شیر انبساط (Expansion – Valve)
قسمت سوم سیستم تبرید بعد از کندانسور، شیر انبساط می باشد که عمل قرار گرفتن این شیر قبل
از اواپراتور می باشد. کار شیر انبساط در حقیقت کنترل ماده سرمازا می باشد. و این وسیله فشار زیاد
مایع خروجی از کندانسور را تقلیل داده و مناسب عملکرد اواپراتور می سازد. در شکل زیر نمایی از
یک شیر انبساط دیده میشود.

شیرهای انبساط بر اساس یکی از فاکتورهای فشار- حرارت- سطح مایع مبرد- مقطع جریان گاز-
عمل تنظیم و کنترل مایع مبرد را بعهده می گیرد و به انواع زیر تقسیم می شوند.
۱- لوله های موئین
۲- شناور سمت فشار کم
۳- شناور سمت فشار زیاد
۴- شیر انبساط حرارتی
۱- سوپاپ انبساط خودکار

– لوله‌های موئین
لوله های مویین ساده ترین کنترل کننده های شارش مبرد و شامل فقط یک لوله با طول ثابت و قطر کم هستند که بین چگالنده و اواپراتور ، و معمولاً در محل لوله مایع معمولی سوار می شوند. به علت مقاومت اصطکاکی بالا ناشی از طول آن و سوراخ کوچک لوله و به علت اثر خفگی ناشی از تشکیل تدریجی گاز هواگیر در لوله به هنگام کم شدن فشار مایع از فشار اشباع آن ، لوله مویین وارد عمل می شود تا شارش مایع از چگالنده به اواپراتور را محدود یا مدرج کند و به این ترتیب اختلاف فشار عملکرد لازم بین این دو واحد را نگه می دارد . چون لوله مویین و کمپرسور به طور متوالی در سیستم بسته شده اند ، واضح است که ظرفیت شارش لوله الزاماً برابر ظرفیت پمپ کردن کمپرسور وقتی که کار می کند ، باشد . نتیجتاً اگر بناست سیستم به طور موثر کار انجام دهد و در شرایط عملکرد طراحی توازن داشته باشد ، طول و سوراخ لوله باید آنچنان باشد که ظرفیت شارش لوله در مقدار تبخیر طراحی و فشارهای چگالنده عیناً برابر ظرفیت پمپ کردن کمپرسور در همان شرایط باشد .
در صورتی که مقاومت لوله آن قدر باشد که ظرفیت شارش لوله بزرگتر یا کوچکتر از ظرفیت پمپ کردن کمپرسور در شرایط طراحی باشد ، موازنه ای بین این دو قطعه در شرایط عملکردی غیر از شرایط طراحی سیستم برقرار خواهد شد . برای مثال اگر مقاومت لوله خیلی بزرگتر باشد ( لوله خیلی بلند و یا سوراخ خیلی کوچک باشد ) ، ظرفیت لوله برای گذراندن مبرد مایع از چگالنده به اواپراتور کمتر از ظرفیت پمپ کردن کمپرسور در شرایط طراحی خواهد بود ، که در این صورت اواپراتور خالی از مبرد خواهد شد در حالی که مایع زیادی در قسمت پایینتر چگالنده در ورودی لوله مویین بالا خواهد رفت . طبیعتاً خالی از مایع شدن اواپراتور ، در کم شدن فشار مکش اثر خواهد گذاشت ، در حالی که بالا آمدن سطح مایع در چگالنده سبب کاهشی در سطح موثر چگالش و در نتیجه افزایشی در دمای چگالش خواهد شد . از این رو تاثیر خالص محدودیت خیلی زیاد در لوله مویین ، کم کردن فشار مکش و بالا بردن فشار چگالش خواهد شد . چون هر دوی این شرایط مایل به افزایش ظرفیت شارش لوله و در عین حال ، کاهش ظرفیت پمپ کردن کمپرسور می شود ، واضح است که سیستم احتمالاً موازنه ای را در بعضی شرایط کارکرد که در آن ظرفیت لوله و ظرفیت کمپرسور دقیقاً مساوی هم هستند برقرار خواهد کرد . در این مورد ، نقطه موازنه در فشار مکش کمتر و فشار چگالش بیشتری از فشارهای طراحی سیستم خواهد بود . همچنین چون ظرفیت کمپرسوردراین شرایط کاهش می یابد ، ظرفیت عمومی سیستم کمتر ار ظرفیت طراحی خواهد بود . از طرف دیگر ، وقتی لوله مقاومت کافی ( لوله خیلی کوتاه و یا سوراخ خیلی بزرگ ) نداشته باشد ، ظرفیت شارش لوله بزرگتر از ظرفیت پمپ کردن کمپرسور در شرایط طراحی خواهد بود ، که در آن صورت سبب تغذیه زیادی اواپراتور یا خطر امکان ترشدگی مایع به طرف کمپرسور خواهد شد . همچنین ، در ورودی