بخش اول :
جهت کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، بخش بعدی را مطالعه کنید.
مقدمه
در سیستم‌های تبرید و تهویه مطبوع، کنترل دقیق جریان مبرد و تنظیم میزان تبخیر آن در اواپراتور از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، چرا که این فرآیند مستقیماً بر راندمان، پایداری و طول عمر کل مجموعه تأثیر می‌گذارد. یکی از اجزای کلیدی که وظیفه کنترل این فرآیند حیاتی را بر عهده دارد، شیر انبساط است. این قطعه در واقع نقش «قلب کنترلی سیکل تبرید» را ایفا می‌کند؛ زیرا تنظیم میزان مبرد مایع ورودی به اواپراتور و کنترل فشار و دمای آن، تعیین‌کننده تعادل حرارتی و بازده کل سیستم است. عملکرد دقیق و صحیح شیر انبساط، از بروز مشکلاتی همچون برگشت مایع به کمپرسور، یخ‌زدگی اواپراتور، افت راندمان حرارتی و افزایش مصرف انرژی جلوگیری می‌کند. در سیستم‌های تبرید مدرن، انواع مختلفی از شیرهای انبساط مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما شیر انبساط مکانیکی (Thermostatic Expansion Valve – TXV) به دلیل ساختار ساده، واکنش سریع به تغییرات حرارتی و پایداری در شرایط کاری متفاوت، جایگاه ویژه‌ای در میان مهندسان و طراحان سیستم‌های سرمایشی دارد. این شیر با استفاده از فشارهای متعادل‌کننده، دمای خروجی اواپراتور را به طور پیوسته کنترل کرده و جریان مبرد را متناسب با بار حرارتی سیستم تنظیم می‌کند. در واقع، TXV همان نقطه‌ای است که علم ترمودینامیک و مهندسی کنترل در مدار تبرید به هم می‌رسند. شناخت دقیق سازوکار، اجزا و فشارهای مؤثر بر دیافراگم شیر انبساط، برای متخصصان نگهداری و تعمیرات چیلرها و سیستم‌های تبرید ضروری است؛ زیرا کوچک‌ترین اختلال در عملکرد این قطعه می‌تواند منجر به افزایش هزینه‌های انرژی، خرابی کمپرسور یا ناپایداری حرارتی شود. علاوه بر آن، در برخی شیرهای انبساط مکانیکی قابلیت MOP (Maximum Operating Pressure) به عنوان یک مکانیزم حفاظتی هوشمند طراحی شده است تا از وارد آمدن فشار بیش از حد به کمپرسور در هنگام راه‌اندازی یا بار زیاد جلوگیری شود. درک اصول عملکرد و تنظیم صحیح این بخش از سیستم، نه تنها موجب افزایش راندمان می‌شود بلکه به پایداری، ایمنی و طول عمر کل مدار تبرید نیز کمک شایانی می‌نماید.
بررسی عملکرد و تنظیم شیر انبساط در سیستم‌های تبرید
شیر انبساط یکی از مهم‌ترین اجزای کنترلی در سیکل تبرید به شمار می‌رود که وظیفه اصلی آن، تنظیم مقدار مبرد مایع ورودی به اواپراتور است. این قطعه با کنترل میزان جریان مبرد، شرایطی را فراهم می‌کند تا مبرد در اواپراتور به اندازه کافی تبخیر شده و در نتیجه، فرآیند جذب حرارت از محیط یا سیال مورد نظر به‌طور مؤثر انجام گیرد. در واقع، عملکرد صحیح شیر انبساط نقش مستقیمی در حفظ تعادل حرارتی اواپراتور دارد. این قطعه با تنظیم دقیق میزان مبرد ورودی، از برگشت مایع مبرد به کمپرسور جلوگیری می‌کند، زیرا وجود مایع در خط مکش می‌تواند سبب آسیب جدی به کمپرسور شود. به علاوه، کنترل مناسب جریان مبرد باعث می‌شود که گاز خروجی از اواپراتور به صورت سوپرهیت (Superheat) از آن خارج گردد؛ به این معنی که مبرد کاملاً تبخیر شده و دمای آن کمی بالاتر از دمای تبخیر خود باشد.
