شیر اکسپنشن الکترونیکی

معرفی شیر اکسپنشن الکترونیکی

معرفی و عملکرد

شیر اکسپنشن الکترونیکی یا Electronic Expansion Valve (EEV) برای کنترل دقیق جریان مبرد مایع ورودی به اواپراتور استفاده می‌شود. این شیر با دریافت فرمان از کنترلر، سطح بازشدگی خود را متناسب با شرایط واقعی سیستم تغییر می‌دهد تا تغذیه اواپراتور با بار برودتی هماهنگ شود. Danfoss

در بسیاری از سیستم‌ها، کنترلر با استفاده از فشار و دمای خروجی اواپراتور، سوپرهیت را محاسبه کرده و موقعیت شیر را اصلاح می‌کند. CAREL نیز در معماری کنترل EEV از ترانسدیوسر فشار و سنسور دما برای کنترل سوپرهیت استفاده می‌کند. carelparts.com

برخلاف شیر انبساط ترموستاتیکی که عملکرد آن عمدتاً مکانیکی است، شیر اکسپنشن الکترونیکی می‌تواند با فرمان دیجیتال یا پله‌ای، موقعیت عبور مبرد را با تفکیک‌پذیری بیشتری تغییر دهد. Parker Sporlan شیرهای Step Motor EEV را برای کنترل دقیق جریان مبرد و ارتباط با کنترلرهای میکروپروسسوری معرفی می‌کند. virtualengineer.parker.com

نحوه عملکرد

شیرهای Stepper Motor

در بسیاری از EEVها، یک موتور پله‌ای یا Stepper Motor موقعیت سوزن، پیستون یا المان تنظیم‌کننده شیر را تغییر می‌دهد. کنترلر با ارسال پالس‌های مشخص به موتور، شیر را در تعداد معینی Step باز یا بسته می‌کند. Parker Hannifin Corporation

این ساختار امکان قرارگرفتن شیر در موقعیت‌های متعدد بین حالت کاملاً بسته و باز را فراهم می‌کند. تعداد Step، نوع موتور، ولتاژ یا جریان درایو و روش Initialization بین مدل‌ها متفاوت است و باید از دیتاشیت همان شیر استخراج شود.

Danfoss نیز در خانواده ETS از Stepper Motor برای تغییر درجه بازشدگی Orifice استفاده می‌کند و کنترلر با توجه به داده‌های سنسورها، فرمان موقعیت شیر را تعیین می‌کند. Danfoss

شیرهای PWM

برخی شیرهای الکترونیکی به‌جای موقعیت‌دهی پله‌ای، از Pulse Width Modulation استفاده می‌کنند. در این طراحی، مقدار متوسط جریان مبرد با تغییر Duty Cycle باز و بسته‌شدن شیر کنترل می‌شود. virtualengineer.parker.com

EEV استپر و شیر PWM از نظر نحوه کنترل یکسان نیستند و کنترلر مربوط به یکی را نمی‌توان بدون بررسی سازگاری برای دیگری استفاده کرد.

کنترل سوپرهیت

یکی از اصلی‌ترین کاربردهای شیر اکسپنشن الکترونیکی، کنترل Superheat در خروجی اواپراتور است. کنترلر با مقایسه دمای واقعی گاز خروجی با دمای اشباع متناظر با فشار اواپراتور، میزان سوپرهیت را محاسبه می‌کند.

برای این کار معمولاً به تجهیزات زیر نیاز است

• ترانسدیوسر فشار اواپراتور یا ساکشن
• سنسور دمای خروجی اواپراتور
• کنترلر یا Driver سازگار
• شیر اکسپنشن الکترونیکی
• کابل و اتصالات الکتریکی مناسب

Parker توضیح می‌دهد که Expansion Valve با Metering مبرد، سوپرهیت خروجی اواپراتور را کنترل می‌کند و در EEV این فرآیند با کنترل الکترونیکی دقیق موقعیت شیر انجام می‌شود. virtualengineer.parker.com

CAREL نیز در دیاگرام‌های EEV خود، Pressure Probe و Temperature Probe را مستقیماً به Driver کنترل سوپرهیت متصل می‌کند. carelparts.com

کاربردها

شیر اکسپنشن الکترونیکی در سیستم‌هایی کاربرد دارد که تغییر بار زیاد، نیاز به کنترل دقیق سوپرهیت یا محدوده عملکرد گسترده وجود دارد.