لوله به چگالنده نشانه ای از مایع نخواهد بود و بنابراین گاز چگالش نیافته مجاز خواهد بود همراه مایع وارد لوله شود . واضح است ، داخل سازی گرمای نهان به اواپراتور در جلو گاز چگالش نیافته به کاهش ظرفیت سیستم اثر می گذارد . به علاوه به علت آهنگ اضافی شارش از لوله ، کمپرسور قادر نخواهد بود فشار اواپراتور را به سطح پایین مطلوب کاهش دهد . سیستمی که لوله مویین به کار می برد فقط وقتی با حداکثر کارایی کار می کند که دارای یک مجموعه شرایط عملکرد باشد . در تمام شرایط دیگر ، کارایی سیستم کمی کمتر از حداکثر مقدار خواهد بود . با وجود این ، باید یادآور شد که لوله مویین تا حدودی جبران کننده خود به خود است و اگر به طور صحیح طراحی و به کار برده شود ، سرویس رضایت بخشی در گستره معقولی از شرایط عملکرد خواهد داد . معمولاً وقتی بار روی سیستم اضافه یا کم می شود ، ظرفیت شارش لوله مویین به ترتیب افزایش یا کاهش می یابد ، قسمتی به علت تغییر در فشار چگالش که معمولاً با این تغییرات در بارگذاری سیستم همراهی می کند و قسمتی به علت تغییر در مقدار مایع فروسرد به وجود آمده در کمپرسور . برای مثال وقتی بار روی اواپراتور افزایش می یابد ، مبرد مایع در اواپراتور تبخیر می شود و در چگالنده چگالش می یابد و آهنگ آن دم به دم بزرگتر از آن چه که لوله مویین مایع را به اواپراتور می فرستد می شود ، با این نتیجه که مایع اضافی در انتهای چگالنده جمع می شود . با چگالنده قسمتی پر شده با مایع ، فشار چگالش افزایش خواهد یافت . در همان موقع مایع موجود در انتهای چگالنده در معرض درجه بالاتری از فروسردی قرار می گیرد ، به طوری که گاز هواگیر کمتری در لوله مویین تشکیل خواهد یافت . هر دوی این شرایط تمایل به افزایش دادن ظرفیت شارش لوله دارند و لذا ظرفیت سیستم بیشتری با بار سیستم افزایش یافته را به لوله می آورند . بر عکس ، وقتی بار سیستم کم می شود ، فشار چگالش و درجه فروسردی کاهش می یابد ، به طوری که ظرفیت شارش لوله نیز کاهش می یابد .
فرق لوله مویین با سایر انواع کنترل کننده های شارش مبرد در این است که لوله مویین شارش مایع به اواپراتور را در موقع خاموشی دستگاه نمی بنددو متوقف نمی کند . وقتی کمپرسور از مدار خارج می شود ، فشارهای طرف کم و زیاد از طریق لوله مویین باز یکسان می شود و هر گونه مایع باقیمانده در کمپرسور به اواپراتور کم فشار می رود و در آن جا می ماند تا کمپرسور دوباره وارد مدار شود . به این دلیل ، بار مبرد در یک سیستم با لوله مویین بحرانی است و مخزن دریافت کننده ای بین چگالنده و لوله مویین به کار برده نمی شود . در تمام موارد بار مبرد باید حداقل باشد تا نیازهای اواپراتور را برآورده کند و در عین حال نشانه مایعی در چگالنده در ورودی به لوله مویین ضمن قسمت اخیر چرخه در حال کار نگه دارد . هر مبرد زیادتر از این مقدار فقط به طرف چگالنده بر می گردد ، در نتیجه فشار چگالش را زیاد می کند که به نوبه خود کارایی سیستم را کاهش می دهد و با افزایش ظرفیت شارش لوله می خواهد سیستم را نا متوازن کند . اگر بار اضافی به قدر کافی زیاد باشد ، ممکن است سبب اضافه باری محرک کمپرسور نیز شود . ولی مهمتر ازهمه این حقیقت است که تمام مایع اضافی در چگالنده موقع از مدار خارج بودن اواپراتور به آن وارد می شود . با داشتن دمای چگالش مقدار زیادی از چنین مایعی سبب گرم شدن سریع اواپراتور می شود و در نتیجه موجب آب شدن یخ اواپراتور و یا مدار کوتاه شدن کمپرسور می شود . به علاوه جایی که مقدار قابل ملاحضه ای از مایع موقع خارج از مدار بودن اواپراتور به آن وارد می شود احتمالاً تر شدگی مایع به کمپرسور اتفاق می افتد .
