PL188432B1 - Zawór o działaniu pulsacyjnym - Google Patents

Abstract

1. Zawór o dzialaniu pulsacyjnym za- wierajacy wlot, wylot, wglebienie znajduja- ce sie pomiedzy wlotem i wylotem i pozo- stajace we wzajemnym otwartym polacze- niu z nimi, oraz elementy zaworu, które sa polaczone z wlotem do otwierania i zamy- kania tego wlotu, znamienny tym, ze po- wierzchnia przeplywu wlotu (28) jest wiek- sza od powierzchni przeplywu wylotu (15), co umozliwia gwaltowny wzrost cisnienia we wglebieniu zaworu i szybkie zamknie- cie wlotu nastepujace po kazdym jego otwarciu, przez co zawór w trakcie dzialania szybko otwiera i zamyka wlot. PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest zawór działaniu pulsacyjnym. W większości agregatów chłodniczych zasadniczą część stanowi urządzenie rozprężające, które reguluje przepływ ciekłego czynnika chłodzącego do parownika i redukuje ciśnienie czynnika chłodzącego od ciśnienia panującego w skraplaczu do ciśnienia panującego w parowniku. Urządzenia rozprężające obejmują z reguły termostatyczne zawory rozprężające, zawory elektromagnetyczne modulowane czasem trwania impulsu oraz urządzenia bierne, takie jak rurki kapilarne lub zwężki. W systemach chłodzących małej mocy, takich jak domowe urządzenia chłodnicze, stosuje się z reguły rurki kapilarne, które można tak zwymiarować, aby w pewnym, jednym tylko, stanie roboczym zapewniały optymalny przepływ czynnika chłodzącego. W stanach innych niż stan przewidziany w projekcie, rurka kapilarna powoduje, że przy dużym obciążeniu parownik jest za słabo zasilany dopływającym czynnikiem chłodzącym, natomiast przy małym obciążeniu parownik jest zalany. Takie stany zarówno zbyt słabego zasilania jak i zalania parownika, obniżają sprawność układu chłodniczego.

Wiadomo, że czynne urządzenie rozprężające, które w każdym stanie pracy utrzymuje w parowniku prawidłową ilość czynnika chłodzącego, może polepszyć sprawność. Jednak w małych urządzeniach chłodniczych aktywne urządzenia rozprężające, takie jak termostatyczne zawory rozprężające pracują niewydajnie, ponieważ nie jest możliwe wykonanie zawo188 432 rów wyposażonych w zwężki tak małe, aby mogły one regulować niskie natężenia przepływu. W skali przemysłowej zwężek takich nie udaje się praktycznie wykonać, poza tym zwężki takie ulegają bardzo łatwo zatkaniu. Istnieje więc wyraźne zapotrzebowanie na termostatyczny zawór rozprężający, mogący kontrolować niskie natężenia przepływu czynnika chłodzącego i nie wymagający stosowania zwężek o małej średnicy.

Zawór o działaniu pulsacyjnym zawierający wlot, wylot, wgłębienie znajdujące się pomiędzy wlotem i wylotem i pozostające we wzajemnym otwartym połączeniu z nimi, oraz elementy zaworu, które są połączone z wlotem do otwierania i zamykania tego wlotu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że powierzchnia przepływu wlotu jest większa od powierzchni przepływu wylotu, co umożliwia gwałtowny wzrost ciśnienia we wgłębieniu zaworu i szybkie zamknięcie wlotu następujące po każdym jego otwarciu, przez co zawór w trakcie działania szybko otwiera i zamyka wlot.

Zawór korzystnie zawiera doprowadzający ciśnienie wlot i reagujący na ciśnienie element, połączone z zewnętrznym ciśnieniem przesuwającym powodującym otwieranie wlotu przez wymienione elementy zaworu.

Korzystnie reagujący na ciśnienie element zawiera mieszek lub membranę.

Ponadto zawór zawiera urządzenie przesuwające zamykające wlot przez wymienione elementy zaworu.

