HU222314B1

HU222314B1 - Impulzusos működésű szabályozószelep

Info

Publication number: HU222314B1
Application number: HU0001074A
Authority: HU
Inventors: Travis Chandler; Lance D. Kirol; James W. Langeliers
Original assignee: Rocky Research
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 2003-06-28
Also published as: AU716121B2; HUP0001074A3; KR100331699B1; JP2004286442A; CN1223716A; KR20000065248A; PL188432B1; JP2000511626A; EP0894229B1; ATE258298T1; EP0894229A1; HK1018307A1; JP3644970B2; DE69727297T2; CA2252590A1; DE69727297D1; ES2214619T3; CN1119593C; CZ294459B6; TR199802161T2

Abstract

A szabályozószelep, amely elsősorban hűtőberendezésekhez alkalmazható,egy szeleptestet (10) tartalmaz. A szeleptestben (10) szelepüreg (24),a szelepüregbe (24) bevezető szelepnyílás (28) és a szelepüregből (24)kivezető nyílás van kialakítva. A szabályozószelepnek a szelepnyílást(28) nyitó és záró, és egy nyomásérzékeny elemmel – előnyösenmembránnal (12) – együtt működő szelepeleme (17) van. A nyomásérzékenyelem egyik oldala a nyomásérzékeny elemet a szelepnyílás (28) nyitásairányában terhelő külső nyomásforrással áll összeköttetésben. Aszelepüregből (24) kivezető nyílás a szelepüregbe (24) bevezetőszelepnyílás (28) áramlási keresztmetszeténél kisebb áramlásikeresztmetszetű szűkületként (15) van kialakítva. A nyomásérzékenyelem másik oldala a szelepüregben (24) fennálló, a nyomásérzékenyelemet a szelepnyílás (28) zárása irányában terhelő nyomással állösszeköttetésben. ŕ

Description

A találmány tárgya impulzusos működésű szabályozószelep, elsősorban hűtőberendezésekhez.

A legtöbb hűtőrendszer fontos része egy fojtóeszköz, amely szabályozza az elpárologtatóba áramló folyékony hűtőközeg tömegáramát, és a hűtőközeg nyomását a kondenzációs nyomásról az elpárologtatási nyomásra csökkenti. Fojtóeszközként általában termosztatikus expanziós szelepet, impulzusszélesség-modulációval működő mágnesszelepet, valamint passzív eszközöket, például kapilláriscsövet vagy fojtótárcsát szokás használni. A kis teljesítményű hűtőrendszereknél, például háztartási hűtőgépeknél általában kapilláriscsövet használnak, amely megfelelő méretezés esetén is csak egyetlen üzemállapotnál képes optimális hűtőközegáramot biztosítani. így tehát a tervezési munkapontnál nagyobb terhelés esetén a kapilláriscső túl kevés hűtőközeget juttat az elpárologtatóba, kis terhelésnél pedig túl sokat. Mindkét esetben csökken a hűtőrendszer hatásfoka.

Közismert, hogy aktív expanziós készülékekkel, például termosztatikus expanziós szelepekkel növelhető a hatásfok, mivel ezek minden terhelésnél megfelelő mennyiségű hűtőközeget juttatnak az elpárologtatóba. Hűtőrendszer kondenzátora és elpárologtatója között a hűtőközeg áramlását szabályozó termosztatikus expanziós szelepeket ismertetnek az US 4 959 973 és az EP 0 560 535 számú szabadalmi leírások. Ezek a szelepek egy szeleptestet tartalmaznak, amelyben szelepüreg, a szelepüregbe bevezető szelepnyílás és a szelepüregből kivezető nyílás van kialakítva. A szelepüregből kivezető nyílás legalább olyan nagy, mint a szelepüregbe bevezető szelepnyílás. A szelepbe egy membrán van beépítve, amely érzékeli az elpárologtatóban fennálló nyomást, és ennek függvényében egy szelepelem segítségével folyamatosan változtatja a szelepnyílás áramlási keresztmetszetét.

A különböző aktív expanziós készülékek és termosztatikus expanziós szelepek azonban nem használhatók jól a kis hűtőrendszereknél, mert a kis hűtőközegáramokat pontatlanul szabályozzák, és további nehézséget okoz az, hogy a kis hűtőközegáramhoz tartozó kis szelepnyílások nagyon könnyen eldugulnak.

Célunk a találmánnyal az ismert termosztatikus expanziós szelepek említett hátrányainak kiküszöbölése, és olyan szabályozószelep létrehozása, amely kis szelepnyílás nélkül is képes kis hűtőközegáramokat szabályozni.