لوله مویین غیر از ساختمان ساده و بهای کم آن مزیت دیگری دارد و تسهیلاتی را در سیستم تبرید امکان پذیر می سازد که هزینه های تولید را بیشتر کاهش می دهد . چون فشارهای بالا و پایین در لوله مویین موقع خارج از مدار بودن معادل می شوند ، کمپرسوردر شرایط ” بی باری ” راه اندازی می شود . این کار مصرف موتور با گشتاور کم راه اندازی برای به حرکت در آوردن کمپرسور را امکان می سازد ، به عبارت دیگر موتور نوع ارزانتری لازم خواهد بود . به علاوه بار مبرد کوچک و بحرانی لازم به وسیله سیستم مویین نه تنها سبب کاهش هزینه مبرد می شود بلکه نیاز به مخزن دریافت کننده را هم خذف می کند . طبیعتاً همه این چیزها حاکی از صرفه جویی زیادی در هزینه های تولید است . از این رو ، لوله های مویین تقریباً به طور عمومی در تمام انواع دستگاههای تبرید خانگی ، از قبیل یخچالها ، فریزرها و کولرهای اتاق به کار برده می شود . خیلی ها همچنین در دستگاههای بسته بندی کوچک تجاری به ویژه تهویه مطبوع های بسته بندی شده نیز مورد استفاده قرار می گیرند .
لوله های مویین فقط باید در سیستم هایی که به ویژه برای آنها طراحی شده اند به کار برده شوند . آنها در سیستم های بسته بندی شده به خوبی جفت شده ای که بارهای نسبتاً ثابتی دارند و موتور کمپرسورهای بسته به کار می برند به خوبی مصرف می شوند . مخصوصاً یک لوله مویین نباید در ارتباط با یک کمپرسور نوع باز مورد استفاده قرار گیرد . به علت بار بحرانی مبرد ، یک کمپرسور نوع باز ممکن است با نفوذ در اطراف آب بند محور مبرد زیادی تلف کرده و سیستم را فقط در یک زمان بسیار کوتاه غیر فعال کند .
از استعمال لوله های مویین در سیستمهای دور از هم ( کمپرسور در فاصله ای از اواپراتور قرار گرفته باشد ) نیز به طور کلی اجتناب کرد . پر کردن دقیق چنین سیستمهایی بسیار مشکل است . به علاوه به علت لوله های طولانی مایع و مکش ، مقدار زیادی مبرد لازم است که همه آن در موقع خارج از مدار بودن اواپراتور در آن متمرکز می شود . در موقع راه افتادن ، تر شدگی شدیدی به طرف کمپرسور احتمال دارد اتفتق بیفتد مگر اینکه یک انباره کافی در لوله مکش نصب شود .
چگالنده های طراحی شده برای مصرف با لوله های مویین باید طوری ساخته شوند که مایع به آزادی از چگالنده به لوله مویین تخلیه شود به طوری که از حبس شدن مایع در چگالنده موقع خارج از مدار بودن آن جلوگیری می شود . هر مایع حبس شده در چگالنده در موقع خارج از مدار بودن آن تبخیر می شود و به جای حالت مایع به حالت بخار از لوله به اواپراتور می رود . چگالش بعدی این بخار در اواپراتور به گرمای نهان اواپراتور به طور غیر ضروری اضافه می نماید و در نتیجه ظرفیت سیستم را کاهش می دهد .
همچنین باید قطر لوله های چگالنده را حتی الامکان کوچک گرفت به طوری که حداقل مقدار مایع برگشته به بالا در چگالنده در لوله ورودی ، سبب حداکثر افزایش در فشار چگالش شده و بنابراین حداکثر افزایش در ظرفیت شارشی لوله خواهد شد .