Wlot wyposażony jest w gniazdo, a elementy zaworu zawierają czop, który uszczelnia gniazdo zaworu.

Korzystnie urządzenie przesuwające wyposażone jest w sprężynę, która powoduje, że wymienione elementy zaworu zamykają wlot.

Korzystnie wlot jest co najmniej 2 razy większy od wylotu.

Korzystnie wlot jest co najmniej 10 razy większy od wylotu.

Korzystnie wlot jest od 10 do 20 razy większy od wylotu.

Zawór korzystnie zawiera doprowadzający ciśnienie wlot i reagujący na ciśnienie element, połączone z zewnętrznym ciśnieniem przesuwającym powodującym otwieranie wlotu przez wymienione elementy zaworu.

Zawór regulacyjny według wynalazku zapewnia dokładną regulację przepływu czynnika chłodzącego przy natężeniach przepływu rzędu kilku lub kilkunastu gramów na godzinę i nie wymaga stosowania zwężek o małej średnicy. Zawór ten może być także użyty do regulacji ciśnienia lub regulacji przepływu w obszarze niskich natężeń przepływu w urządzeniach innych, nie opartych na rozprężaniu czynnika chłodzącego. Zawór regulacyjny według wynalazku jest szczególnie przydatny w małych agregatach chłodniczych ze sprężarką par, jak również w urządzeniach chłodzących, działających na zasadzie sorpcji czynnika chłodzącego, na przykład w urządzeniach typu lodówka/zamrażalnik o niewielkiej mocy chłodzenia, poniżej 200 watów, a szczególnie w zakresie mocy chłodzenia od około 10 do około 100 watów. Według wynalazku, termostatyczny zawór rozprężający (TXV - Thermostatic Expansion Valve), który nadaj e się do małych agregatów chłodniczych, zawiera wlot ciekłego czynnika chłodzącego oraz wylot, który mieści ograniczające przepływ zwężenie przekroju, znajdujące się pomiędzy zaworem i parownikiem. W zwężonym wylocie powierzchnia przekroju przepływu jest mniejsza od przekroju przepływu na wlocie. Zawór ma wgłębienie o ograniczonej objętości, umieszczone pomiędzy wlotem i wylotem, którego objętość jest mniejsza od objętości parownika w układzie. Zawór obejmuje także umieszczone we wgłębieniu zaworu elementy, które reagują na ciśnienie i służą do otwierania i zamykania wlotu. W stanie otwartego wlotu do zaworu, rozmiary wlotu, większe od rozmiarów zwężonego wylotu, zapewniają szybki wzrost ciśnienia we wgłębieniu zaworu. Zwężenie wylotu pozwala na utrzymanie ciśnienia we wgłębieniu, wyższe od ciśnienia w parowniku, przez czas dostatecznie długi, aby nastąpiło szybkie zamknięcie otwartego wlotu do zaworu. Zawór może zawierać zasobnik z płynem lub inne urządzenie, które reaguje na stan przegrzania w parowniku i wytwarza ciśnienie, które powoduje otwarcie lub zamknięcie wlotu do zaworu. Ciśnienie wytworzone w zasobniku z płynem działa na membranę, ta zaś w zależności od (wypadkowej) równowagi sił działających po jej przeciwnych stronach powoduje otwarcie lub zamknięcie wlotu. W innym wykonaniu, do kontrolowanego przy użyciu membrany działania termostatycznym zaworem roz4

188 432 prężającym używany jest zasobnik z płynem, mianowicie amoniakiem z glikolem propylenowym, glikolem etylenowym lub wodą, które są szczególnie użyteczne w układach chłodniczych z amoniakiem jako czynnikiem chłodniczym, lub eterem dimetylowym z glikolem propylenowym lub glikolem etylenowym, które są użyteczne w układach chłodzących z flouorowęglowodorem jako czynnikiem chłodzącym.

