شیر انبساط یکی از تجهیزات کنترلی مدار تبرید است که در مسیر ورود مبرد به اواپراتور قرار می‌گیرد. این تجهیز با ایجاد افت فشار در مسیر مبرد، شرایط ترمودینامیکی مبرد را برای ورود به اواپراتور تغییر می‌دهد و میزان جریان مبرد ورودی را متناسب با شرایط کاری سیستم تنظیم می‌کند. عملکرد شیر انبساط مستقیماً با ظرفیت موردنیاز اواپراتور ارتباط دارد. زمانی که بار حرارتی اواپراتور تغییر می‌کند، مقدار مبرد موردنیاز برای جذب حرارت نیز تغییر خواهد کرد؛ بنابراین شیر باید جریان عبوری را متناسب با این تغییرات تنظیم کند. به همین دلیل، انتخاب شیر انبساط صرفاً بر اساس سایز لوله یا ظرفیت اسمی سیستم انجام نمی‌شود و عواملی مانند نوع مبرد، ظرفیت سرمایشی، شرایط تبخیر، اختلاف فشار دو طرف شیر و میزان سوپرهیت موردنظر نیز در انتخاب آن اهمیت دارند.

شیر انبساط چگونه کار می‌کند؟

مبرد پس از خروج از کندانسور، به‌صورت مایع پرفشار در مسیر مدار حرکت می‌کند. این مبرد پیش از ورود به اواپراتور از شیر انبساط عبور می‌کند. شیر با محدود کردن سطح عبور جریان، باعث کاهش ناگهانی فشار مبرد می‌شود. افت فشار، دمای اشباع مبرد را نیز کاهش می‌دهد و در نتیجه بخشی از مایع در همان مسیر به بخار تبدیل می‌شود. خروجی شیر معمولاً شامل مخلوطی از مایع و بخار مبرد با فشار و دمای پایین است.

مبرد کم‌فشار پس از عبور از شیر وارد اواپراتور می‌شود و با جذب گرمای محیط، بخش مایع آن به‌تدریج تبخیر می‌شود. میزان مبرد ورودی باید با ظرفیت لحظه‌ای اواپراتور هماهنگ باشد؛ زیرا ورود بیش از حد مبرد می‌تواند احتمال باقی‌ماندن مایع در انتهای اواپراتور و مسیر مکش را افزایش دهد و ورود کمتر از نیاز نیز باعث استفاده ناکافی از سطح انتقال حرارت اواپراتور می‌شود.

در شیرهای انبساط خودکار، میزان بازشدگی شیر با توجه به شرایط کاری سیستم تغییر می‌کند. به این ترتیب، شیر فقط وظیفه ایجاد افت فشار را بر عهده ندارد، بلکه دبی مبرد ورودی به اواپراتور را نیز تنظیم می‌کند. در شیر انبساط ترموستاتیکی، این تنظیم با توجه به شرایط خروجی اواپراتور انجام می‌شود تا سوپرهیت در محدوده مناسب باقی بماند.

اجزای اصلی شیر انبساط ترموستاتیکی

شیر انبساط ترموستاتیکی از چند بخش اصلی تشکیل شده است که هرکدام وظیفه مشخصی در اندازه‌گیری شرایط خروجی اواپراتور و تنظیم جریان مبرد دارند.

بالب حسگر (Sensing Bulb)

بالب حسگر در نزدیکی خروجی اواپراتور روی لوله مکش نصب می‌شود و دمای مبرد خروجی را اندازه‌گیری می‌کند. افزایش دمای مبرد باعث افزایش فشار سیال داخل بالب می‌شود و این فشار از طریق لوله مویین به مکانیزم شیر منتقل می‌شود.

لوله مویین (Capillary Tube)

لوله مویین بالب حسگر را به بخش ترموستاتیکی شیر متصل می‌کند و فشار ایجادشده در بالب را به دیافراگم منتقل می‌کند. به این ترتیب، تغییرات دمای خروجی اواپراتور به مکانیزم کنترل شیر منتقل می‌شود.