اواپراتورهای مورد نظر برای مصرف با لوله های مویین باید جمع شدن مایع در خروجی اواپراتور را فراهم آورد تا از ترشدگی مایع به کمپرسور در لحظه راه افتادن جلوگیری کند.
کار انباره جذب موج خروشان اولیه مایع از اواپراتور است وقتی که کمپرسور راه اندازی می شود . سپس مایع در انباره تبخیر شده و مثل یک بخار به کمپرسور بر می گردد . برای تسریع در برگشت روغن به کارتر کمپرسور ، معمولاً مایع از اواپراتور به پایین انباره وارد می شود ، در حالی که مکش به کمپرسور از بالا گرفته می شود .در اغلب موارد بهترین کارایی وقتی به دست می آید که لوله مویین بدون دخالت یک لوله مایع مستقیماً بین چگالنده و اواپراتور برای عملی کردن اتصال مستقیم خیلی دور از هم هستند ، معمولاً باید نوع دیگری از کنترل کننده مبرد به کار گرفت .بستن لوله مویین به لوله مکش برای فاصله ای به منظور فراهم کردن رابطه انتقال گرمایی بین آن دو معمولاً مطلوب است برای اینکه مایل به کم کردن گاز هواگیری در لوله می شود . گاز هواگیری تشکیل شده در لوله در اثر انبساط تدریجی مایع که با کاهش فشار آن توام است ، ظرفیت شارش لوله را به طور شدیدی کاهش می دهد . وقتی که این لوله به لوله مکش بسته نشده باشد ، لوله باید به قدر کافی کوتاه شود تا عمل خفگی بخار در لوله را جبران کند .

-شناور سمت فشار کم
کنترل شناور کم فشار برای ثابت نگه داشتن سطح مایع در اواپراتور با تنظیم شارش مبرد مایع به درون آن دستگاه بر حسب آهنگی که تحویل مایع در اثر تبخیر شدن فروکش می کند عمل می نماید. این کنترل شناور فقط جوابگوی سطح مایع در اواپراتور است و اواپراتور را در تمام شرایط بار گذاری ، صرف نظر از دما و فشار اواپراتور ، تا سطح مورد نظر پر از مبرد مایع نگه خواهد داشت .
کارکرد شیر شناور کم فشار ممکن است پیوسته یا متناوب باشد . با کارکرد پیوسته ، شیر شناور کم فشار دارای عمل خفگی است به این ترتیب که به طرف محل باز یا بسته شدن مدوله می شود تا مایع بیشتر یا کمتری در پاسخ مستقیم به تغییر جزئی در سطح مایع اواپراتور به آن بدهد . برای کارکرد متناوب ، شیر طوری طراحی شده است که فقط به سطح های حداقل و حداکثر مایع جوابگو است که در آن نقاط در نتیجه آرایش لولای مفصلی ساخته شده در مکانیسم شیر ، شیر کاملاً باز یا کاملاً بسته است .
می توان شناور کم فشار را مستقیماً در اواپراتور یا انباره که در آن سطح مایع را کنترل خواهد کرد نصب نمود.یا در خارج این دستگاهها و در داخل یک مخزن شناور جداگانه نصب کرد .
در سیستمهای پر ظرفیت ، لوله کنار گذر مجهز به شیر انبساط دستی ، معمولاً در اطراف شیر شناور نصب می شود تا در صورت از کار افتادن شیر شناور ، تبرید را فراهم آورد . همچنین ، شیرهای قطع دستی معمولاً در هر دو طرف شیر شناور نصب می شوند به طوری که بدون نیاز به تخلیه بار زیاد مبرد از اواپراتور ، بتوان شیر را برای سرویس از شبکه جدا کرد. همچنین در شکل بالا به پمپ مایع به کار رفته برای فراهم کردن گردش واداشته مبرد از لوله های اواپراتور توجه کنید .
شیرهای شناور کم فشار می توانند به طور متوالی یا موازی با شیرهای انبساط ترموستاتیکی نصب شوند . در بسیاری از موارد ، یک شیر شناور کم فشار جداگانه میتواند برای کنترل شارش مایع به چند اواپراتور مختلف مورد استفاده قرار گیرد .

