فهرست عناوین :
شیر انبساط چیست؟
شیر انبساط یا واحد انبساط دهنده، یک بخش از چهار بخش اساسی سیکل تبرید تراکمی است که وظیفه اصلی آن ایجاد فرآیند اختناق یا خفگی یا throttling در سیکل تبرید تراکمی است. در طی فرآیند اختناق، که یک فرایند آدیاباتیک و بازگشت ناپذیر از نظر ترمودینامیکی است، فشار سیال به شدت افت می کند و این افت فشار منجر به افت دمای سیال می شود ( پدیده ژول-تامسون). از طرفی به این دلیل که شیر انبساط وظیفه کنترل دبی سیال ورودی به اواپراتور سیکل تبرید را نیز برعهده دارد، به شیر کنترل کننده سوپرهیت نیز شناخته میشود. در تمامی مبردها، ضریب ژول-تامسون مثبت است، یعنی با افزایش فشار، دمای سیال بالا می رود و با کاهش فشار، دمای مبرد کاهش می یابد و شیر انبساط بر این اساس ساخته شده است تا با شکستن فشار، دمای کافی جهت تولید برودت در اواپراتور کولینگ دیتاسنتر را تامین نماید.
به بیانی دیگر، شیر انبساط قطعه کنترل کننده دبی تغذیه مبرد به اواپراتور چیلر تراکمی دائم کار و یا اواپراتور DX از طریق کاهش فشار مبرد و بخار نمودن مبرد است. جهت ایجاد اختناق یا کاهش فشار، سطح مقطع عبور جریان سیال مبرد را به شدت کاهش می دهند. نسبت افت فشار در دو سمت شیر انبساط، تابعی از نسبت کاهش سطح مقطع مسیر عبور جریان مبرد است و کلید اساسی در کنترل فلو مبرد و دمای اواپراتور چیلر تراکمی و یا خنک کننده InRow، همین نکته اساسی است.
وظیفه شیر انبساط
وظیفه اصلی شیر انبساط، تامین دمای مناسب در داخل اواپراتور خنک کننده InRow و یا پکیج دیجیتال مخابراتی، جهت کارکرد دائم سیکل تبرید است. جهت تامین دمای مناسب در داخل اواپراتور، دو پارامتر به صورت همزمان کنترل میشود. این دو پارامتر، کنترل میزان دبی مبرد ورودی به اواپراتور از طریق میزان سوپرهیت و فشار داخل اواپراتور است. اگر دبی مبرد در ورودی شیر انبساط، کافی نباشد، منجر به بخار نمودن بخش عمده مبرد در ورودی اواپراتور ( به دلیل حجم بالای انتقال حرارت داخل اواپراتور در مقایسه با دبی مبرد تغذیه شده) میشود و پدیده Overheating اتفاق می افتد که در نهایت منجر به کاهش ظرفیت برودتی سیستم کولینگ دیتاسنتر و خرابی کمپرسور خنک کننده اتاق سرور در اثر عدم وجود خنک کاری مناسب کمپرسور میشود.
کنترل دبی مبرد
از طریق سوپرهیت اندازه گیری در خروجی اواپراتور کولینگ مخابراتی، شیر انبساط مسیر عبور مبرد را باز یا بسته می نماید به گونه ای که سوپرهیت خروجی اواپراتور آبی و یا اواپراتور هوائی، ثابت نگه داشته شود و ظرفیت برودتی اواپراتور، براساس میزان انتقال حرارت در گردش، تامین گردد. همچنین کنترل سوپرهیت منجر به عدم ورود مایع مبرد به داخل کمپرسور چیلر تراکمی دائم کار می شود.
کنترل فشار داخل اواپراتور
با توجه به میزان اختناق ایجاد شده، نسبت فشار در دو سمت شیر انبساط به گونه ای تنظیم می گردد که فشار بالا و فشار پایین سیکل تبرید، در محدوده طراحی ثابت بماند. این امر منجر به کارکرد دائم و امن سیستم برودتی میشود و در شرایط گوناگون کارکرد سیستم کولینگ دیتاسنتر، دستگاه برودتی مرکز داده، نیاز سرمایشی اتاق سرور را به خوبی تامین می نماید. البته فشار بالا، به عملکرد کندانسور نیز بستگی دارد که در جای خود، می بایست بررسی گردد.