A találmány szerinti impulzusos működésű szabályozószelep egy szeleptestet tartalmaz, a szeleptestben szelepüreg, a szelepüregbe bevezető szelepnyílás és a szelepüregből kivezető nyílás van kialakítva, továbbá a szabályozószelepnek a szelepnyílást nyitó és záró, és egy nyomásérzékeny elemmel együtt működő szelepeleme van, és a nyomásérzékeny elem egyik oldala a nyomásérzékeny elemet a szelepnyílás nyitása irányában terhelő külső nyomásforrással áll összeköttetésben. A szelepüregből kivezető nyílás a szelepüregbe bevezető szelepnyílás áramlási keresztmetszeténél kisebb áramlási keresztmetszetű szűkületként van kialakítva, és a nyomásérzékeny elem másik oldala a szelepüregben fennálló, a nyomásérzékeny elemet a szelepnyílás zárása irányában terhelő nyomással áll összeköttetésben. A nyomásérzékeny elem célszerűen egy membrán.

A szabályozószelep egy előnyös kiviteli alakja egy rugót tartalmaz, amely a szelepelemet a szelepüregbe bevezető szelepnyílás zárása irányában feszíti elő.

Egy további előnyös kiviteli alaknál a szelepüregbe bevezető szelepnyílás áramlási keresztmetszete legalább 2-szer, előnyösen 10-20-szor akkora, mint a szelepüregből kivezető szűkület áramlási keresztmetszete.

A jelen találmány szerinti szabályozószeleppel kis nyílások nélkül is pontosan szabályozható akár néhány g/h nagyságú hűtőközegáram is. Ez a szelep azonban nemcsak hűtőberendezéseknél használható kis térfogatáramok szabályozására, hanem kiválóan alkalmas kis gőzkompresszoros hűtőrendszerekhez, valamint abszorpciós hűtőgépekhez, például abban az esetben is, ha a hűtőgép teljesítménye 200 W alatt van, és különösen olyan esetekben, ahol a hűtőteljesítmény 10 és 100 W között van.

A találmány szerinti termosztatikus expanziós szelepet úgy méretezzük, hogy szelepüregének térfogata kisebb legyen a hűtőberendezés elpárologtatójának térfogatánál.

Amikor nyitva van a szelep, a szelepüregbe bevezető nagyobb szelepnyílás és a szelepüregből kivezető szűkület áramlási keresztmetszetének aránya miatt gyorsan emelkedik a nyomás a szelepüregben. A szűkület miatt a szelepüregben lévő nyomás elég hosszú ideig az elpárologtatóban uralkodó nyomás fölött marad ahhoz, hogy a szelep gyorsan lezárhassa a nyitott szelepnyílást. A szelep fontos jellemzője és funkciója ennek megfelelően az, hogy a szelepüregben létrejött gyors nyomásnövekedést a szelepnyílás gyors zárása követi. A szelep működése tehát pulzáló üzemként, és nem moduláló üzemként jellemezhető, és emiatt könnyebben szabályozhatók vele a kis hűtőközeg-áramú hűtőrendszerek.

Az elpárologtatóban kialakult túlhevítési állapotot előnyösen egy csőtágulat vagy egyéb eszköz érzékeli, amely nyomást fejt ki a membrán egyik oldalára. A membrán a két oldalára ható erők egyensúlyától függően szabályozza a szelepnyílás nyitását és zárását. Egy másik kiviteli alaknál propilénglikolt, etilénglikolt vagy vizet tartalmazó ammóniával töltött csőtágulat használható ammónia hűtőközegű hűtőrendszereknél, és propilénglikolt vagy etilénglikolt tartalmazó dimetil-éterrel töltött csőtágulat használható a fluor-karbon-hűtőközeggel működő hűtőrendszereknél a találmány szerinti, membránszabályozású termosztatikus expanziós szelep működtetésére.

A találmány szerinti szabályozószelep jól bevált viszonylag kis teljesítményű hűtőrendszereknél, hőszivattyúknál, hűtőgépeknél és/vagy fagyasztóknál.

A találmányt a továbbiakban kiviteli példa és rajz alapján részletesen ismertetjük. A rajzon az

1. ábra: a találmány szerinti szabályozószelep hosszmetszete, és a

2. ábra: egy találmány szerinti szabályozószeleppel ellátott elpárologtató vázlata.

Az 1. ábrán kis teljesítményű abszorpciós vagy kompresszoros hűtőgépekhez vagy hűtőberendezésekhez külö2

