Терморегулирующие вентили

Глава 14 "Терморегулирующие вентили" из книги "Руководство по техническому обслуживанию холодильных установок и установок для кондиционирования воздуха". Автор Антонио Бриганти.

1. Автоматические барорегулирующие вентили
2. Терморегулирующие вентили (ТРВ)
3. Перегрев газа на выходе
4. Производительность
5. Функционирование при изменении нагрузки
6. Производительность распределителя
7. Калибровка перегрева
8. Техническое обслуживание и монтаж

В установках для кондиционирования воздуха и холодильных установках широко используются два типа терморегулирующих вентилей:

1. автоматический клапан расширения;
2. терморегулирующий вентиль (ТРВ).

Как автоматические клапаны расширения, так и терморегулирующие вентили являются инструментами пропорциональной регулировки и обеспечивают регулировку потока холодильного агента на входе в испаритель.

Автоматические барорегрирующие вентили

Автоматические барорегулирующие вентили являются предшественниками терморегулирующих вентилей. Они регулируют поток холодильного агента на входе в испаритель, обеспечивая постоянное давление в самом испарителе. Они могут использоваться только в установках, имеющих постоянный режим загрузки.

Калибровка клапана может регулироваться в некотором диапазоне значений, зависящем от условий функционирования.

В контуре должен иметься термостат испарителя, останавливающий работу компрессора при достижении требуемой температуры испарения (не путать с температурой в помещении). Точнее, он должен быть отрегулирован таким образом, чтобы температура срабатывания была примерно на 5°С выше температуры испарения. При остановке компрессора в нем поднимается давление, и автоматический клапан расширения закрывается. На рисунке 14.1 показана принципиальная схема холодильного контура, в котором установлен автоматический клапан расширения.

Рисунок 14.1. Пример установки автоматического клапана расширения в холодильной группе для небольшой холодильной камеры.

Терморегулирующие вентили (ТРВ)

Терморегулирующие вентили регулируют поток холодильного агента на входе в испаритель в зависимости от определенного значения перегрева газообразного холодильного агента на выходе. В испаритель поступает необходимое количество холодильного агента для его испарения в зависимости от тепловой нагрузки, чтобы обеспечить полное использование площади поверхности теплообмена. ТРВ могут использоваться на линиях с одним или несколькими испарителями.

На рисунке 14.2 показана принципиальная схема холодильного контура, в котором установлен ТРВ.

Рисунок 14.2. Пример установки ТРВ в холодильном контуре для автономного кондиционера с водоохлаждаемым конденсатором

В зависимости от показателя давления используются две основные модификации:

• Внутреннее выравнивание давления
• Внешнее выравнивание давлений в ТРВ

Внутреннее выравнивание давления

На рисунке 14.3 показана схема функционирования и векторы давления, действующие на ТРВ с внутренним выравниванием давления. На мембрану клапана с одной стороны действует давление, передаваемое с датчика (р_у), а с противоположной — сумма давлений испарителя (р₀) и прижимной пружины (р₃). При выравнивании этих трех векторов давления клапан остается постоянно открытым, и, соответственно, постоянным остается поток проходящего через него холодильного агента. В этих условиях количество холодильного агента, поступающего в испаритель, точно соответствует необходимому для восприятия тепловой нагрузки. Если же нагрузка понижается, происходят два процесса: холодильного агента становится избыточно много, а его давление повышается; понижается температура газа на выходе и пропорционально этому понижается давление в датчике. Вследствие этих процессов сумма давлений испарителя и пружины превышает давление, оказываемое на датчик клапана, что приводит к закрыванию клапана с уменьшением зазора для прохождения холодильного агента. Наоборот, если тепловая нагрузка в испарителе возрастает, количества холодильного агента в нем оказывается недостаточно, и давление его уменьшается; одновременно увеличивается температура газа на выходе из испарителя, что вызывает соответствующее повышение давления на датчик клапана.

В результате давление в клапане смещает мембрану вниз, что приводит к открытию зазора для прохождения жидкого холодильного агента, увеличивая объем его поступления в испаритель.

Клапаны с внутренним выравниванием давления применяются в основном в установках малой мощности.