کاربردهای متداول شامل موارد زیر است

• چیلر و مینی‌چیلر
• هیت‌پمپ
• سردخانه‌های تجاری و صنعتی
• رک‌های تبرید
• تجهیزات سوپرمارکتی
• سیستم‌های DX
• سیستم‌های دارای کمپرسور دورمتغیر
• تجهیزات مجهز به Digital Scroll
• سیستم‌های CO₂ با مدل مخصوص
• سیستم‌های دارای تغییرات شدید بار برودتی

در سیستم‌های Inverter یا Variable Capacity، شیر الکترونیکی می‌تواند جریان مبرد را متناسب با تغییر ظرفیت کمپرسور تنظیم کند. این قابلیت در مقایسه با یک شیر با نقطه عملکرد ثابت، انعطاف بیشتری برای کنترل سیستم ایجاد می‌کند.

معیارهای انتخاب

نوع مبرد

ظرفیت شیر و محدوده عملکرد آن به نوع مبرد وابسته است. یک مدل ممکن است برای چند مبرد تأیید شده باشد، اما این به معنی سازگاری تمام مدل‌های همان خانواده با همه مبردها نیست.

هنگام انتخاب باید نوع دقیق مبرد مشخص شود، به‌ویژه برای

• HFC
• HFO
• A2L
• هیدروکربن‌ها
• CO₂
• سایر مبردهای فشار بالا

Parker برای برخی مدل‌های جدید SERI سازگاری با گروه‌هایی از مبردهای A2، A2L و A3 را اعلام کرده است، اما تأیید نهایی باید برای کد دقیق محصول انجام شود. Parker Hannifin Corporation

ظرفیت شیر

انتخاب فقط بر اساس سایز اتصال صحیح نیست. ظرفیت واقعی شیر به شرایط کاری سیستم بستگی دارد.

پارامترهای مهم شامل موارد زیر هستند

• نوع مبرد
• ظرفیت برودتی
• دمای تبخیر
• دمای تقطیر
• دمای مایع ورودی شیر
• Subcooling
• اختلاف فشار دو طرف شیر
• افت فشار Distributor
• افت فشار خط مایع و تجهیزات جانبی

Parker در ابزار سایزینگ Expansion Valve همین پارامترها را برای انتخاب شیر بررسی می‌کند و تصریح می‌کند که افت فشار تجهیزات خط مایع مانند فیلتر درایر و شیر برقی نیز باید در محاسبه لحاظ شود. virtualengineer.parker.com

اختلاف فشار

یکی از پارامترهای مهم، اختلاف فشار واقعی بین ورودی و خروجی شیر است. ظرفیت عبور شیر با تغییر این اختلاف فشار تغییر می‌کند.

علاوه بر ظرفیت، باید Maximum Operating Pressure Differential یا MOPD همان مدل نیز بررسی شود. مقدار MOPD میان مدل‌ها متفاوت است و نباید یک عدد عمومی برای همه شیرهای الکترونیکی در نظر گرفته شود. Parker Hannifin Corporation

ظرفیت حداقل و حداکثر

EEV باید بتواند در بار کامل و بار جزئی عملکرد قابل‌قبولی داشته باشد. اگر شیر بیش‌ازحد بزرگ انتخاب شود، کنترل در ظرفیت‌های پایین می‌تواند دشوارتر شود؛ اگر بیش‌ازحد کوچک باشد، در بار کامل ممکن است نتواند جریان لازم را تأمین کند.

Parker تأکید می‌کند که انتخاب شیر باید کل دامنه شرایط محتمل سیستم را پوشش دهد و صرفاً ظرفیت Full Stroke ملاک کافی نیست. Parker Hannifin Corporation

این موضوع در سیستم‌های زیر اهمیت بیشتری دارد

• Inverter
• Digital Scroll
• سیستم‌های چندکمپرسوره
• چیلرهای با Turn-down بالا
• سیستم‌های دارای بار متغیر شدید

نوع موتور و Driver

شیر اکسپنشن الکترونیکی بدون Driver یا کنترلر سازگار الزاماً قابل استفاده نیست. نوع موتور و منطق Drive باید با خروجی کنترلر مطابقت داشته باشند.