-شیر انبساط حرارتی
به علت کارایی بالا و سازگاری آماده شیر انبساط ترموستاتیکی به هر نوع کاربرد تبرید شیر انبساط ترموستاتیکی احتمالاً پر مصرف ترین کنترل کننده مبرد در حال حاضر است . درحالی که کار شیر انبساط خودکار بر اساس ثابت نگه داشتن فشار در اواپراتور است ، کار شیر انبساط ترموستاتیکی بر اساس نگه داشتن یک درجه ثابت فوق گرم مکش در خروجی اواپراتور است ، وضعیتی که اجازه می دهد کنترل کننده اخیر اواپراتور را در تمام شرایط بار گذاری سیستم کاملاً پر از مبرد نگه دارد بدون اینکه خطر سرازیر شدن مایع به طرف لوله مکش وجود داشته باشد . به علت توانایی شیر انبساط ترموستاتیکی برای فراهم کردن مصرف کامل و موثر تمام سطح اواپراتور در همه شرایط بار ، شیر انبساط ترموستاتیکی یک کنترل کننده مبرد مناسب به ویژه برای سیستم هایی که در معرض تغیرات وسیع و مکرر بارگذاری هستند می باشند .
مثل حالت شیر انبساط خودکار و تمام سایر کنترل کننده های مبرد یک توری یا صافی در ورودی مایع شیر نصب شده است تا از ورود مواد خارجی که ممکن است سبب مسدود شدن شیر بشوند جلوگیری کند .
مشخصه کارکرد شیر انبساط ترموستاتیکی از بر هم کنش سه نیروی مستقل ناشی می شود ۱-فشار اواپراتور ۲-فشار فنر ۳-فشار وارد شده توسط مخلوط اشباع شده مایع –بخار در حباب فرمان چنانچه در شکل دیده می شود حباب فرمان شیر انبساط به طور محکم به لوله مکش در خروجی اواپراتور بسته شده است که جوابگوی تغیرات در دمای بخار مبرد در این نقطه است . هرچند یک اختلاف دمای جزئی بین دمای بخار مبرد در لوله مکش ودمای مخلوط اشباع شده مایع –بخار در حباب فرمان وجود دارد برای تمام منظورهای عملی دماهای هردو یکی گرفته می شود وبنابراین می توان فرض کرد که فشار وارد شده به وسیله شاره در حباب متناظر بادمای بخار در لوله مکش در نقطه تماس حباب است .
باید توجه داشت که فشار شاره در حباب فرمان در یک طرف فانوسه یا دیافراگم از طریق لوله مویین عمل می کند و مایل به حرکت دادن شیر در جهت باز شدن است در صورتی که فشار بخار وفشار فنر تواما در طرف دیگر فانوسه یا دیافراگم عمل میکنند ومایل به حرکت دادن شیر در جهت بسته شدن هستند . درتمام موارد مقدارفوق گرم لازم برای متعادل کردن شیرانبساط ترموساتیکی به فشار فنر بستگی دارد . به این دلیل است که تنظم فنر تنظیم فوق گرم نامیده می شود . افزایش کشش فنر مقدار فوق گرم لازم برای جبران فشارفنر ومتعادل کردن شیر را افزایش می دهد . معمولا درجه بالای فوق گرم مطلوب نیست زیرااین کار مایل به کاهش مقدار سطح موثر اواپراتور می شود . از طرف دیگر کم کردن کششفنر مقدار فوق گرم لازم برای نگه داشتن شیر در وضع تعادل را کاهش می دهد وبنابراین مایل به افزایش سطح موثر اواپراتور می شود . ولی اگر فوق گرم شیر خیلی پایین باشد شیر کنترل مبرد را تا حدی که به تناوب اواپراتور را کم خور وپر خور بکند از دست می دهد وضعیتی که اغلب ((تند وکند کردن)) نامیده می شود به طور کلی شیرهای انبساط ترموستاتیکی به وسیله سازنده برای فوق گرم ۷Fتا ۱۰F تنظیم می شودچون این مقدار فوق گرم معمولا برای اغلب کاربردها رضایبخش است بجز وقتی که حتما لازم است نباید آنرا تغیر داد .وقتی که شیر برای فوق گرم معینی تنظیم شده ، شیر آن فوق گرم را تقریباٌ تحت همه شرایط بار ، صرف نظر از دما و فشار تبخیر کن ، نگه خواهد داشت به شرط این که ظرفیت و گسترده کار شیر اضافه نشده باشد .
ــ همانطور که در ابتدا گفته شد کمپرسور ، کندانسور ، شیر انبساط و اواپراتور قسمتهای اصلی دستگاه هستند . تجهیزات اضافی نیز باید روی دستگاه نصب شود که کارکرد دستگاه بدون آنها امکان پذیر نیست که در زیر توضیح داده شده اند