HU 222 314 Β1 nősen alkalmas termosztatikus expanziós szelep látható. Az ábrázolt szelepnek 10 szelepteste van, amelyben egy belső 24 szelepüreg van kialakítva. A 20 szelepülés egy 28 szelepnyílást határol, amelyet a 17 szelepelemen elhelyezett 16 tömítés zár vagy nyit, amikor egy 12 membrán mozgásának megfelelően felfelé vagy lefelé mozdul el egy 22 szelepemelő és egy 13 dugattyú közvetítésével, amelyeket egy 14 rugó nyom neki a 12 membránnak. Ezenkívül a szerelvénynek 11 csatlakozócsonkja, 18 belépőcsöve és 19 kilépőcsöve van. A 12 membránt a 11 csatlakozócsonkhoz kapcsolódó (de az 1. ábrán nem látható) csőtágulatban uralkodó nyomás a 22 szelepemelőhöz nyomja. A 18 belépőcső egy (az 1. ábrán nem látható) kondenzátorhoz vagy folyékony hűtőközeget tartalmazó tartályhoz csatlakozik, a 19 kilépőcső pedig a hűtőrendszer elpárologtatójához. A belső 24 szelepüreg és a 19 kilépőcső között az áramlást fojtó 15 szűkület van kialakítva. A 13 dugattyút és a szelepfejként kialakított 17 szelepelemet egy 23 szelepszár köti össze. A 13 dugattyút a 14 rugó a 12 membrán felé feszíti, és ezzel zárni igyekszik a 28 szelepnyílást. All csatlakozócsonkon át a 12 membránra ható nyomás a 12 membránt a 22 szelepemelő és a 13 dugattyú felé nyomja, aminek következtében a 14 rugó összenyomódik, a 16 tömítés lefelé mozdul el, és nyitja a 28 szelepnyílást. A 24 szelepüregben uralkodó nyomás szintén a 28 szelepnyílás nyitása irányában hat a 17 szelepelemre. A szelep zárása irányában a következő erők hatnak: a 12 membrán alsó oldalára az elpárologtató felől ható nyomás, azaz a 24 szelepüregben uralkodó nyomás; a 14 rugó ereje; és a 17 szelepelemre a kondenzátor felől a 18 belépőcsövön keresztül ható nyomás. Ha a nyitóirányú erők összege nagyobb, mint a záróirányú erők összege, akkor a szelep kinyílik, egyébként zárva marad. Alternatív megoldásként a szelep úgy is kialakítható, hogy a kondenzátor nyomása hat nyitóirányban a szelepre. Mindazonáltal a szelepnek az

1. ábrán bemutatott előnyös kiviteli alakjánál a kondenzátomyomás záróirányban hat, mivel ammónia hűtőközeg alkalmazása esetén viszonylag nagy a kondenzátorban uralkodó nyomás.

A szelep az elpárologtatóhoz menő hűtőközegáramot szakaszosan a nyitott és a zárt állapot közötti gyakori átváltással, és nem a hűtőközegáram folyamatos modulálásával szabályozza. A szelep megfelelő működéséhez arra van szükség, hogy a 28 szelepnyílás úgy legyen méretezve, hogy a 24 szelepüregben a nyomás gyorsan a csőtágulatban kialakult nyomás fölé emelkedhessen, és a szelep lezárjon. Üzembe helyezéskor a csőtágulat környezeti hőmérsékleten van, és a benne uralkodó nyomás nagyjából megegyezik a kondenzátomyomással. A belépő 28 szelepnyílásnak olyan nagynak kell lennie, hogy a 24 szelepüreg nyomása közel a kondenzátomyomásra emelkedjen, miközben a 15 szűkületen át hűtőközeg áramlik ki a 24 szelepüregből. Tehát a hűtőközeg átáramlása közben a belépő 28 szelepnyílásnál mindenképpen csak kisebb nyomásesés keletkezhet, mint a kilépő 15 szűkületnél.

A találmány szerinti termosztatikus expanziós szelep fontos megkülönböztető jellemzője a fojtást biztosító 15 szűkület a szelep és a rendszer elpárologtatója között. További fontos jellemző az, hogy kicsi a 28 szelepnyílásnál lévő 20 szelepülés és a 15 szűkület közötti belső 24 szelepüreg térfogata. Az 1. ábra szerint a fojtást előidéző 15 szűkület a 24 szelepüreg és az elpárologtató között van elhelyezve. A 15 szűkülethez a kondenzált hűtőfolyadékot elvezető 19 kilépőcső csatlakozik. Ez a kialakítás biztosítja, hogy a 12 membránnak az elpárologtató felőli oldalára legalább akkora nyomás hasson, mint amekkora az elpárologtatóban uralkodik. Ennek következtében, amikor nő a nyomás a 12 membránnak a csőtágulattal összekötött 11 csatlakozócsonk felőli oldalán, vagy amikor a 19 kilépőcsövön át csatlakoztatott elpárologtató nyomása az egyensúlyi értékre csökken, kinyit a szelep; a nyitott szelepen átáramló hűtőközeg a 15 szűkület előtt torlódik, ezért megnő a nyomás a 24 szelepüregben, és emiatt gyorsan újra lezár a szelep. Miközben a 15 szűkületen át hűtőközeg áramlik ki az elpárologtató felé, a szelepházban és a 24 szelepüregben, valamint a 12 membránnak az elpárologtató felőli oldalán annyira lecsökken a nyomás, hogy emiatt újra kinyit a szelep. A nyitott 28 szelepnyíláson keresztül egy kevés folyékony hűtőközeg áramlik be a 24 szelepüregbe, ezért a szelep gyorsan újra lezár, és nem enged be több folyékony hűtőközeget mindaddig, amíg az előző „adag” nem áramlik át az elpárologtatóba. A szelep működése tehát pulzáló üzemként, és nem moduláló üzemként jellemezhető, és emiatt könnyebben szabályozhatók vele a kis hűtőközeg-áramú hűtőrendszerek.