Przedmiot wynalazku, w przykładzie wykonania, został objaśniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój zaworu regulacyjnego parownika według wynalazku, natomiast fig. 2 przedstawia schemat parownika wrazz zaworem według wynalazku do regulacji stopnia przegrzania parownika.

Termostatyczny zawór rozprężający (TXV) według wynalazku jest szczególnie użyteczny dla układów chłodniczych pomp cieplnych oraz lodówek i/lub zamrażarek o stosunkowo niskiej mocy chłodzenia. Zawór jest wyposażony we wlot dla ciekłego czynnika chłodzącego oraz wylot i wgłębienie umieszczone między wlotem i wylotem. Zwężenie przekroju wewnątrz wylotu lub stowarzyszone z wylotem powoduje spadek ciśnienia. Zawór obejmuje elementy do otwierania i zamykania wlotu, które reagują na ciśnienie panujące we wgłębieniu zaworu, przy czym wyższe ciśnienie powoduje zamknięcie wlotu a niższe ciśnienie powoduje otwarcie wlotu. Załączone rysunki pokazują specjalne urządzenia, które obejmują przykłady elementów i ich cech, służących do otwierania i zamykania zaworu, reagujących na ciśnienie wewnątrz wgłębienia, które będą omówione w dalszym ciągu. Ważną cechą i funkcją zaworu jest szybki wzrost ciśnienia we wgłębieniu zaworu, po którym następuje szybkie zamknięcie wlotu do zaworu. Działanie takie uzyskuje się dzięki zastosowaniu powierzchni przekroju wlotu dostatecznie dużej w porównaniu z powierzchnią przekrój u wylotu. Powoduje to szybki wzrost ciśnienia we wgłębieniu i jako reakcję na to wysokie ciśnienie - szybkie zamknięcie wlotu po każdym jego otwarciu. Poza tym zawór odznacza się wewnętrznym wgłębieniem o charakterystycznej objętości, która jest mniejsza od objętości parownika, do którego doprowadzany jest czynnik chłodzący.

Pokazany na fig. 1 termostatyczny zawór rozprężający jest szczególnie użyteczny dla małych lodówek lub agregatów chłodzących absorpcyjnych lub sprężarkowych. Pokazany zawór ma korpus 10 i wewnętrzne wgłębienie 24. Gniazdo 20 zaworu określa wlot 28, który jest otwarty lub zamknięty w sytuacji gdy uszczelnienie 16 umieszczone na czopie 17 przesuwa się odpowiednio w górę lub w dół na skutek ruchu reagującego na ciśnienie elementu 12 zawierającego membranę względem trzpienia 22 i nurnika 13, które to elementy sprężyna 14 dociska do membrany. Zestaw obejmuje otwór łączący zasobnik z płynem lub doprowadzający ciśnienie wlot 11, przewód wlotowy 18 i przewód wylotowy 19. Membrana jest dociskana do górnej powierzchni trzpienia 22 ciśnieniem, które dociera z zasobnika z płynem, nie pokazanego na tym rysunku, przez doprowadzający ciśnienie wlot 11 mający połączenie z zasobnikiem z płynem. Przewód wlotowy 18 ma połączenie ze skraplaczem lub ze zbiornikiem (nie pokazanym na rysunku) ciekłego czynnika chłodzącego. Przewód wylotowy 19 ma połączenie z parownikiem układu chłodzącego. Pomiędzy wewnętrznym wgłębieniem 24 i przewodem wylotowym 19 znajduje się zwężenie, czyli ograniczenie wylotu 15. Trzon zaworu czyli trzpień 23 łączy tłok z czopem 17 a sprężyna 14 wyciska tłok w górę ku membranie w celu zamknięcia wlotu. Ciśnienie z zasobnika z płynem po stronie membrany od strony zasobnika z płynem przyciska przez doprowadzający ciśnienie wlot 11, membranę do trzpienia 22 i do tłoka 13 aby zgnieść sprężynę 14 i wcisnąć uszczelnienie 16 w dół i w ten sposób otworzyć wlot do zaworu przez wlot 28. Ciśnienie panujące we wgłębieniu jest wywierane również na czop 17 w celu otwarcia wlotu 28. Siłami, które usiłują zamknąć zawór jest ciśnienie w parowniku wywierane na (dolną) stronę reagującego na ciśnienie elementu 12 mającego membranę, to jest ciśnienie we wgłębieniu zaworu, nacisk sprężyny 14, oraz ciśnienie wywierane ze skraplacza przez wlot 18 na czop 17. Gdy suma sił usiłujących otworzyć zawór jest większa od sumy sił usiłujących zamknąć zawór, zawór otwiera się. W przeciwnym przypadku zawór pozostanie zamknięty. W rozwiązaniu alternatywnym zawór można tak zaprojektować, aby ciśnieniem otwierającym zawór było ciśnienie pochodzące ze skraplacza. W rozwiązanie zaworu podanym przykładowo na rysunku, ciśnienie w skraplaczu zamyka zawór, ponieważ