عملکرد شیر انبساط مکانیکی (Thermostatic Expansion Valve – TEV / TXV)
شیر انبساط مکانیکی که با علامت اختصاری TEV یا TXV شناخته می‌شود، یکی از متداول‌ترین انواع شیرهای انبساط در سیستم‌های تبرید و چیلرهای تراکمی است. این شیر وظیفه دارد جریان مبرد ورودی به اواپراتور را متناسب با بار سرمایشی و شرایط کاری سیستم تنظیم کند. در ساختار این شیر، یک لوله بالب حساس (Sensing Bulb) وجود دارد که به قسمت خروجی اواپراتور متصل می‌شود و تغییرات دمای گاز مبرد خروجی را احساس می‌کند. در مسیر ورود مبرد نیز صافی یا فیلتر ظریفی تعبیه شده تا از ورود ذرات معلق و ناخالصی‌ها به نشیمنگاه و سوزن شیر جلوگیری شود، چرا که این آلودگی‌ها می‌توانند موجب نشتی، گرفتگی یا عملکرد نادرست شیر شوند.
در شیر انبساط مکانیکی، میزان باز یا بسته شدن مجرای عبور مبرد بر اساس دو عامل اصلی کنترل می‌شود :
1. فشار ورودی اواپراتور که بیانگر میزان تبخیر مبرد در داخل کویل است.
2. حرارت خروجی اواپراتور که توسط بالب حساس اندازه‌گیری می‌شود و بیانگر مقدار سوپرهیت گاز خروجی است.
ترکیب این دو عامل موجب می‌شود که دیافراگم، فنر و سوزن شیر به صورت خودکار موقعیت خود را تغییر داده و جریان مبرد را به گونه‌ای تنظیم کنند که دمای گاز خروجی از اواپراتور در محدوده مطلوب باقی بماند. اجزای اصلی این نوع شیر شامل سوزن و نشیمنگاه، دیافراگم حساس، بالب حرارتی، فنر تنظیم فشار، فیلتر ورودی و پیچ تنظیم سوپرهیت می‌باشد. کنترل و نگهداری صحیح هر یک از این اجزا، به ویژه در زمان تعمیر یا سرویس چیلر، نقش مهمی در حفظ راندمان و عملکرد پایدار سیستم سرمایشی دارد.
عملکرد و محل نصب شیر انبساط مکانیکی در چیلرهای تراکمی
در سیستم‌های چیلر تراکمی، شیر انبساط مکانیکی در خط مایع و ورودی اواپراتور نصب می‌شود. این قطعه همانند سایر تجهیزات کنترلی در مدار تبرید، نقش کلیدی در تفکیک ناحیه پرفشار و کم‌فشار سیستم دارد و نقطه‌ای است که مبرد در آن دچار افت ناگهانی فشار و دما می‌شود تا وارد مرحله تبخیر در اواپراتور گردد.
شیر انبساط مکانیکی یا Thermostatic Expansion Valve (TEV) از اجزای متعددی تشکیل شده است که مهم‌ترین آن‌ها حباب حس‌کننده (Sensing Bulb)، دیافراگم حساس به فشار و دما و سوزن متحرک کنترل جریان مبرد هستند. حباب حس‌کننده از طریق لوله مویین باریکی به قسمت بالایی شیر متصل است و فشار درون خود را مستقیماً به دیافراگم منتقل می‌کند. درون حباب، مقدار کمی مبرد هم‌نام با مبرد اصلی سیستم وجود دارد. این مبرد نسبت به تغییرات دمای گاز خروجی از اواپراتور بسیار حساس است. هرگاه دمای بخار خروجی افزایش یابد، مبرد داخل حباب منبسط شده و فشار آن به دیافراگم منتقل می‌گردد.