A 28 szelepnyílás és a 15 szűkület relatív méretkülönbsége miatt a 24 szelepüregben gyorsan növekszik a nyomás, és ennek eredményeként a 28 szelepnyílás nyitásától számított 1/2 másodpercen vagy még rövidebb időn belül újra lezár a szelep. A nyomásnövekedés és a 28 szelepnyílás lezárása ennél gyorsabban is lejátszódhat, úgyhogy a szelep másodpercenként 60 ciklusra is képes. Szükség esetén azonban a ciklusszám csökkenthető, például óránként egy ciklusra.

A 15 szűkület minimális méretét abból a feltételből lehet kiszámítani, hogy a tervezett maximális áramlási sebességnél a hűtőközeg gőzáramának nyomásesése megegyezzen a csőtágulat nyomásának elfogadható maximális növekedésével, de azért a gyakorlatban ne legyen túl kicsi érték. A 24 szelepüregbe bevezető 28 szelepnyílás áramlási keresztmetszetének nagyobbnak kell lennie, mint a 24 szelepüregből kivezető 15 szűkület keresztmetszetének. A 15 szűkület méretétől vagy keresztmetszetétől függetlenül a 28 szelepnyílás áramlási ellenállásának kisebbnek kell lennie, mint az elpárologtató áramlási ellenállása. Üzem közben a 28 szelepnyíláson keresztül többnyire folyadék áramlik át, míg az elpárologtatóban kétfázisú áramlás jön létre. Tehát amíg nyitva van a szelep, addig a szelepbe beáramló tömegáram sokkal nagyobb, mint a szelepet elhagyó tömegáram; emiatt nő a 24 szelepüregben a nyomás, aminek következtében a szelep gyorsan lezár.

A 24 szelepüreg effektív térfogata kisebb az elpárologtató térfogatánál. A 20 szelepülés és a 15 szűkület közötti 24 szelepüreg térfogatának olyan nagynak kell lennie, hogy a szelep ne kezdjen saját frekvenciájánál gyorsabban pulzálni, és olyan kicsinek kell lennie,

HU 222 314 Bl hogy csak annyi folyadékot fogadjon be, amennyit az elpárologtató képes elpárologtatni. A 24 szelepüregben lévő alkatrészek csökkentik a 24 szelepüreg effektív térfogatát. A 15 szűkület méretének vagy keresztmetszetének elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy ne tömődjék el, és ugyanakkor elég kicsinek ahhoz, hogy a hűtőfolyadék a fentiekben leírt szempontoknak megfelelően szivárogjon át az elpárologtatóba. A 28 szelepnyílás és a 15 szűkület méretei befolyásolják a rendszer későbbiekben leírt reakcióidejét is. A 15 szűkület keresztmetszetének a 28 szelepnyílás keresztmetszetéhez viszonyított célszerű aránya legalább 1:2, de előnyösebben 1:4, még előnyösebben 1:20, legelőnyösebben pedig 1:10-1:20. Ennek megfelelően a 28 szelepnyílás keresztmetszete legalább a kétszerese vagy a többszöröse a 15 szűkület keresztmetszetének; ez az arány célszerűen 10-20-szoros, hogy gyorsan emelkedjen a nyomás a 12 membrán alatt, és ennek következtében gyorsan újra lezárjon a szelep. Nyilvánvaló, hogy a 28 szelepnyílás effektív keresztmetszetét csökkenti minden olyan alkatrész, amely ott akadályozza a hőfolyadék áramlását. A tervezésnél tehát figyelembe kell venni például a 23 szelepszár által elfoglalt keresztmetszetet, és minden más, az áramlás útjában lévő alkatrészt.