188 432 wykorzystuje się tu stosunkowo wysokie ciśnienie panujące w skraplaczu, jakie spotyka się w przypadku użycia amoniaku jako czynnika chłodzącego.

Zawór reguluje przepływ czynnika chłodzącego do parownika dzięki pracy w systemie cykli otwarcia i zaniknięcia, a nie w wyniku ciągłej modyfikacji natężenia przepływu. Aby zawór według wynalazku mógł na tej zasadzie skutecznie pracować, średnica zwężki 20 na wlocie musi być odpowiednio duża, aby wzrost ciśnienia we wgłębieniu zaworu powyżej ciśnienia panującego w zasobniku z płynem byl dostatecznie szybki i spowodował zamknięcie zaworu. W fazie rozruchu zasobnik z płynem ma w zasadzie temperaturę otoczenia i ciśnienie w zasobniku z płynem jest bliskie ciśnieniu panującemu w skraplaczu. Średnica zwężki na wlocie musi być na tyle duża, by wgłębienie w zaworze mogło napełnić się do ciśnienia bliskiego ciśnieniu panującemu w skraplaczu, w tym czasie gdy czynnik chłodzący wypływa przez wylot. Zatem jako wymaganie minimum, zwężka musi zapewnić mniejszy spadek ciśnienia na wlocie od spadku na wylocie.

Ważną cechą wyróżniającą termostatyczny zawór rozprężający według wynalazku jest ograniczenie przepływu między zaworem i parownikiem oraz niewielka objętość wnętrza zaworu między gniazdem zaworu po stronie wlotu i zwężeniem dla przepływu. Zgodnie z fig. 1, ograniczenie przepływu stanowiące wylot 15 jest umieszczone pomiędzy wgłębieniem 24 i parownikiem, do którego podłączony jest przewód wylotowy 19, dostarczający kondensat czynnika chłodzącego. Miejsce, w którym ulokowane jest wylot 15 nie jest miejscem szczególnym pod warunkiem, że znajduje się ono w części za wgłębieniem 24. Wylot 15, jak również jego położenie pomiędzy wgłębieniem zaworu lub wnętrzem zaworu i parownikiem powoduje, że od strony parownika na reagujący na ciśnienie element 12 mający membranę wywierane jest ciśnienie równe lub wyższe od ciśnienia panującego na wlocie do parownika. Jeśli więc ciśnienie wywierane na membranę po stronie zasobnika z płynem ulega zwiększeniu, lub ciśnienie parownika obniża się do poziomu równowagi, zawór otwiera się i ciśnienie pod membraną tzn. wewnątrz zaworu, narasta powodując, że zawór w szybkim tempie ulega ponownemu zamknięciu. Gdy czynnik chłodzący przeciska się przez wylot 15 do parownika, ciśnienie spada do momentu gdy ciśnienie w korpusie zaworu i we wgłębieniu 24 oraz na reagujący na ciśnienie element 12 mający membranę od strony parownika spadnie na tyle, że zawór może ponownie otworzyć się. W stanie otwarcia zaworu niewielka ilość ciekłego czynnika chłodzącego wnika do wgłębienia przez otwarty wlot, po czym zawór szybko zamyka się tak, że następna porcja czynnika nie wniknie do wgłębienia dopóki poprzednia porcja czynnika chłodniczego nie przejdzie do parownika. Ten sposób funkcjonowania zaworu można określić mianem działania w układzie pulsacyjnym, a nie w systemie modulacyjnym. System taki daje ulepszoną kontrolę układów chłodzących o niskich natężeniach przepływu czynnika chłodzącego.