در نتیجه، دیافراگم به سمت پایین حرکت کرده و شیر بازتر می‌شود تا مبرد بیشتری وارد اواپراتور شود و فرآیند سرمایش افزایش یابد. برعکس، زمانی که دمای بخار خروجی کاهش می‌یابد، مبرد داخل حباب منقبض شده و فشار وارده بر دیافراگم کاهش می‌یابد. در نتیجه، فنر زیر سوزن بر آن غلبه کرده و مسیر عبور مبرد تنگ‌تر می‌شود. این فرآیند موجب کاهش جریان مبرد ورودی و بازگشت سیستم به تعادل حرارتی می‌گردد. حرکت دیافراگم به‌وسیله یک یا دو میله انتقال نیرو به سوزن و پایه شیر منتقل می‌شود تا باز یا بسته شدن مسیر عبور مبرد کنترل شود. در قسمت زیر سوزن نیز فنر سوپرهیت (Superheat Spring) تعبیه شده که با ایجاد نیروی مخالف، از باز شدن بیش‌ازحد شیر جلوگیری کرده و میزان سوپرهیت گاز خروجی را در حد استاندارد حفظ می‌کند. در مجموع، عملکرد دقیق شیر انبساط مکانیکی باعث می‌شود جریان مبرد، دمای تبخیر و سوپرهیت گاز خروجی اواپراتور در شرایط بهینه باقی بمانند و از بروز مشکلاتی مانند برگشت مایع به کمپرسور یا کاهش راندمان سرمایشی جلوگیری شود.
فشارهای مؤثر بر دیافراگم در شیر انبساط مکانیکی
در شیر انبساط مکانیکی (TEV یا TXV)، عملکرد باز و بسته شدن شیر بر اساس تعادل بین سه فشار اصلی صورت می‌گیرد که مستقیماً بر روی دیافراگم حساس تأثیر می‌گذارند. این سه فشار عبارت‌اند از:
1. فشار حباب حساس (P₁) :
این فشار از طریق لوله مویین از حباب حسگر به قسمت بالای دیافراگم منتقل می‌شود. مقدار آن تابعی از دمای گاز خروجی از اواپراتور است. هرچه دمای بخار مبرد بالاتر رود، مبرد درون حباب منبسط شده و فشار P₁ افزایش می‌یابد. افزایش این فشار موجب باز شدن شیر و عبور بیشتر مبرد به داخل اواپراتور می‌گردد.
2. فشار اواپراتور یا فشار متعادل‌کننده (P₂) :
این فشار از ناحیه کم‌فشار سیستم (سمت خروجی اواپراتور) به زیر دیافراگم اعمال می‌شود و تمایل دارد شیر را به سمت بسته شدن هدایت کند. در واقع، P₂ نشان‌دهنده شرایط تبخیر مبرد در اواپراتور است و نقش مهمی در حفظ تعادل جریان مبرد دارد.
3. فشار فنر (P₃) :
فنر تعبیه‌شده در قسمت زیر دیافراگم، نیرویی مخالف فشار حباب ایجاد می‌کند و مقدار باز شدن شیر را محدود می‌سازد. قدرت و تنظیم فنر، میزان سوپرهیت مبرد خروجی را تعیین می‌کند.
در حالت عملکرد پایدار، بین این سه نیرو تعادلی برقرار می‌شود به‌طوری‌که :
P₁ = P₂ + P₃
به بیان دیگر، فشار ناشی از دمای حس‌شده در حباب باید دقیقاً با مجموع فشار اواپراتور و فشار فنر برابر گردد تا شیر در موقعیت تعادلی قرار گیرد و جریان مبرد متناسب با نیاز سرمایشی سیستم کنترل شود. این تعادل ظریف، اساس عملکرد دقیق شیر انبساط مکانیکی است و هرگونه اختلال در یکی از این فشارها می‌تواند باعث سوپرهیت غیرعادی، یخ‌زدگی اواپراتور یا برگشت مایع به کمپرسور شود.