دیافراگم (Diaphragm)

دیافراگم بخش متحرک مکانیزم کنترل شیر است و تحت تأثیر سه نیروی اصلی قرار دارد: فشار بالب، فشار اواپراتور و نیروی فنر. تعادل میان این نیروها میزان بازشدگی شیر را تعیین می‌کند.

فنر تنظیم سوپرهیت (Superheat Adjustment Spring)

فنر نیروی مخالف فشار بالب را ایجاد می‌کند و مقدار سوپرهیت عملکردی شیر را تعیین می‌کند. در مدل‌های قابل تنظیم، با تغییر پیش‌بار فنر می‌توان نقطه عملکرد شیر را تغییر داد.

سوزن و نشیمنگاه شیر (Valve Needle & Seat)

سوزن شیر با تغییر فاصله خود از نشیمنگاه، سطح عبور مبرد را تنظیم می‌کند. بازشدن بیشتر شیر، جریان مبرد ورودی به اواپراتور را افزایش می‌دهد و بسته‌شدن آن جریان را کاهش می‌دهد.

لوله بالانس (External Equalizer)

لوله بالانس خارجی در مدل‌های دارای External Equalizer، برای انتقال فشار اواپراتور به مکانیزم کنترل شیر استفاده می‌شود.

عملکرد TXV بر اساس سوپرهیت

شیر انبساط ترموستاتیکی (TXV) مقدار مبرد ورودی به اواپراتور را بر اساس سوپرهیت مبرد در خروجی اواپراتور تنظیم می‌کند. به زبان ساده، شیر با بررسی دمای مبرد در خروجی اواپراتور تشخیص می‌دهد که آیا مبرد کافی وارد اواپراتور شده است یا باید مقدار جریان آن تغییر کند.

اگر سوپرهیت افزایش پیدا کند، یعنی مبرد در خروجی اواپراتور بیش از حد گرم شده و مقدار مبرد ورودی برای شرایط موجود کافی نیست. در این حالت، بالب حسگر افزایش دما را تشخیص می‌دهد و شیر را بیشتر باز می‌کند تا مبرد بیشتری وارد اواپراتور شود.

اگر سوپرهیت کاهش پیدا کند، یعنی مقدار مبرد ورودی نسبت به نیاز اواپراتور زیاد شده است. در این شرایط، TXV میزان بازشدگی خود را کاهش می‌دهد و جریان مبرد را محدود می‌کند.

بنابراین، TXV به‌صورت مداوم جریان مبرد را با شرایط کاری اواپراتور هماهنگ می‌کند تا سوپرهیت در محدوده مناسب باقی بماند. این عملکرد هم به استفاده بهتر از ظرفیت اواپراتور کمک می‌کند و هم احتمال ورود مبرد مایع به کمپرسور را کاهش می‌دهد.

نحوه تنظیم سوپرهیت شیر انبساط ترموستاتیکی

برای تنظیم سوپرهیت TXV، ابتدا فشار مکش و دمای واقعی خط مکش در خروجی اواپراتور اندازه‌گیری می‌شود. سپس دمای اشباع مبرد از روی فشار مکش به دست می‌آید و اختلاف آن با دمای واقعی خط مکش، مقدار سوپرهیت را مشخص می‌کند:

سوپرهیت = دمای واقعی خط مکش − دمای اشباع مبرد

اگر سوپرهیت بیش از مقدار موردنظر باشد، با بازتر کردن شیر جریان مبرد افزایش می‌یابد و سوپرهیت کاهش پیدا می‌کند. در صورت پایین بودن سوپرهیت، باید جریان مبرد کاهش یابد. تنظیم پیچ TXV باید به‌صورت تدریجی انجام شود و پس از هر تغییر، مقدار سوپرهیت دوباره بررسی شود. مقدار مناسب سوپرهیت به نوع مبرد و شرایط کاری سیستم بستگی دارد و باید با توصیه سازنده شیر تطبیق داده شود.