A 2. ábrán egy 30 elpárologtató látható, melynél egy 32 csőtágulat van elhelyezve az elpárologtatócső túlhevített részében. A 32 csőtágulat egy 31 csővezetéken keresztül a szelep 11 csatlakozócsonkjával van összekötve, ezért a 12 membrán feletti térben (1. ábra) ugyanakkora a nyomás, mint a 32 csőtágulatban. A 30 elpárologtató nagy részében forrásban van a hűtőközeg, azaz kétfázisú áramlás áll fenn. Az áramlás irányában haladva a folyadék egyre nagyobb része párolog el; az FI front azt a helyet jelöli, ahol elfogy a folyadékfázis, és a hűtőközeg túlhevített gőz alakjában áramlik tovább. Ha változik a hűtőközegáram, megváltozik a 32 csőtágulatban a nyomás és a hőmérséklet. Az, hogy a változás milyen gyorsan - milyen reakcióidővel - következik be, a 32 csőtágulat töltetétől, a hűtőközegtől, a szelepméretektől stb. függ. Reakcióidőként értelmezhető az az idő is, amely a szelep lezárásától (ez azért következik be, mert a 24 szelepüregben csökken a nyomás, miközben hűtőfolyadék áramlik ki a 15 szűkületen keresztül a 30 elpárologtatóba) a szelep újbóli nyitásáig tart. Amikor a szelep lezár, csökkenni kezd a 24 szelepüregben a nyomás, és - a 32 csőtágulatban fennálló hőmérséklettől és nyomástól függően - a szelep akkor is újra kinyithat, ha a 24 szelepüregben még nagyobb a nyomás, mint a 30 elpárologtatóban. Határesetben azonban a 32 csőtágulat közel a kívánt túlhevítési hőmérsékleten lesz, a 24 szelepüregben a nyomás közel a 30 elpárologtató nyomására fog csökkenni, és a szelep csak akkor fog kinyitni, ha a 32 csőtágulatban nő a hőmérséklet és a nyomás. Mivel normál üzemben a szelep zárt állapotában egyre kevesebb hűtőközeg kerül a 24 szelepüregből a 30 elpárologtatóba, a forrásban levő, párolgó hűtőközeget tartalmazó kétfázisú áramlás tartománya és a túlhevítési tartomány közötti FI front a 32 csőtágulattól távolodva lassan visszafelé húzódik a 30 elpárologtató bemenete felé. A növekvő túlhevítési tartományban a gőz egyre jobban túlhevül, mielőtt eléri a 32 csőtágulatot. Végül a 32 csőtágulatban a nyomás annyira megnő, hogy nyitja a szelepet, amelyen át ismét hűtőközeg áramlik be a 30 elpárologtatóba; ezért az FI front előbbre tolódik a 32 csőtágulat felé, ahol csökken a hőmérséklet és a nyomás. A szelep minden nyitása után a szelep újra lezár, amint a 24 szelepüregben a nyomás lényegesen nagyobb lesz, mint a 30 elpárologtatóban. A zárást követően a 24 szelepüregben csökken a nyomás, és a szelep újra kinyit, ha a csőtágulat nem hűlt le a beállított túlhevítési hőmérséklet alá. Normál esetben a 32 csőtágulatban a nyomásváltozás reakcióideje (amelyet attól az időponttól számítunk, amikor a hűtőközeg a 30 elpárologtatóba kezd áramlani) lassú a 24 szelepüreg nyomáscsökkenésének reakcióidejéhez képest, és a szelep egynél többször is kinyit, mielőtt a 32 csőtágulat lehűl a kívánt túlhevítési hőmérsékletre (vagy az alá). Tehát a 24 szelepüregben a nyomás gyorsabban csökken, mint ahogy a 32 csőtágulatban nő azután, hogy hűtőközeget adagolunk az elpárologtatóba. Célszerűen a szelep nyomáscsökkenési reakcióideje kisebb a 32 csőtágulat reakcióidejének egyharmadánál. Mindenesetre a szelep nyílásainak nem szabad annyi hűtőközeget engedniük a 30 elpárologtatóba, hogy az - a 32 csőtágulat előtti (és esetleg, ha van, az az utáni) túlhevítési szakaszt is beleértve - teljesen megteljen, azaz folyékony hűtőközeg „árassza el” ezeket a szakaszokat is. Bár a 24 szelepüreg nem minden szelepnyitásnál töltődik fel teljesen, a biztonság kedvéért a szelepet úgy tervezzük meg, hogy a 30 elpárologtató elárasztása még akkor se fordulhasson elő, ha a 24 szelepüreg teljesen megtelik a hűtőközeggel. Ezért a 24 szelepüreg effektív térfogatát célszerűen 30%-kal kisebbre kell választani a 30 elpárologtató túlhevítési zónájának térfogatánál.

Annak érdekében, hogy a hűtőrendszer meleg elpárologtatóval történő üzembe helyezése esetében is a lehető legkevesebb probléma adódjon, a 32 csőtágulat töltetét megfelelően kell megválasztani. Ha a 32 csőtágulat ugyanolyan hűtőközeggel van megtöltve, mint amilyen a rendszerben található, akkor a túlhevítési nyomás a szelepet záró rugóerő és a kondenzátor felől a 17 szelepelemre ható erő összegének felel meg. Ha a túlhevítési nyomás úgy van beállítva, hogy a 30 elpárologtató normál üzemi hőmérsékletén legyen megfelelő a túlhevítés, akkor ugyanez a nyomáskülönbség sokkal kisebb túlhevítési hőmérsékletnek felel meg, ha a 30 elpárologtató a környezeti hőmérsékleten és nyomáson van. Ha viszont túl alacsony a túlhevítési hőmérséklet, akkor üzembe helyezéskor a 30 elpárologtatót elárasztja a hűtőközeg, amíg az kellően le nem hűl. A legtöbb kompresszoros hűtőrendszernél emiatt ugyan erősen csökken a rendszer hatásfoka, de azért működőképes marad a rendszer. Ezzel szemben a kis teljesítményű abszorpciós hűtőrendszereknél, különösen a periodikus működésűeknél, sosem lesz képes lehűlni a 30 elpárologtató, mert visszamelegszik a deszorpciós ciklus közben. Az egyik hagyományos megoldás az, hogy a 32 csőtágulatot csak gőzzel töltik meg egy meghatározott nyomásig. Gőztöltet esetén a szelep egy meghatározott nyomásra szabályozza a 30 elpárologtatót mindad4

