Терморегулирующий клапан или термостатический расширительный клапан (часто сокращенно TEV , TXV или TX ) — это компонент в системах парокомпрессионного охлаждения и кондиционирования воздуха , который контролирует количество хладагента, выбрасываемого в испаритель, и предназначен для регулирования перегрева хладагента, вытекающего из испарителя, до постоянного значения. Хотя его часто называют «термостатическим» клапаном, расширительный клапан не способен регулировать температуру испарителя до точного значения. Температура испарителя будет меняться только в зависимости от давления испарения, которое придется регулировать другими способами (например, путем регулировки производительности компрессора).
Терморегулирующие клапаны часто называют «измерительными устройствами», хотя это может относиться и к любому другому устройству, которое выпускает жидкий хладагент в секцию низкого давления, но не реагирует на температуру, например, капиллярная трубка или клапан, управляемый давлением.
Терморегулирующий клапан является ключевым элементом теплового насоса ; это цикл, который делает возможным кондиционирование воздуха или охлаждение воздуха. Базовый холодильный цикл состоит из четырех основных элементов: компрессора , конденсатора , дозирующего устройства и испарителя . Когда хладагент проходит через контур, содержащий эти четыре элемента, происходит кондиционирование воздуха.
Цикл начинается, когда хладагент поступает в компрессор в газообразной форме низкого давления и средней температуры. Хладагент сжимается компрессором до газообразного состояния высокого давления и высокой температуры. Затем газ высокого давления и высокой температуры поступает в конденсатор. Конденсатор охлаждает газ высокого давления и высокой температуры, позволяя ему конденсироваться в жидкость высокого давления, передавая тепло среде с более низкой температурой, обычно окружающему воздуху. Для того чтобы создать охлаждающий эффект от жидкости с более высоким давлением, поток хладагента, поступающего в испаритель, ограничивается расширительным клапаном, что снижает давление и позволяет изэнтальпийному расширению вернуться в паровую фазу, что поглощает тепло и приводит к охлаждению.
Расширительное устройство типа TXV имеет чувствительный баллон, заполненный жидкостью, термодинамические свойства которой аналогичны свойствам хладагента. Этот баллон термически соединен с выходом испарителя, так что можно измерить температуру хладагента, выходящего из испарителя. Давление газа в чувствительном баллоне обеспечивает силу для открытия TXV, и по мере снижения температуры эта сила будет уменьшаться, тем самым динамически регулируя поток хладагента в испаритель.
Перегрев — это избыточная температура пара выше точки кипения при давлении испарения. Отсутствие перегрева указывает на то, что хладагент не полностью испаряется в испарителе, и жидкость может в конечном итоге рециркулироваться в компрессор, что неэффективно и может привести к повреждению. С другой стороны, чрезмерный перегрев указывает на то, что через испарительный змеевик протекает недостаточно хладагента, и, таким образом, значительная часть к концу не обеспечивает охлаждения. Поэтому, регулируя перегрев до небольшого значения, обычно всего несколько °C, теплопередача испарителя будет близка к оптимальной, без возврата избыточного жидкого хладагента в компрессор. [1]
Чтобы обеспечить соответствующий перегрев, часто применяется сила пружины в направлении, которое закроет клапан, то есть клапан закроется, когда колба будет иметь более низкую температуру, чем температура испарения хладагента. Клапаны пружинного типа могут быть фиксированными или регулируемыми, хотя существуют и другие методы обеспечения перегрева, например, когда чувствительный элемент имеет другой состав пара, чем остальная часть системы.
Некоторые терморегулирующие клапаны специально разработаны для того, чтобы гарантировать, что через систему всегда может проходить определенный минимальный поток хладагента, в то время как другие могут быть также спроектированы для управления давлением испарителя, чтобы оно никогда не превышало максимального значения.
Управление потоком или измерение хладагента осуществляется с помощью термочувствительного баллона, заполненного газовым или жидким зарядом, аналогичным тому, что находится внутри системы, что заставляет отверстие в клапане открываться против давления пружины в корпусе клапана по мере увеличения температуры на баллоне. По мере снижения температуры всасывающей линии снижается и давление в баллоне, а следовательно, и на пружине, заставляя клапан закрываться. Система кондиционирования воздуха с клапаном TX часто более эффективна, чем те, в конструкции которых он не используется. [2] Кроме того, системы кондиционирования воздуха с клапаном TX не требуют аккумулятора (бака с хладагентом, расположенного ниже по потоку от выхода испарителя), поскольку клапаны уменьшают поток жидкого хладагента, когда тепловая нагрузка испарителя уменьшается, так что весь хладагент полностью испаряется внутри испарителя (в нормальных рабочих условиях, таких как надлежащая температура испарителя и поток воздуха). Однако резервуар для жидкого хладагента необходимо разместить в жидкостной линии перед клапаном TX, чтобы в условиях низкой тепловой нагрузки испарителя избыток жидкого хладагента мог храниться внутри него, предотвращая обратный поток жидкости из жидкостной линии в змеевик конденсатора.