نحوه انتخاب شیر انبساط
کلیه انواع شیر انبساط ( ترموستاتیکی و الکترونیکی )، براساس 7 پارامتر اساسی انتخاب می گردد. این 7 پارامتر شامل موارد ذیل است:
- نوع مبرد
- ظرفيت اواپراتور
- فشار اواپراتور
- فشار كندانس
- میزان ساب كول
- میزان سوپرهیت
- افت فشار قطعات سیکل
البته لازم به ذکر است که در شیر های انبساط ترموستاتیکی، علاوه بر موارد فوق، نوع اکولایزر خارجی و داخلی با توجه کاربرد نیز در انتخاب شیر انبساط موثر است. البته بایستی ضریب اطمینان ظرفیت در زمان انتخاب شیر در نظر گرفته شود.
انواع شیر انبساط
شیر انبساط در دو نوع کلی شیر انبساط ترموستاتیکی TXV و شیر انبساط الکترونیکی EEV در صنایع برودتی و تهویه دقیق، متداول است. البته انواع دیگری از تجهیزات اختناق نیز مانند لوله موئین یا شیر اکسپنشن تناژ ثابت وجود دارد که به دلیل کاربرد بسیار بسیار محدود آن در تجهیزات برودتی تجاری و صنعتی، از بررسی آنها صرف نظر میشود.
شیر انبساط ترموستاتیک TXV
این نوع از شیر های انبساط که به صورت گسترده، مورد استفاده قرار میگیرند، نوعی از شیر های انبساط هستند که به طریق کنترل کننده مکانیکی، سوپرهیت و فشار اشباع اواپراتور مینی چیلر تراکمی هواخنک و یا آب خنک الیما را کنترل می کنند. شیر انبساط ترموستاتیکی، توسط یک بالب حرارتی، دمای خط ساکشن که از اواپراتور خارج میشود را اندازه میگیرد. بایستی توجه داشت که دمای خروجی از اواپراتور، چندین درجه از دمای اشباع داخل اواپراتور بیشتر است که میزان آن، به میزان سوپرهیت در نظر گرفته شده در زمان طراحی بستگی دارد. بالب شیر انبساط دارای ترکیبی از چندین مبرد است که در براساس دمای سطح بدنه بالب، تبخیر میشود و فشار بخار ایجاد شده، به دیافراگم منتقل شده و شیر انبساط را باز و یا بسته می نماید. اجزای اصلی این شیر در ذیل نشان داده است:
اجزای اصلی تشکیل دهنده شیر انبساط ترموستاتیکی عبارتند از :
- بدنه فلزی
- بالب حرارتی
- دیافراگم فلزی
- اوریفیس
- فنر تنظیم سوپرهیت و پیچ تنظیم فنر
- لوله اکولایزر ( در مدل های اکولایزر دار)
حسگر دمای سوپرهیت که همان بالب حرارتی است، دمای خروجی از اواپراتور را می خواند و در صورتیکه از حد مجاز گرمتر باشد، گاز داخل حباب منبسط شده و فشار زیر دیافراگم را افزایش می دهد که این امر منجر به باز شدن بیشتر شیر و پرخورانی اواپراتور میشود. در صورتیکه که سوپرهیت کم باشد، گاز داخل حباب منقبض شده و با کاهش فشار زیر دیافراگم، دبی ورودی به اواپراتور کم میشود. وظیفه فنر تنظیم سوپرهیت، تامین سوپرهیت مناسب براساس شرایط عملکرد سیکل تبرید می باشد که تنظیم فنر شیر انبساط TXV، توسط تکنسین های اموزش دیده و متخصص صورت می پذیرد.