Рисунок 14.3. Принцип функционирования ТРВ с внутренним выравниванием давления.

Внешнее выравнивание давлений в ТРВ

ТРВ с внешним выравниванием давления имеют подвод давления из испарителя посредством соответствующей линии (капиллярной трубки), которая отходит от него несколько ниже датчика клапана. Соответствующая схема показана на рисунке 14.4. Сохраняют силу все ранее упомянутые положения, за исключением того, что давление р₀в испарителе определяется при помощи капиллярной трубки.

Клапаны расширения с внешним выравниванием давления обычно применяются на агрегатах средней и большой мощности.

Рисунок 14.4. Принцип функционирования ТРВ с внешним выравниванием давления. Вверху виден вход капиллярной трубки от линии выравнивания ниже гармошки клапана. Значение условных знаков то же, что и на рисунке 14.3.

На рисунке 14.5 показана схема правильной установки клапана с соответствующей линией внешнего выравнивания давления; для сравнения на рисунке 14.6 приводится неправильное размещение компонентов: отвод давления линии выравнивания всегда должен производиться несколько ниже датчика клапана с верхней стороны горизонтальной трубки.

	Рисунок 14.5. Правильная установка ТРВ. Отвод канала выравнивания расположен до датчика клапана.
	Рисунок 14.6. Неправильная установка ТРВ. Отвод канала давления выполнен с нижней стороны трубки.

Перегрев газа на выходе

Терморегулирующий вентиль обеспечивает определенный перегрев газа на выходе из испарителя, необходимый для полного испарения возможно имеющихся капель несущей жидкости (жидкий холодильный агент не в коем случае не должен возвращаться в компрессор, поскольку способен вызвать серьезные неисправности). На рисунке 14.7 показана часть испарителя при нормальных условиях работы. Как можно заметить, смесь жидкость-пар, поступающая в испаритель в точке А, должна полностью испариться до точки Е.

Отсюда и до датчика клапана (точка F) происходит только перегрев газа. Перегрев заключается в повышении температуры газа выше температуры его насыщения (см. далее). Этот участок, то есть дополнительная поверхность испарителя не влияет на увеличение холодильного эффекта, но служит для защиты компрессора и устойчивого функционирования клапана.

Рисунок 14.7. Схема части испарителя, в котором установлен ТРВ с внутренним выравниванием давления: участок от Е до F не производит полезного холодильного эффекта, а служит исключительно для придания определенного перегрева газу на выходе. Значение условных знаков то же, что и на рисунке 14.3.

Производительность

Производительность терморегулирующего вентиля определяется двумя компонентами:

1. прохождением жидкости, то есть массой жидкого холодильного агента, способного проходить через клапан в единицу времени;
2. холодильным эффектом, то есть количеством тепла, которое может аккумулировать холодильный агент из испарителя.

На производительность ТРВ и, как следствие, на прохождение жидкости и холодильный эффект влияют следующие факторы:

• падение давления на клапане;
• состояние холодильного агента;
• переохлаждение;
• калибровка клапана;
• температура испарения;
• термостатическая нагрузка.

Падение давления на клапане

Давление холодильного агента быстро уменьшается при прохождении через клапан, в результате чего часть быстро испаряется, препятствуя прохождению другой партии жидкости (рисунок 14.8).

Чем выше величина падения давления при прохождении через клапан, тем больше количество образуемого пара, наличие которого препятствует увеличению подачи, возрастающей при увеличении перепада давлений.

При большом падении давления в процессе прохождении холодильного агента через клапан уменьшается холодильный эффект, поскольку при этом испаряется большее количество жидкого холодильного агента.

	Рисунок 14.8. Прохождение холодильного агента через ТРВ: быстрое испарение жидкости с образованием пара несколько затрудняет прохождение новой партии жидкости.
	Рисунок 14.9. Рабочая характеристика терморегулирующего вентиля: с увеличением давления на клапане повышается его производительность, но только до определенного предела, после которого начинается снижение производительности.

Увеличение падения давления при прохождении через клапан повышает его производительность до определенного предела, после которого при любом повышении перепада давлений начинается снижение производительности (см. рисунок 14.9). Предельное значение перепада давлений, после превышения которого производительность клапана начинает снижаться, зависит от типа холодильного агента.

