsventilen ausgestattet. Der Regler kann so programmiert werden, dass er Temperatur- und Druckunterschiede an jeder Stelle des Systems korrigiert. Da der elektrische Stellantrieb nur auf die Signale des Reglers reagiert, besteht eine größere Chance, eine geringere Überhitzung zu erreichen als mit einem thermischen Expansionsventil. Druckunterschiede zwischen dem Ventil und dem Sensor, die durch Kältemittelverteilungssysteme verursacht werden, werden ebenfalls korrigiert. Außerdem kann dasselbe Ventil nach einer Umprogrammierung für verschiedene Kältemittel verwendet werden. Der elektrische Stellantrieb steuert die Klappe, um den Öffnungsbereich kontinuierlich anzupassen, damit je nach den Signalen des Reglers ein höherer oder niedrigerer Massenstrom an Kältemittel durchgelassen wird.

Dieser Ventiltyp kann große Schwankungen der Betriebsbedingungen bewältigen, z. B. Änderungen der Druckdifferenz und der Kühlleistung. Der größte Nachteil der elektronischen Ventile sind die relativ hohen Kosten und die Komplexität der Bauteile. Die Programmierung der Reglerbox ist nicht trivial, und die Systemleistung mit einem schlecht eingestellten elektronischen Expansionsventil kann geringer sein als mit einem thermischen Expansionsventil.

Elektronisch gesteuerte ON/OFF-Expansionsventile

Das elektronische ON/OFF-Ventil ist ein elektronisch gesteuertes Magnetventil, das sowohl als Expansionsventil als auch als Magnetventil funktioniert. Bei der Funktion als Expansionsventil wird eine ON/OFF-Steuerung verwendet. Während einer Zyklusperiode, in der Regel 6 Sekunden, wird das Ventil einmal geöffnet und geschlossen.

Die Leistung des Expansionsventils, also die Menge des durchfließenden Kältemittels, wird durch das Verhältnis der Öffnungs- und Schließzeiten bestimmt. Ein Regler steuert das Öffnen und Schließen des Ventils, um den richtigen Grad der Überhitzungswärme zu erreichen. Die Eingänge des Reglers sind die Temperatur und der Druck am Ausgang des Verdampfers. Die Eingänge könnten auch die Eingangs- und Ausgangstemperaturen des Verdampfers sein, wie bei einem elektronischen Ventil mit kontinuierlicher Regelung.

Bei hohem Kältemittelbedarf (hohe Kühlleistung) bleibt das Ventil fast die gesamten 6 Sekunden geöffnet. Bei sehr geringem Bedarf (geringe Kühlleistung) öffnet das Ventil nur für einen Bruchteil der 6 Sekunden. Wenn der Verdichter abgeschaltet wird, schließt sich das Ventil und funktioniert wie ein Magnetventil.

Das elektronische ON/OFF-Ventil kann auch bei großen Schwankungen der Betriebsbedingungen, wie z. B. Änderungen der Druckdifferenz oder der Kühlleistung, zufriedenstellend arbeiten. Die Ventilleistung wird einfach durch Änderung des Verhältnisses zwischen Öffnungs- und Schließzeit eingestellt. Auf diese Weise lässt sich die minimale stabile Überhitzung für einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen ermitteln.

Kapillarrohr

Ein Kapillarrohr ist ein langes, gewundenes Kupferrohr mit einer winzigen Öffnung, das heißes, unter hohem Druck stehendes flüssiges Kältemittel aus dem Kondensator aufnimmt.

Durch diese kleine Öffnung wird auf einer Seite des Rohrs ein hoher Druck und auf der gegenüberliegenden Seite ein niedriger Druck aufrechterhalten. Durch die Reibung an den Rohrwänden wird der Druck des durchfließenden Kältemittels erheblich reduziert.

Da es sich um eine feste Öffnung handelt, ist es sehr wichtig, dass das System die richtige Füllung an Kältemittel hat. Andernfalls könnte das Gerät zerbrechen, wenn aufgrund von zusätzlichem Kältemittel im System ein zu hoher Druck herrscht.

Vorteile

  • Niedrige Herstellungskosten
  • Keine beweglichen Teile
  • Wartungsfrei
  • Da der Schlauch während der Stillstandszeit des Geräts immer offen ist, können sich die Drücke zwischen Hoch- und Niederdruckseite ausgleichen. Dadurch verringert sich das erforderliche Anlaufmoment des Motors, da er mit dem gleichen Druck auf der Nieder- und Hochdruckseite anlaufen muss
  • Er ist ideal für den Einsatz in Anlagen mit hermetischen Verdichtern

Nachteile

  • Während des Stoppzyklus eines Kälteaggregats wird das flüssige Kältemittel aufgrund des Druckunterschieds zwischen Verdampfer und Verflüssiger zum Verdampfer geleitet. Der Verdampfer könnte überfluten, und das flüssige Kältemittel könnte zum Verdichter gelangen und diesen beim Start beschädigen. Daher ist die Kältemittelfüllung in Kapillarrohrsystemen sehr wichtig
  • Diese Systeme können die Kältemittelmenge nicht steuern oder regeln, die in den Verdampfer gelangt, wenn es im Laufe des Tages zu Temperaturschwankungen kommt oder diese durch saisonale Schwankungen oder Lastschwankungen verursacht werden
  • Aufgrund seiner kleinen Öffnung ist es sehr anfällig für Verstopfungen

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