مشخصاتی که باید بررسی شوند عبارت‌اند از

• Bipolar یا Unipolar بودن موتور
• تعداد فاز
• ولتاژ Drive
• مقاومت سیم‌پیچ
• ترتیب Step
• تعداد Step
• نوع کانکتور
• طول کابل
• فرکانس یا Step Rate مجاز

برای نمونه، Parker در سری SERI از موتورهای Stepper با مشخصات Drive معین استفاده می‌کند و CAREL نیز E2V را با Stator و Driver مخصوص خود کنترل می‌کند. Parker Hannifin Corporation

بنابراین صرف یکسان بودن سایز اتصال یا ظرفیت، سازگاری الکتریکی دو شیر را تضمین نمی‌کند.

سنسورها و کنترلر

EEV بخشی از یک حلقه کنترل است و عملکرد مطلوب آن به صحت داده‌های سنسورها وابسته است. اگر Pressure Transducer یا Temperature Sensor اطلاعات اشتباه ارسال کند، حتی یک شیر سالم نیز می‌تواند در موقعیت نادرست قرار گیرد.

در سیستم کنترل Superheat معمولاً باید موارد زیر با هم سازگار باشند

• نوع EEV
• Driver
• کنترلر
• Pressure Transducer
• Temperature Sensor
• نوع مبرد تعریف‌شده در کنترلر
• پارامترهای Superheat

CAREL صراحتاً نوع مبرد را در محاسبه دمای اشباع و Superheat مؤثر می‌داند. Scribd

MWP و MOPD

دو مشخصه‌ای که در انتخاب شیر نباید با یکدیگر اشتباه گرفته شوند عبارت‌اند از

• MWP / Maximum Working Pressure: حداکثر فشار کاری مجاز بدنه شیر
• MOPD / Maximum Operating Pressure Differential: بیشترین اختلاف فشاری که شیر در آن می‌تواند مطابق طراحی عمل کند

ممکن است شیر از نظر مقاومت بدنه برای فشار سیستم مناسب باشد، اما موتور آن نتواند در اختلاف فشار زیاد شیر را باز یا بسته کند. مقادیر MWP و MOPD باید برای همان مدل بررسی شوند. Parker Hannifin Corporation

در سیستم‌های CO₂ یا سایر کاربردهای فشار بالا، این موضوع اهمیت ویژه‌ای دارد.

جریان یک‌طرفه یا دوطرفه

برخی EEVها برای عبور جریان در هر دو جهت طراحی می‌شوند و می‌توانند در کاربردهای Reversible مانند Heat Pump مفید باشند. اما Bi-directional بودن ویژگی عمومی همه شیرهای اکسپنشن الکترونیکی نیست.

Parker این قابلیت را برای بعضی خانواده‌های SERI اعلام می‌کند و Danfoss نیز برخی ETSها را Bi-flow معرفی می‌کند. Parker Hannifin Corporation

اگر شیر برای هیت‌پمپ یا سیستم چهارطرفه استفاده می‌شود، عملکرد و ظرفیت در هر دو جهت باید از دیتاشیت مدل موردنظر کنترل شود.

Fail-safe و قطع برق

در زمان قطع برق، رفتار شیر اکسپنشن الکترونیکی به نوع موتور، Driver و طراحی سیستم بستگی دارد. بعضی سیستم‌ها از Backup Power برای بستن شیر استفاده می‌کنند.

CAREL برای برخی Driverهای EVD ماژول Ultracap ارائه می‌کند که در زمان قطع برق انرژی کافی برای بستن EEV فراهم می‌کند. Manuals+

این قابلیت عمومی همه EEVها نیست. در زمان طراحی باید مشخص شود که سیستم در قطع برق

• شیر را می‌بندد
• در آخرین موقعیت باقی می‌ماند
• به Solenoid Valve مستقل نیاز دارد
• از باتری یا Ultracap استفاده می‌کند

مزایا و محدودیت‌ها

شیر اکسپنشن الکترونیکی امکان کنترل دقیق‌تر جریان مبرد را در دامنه وسیعی از شرایط کاری فراهم می‌کند. این ویژگی در سیستم‌های دارای بار متغیر و کمپرسور دورمتغیر بسیار ارزشمند است.