Состояние холодильного агента

Наличие пара на входе в клапан приводит к уменьшению его производительности, поскольку пар при равном весе занимает больший объем, чем жидкость, с вытекающим отсюда уменьшением объема прохождения жидкости.

Наличие пара может быть вызвано как отсутствием холодильного агента в контуре, так и высоким падением давления, ввиду чего на входе в клапан поддерживается значительно меньшее давление, чем давление в конденсаторе. Другой причиной может быть сильный перепад высот между конденсатором и терморегулирующим вентилем, в этом случае применяют метод переохлаждения жидкости.

Переохлаждение

Переохлаждение жидкого холодильного агента также повышает производительность терморегулирующего вентиля, это вызвано следующими причинами:

• при переохлаждении уменьшается объем жидкости, испаряющейся при прохождении через клапан, приводя к увеличению его проходимости;
• поскольку испаряется меньше жидкости, большее ее количество может еще испариться; в конечном счете происходит увеличение холодильного эффекта.

Перегрев

На рисунке 14.10 показана кривая, соответствующая изменению производительности клапана при изменении параметра перегрева.

Рисунок 14.10. Изменение производительности ТРВ относительно изменения показателя перегрева: в этом примере, как и в предыдущем, производительность возрастает с увеличением перегрева, но только до определенного предела.

Этот процесс, в зависимости от модели клапана и его производительности, может быть разбит на следующие этапы:

1. Статический перегрев. Речь идет о величине показателя перегрева, необходимого для компенсации давления пружины таким образом, что при дальнейшем повышении температуры клапан открывается.
2. Перегрев открытия клапана. Это значение показателя перегрева, при котором происходит смещение иглы клапана со своего ложа с открытием прохода для жидкости.
3. Реальный перегрев установки. Является суммой статического перегрева и перегрева открытия клапана; это реальный показатель перегрева, при котором клапан будет функционировать.

Значение перегрева установки выводится на основе разницы значений температуры испарения и температуры охлаждаемой жидкости: когда эта разница небольшая, лучшим способом рационального использования испарителя является выбор низкой температуры перегрева; при значительной разнице температур, необходимо обеспечить защиту от возможных возвратов жидкости, повышая в этих целях температуру перегрева.

Если терморегулирующий вентиль подобран правильно, при функционировании с номинальной мощностью он не должен полностью открываться; тем самым ТРВ будет иметь некоторый запас производительности, который будет задействован только при высоких значениях перегрева.

Калибровка ТРВ

При вращении регулировочного стержня по часовой стрелке давление пружины возрастает, что соответствует повышению показателя статического перегрева и понижению производительности клапана.

Температура испарения

Кривые «давление-температура» всех холодильных агентов при заданном увеличении температуры имеют более заметные колебания давления на участке высоких температур. Вследствие этого при низкой температуре испарения небольшое изменение температуре на датчике клапана приводит к незначительным колебаниям давления на верхней стороне диафрагмы: это приводит к меньшему открытию клапана и меньшим изменениям его проходимости.

Термостатический заряд

Показатели «давление-температура» различных термостатических зарядов имеют свои отличительные особенности: при одинаковом показателе перегрева не происходит одинакового открытия клапана при изменении типа заряда.

Функционирование при изменении нагрузки

В различных типах холодильных установок и установок для кондиционирования воздуха большой мощности, имеющих несколько компрессоров, имеется возможность снижать холодильную мощность при уменьшении нагрузки путем прогрессивного отключения работающих компрессоров и/или их отдельных цилиндров. К сожалению, производительность ТРВ не может быть так же легко изменена, поэтому при остановке компрессоров или их частичной дезактивации производительность клапана оказывается избыточной. В разумных пределах регулировка клапана возможна, и он по-прежнему в состоянии обеспечить необходимые параметры потока холодильного агента. Понятно также, что при функционировании с малой нагрузкой тщательной регулировки клапана не требуется, поскольку не весь испаритель оказывается задействованным, и опасности возврата жидкости не возникает. Предусмотреть заранее режим функционирования ТРВ, когда система работает на пониженном режиме, трудно ввиду множества факторов, влияющих на его работу. Ниже приводится перечень мер предосторожности, при соблюдении которых обеспечивается нормальное функционирования клапана даже при снижении нагрузки до 65%.