نکته مهم درباره عبارت MOP در شیر انبساط مکانیکی
بر روی برخی از شیرهای انبساط مکانیکی (TEV/TXV) عبارت MOP درج شده است که مخفف Maximum Operating Pressure یا حداکثر فشار کارکرد می‌باشد. این ویژگی برای محافظت از کمپرسور و جلوگیری از وارد شدن بار اضافی به موتور در هنگام راه‌اندازی سیستم طراحی شده است.
در شیرهای دارای قابلیت MOP، مقدار مبرد موجود در حباب حساس به‌صورت کنترل‌شده و محدود است. هنگامی‌که دمای خروجی اواپراتور افزایش می‌یابد، مبرد داخل حباب تبخیر شده و فشار بالایی را به دیافراگم وارد می‌کند. اما با تبخیر کامل مقدار مبرد موجود در حباب، دیگر فشاری بیشتر از مقدار تعیین‌شده (MOP) بر دیافراگم اعمال نمی‌شود. به این ترتیب، شیر انبساط از باز شدن بیش از حد جلوگیری کرده و اجازه نمی‌دهد فشار مکش کمپرسور از حد مجاز بالاتر رود. این عملکرد باعث می‌شود در زمان‌هایی مانند راه‌اندازی اولیه یا بار حرارتی زیاد اواپراتور، از وارد آمدن تنش مکانیکی و الکتریکی به موتور کمپرسور جلوگیری شود. به‌طور خلاصه، شیرهای دارای MOP نوعی محدودکننده فشار خودکار محسوب می‌شوند که ضمن حفظ عملکرد پایدار سیستم تبرید، طول عمر کمپرسور و ایمنی مدار تبرید را افزایش می‌دهند.
نتیجه‌گیری
عملکرد صحیح شیر انبساط در سیستم‌های تبرید، یکی از عوامل بنیادین در تضمین کارایی و پایداری چرخه سرمایش است. این قطعه به عنوان رابط اصلی میان ناحیه پرفشار و کم‌فشار سیستم عمل می‌کند و کوچک‌ترین خطا در تنظیم یا نگهداری آن می‌تواند تعادل حرارتی اواپراتور و کل مدار تبرید را بر هم زند. همان‌طور که بررسی شد، شیر انبساط مکانیکی (TXV) با تکیه بر سه نیروی متقابل شامل فشار حباب حساس، فشار اواپراتور و نیروی فنر، جریان مبرد را با دقت بالایی تنظیم می‌کند تا دمای گاز خروجی در محدوده سوپرهیت مطلوب باقی بماند. تنظیم صحیح سوپرهیت نه تنها از برگشت مایع مبرد به کمپرسور و آسیب به قطعات مکانیکی جلوگیری می‌کند، بلکه سبب افزایش راندمان انرژی و عملکرد پایدار سیستم می‌شود. از سوی دیگر، وجود قابلیت MOP در برخی از شیرها، لایه‌ای از ایمنی مضاعف را فراهم کرده و با محدود کردن فشار مکش، از فشار بیش از حد بر موتور کمپرسور در شرایط بار سنگین جلوگیری می‌نماید. در نهایت، می‌توان گفت شیر انبساط، اگرچه ممکن است در ظاهر یک قطعه ساده به نظر برسد، اما در عمل یکی از مهم‌ترین بخش‌های هوشمند و حساس سیکل تبرید است. نگهداری صحیح، بررسی منظم عملکرد و تنظیم دقیق آن، می‌تواند تفاوتی چشمگیر میان یک سیستم تبرید کارآمد و سیستمی پرهزینه و پرعیب ایجاد کند. آگاهی از اصول کارکرد، نحوه نصب و چگونگی تنظیم این شیر برای هر تکنسین، مهندس و مدیر نگهداری تأسیسات، امری ضروری و حیاتی است؛ چرا که عملکرد بهینه چیلرها، سردخانه‌ها و سیستم‌های سرمایشی صنعتی، در نهایت به عملکرد بی‌نقص همین قطعه کوچک اما بسیار حیاتی وابسته است.