Zróżnicowanie rozmiarów przekrojów wlotu i wylotu powoduje, że ciśnienie we wgłębieniu narasta gwałtownie i sprawia, że wlot zaworu zostaje zamknięty w ciągu 1/2 sekundy lub mniej, licząc od momentu otwarcia wlotu. Proces narastania ciśnienia i zamknięcie zaworu mogą następować jeszcze szybciej, tak że zawór jest zdolny pracować w systemie 60 cykli na sekundę. Jednakże, jeśli zachodzi potrzeba, częstotliwość cykli można znacznie zmniejszyć, na przykład do wartości 1 cykl na godzinę.

Minimalny rozmiar zwężenia na wylocie można tak zaprojektować, aby uzyskać przepływ par czynnika chłodzącego z maksymalnym projektowym natężeniem przepływu i spadkiem ciśnienia równym największemu dopuszczalnemu wzrostowi ciśnienia w zasobniku z płynem przy maksymalnym akceptowalnym natężeniu przepływu i wciąż jeszcze nie za małym, jak chodzi o praktyczne zastosowanie. Wlot do zaworu musi mieć powierzchnię przekroju większą od powierzchni przekroju zwężenia po stronie wylotu. Bez względu na rozmiar, czyli powierzchnię przekroju zwężenia wylotowego, opór przepływu przez gniazdo zaworu powinien być mniejszy od oporu przepływu przez parownik, przy czym w obu przypadkach chodzi o opór przepływu cieczy. Praktycznie czynnikiem przepływającym przez gniazdo zaworu jest głównie ciecz, natomiast w parowniku przepływ jest dwufazowy. Tak więc, w stanie otwarcia zaworu, natężenie masowe przepływu na wlocie do zaworu będzie znacznie wyższe

188 432 od natężenia masowego przepływu na wyjściu z zaworu, a w związku z tym, wzrost ciśnienia we wgłębieniu i zamknięcie zaworu nastąpią bardzo szybko.

Efektywna objętość wgłębienia pomiędzy wlotem do zaworu 1 zwężeniem po stronie wylotu z zaworu jest mniejsza od objętości parownika. Objętość wgłębienia 24 pomiędzy gniazdem 20 i wylotem 15 powinna być na tyle duża, aby uniknąć częstotliwości cykli wyższej od częstotliwości naturalnej przy danej mocy chłodzenia, a równocześnie na tyle małej, aby zawarta we wgłębieniu ciecz nie spowodowała zalania parownika. Elementy zaworu w obrębie wgłębienia zmniejszają jego objętość efektywną. Rozmiar, czyli powierzchnia przekroju wylotem 15, powinien być dostatecznie duży, aby zapobiec zatykaniu się wylotu, a z drugiej strony na tyle niewielki, aby czynnik chłodzący przechodził przez wylot do parownika w sposób opisany powyżej. Dalsze zagadnienia dotyczące /wymiarowania wlotu i wylotu są związane z czasem odpowiedzi układu parownik/zasobnik z płynem na temperaturę. Korzystny stosunek powierzchni przekroju wylotu 15 do efektywnej powierzchni przekroju zwężki stanowiącej wlot 28 wynosi co najmniej około 1:2, korzystnie 1:4, korzystniej powyżej 1:20, a najkorzystniej od około 1:10 do 1:20. Tak więc, korzystny przekrój, czyli efektywna powierzchnia przepływu przez wlot 28 do zaworu, jest co najmniej 2 lub więcej razy większa od powierzchni przekroju wylotu 15, a korzystniej 10 do 20 razy większa, tak aby zapewnić szybkie narastanie ciśnienia pod membraną i tym samym spowodować szybkie ponowne zamknięcie zaworu. Oczywiście, w wyniku umieszczenia jakichkolwiek elementów przestrzennych na drodze wlotu, przez który czynnik chłodzący musi przepłynąć, efektywna powierzchnia przekroju wlotu ulega zmniejszeniu. Tak więc, przykładowo, przy obliczeniach powyższych stosunków, powierzchnia lub przestrzeń zajmowana przez trzpień 23 lub jakikolwiek inny element na wlocie lub wylocie, lub wzdłuż którejkolwiek powierzchni przekroju przepływu czynnika chłodzącego, musi być wzięta pod uwagę.