مزایای عملی می‌تواند شامل موارد زیر باشد

• کنترل دقیق‌تر Superheat
• عملکرد بهتر در بار جزئی
• سازگاری با ظرفیت متغیر کمپرسور
• امکان کنترل از طریق سیستم مدیریت مرکزی
• تنظیم سریع‌تر نسبت به تغییر شرایط
• امکان عملکرد Bi-flow در مدل‌های مناسب
• کنترل دقیق‌تر جریان در ظرفیت‌های پایین
• قابلیت مانیتورینگ و عیب‌یابی پیشرفته در کنترلرهای مناسب

در مقابل، این سیستم پیچیده‌تر از شیر ترموستاتیکی است و به برق، سنسور و کنترلر وابسته است.

محدودیت‌ها و الزامات آن شامل موارد زیر هستند

• نیاز به Driver سازگار
• نیاز به سنسور فشار و دمای صحیح
• حساسیت به تنظیمات نرم‌افزاری
• حساسیت به آلودگی مدار
• ضرورت Wiring صحیح
• نیاز به Initialization در برخی مدل‌ها
• اهمیت طراحی Fail-safe

نکات نصب

نصب مکانیکی و الکتریکی EEV باید دقیقاً مطابق دستورالعمل سازنده انجام شود. Parker برای Step Motor EEVهای خود بر رعایت روش صحیح اتصال، حفاظت کابل در برابر حرارت و اتصال به Controller مطابق Sequence تعیین‌شده تأکید می‌کند. Parker Hannifin Corporation

نکات مهم نصب شامل موارد زیر است

• رعایت جهت جریان در مدل‌های یک‌طرفه
• رعایت وضعیت نصب مجاز
• جلوگیری از ورود براده و اکسید به شیر
• اجرای صحیح Brazing
• استفاده از نیتروژن هنگام بریزینگ طبق رویه مناسب سیستم
• حفاظت موتور، کابل و قطعات حساس در برابر حرارت
• نصب فیلتر درایر مناسب در خط مایع
• Wiring مطابق دیاگرام Driver
• نصب صحیح Pressure Sensor
• نصب صحیح Temperature Sensor
• انجام Initialization و Commissioning

حفاظت هنگام بریزینگ

دمای بیش‌ازحد می‌تواند به موتور، کابل یا آب‌بندی‌های داخلی آسیب برساند. محدودیت دمای نصب و الزام جداکردن یا جدا نکردن موتور کاملاً به مدل وابسته است.

برای نمونه، Parker برای سری SERI دستورالعمل مشخصی برای Brazing و محافظت از کابل و مجموعه موتور ارائه می‌کند. این دستور نباید به مدل دیگری تعمیم داده شود. Parker Hannifin Corporation

آلودگی و فیلتر درایر

مسیر عبور EEV می‌تواند بسیار دقیق و نسبت به آلودگی حساس باشد. ذرات ناشی از اکسید مس، براده، لحیم یا آلودگی سیستم می‌توانند باعث گیرکردن یا آسیب به سوزن و Seat شوند.

Parker در دستورالعمل‌های EEV خود تأکید می‌کند که سیستم باید عاری از Contaminant باشد. Parker Hannifin Corporation

در نتیجه

• مدار باید قبل از راه‌اندازی تمیز باشد
• فیلتر درایر مناسب استفاده شود
• هنگام Brazing از تشکیل اکسید داخلی جلوگیری شود
• وکیوم و شارژ طبق اصول انجام شود

اشتباهات رایج

یکی از رایج‌ترین خطاها انتخاب شیر فقط بر اساس قطر اتصال است. ظرفیت EEV تابع مبرد، دماهای کاری، اختلاف فشار و بار واقعی سیستم است.

اشتباهات دیگر عبارت‌اند از

• Oversize کردن شیر
• انتخاب بدون توجه به حداقل بار
• نادیده گرفتن MOPD
• استفاده از Driver ناسازگار
• تعریف مبرد اشتباه در کنترلر
• استفاده از Pressure Sensor با Range نامناسب
• نصب نادرست سنسور دما
• Wiring اشتباه فازهای Stepper Motor
• بی‌توجهی به Initialization
• حذف فیلتر درایر
• اعمال حرارت بیش‌ازحد هنگام Brazing
• تصور اینکه همه EEVها Bi-directional هستند
• تصور اینکه همه شیرها در قطع برق خودکار بسته می‌شوند

استعلام شیر اکسپنشن الکترونیکی

برای استعلام شیر اکسپنشن الکترونیکی از تهویه و تبرید آتیه بهتر است اطلاعات عملکردی سیستم، مشخصات کنترلر و شرایط واقعی مدار همزمان اعلام شوند. فقط اعلام ظرفیت نامی دستگاه یا سایز اتصال برای انتخاب دقیق EEV کافی نیست.