در اواپراتورهای هوائی مانند خنک کننده InRow گازی و پکیج دیجیتال DownFlow گازی و ایرکاندیشن Precision، به دلیل اینکه از قطعه Distributor یا پخش کن گاز، جهت توزیع یکسان مبرد استفاده میشود، افت فشار زیادی در ورودی اواپراتور اتفاق می افتد که لازم است فشاری که توسط شیر انبساط ترموستاتیکی اندازه گیری میشود، تصحیح شود. این تصحیح توسط لوله اکولایزر خارجی اکسپنشن والو صورت می پذیرد.
نوعی از شیرهای انبساط ترموستاتیکی وجود دارند که در شرایطی که خطر گرم بودن اواپراتور در زمان راه استارت وجود دارند، مورد استفاده قرار میگیرند. این نوع از شیرهای اانبساط، دارای اپشنMOP یا ماکزیمم فشار عملکرد هستند. در این نوع شیر انبساط، بالب حرارتی دارای میزان شارژ مایع به مقداری است که پس از یک دمای مشخص، تمام مایع مبرد داخل بالب آن تبخیر میشود و با افزایش دمای بالب، فشار داخل آن افزایش نمی‌یابد. این بدین معنی است که بعد از آن دما، دیگر اکسپنشن ولو بیشتر باز نمی‌شود. کاربرد این نوع از شیر انبساط MOP دار در سیستم‌های برودتی است که در استارت اولیه، بار زیادی روی اواپراتور وجود دارد و اگر شیر تا انتها باز کند، مقدار مبرد مایع به کمپرسور وارد میشود. نمونه عینی این از نوع از فرایندها، تونل های انجماد سریع است.
شیر انبساط الکترونیکی EEV
شیر انبساط الکترونیکی، از یک کنترلر الکترونیکی برای تعیین میزان سوپرهیت استفاده می کند. این کنترلر که به نام کنترلر سوپرهیت نیز شناخته میشود، توسط یک سنسور فشار و یک سنسور دما، میزان سوپرهیت خروجی از اواپراتور خنک کننده InRow و یا مینی چیلر تراکمی هوائی را تشخیص می دهد و براساس ان، میزان بازشدگی شیر انبساط را تعیین می کند. سنسور فشار که در خط ساکشن و بعد از اواپراتور نصب شده است، میزان فشار داخل خط لوله را به سیگنال الکتریکی تبدیل می نماید. این سیگنال الکتریکی معمولا از نوع ولتاژی و گاها از نوع سیگنال میلی آمپر می باشد. سنسور دما هم از نوع مقاومتی است که معمولا از نوع PT1000 است. این دو سنسور دما و فشار به صورت توامان، نقش بالب را در شیر انبساط ترموستاتیکی بازی می کنند.
شیر انبساط الکترونیکی، قابلیت انعطاف پذیری بیشتری در ظرایط گوناگون عملکردی را دارا هستند. با توجه به قابلیت های برنامه نویسی در این نوع از شیرها، می توان در کابردهای دمائی گوناگون جهت مبردهای گوناگونی استفاده شوند. به عنوان مثال، در صورتیکه که شیر انبساط دارای قابلیت MOP نباشد، می بایست شیر انبساط ترموستاتیکی تعویض گردد، اما در شیر انبساط الکترونیکی، به راحتی با تغییر پارامترهای داخل کنترلر، این امر امکان پذیر است.