Na fig. 2 przedstawiono parownik 30 i zasobnik z płynem 32 umieszczony w sekcji przegrzania na rurze parownika. Zasobnik z płynem jest połączony przewodem ciśnieniowym 3 z zaworem 10, przy czym przewód 31 wystawia reagujący na ciśnienie element 12 mający membranę (fig. 1) na działanie ciśnienia zasobnika z płynem przez doprowadzający ciśnienie wlot 11. Jak zaznaczono na rysunku, na przeważającej długości (rury) parownika zachodzi wrzenie czynnika chłodzącego, określane jako sekcja wrzenia dwufazowego, przy czym stosunkowo krótka sekcja rury parownika doprowadza ciepło dla przegrzania par czynnika chłodzącego w sekcji przegrzania. Czas reakcji ciśnienia i temperatury w zasobniku z płynem na zwiększony przepływ czynnika chłodzącego zależy od ilości czynnika w zasobniku, rodzaju użytego czynnika chłodzącego, rozmiarów elementów w zaworze. Istnieje także czas reakcji liczony od momentu zamknięcia się zaworu do momentu, w którym na skutek spadku ciśnienia we wgłębieniu zaworu, spowodowanego przez przepływ czynnika chłodzącego do parownika przez zwężenie na wylocie, zawór otwiera się ponownie. W momencie zamknięcia zaworu ciśnienie we wgłębieniu zaczyna spadać i w zależności od temperatury i ciśnienia w zasobniku, zawór może ponownie otworzyć się gdy ciśnienie we wgłębieniu przekroczy ciśnienie panujące w parowniku. W przypadku granicznym zasobnik z płynem będzie miał prawie dokładnie temperaturę pozwalającą uzyskać wymagany stopień przegrzania, a ciśnienie we wgłębieniu zmaleje prawie do ciśnienia panującego w parowniku i wtedy zawór nie otworzy się dopóki nie nastąpi wzrost temperatury i ciśnienia w zasobniku. Przy normalnym działaniu linia podziału FI, gdzie zamiera wrzenie a zaczyna się przegrzanie, przesuwa się powoli od zasobnika z płynem w kierunku wlotu do parownika. Gdy linia FI cofa się, para ulega rosnącemu przegrzaniu przed dotarciem do zasobnika. Ostatecznie ciśnienie w zasobniku z płynem wzrośnie na tyle aby zawór otworzył się, po czym linia podziału FI przesunie się w stronę zasobnika i temperatura oraz ciśnienie w zasobniku zaczną spadać. Po każdym otwarciu się zaworu, zawór ponownie zamknie się w momencie, gdy ciśnienie w zasobniku z płynem wzrośnie znacznie ponad ciśnienie panujące w parowniku. Gdy ciśnienie we wgłębieniu spadnie, zawór otworzy się ponownie, chyba że zasobnik ulegnie schłodzeniu poniżej nastawionego stopnia przegrzania. Normalnie reakcja na ciśnienie w układzie parownik-zasobnik z płynem liczona od momentu gdy czynnik chłodzący zaczyna wpływać do parownika, jest powolna w porównaniu z czasem reakcji na spadek ciśnienia we wgłębieniu zaworu i zawór otworzy