При тепловых нагрузках, которые очень малы по сравнению с номинальной мощностью клапана, отверстие может стать слишком большим для тепловой нагрузки, и клапан может начать многократно открываться и закрываться, пытаясь контролировать перегрев до установленного значения, заставляя перегрев колебаться. Перекрестные зарядки, то есть заряды зондирующего баллона, состоящие из смеси различных хладагентов или также нехладагентных газов, таких как азот (в отличие от зарядки, состоящей исключительно из одного и того же хладагента внутри системы, известной как параллельная зарядка), установленные таким образом, что кривая давления паров в зависимости от температуры зарядки баллона «пересекает» кривую давления паров в зависимости от температуры хладагента системы при определенном значении температуры (то есть зарядка баллона, установленная таким образом, что ниже определенной температуры хладагента давление паров зарядки баллона внезапно становится выше, чем у хладагента системы, заставляя дозирующий штифт оставаться в открытом положении), помогают уменьшить явление охоты за перегревом, предотвращая полное закрытие отверстия клапана во время работы системы. Тот же результат может быть достигнут с помощью различных видов выпускных каналов, которые генерируют минимальный поток хладагента в любое время. Стоимость, однако, заключается в определении определенного потока хладагента, который не достигнет линии всасывания в полностью испаренном состоянии, когда тепловая нагрузка особенно низкая, и компрессор должен быть спроектирован для работы с этим. Тщательно выбирая количество заряда чувствительного к жидкости баллона, можно также достичь так называемого эффекта MOP (максимальное рабочее давление); выше точной температуры хладагента заряд чувствительного к жидкости баллона будет полностью испаряться, заставляя клапан начать ограничивать поток независимо от измеренного перегрева, а не увеличивать его, чтобы снизить перегрев испарителя до целевого значения. Таким образом, давление испарителя не будет превышать значение MOP. Эта функция помогает контролировать максимальный рабочий крутящий момент компрессора до значения, приемлемого для применения, например, для двигателя автомобиля с небольшим рабочим объемом.
Состояние низкого уровня заправки хладагентом часто сопровождается громким свистящим звуком, который слышен из терморегулирующего вентиля и испарителя во время работы компрессора. Это вызвано отсутствием напора жидкости непосредственно перед подвижным отверстием вентиля, в результате чего отверстие пытается дозировать пар или смесь пара и жидкости вместо жидкости.
Существует два основных типа терморегулирующих вентилей: с внутренним или внешним выравниванием. Разница между внешне и внутренне выравниванием клапанов заключается в том, как давление испарителя влияет на положение иглы. В внутренне выравнивающихся клапанах давление испарителя на диафрагму — это давление на входе испарителя ( обычно через внутреннее соединение с выходом клапана), тогда как в внешне выравнивающихся клапанах давление испарителя на диафрагму — это давление на выходе испарителя. Внешне выравнивающиеся термостатические расширительные клапаны компенсируют любое падение давления через испаритель. [3] Для внутренне выравнивающихся клапанов падение давления в испарителе приведет к увеличению перегрева.
Внутренне уравновешенные клапаны могут использоваться на испарительных змеевиках с одним контуром, имеющих низкий перепад давления. Если распределитель хладагента используется для нескольких параллельных испарителей (а не клапан на каждом испарителе), то необходимо использовать внешне уравновешенный клапан. Внешне уравновешенные TXV могут использоваться во всех приложениях; однако внешне уравновешенный TXV не может быть заменен внутренне уравновешенным TXV. [4] Для автомобильных приложений часто используется тип внешне уравновешенного теплового расширительного клапана, известный как клапан блочного типа. В этом типе либо чувствительный баллон расположен внутри соединения всасывающей линии внутри корпуса клапана и находится в постоянном контакте с хладагентом, который вытекает из выходного отверстия испарителя, либо предусмотрено средство теплопередачи, так что хладагент может обмениваться теплом с чувствительным зарядом, содержащимся в камере, расположенной над диафрагмой, по мере его поступления в всасывающую линию.
Хотя тип колбы/диафрагмы используется в большинстве систем, которые контролируют перегрев хладагента, электронные расширительные клапаны становятся все более распространенными в более крупных системах или системах с несколькими испарителями, чтобы позволить им регулироваться независимо. Хотя электронные клапаны могут обеспечить больший диапазон управления и гибкость, чем типы колбы/диафрагмы, они добавляют сложности и точек отказа в систему, поскольку требуют дополнительных датчиков температуры и давления и электронной схемы управления. Большинство электронных клапанов используют шаговый двигатель, герметично запечатанный внутри клапана, для приведения в действие игольчатого клапана с винтовым механизмом, на некоторых устройствах только шаговый ротор находится внутри герметичного корпуса и магнитно приводится в действие через герметичный корпус клапана катушками статора снаружи устройства.