در انتخاب نهایی معمولاً باید مواردی مانند نوع مبرد، ظرفیت حداقل و حداکثر، دمای تبخیر و تقطیر، دمای مایع، اختلاف فشار شیر، نوع اتصال، مدل Driver و نوع فرمان موتور بررسی شوند.

در سیستم‌های Inverter، Heat Pump، CO₂، A2L یا کاربردهای فشار بالا، موارد زیر باید مستقیماً از دیتاشیت همان مدل تأیید شوند:

• سازگاری مبرد
• ظرفیت در شرایط طراحی
• MWP
• MOPD
• محدوده دمای مبرد
• نوع موتور
• ولتاژ و Sequence درایو
• تعداد Step
• جهت جریان
• Bi-flow بودن یا نبودن
• مشخصات کابل و کانکتور
• الزامات Fail-safe

منابع

Danfoss – How an ETS Electronic Expansion Valve Works

https://www.danfoss.com/en-in/about-danfoss/our-businesses/cooling/refrigeration-product-animations/ Danfoss

Parker Sporlan – Step Motor Expansion Valves, Installation and Servicing Instructions SD-457

https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Sporlan/Sporlan-pdf-files/Sporlan-pdf-100/SD-457-SERI-PED-CatII.pdf Parker Hannifin Corporation

Parker Sporlan – Electric Expansion Valve Type SERI-F, Bulletin 100-20-4

https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Sporlan/Sporlan-pdf-files/Sporlan-pdf-100/100-20-4.pdf Parker Hannifin Corporation

Parker Sporlan – Virtual Engineer: Expansion Valve Sizing Guide

https://virtualengineer.parker.com/myprojects/Content/help/SVD%20Expansion%20Valves.pdf virtualengineer.parker.com

CAREL – EVD ICE / Electronic Expansion Valve Superheat Control

https://www.carelparts.com/amfile/file/download/file/1927/product/42865/ carelparts.com

CAREL – µChiller, E2V Electronic Expansion Valve and Ultracap Control

https://manuals.plus/m/5d41ef16d8e50bf7ef92a578c7eb8da459cce4528550fa80369d8b22a8567205 Manuals+

موارد بررسی هنگام استعلام

• نوع مبرد و نوع روغن؛ سازگاری باید برای همان مدل شیر تأیید شود
• ظرفیت برودتی سیستم و حداقل و حداکثر بار کاری
• دمای تبخیر و دمای تقطیر در شرایط طراحی
• اختلاف فشار واقعی دو طرف شیر و MOPD موردنیاز؛ مقدار مجاز به مدل وابسته است Parker Hannifin Corporation
• سایز و نوع اتصال ورودی و خروجی شیر
• نوع موتور و فرمان شیر؛ مانند Stepper یا PWM و در صورت استپر، Unipolar یا Bipolar بودن Danfoss
• مدل کنترلر یا Driver و مشخصات الکتریکی موردنیاز شیر
• نیاز به عملکرد یک‌طرفه یا Bi-flow، به‌ویژه در هیت‌پمپ‌ها؛ باید برای همان مدل تأیید شود Parker Hannifin Corporation
• حداکثر فشار کاری و محدوده دمای مجاز موردنیاز
• نوع و مدل ترانسدیوسر فشار و سنسور دمای مورد استفاده برای کنترل سوپرهیت
• برند و کد شیر قبلی، در صورت جایگزینی
• نیاز به مدل مخصوص CO₂، مبردهای A2L یا کاربرد فشار بالا؛ مشخصات باید از دیتاشیت همان کد محصول بررسی شود Parker Hannifin Corporation

لینک های داخلی پیشنهادی

• چیلر و مینی چیلر
• هواساز و ایرواشر
• فن کویل
• داکت اسپلیت