188 432 się więcej niż raz, zanim zasobnik ulegnie schłodzeniu do (lub poniżej) wymaganego stopnia przegrzania. Tak więc, czas reakcji na spadek ciśnienia we wgłębieniu zaworu jest krótszy aniżeli czas potrzebny na wzrost ciśnienia w zasobniku z płynem, towarzyszący doprowadzeniu czynnika chłodzącego do parownika. Korzystnie czas reakcji na spadek ciśnienia w zaworze jest mniejszy od 1/3 czasu reakcji na ciśnienie w zasobniku. Aby zapobiec zalaniu (parownika), wielokrotne otwarcia zaworu nie powinny dopuścić tyle czynnika chłodzącego aby napełnić cały parownik, łącznie z sekcją przegrzania znajdującą się przed zasobnikiem (a także sekcją przegrzania za zasobnikiem, jeśli taka istnieje). Wgłębienie zaworu może nie napełniać się całkowicie przy każdym otwarciu zaworu, jednak zawór powinien być tak zaprojektowany, aby parownik nie uległ zalaniu nawet w przypadku całkowitego napełnienia się wgłębienia. W tym celu, efektywna objętość wgłębienia jest korzystnie mniejsza niż 30% objętości sekcji przegrzania w parowniku.

Wsad do zasobnika z płynem musi być odpowiednio dobrany aby złagodzić problemy rozruchu w sytuacji gdy parownik jest ciepły. Jeśli zasobnik jest załadowany tym samym czynnikiem chłodzącym, który jest zastosowany w układzie chłodzącym, ciśnienie przegrzania nastawia się przez nacisk sprężyny, która zdąża do zamknięcia zaworu, plus siła wypadkowa wywierana na czop zaworu przez ciśnienie skraplacza. Jeśli ciśnienie przegrzania nastawione jest tak, aby przy normalnej temperaturze pracy parownika uzyskać rozsądny stopień przegrzania, to ta sama różnica ciśnień da w wyniku niższą temperaturę przegrzania w sytuacji gdy w parowniku będzie panować temperatura i ciśnienie otoczenia. W warunkach rozruchu niska temperatura przegrzania oznacza stan nadmiernego zalania do momentu, gdy parownik ulegnie znacznemu oziębieniu. Dla większości układów sprężarkowych oznacza to obniżenie sprawności, ale nie powoduje zaburzeń operacyjnych. Jednak w przypadku układów chłodzących absorpcyjnych o małej mocy, zwłaszcza układów periodycznych, oziębienie parownika może okazać się w ogóle niemożliwe z uwagi na to, że w cyklu desorpcji parownik ulega ponownie ogrzaniu. Tradycyjnym rozwiązaniem jest załadowanie zasobnika wyłącznie parami do pewnego ustalonego ciśnienia. Przy wsadzie parowym, zawór będzie kontrolował działanie parownika do pewnego stałego ciśnienia, do momentu gdy zasobnik schłodzi się na tyle, aby nastąpiło skroplenie, a poniżej temperatury kondensacji zawór będzie funkcjonował jak prawdziwy termostatyczny zawór rozprężający (TXV). Jednak przy ograniczonym wsadzie do zasobnika wszelka kondensacja w chłodniejszych punktach w obiegu zasobnika, na przykład przy membranie, uniemożliwi kondensację w zasobniku i temperatura zasobnika nie będzie kontrolowała działania zaworu. Zasobnik musi być najzimniejszym punktem w obwodzie albo wsad do zasobnika musi być wystarczająco duży, aby wypełnić wgłębienie przy membranie oraz rurkę kapilarną i jeszcze zachować nieco cieczy w zasobniku. Aby zapobiec kondensacji przy membranie można umieścić zawór w przestrzeni stosunkowo ciepłej. Jednak takie rozwiązanie powoduje niekorzystne straty chłodzenia, które obniżają sprawność układu i w przypadku małych układów mogą doprowadzić do poważnego zmniejszenia mocy chłodzenia.