انواع شیر انبساط الکترونیکی
شیر انبساط الکترونیکی دارای انواع گوناگونی از جهت نوع عملکرد موتور و شیر است. اما عموما در دو نوع اصلی در بازار عرضه میشود:
- شیر انبساط الکترونیکی پالسی PWM
- شیر انبساط الکترونیکی استپر موتور SM
شیر انبساط نوع پالسی، عموما یک نوع شیر برقی است که در دو موقعیت بسته کامل و باز کامل عمل می کند. نحوه کنترل مبرد به صورت بازه های زمانی تعریف می شود که در هرسیکل عملکرد، کسری از زمان هر سیکل، شیر باز می باشد و در بخش دیگر، شیر بسته است. باز و بسته شدن شیر توسط مکانیزم مغناطیسی که در بوبین شیر قرار داده شده است، تامین میگردد. با توجه به اینکه این شیرها به صورت لحظه ای باز و یا بسته میشوند، خطرات ناشی از کله قوچ یا چکش آبی نیز وجود دارد. لذا بر روی پیستون این شیرها، یک سوراخ ریز قرار داده شده است تا بتواند جلوی ایجاد موج های ارتعاشی ناشی از اثرات چکش آبی یا کله قوچی را بگیرد.
شیر انبساط الکترونیکی استپ موتور، مشابه با شیر های انبساط ترموستاتیکی عمل می کنند. بدین معنی که بین موقعیت بیشترین بازشدگی و کمترین بازشدگی، در حال جابجایی و عمل هستند. این شیرها دارای یک موتور الکتریکی هستند که به صورت چرخشی بر روی یک اسپیندل رزوه دار در حال چرخش هستند و سوزن را محل عبور مبرد از خط مایه به داخل اواپراتور، تغییر می دهد و اصطلاحا شیر EEV را باز و بسته می نمایند. اصطلاح استپر موتور بدین معنی است که این شیر ها با توجه به نوع ساخت، دارای تعدادی موقعیت قرارگیری مشخص هستند و موتور الکتریکی شیر با توجه به فرمان موقعیت ارسالی از سوی کنترلر، شیر را در موقعیت مشخص قرار می دهد. به عنوان مثال، در شیر انبساط دانفوس سری ETS6 دارای 480 استپ یا گام هستند که فاصله بین بیشترین بازشدگی و کمترین بازشدگی به 480 قسمت تقسیم میشود و با توجه به فرمان ارسالی از سوی کنترلر، شیر در یکی از 480 موقعیت، قرار میگیرد.
در دو نوع این شیرهای انبساط الکترونیکی، می توانند به صورت کامل باز و یا به صورت کامل بسته باشند. لذا این شیر ها می توانند به مانند شیر برقی در سیکل تبرید در زمان خاموشی کمپرسور عمل کنند و لذا در صورت استفاده از این شیرها، نیازی به نصب شیر برقی در خط مایع سیکل تبرید نمی باشد. البته در صورتی که عملیات دیفراست و یا پمپ داون مورد نظر باشد، بهتر است شیر برقی در خط مایع همراه با شیر انبساط الکترونیکی استفاده شود. براساس تجربیات عملی، شیر های انبساط الکترونیکی نوع استپ موتور دارای عملکردی بهتری در مقایسه با شیر های انبساط نوع پالسی هستند. لذا عمده سازندگان مانند دانفوس و اسپورلن، شیرهای انبساط الکترونیکی استپ موتور را برای دستگاه برودتی مخابراتی و تهویه دقیق طراحی و تولید می نمایند.
تفاوت اساسی شیر انبساط الکترونیکی و شیر انبساط ترموستاتیکی در نحوه پاسخ دهی به تغییرات ظرفیت در اواپراتور است. شیر های انبساط الکترونیکی پاسخ سریعتری به تغییرات ظرفیت اواپراتور در مقایسه با شیر های انبساط ترموستاتیکی را دارا هستند. همچنین با توجه به وجود تنظیمات درایو شیر انبساط الکترونیکی، این شیرها می توانند کمترین میزان مورد نیاز سوپرهیت را تضمین کنند. همچنین گستره وسیعتری از مبرد ها را در مقایسه پوشش می دهند. بایستی توجه داشت که قیمت شیر انبساط الکترونیکی در از قیمت شیر انبساط ترموستاتیکی بیشتر می باشد، اما با توجه به افزایش راندمان و افزایش قابلیت اطمینان عملکرد سیکل تبرید، توجیه اقتصادی لازم را به همراه دارد.
تهیه و تنظیم : محمود حسین زارع
کارشناس ارشد تبدیل انرژی