HU 222 314 Bl dig, amíg a 32 csőtágulat a kondenzációs hőmérséklet alá hűl le, ahol a szelep már egy igazi termosztatikus expanziós szelepként fog működni. Korlátozott csőtágulattöltetnél a kondenzáció nem a 32 csőtágulatban, hanem a 32 csőtágulat körében lévő hidegebb helyeken, például a 12 membránnál következik be, és ezért a 32 csőtágulat hőmérséklete nem fogja a szelepet szabályozni. Tehát a 32 csőtágulatnak kell a körben a leghidegebb pontnak lennie, vagy a 32 csőtágulatnak akkora töltettel kell rendelkeznie, hogy az megtöltse a membránüreget és a kapilláriscsövet, és maradjon folyadék a 32 csőtágulatban is. A 12 membránon létrejövő kondenzáció elkerülhető, ha a szelepet egy viszonylag meleg helyre helyezzük, de ez hűtési veszteséget okoz, ami csökkenti a hatásfokot és a kisebb rendszerek hűtőteljesítményét.

A fentebb említett szelepszabályozási problémák megoldhatók, ha a 32 csőtágulatot olyan töltettel töltjük meg, melynek gőznyomása és hőmérséklet-nyomás görbéjének meredeksége különbözik a rendszer hűtőközegéétől. Ezt kereszttöltetnek nevezik. A kívánt tulajdonságú kereszttöltethez tiszta anyagok gyakran nem alkalmasak, vagy pedig toxicitásuk, veszélyességük vagy magas áruk miatt gyakorlatilag nem használhatók. Ezért helyettük szorpciós tölteteket vagy keverékeket szokásos használni. Gyakran jól megfelelnek az elpárologtatóban használatos hűtőközeg és egy gőznyomást csökkentő anyag keverékéből képzett szorpciós töltetek. Azonban, hogy a gáz gyorsan abszorbeálódjék a csőtágulattöltet oldatában, ajánlatos poláris anyagokat használni. A hidrogénkötés létesítésére képes anyagok nagyon alkalmasak e célra.

Egy előnyös csőtágulattöltet viszonylag állandó túlhevítést tesz lehetővé az elpárologtató teljes várható hőmérséklet-tartományában. Például, ha ammóniát használunk csőtágulattöltetként egy ammóniás hűtőrendszerben, és 10 °C-os túlhevítésnek megfelelő rugóerőt állítunk be -35 °C-nál, akkor az indításkor +20 °C-os elpárologtatónál csak 1 vagy 2 °C-os túlhevítés jön létre, ami megnehezíti az üzembe helyezést meleg csőtágulat mellett. Ha viszont egy ammóniából és egy alkalmas kisebb gőznyomású anyagból (például vízből vagy propilénglikolból) álló keveréket használunk, akkor közel állandó nagyságú túlhevítés jön létre az elpárologtatóban uralkodó bármely nyomásnál, és emiatt sokkal kisebb rugóerőre van szükség.

Ammónia hűtőközegnél a szorpciós csőtágulattöltetek közül különösen jól használhatók az ammónia-víz keverékek, az ammónia-alkohol keverékek, és az ammónia-glikol keverékek. Ezekben az ammónia 5 és 70 tömegszázalék közötti koncentrációban található. Az éterek, a glikol-éterek, a poliéterek, az amidok, a poliamidok, az észterek és a poliészterek szintén alkalmas abszorbensek az ammóniához, és a csőtágulattöltet egyik komponenseként használhatók. A kis molekulasúlyú glikolokból (etilénglikol, propilénglikol) és 10-50 tömegszázaléknyi ammóniából alkotott keverékek igen jól használhatók, mert (1) egyik komponens sem fagy meg szeparálódás esetén az elpárologtató várható hőmérsékletén, (2) a szorbensek polárisak és képesek hidrogénkötésre, ezáltal jól abszorbeálják az ammóniát, (3) nem drágák és nem vagy alig mérgezőek, (4) nem korrozívak, és (5) a keverék koncentrációja úgy állítható be, hogy a kívánt hőmérsékleti reakció és túlhevítés jöjjön létre. A propilénglikolt és/vagy etilénglikolt, valamint 40-95% közötti dimetil-étert tartalmazó keverékek szintén kiválóan alkalmazhatók az ammónia hűtőközeghez.