ТРВ следует подбирать таким образом, чтобы при максимальных нагрузках он оставался как можно более открытым. В частности, когда запланированный режим предусматривает в основном работу с пониженной нагрузкой, рекомендуется выбирать клапан с производительностью на 10—15% меньше максимальных рабочих параметров установки.

Производительность распределителя

При использовании распределителя рекомендуется подбирать его таким образом, чтобы производительность точно соответствовала производительности установки при полной нагрузке; это позволяет избежать излишне большой производительности при пониженных режимах работы компрессора.

Калибровка перегрева

Калибровка величины перегрева должна обеспечивать максимально большое допустимое при максимальной нагрузке значение перегрева.

В установке, где частичное снижении показателя нагрузки превышает 65% ее мощности, должны применяться другие меры, перечисленные ниже.

Два или более испарителей с одинаковыми параметрами

На рисунке 14.11 показаны два независимых испарителя, каждый из которых питается через собственный ТРВ с распределителем. На каждый испаритель приходится половина общей нагрузки.

Рисунок 14.11 Независимое питание двух параллельных испарителей равной мощности, работа каждого из которых регулируется собственным ТРВ и распределителем: следует обратить внимание, что первый участок линии всасывания находится под некоторым уклоном в сторону сифона, что делается для предотвращения отстоя холодильного агента и масла, искажающих показания датчика клапанов расширения.

Соленоидные клапаны соединены с устройством для понижения производительности компрессора таким образом, что один из них закрывается, при сокращении нагрузки на компрессор на 50%, отсекая один из терморегулирующих вентилей. Остающийся ТРВ обеспечивает поддержание производительности на требуемом уровне.

Такая же простая система применима к различным испарителям при различных уровнях частичного понижения производительности компрессора. Различные типы компрессоров могут подсоединяться параллельно или последовательно; в этом случае необходимо учитывать, что компрессоры, находящиеся первыми, будут испытывать более высокую нагрузку, чем последующие, поэтому производительность различных клапанов и распределителей должна быть отрегулирована с учетом этого.

Единичный испаритель

На рисунке 14.12 показана схема установки двух терморегулирующих вентилей и двух распределителей на одном испарителе.

Рисунок 14.12. Одинарный испаритель с двумя независимыми контурами, регулируемыми двумя соленоидными клапанами, ТРВ и распределителями. При снижении нагрузки охлаждения один из соленоидных клапанов закрывается, позволяя частично снизить вырабатываемую холодильную мощность.

Каждый контур испарителя имеет подвод двух трубок распределения, каждая из которых, в свою очередь, проходит через свой распределитель. Соленоидные клапаны управляются устройством регулировки частичной загрузки компрессора, как это было описано ранее.

Если ТРВ, соленоидный клапан и распределитель контура А выбираются таким образом, чтобы покрывать 67% общей производительности, а 33% общей максимальной нагрузки будет приходиться на контур В, при переключении соленоидных клапанов будут обеспечиваться рабочие параметры, приведенные в таблице 14.1.

Таблица 14.1. Последовательность переключения соленоидных клапанов при изменении тепловой нагрузки.

Техническое обслуживание о монтаж

Терморегулирующий вентиль должен устанавливаться как можно ближе ко входу в испаритель. Если применяется распределитель, рекомендуется монтировать его непосредственно на выходе ТРВ. Очень важно обеспечить правильное расположение термобаллона, от чего в некоторых случаях зависит хорошая или неудовлетворительная работа всей холодильной установки. Для того, чтобы клапан соответствующим образом регулировал прохождение холодильного агента, необходимо обеспечить хороший тепловой контакт между термобаллоном и трубой всасывания. Для этого термобаллон следует закрепить двумя скобами на чистом и ровном участке трубы. Рекомендуется устанавливать чувствительный элемент на горизонтальном участке трубы всасывания. Если невозможно избежать вертикального монтажа, это необходимо сделать таким образом, чтобы выход капиллярной трубки был направлен вверх.