A legtöbb fluor-karbon-hűtőközeg nem poláris, és nem képes hidrogénkötés létesítésére. Ha a hűtőközeg egy fluor-karbon, és szorbens csőtágulattöltetre van szükség, akkor csőtágulattöltetként olyan poláris gázt használunk, amelynek gőznyomása közel van a rendszer hűtőközegének gőznyomásához, és a gőznyomást csökkentő poláris abszorbenst keverünk hozzá, hogy kiküszöböljük a membránon és más helyeken fellépő kondenzáció problémáját. Például R134a (tetrafluoretán) hűtőközegnél a csőtágulattöltet a fentebb említett víz-ammónia keverék lehet 5-85 tömeg% közötti ammóniát tartalmazva, és dimetil-éter-propilénglikol vagy -etilénglikol keverék, amely 40-95 tömegszázalék dimetil-étert tartalmaz. Az ammónia-propilénglikol és/vagy -etilénglikol keverékek, melyek 10-70 tömeg% közötti ammóniát tartalmaznak, szintén igen jól használhatók tetrafluor-etán-hűtőközegnél.

Ha a rendszer hűtőközege nem lenne ideális a csőtágulattöltet komponenseként, mert nem poláris, akkor a csőtágulattöltethez jól használható gáz-szorbens keverék például a dimetil-éter, a kis móltömegű éterek (Cj-Cg), a rövid szénláncú alifás tercier aminok (Cj-C₆) és a rövid szénláncú alifás ketonok (Cj-C₆), valamint a következő anyagok közül választott abszorbensek: propilénglikol, etilénglikol, alkoholok, glikoléterek, poliészterek, di-, tri- és polialkoholok, di-, triés poliaminok, amidok, poliamidok és víz. Az ammónia, a metil-amin és a kis móltömegű aminok (Cj-C₆) a következők közül választott abszorbensekkel használhatók: alkoholok, glikolok, di-, tri- és polialkoholok, éterek, glikol-éterek, poliéterek, amidok, poliamidok, észterek, poliészterek és víz.

A csőtágulattöltet kiválasztása után célszerű a túlhevítés megengedett maximális növekedését a legnagyobb hűtőközegáramnál meghatározni, és a csőtágulattöltet gőznyomására konvertálni. Például, egy -35 °C hőmérsékleten ammóniával működő elpárologtatónál 10 °C tervezett túlhevítés mellett, ha a csőtágulatban 66 tömeg% ammónia és 34 tömeg% etilénglikol található, akkor a maximális hűtőközegáramnál 1 °C elfogadható túlhevítés-növekedéshez a megfelelő nyomások a következők:

Elpárologtató nyomása= 92,88 IO³ Pa -35 °Cnál

Csőtágulattöltet nyomása= 99,07 10³ Pa -25 °Cnál (10 °C túlhevítés)

Csőtágulattöltet nyomása= 103,88 10³ Pa -24 °Cnál (11 °C túlhevítés).

A szelep 15 szűkületét úgy méreteztük, hogy 4,81 · 10³ Pa nyomásesés jöjjön létre a maximális hűtőközegáramnál.

Például egy 15-25 W hűtőteljesítményű, ammónia hűtőközegű abszorpciós rendszerben, amelyben az elpá5

HU 222 314 BI rologtató hőmérséklete -32 °C, és a kondenzátor hőmérséklete 50-60 °C volt, az alábbi méretekkel rendelkező szelepet használtuk:

A 15 szűkület átmérője: 0,054 cm

A 28 szelepnyílás átmérője: 0,20 cm

A szelep belső térfogata (24 szelepüreg): 1 cm³

A rendszer 30 elpárologtatójának térfogata: 15 cm³.

A találmány szerinti termosztatikus expanziós szelep használható a túlhevítés szabályozására, amikor hűtőközeget használunk a 32 csőtágulat oldalán, és nyomásszabályozóként a 30 elpárologtató nyomásának szabályozására, ha fix gáznyomást vagy rugóerőt alkalmazunk a 12 membránnak a 32 csőtágulat felőli oldalán. A kondenzátomyomásnak a nyomásszabályozásra gyakorolt hatása kiküszöbölhető oly módon, hogy a 32 csőtágulat oldalán lévő gáztöltetet termikus kontaktusba hozzuk a kondenzátorral. Ha megfelelő arányt választunk a 12 membrán felülete és a 28 szelepnyílás keresztmetszete között, teljesen kiküszöbölhetjük a kondenzátomyomásnak az erőegyensúlyra gyakorolt hatását a normál üzemi tartományban.

A találmány szerinti szelep alkalmazható minden olyan hűtőgépben, fagyasztóban vagy egyéb hűtőberendezésben, melynél szabályozni kell az elpárologtatóba áramló folyékony hűtőközeget. A szelep kiválóan alkalmas viszonylag kis teljesítményű hűtőrendszerekhez, melyeknél a hűtőközegáram 12 kg/h alatt van. Sőt, e szelep használata még előnyösebb az olyan rendszereknél, ahol a hűtőközegáram 6 kg/h alatt van, különösen pedig olyan rendszereknél, ahol a hűtőközegáram 3 kg/h alatt van. Ahol a hűtőközegáram még ennél is kisebb, például 5 és 75 g/h között van, mint például a fentebb ismertetett ammóniás hűtőrendszereknél, ott a találmány szerinti szelep különösen hasznos. Hűtőteljesítményben kifejezve a szelep jól használható az 1000 Wnál kisebb teljesítményű rendszerekben, kifejezetten jól az 500 W-nál kisebbekben, rendkívül jól a 250 W-nál kisebbekben, főként pedig a 100 W-nál kisebbekben. A szelep hatékonyan és kiválóan használható a 10 és 100 W közötti, nagyon kis teljesítményű, ammóniás hűtő- vagy fagyasztórendszereknél is.

A szelep használható bármely hűtőközeggel működő rendszerhez, ideértve a CFC, HFC és HCFC fluorkarbon-hűtőközegeket, a nem poláris hűtőközegeket, például az US 5 441 995 és az US 5 477 706 számú szabadalmi leírásokban ismertetetteket. A szelep használható a mechanikus kompresszorral működő gőzkompressziós rendszereknél, valamint például az US 08/390678 számú szabadalmi bejelentésben leírt kis teljesítményű termikus kompresszoros abszorpciós hűtőberendezéseknél. E berendezéseknek egy vagy több szorbensük van, amelyek egy szilárd szorpciós anyagot tartalmaznak, ami képes felváltva adszorbeálni és deszorbeálni egy gáz-halmazállapotú hűtőközeget. A szilárd szorbens bármilyen alkalmas anyag lehet, például zeolit, aktivált alumíniumoxid, aktivált szén, szilikagél vagy fém-hidrid. Előnyös szorbensek a komplex vegyületek, amelyek egy poláris gáz-halmazállapotú hűtőközegnek egy fémsón történő adszorpciójával hozhatók létre, például az US 4 848 994 számú szabadalmi leírás szerint. Különösen előnyösek az olyan eljárással létrehozott komplex vegyületek, amelynél a sűrűséget a komplex vegyület térfogatexpanziójának korlátozásával optimalizálták, például az US 5 298 231 és az 5 328 671 számú szabadalmi leírások szerint. E komplex vegyületek lényegesen nagyobb reakciósebességre képesek az ilyen térfogati expanziós korlátozás és sűrűségszabályozás nélkül létrehozott komplex vegyületek reakciósebességéhez képest. E szorbensek közé tartoznak a fémsók és komplex vegyületek, valamint ezeknek a fentebb említett vegyületekkel alkotott keverékei.

Bár a találmány szerinti szelepet elsősorban hűtőtechnikai alkalmazásokhoz ismertettük, azért az jól használható nyomásszabályozó szelepként más alkalmazási területeken is. Nagyon hasznos szerepet tölt be a szelep nyomásszabályozóként minden olyan esetben, ahol kis térfogatáramokat kell szabályozni, és az ismert moduláló nyomásszabályozók erre már nem képesek. A szelepüregben lévő nyomással szemben alkalmazott nyomás-előfeszítés mechanikus eszközzel, például rugónyomással vagy fluidum (folyadék vagy gáz) nyomásával hozható létre.

Claims

1. Impulzusos működésű szabályozószelep, elsősorban hűtőberendezésekhez, amely egy szeleptestet tartalmaz, a szeleptestben szelepüreg, a szelepüregbe bevezető szelepnyílás és a szelepüregből kivezető nyílás van kialakítva, továbbá a szabályozószelepnek a szelepnyílást nyitó és záró, és egy nyomásérzékeny elemmel együtt működő szelepeleme van, és a nyomásérzékeny elem egyik oldala a nyomásérzékeny elemet a szelepnyílás nyitása irányában terhelő külső nyomásforrással áll összeköttetésben, azzal jellemezve, hogy a szelepüregből (24) kivezető nyílás a szelepüregbe (24) bevezető szelepnyílás (28) áramlási keresztmetszeténél kisebb áramlási keresztmetszetű szűkületként (15) van kialakítva, és a nyomásérzékeny elem másik oldala a szelepüregben (24) fennálló, a nyomásérzékeny elemet a szelepnyílás (28) zárása irányában terhelő nyomással áll összeköttetésben.

2. Az 1. igénypont szerinti szabályozószelep, azzal jellemezve, hogy a nyomásérzékeny elem egy membrán (12)·

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti szabályozószelep, azzal jellemezve, hogy a szelepelemet (17) a szelepüregbe (24) bevezető szelepnyílás (28) zárása irányában előfeszítő rugót (14) tartalmaz.

4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti szabályozószelep, azzal jellemezve, hogy a szelepüregbe (24) bevezető szelepnyílás (28) áramlási keresztmetszete legalább 2-szer, előnyösen 10-20-szor akkora, mint a szelepüregből (24) kivezető szűkület (15) áramlási keresztmetszete.