	Рисунок 14.13. Примеры возможной установки термобаллона на трубе диаметром 22 мм или более.
	Рисунок 14.14. Расположение линии всасывания на выходе из батареи испарителя. Возможны два варианта расположения компрессора: под испарителем (сплошная линия) и над испарителем (пунктирная линия).

При диаметре линии всасывания в 7/8" (22 мм) или более, температура по периметру окружности трубы может заметно разниться. В связи с этим следует размещать термобаллон в точке окружности трубы, соответствующей значениям 16 и 20 ч на часовом циферблате (см. рисунок 14.13). Когда компрессор расположен над испарителем, рекомендуется производить подсоединение линии всасывания, как это показано на рисунке 14.14. На выходе из испарителя должен располагаться горизонтальный участок трубы, на котором крепится термобаллон; сразу за ним должен быть установлен сифон-накопитель для сбора возможно присутствующей жидкости и возможно имеющегося масла, циркулирующего по установке.

Установки с несколькими испарителями

Когда компрессор расположен под испарителем, необходимо выше испарителя установить накопитель для предотвращения возврата жидкости, возвращающейся под действием гравитации в компрессор. На установках с несколькими испарителями трубы всасывания должны располагаться таким образом, чтобы не допускать воздействия одного ТРВ на датчик другого. Пример правильного расположения труб показан на рисунке 14.15. В этом случае не допускается воздействие одного контура на другой и обеспечивается хороший режим функционирования и регулировки каждого ТРВ.

Рисунок 14.15. Схема расположения линий всасывания и положения ТРВ на установках с несколькими соединенными между собой испарителями на одном коллекторе; наклон последнего не должен быть менее 1%.

Подсоединение устройства внешнего выравнивания давления

Клапаны с внешним выравниванием давления могут функционировать только при обеспечении такого подсоединения. Штуцер соединения устройства для выравнивания давления (эквалайзера) должен располагаться на трубе всасывания через несколько сантиметров после термобаллона, как уже было показано на рисунке 14.12.

Регулировка клапана

Каждый терморегулирующий вентиль перед поставкой калибруется на заводе-изготовителе. Эта калибровка является правильной и в большинстве случаев не требует переналадки. Однако при наличии особых условий или при определенных типах применения клапана возможно изменение его калибровки для того, чтобы обеспечить желаемые показатели перегрева.

Во многих видах ТРВ отсутствует возможность регулировки: они калибруются на заводе-изготовителе, и показатель их перегрева не может быть изменен. Часто нерегулируемые клапаны являются модификациями обычных с фиксированным давлением пружины. Имеются приспособления, позволяющие регулировать и такие виды клапанов, но такая необходимость возникает редко.

Если надо понизить величину перегрева, следует вращать стержень регулировки клапана против часовой стрелки, для увеличения — по часовой стрелке. При изменении калибровки клапана для предотвращения ошибок калибровки не рекомендуется делать более одного оборота стержня регулировки за один раз и подождать по крайней мере тридцать минут, прежде чем производить новую коррекцию.

Общим правилом является то, что величина перегрева зависит от разницы температур между испарителем и охлаждаемым веществом. При очень больших значениях разницы этих температур, как в случае установок для кондиционирования воздуха, перегрев может достигать 10°С без излишнего снижения производительности испарителя. Для низкотемпературных холодильных установок, где разница между температурой испарения и температурой охлаждаемого вещества незначительна, показатель перегрева может уменьшаться до 5°С для того, чтобы максимально использовать площадь поверхности испарителя.

Определение величины перегрева

Определить величину перегрева возможно, выполнив перечисленные ниже операции. Разница между температурой на входе в испаритель и температурой на выходе из испарителя не позволяет получить точное значение перегрева, поэтому этот метод не рекомендуется использовать, так как падение давления в испарителе приводит к погрешностям в определении величины перегрева.

1. Измерить температуру всасывания в месте установки термобаллона.
2. Измерить манометром давление у всасывающего вентиля компрессора.
3. По значению давления, полученному выше, определяют температуру насыщения, используя таблицу соотношения между температурой и давлением хладагента (в большинстве случаев потерями давления в трубопроводе всасывания можно пренебречь ввиду их малости).
4. Вычесть значение температуры в пункте 3 из значения температуры в пункте 1. Полученная разница является температурой перегрева.