Takich problemów w funkcjonowaniu zaworu można uniknąć przez użycie w zasobniku wsadu, którego prężność pary oraz pochylenie krzywej prężność pary-temperatura są inne aniżeli dła czynnika chłodzącego użytego w układzie. Ten sposób nosi nazwę wsadu kombinowanego (cross charge). Może się zdarzyć, że czyste substancje użyteczne dla wsadu kombinowanego, które dają wymaganą reakcję zaworu na różne temperatury panujące w parowniku nie istnieją lub są niedopuszczalne ze względu na toksyczność, towarzyszące im zagrożenia lub koszt. Jako alternatywę wsadu kombinowanego czystych substancji stosuje się wsady sorbentów lub mieszanin. Wsady sorbentów, stanowiące mieszaninę tego samego czynnika chłodzącego, który jest zastosowany w parowniku oraz składnika obniżającego prężność pary, często pozwalają uzyskać pożądane rezultaty. Szybkie pochłonięcie gazu przez roztwór stanowiący wsad w zasobniku wymaga jednak zastosowania substancji polarnych. Z tego samego względu szczególnie pożądane jest użycie substancji zdolnych tworzyć wiązania wodorowe.

Korzystnie wsad do zasobnika powinien zapewnić względnie stały stopień przegrzania we wszystkich przewidywanych temperaturach parownika. Jeśli na przykład w amoniakalnym systemie chłodniczym jako wsad do zasobnika użyty zostanie amoniak, to nastawienie napięcia sprężyny na 10°C w temperaturze -35°C z reguły daje przegrzanie o zaledwie 1 lub 2°C

188 432 przy temperaturze +20°C w parowniku, co w przypadku ciepłego zasobnika mocno utrudnia rozruch. Natomiast użycie amoniaku w mieszaninie z substancją o odpowiednio niższej prężności pary, taką jak woda lub glikol propylenowy, pozwala uzyskać prawie jednakowy stopień przegrzania przy każdej wartości ciśnienia w parowniku i wymaga użycia znacznie mniejszej siły sprężyny.

Wsady absorbentowe do zasobnika, szczególnie użyteczne w przypadku amoniaku jako czynnika chłodzącego, obejmują mieszaniny amoniak-woda, mieszaniny amoniak-alkohol i mieszaniny amoniak-glikol. Amoniak stosuje się korzystnie w stężeniach od około 5% do około 70% wagowych. Dla amoniaku odpowiednimi absorbentami są również etery, etery glikolowe, polietery, amidy, estry i poliestry, i mogą być użyte jako jeden ze składników wsadu do zasobnika. Szczególnie użyteczne są mieszaniny zawierające niższe glikole (glikol etylenowy, glikol propylenowy) oraz 10-15% wagowych amoniaku, ponieważ żaden z tych składników nie zamarznie w przewidywanych temperaturach parownika w przypadku wystąpienia rozdziału faz, absorbenty są substancjami polarnymi i są zdolne do tworzenia wiązań wodorowych, w związku z czym wykazują silną tendencję do pochłaniania amoniaku. Mieszaniny te nie są drogie i odznaczają się niską toksycznością lub są w ogóle nie toksyczne, nie powodują korozji a ich stężenie (skład mieszaniny) można dobrać tak, aby uzyskać wymaganą reakcję na temperaturę i wymagany stopień przegrzania. Również szczególnie użytecznymi w przypadku użycia amoniaku jako czynnika chłodzącego są mieszaniny eteru dimetylowego z glikolem propylenowym i/lub glikolem etylenowym o zawartości eteru dimetylowego w zakresie od około 40% do 95%.

Fluorowęglowodory stosowane jako czynniki chłodzące są w większości przypadków związkami niepolamymi, niezdolnymi do tworzenia wiązań wodorowych. Tak więc w przypadku użycia fluorowęglowodoru jako czynnika chłodzącego i pożądanego absorpcyjnego wsadu do zasobnika, jako wsad do zasobnika należy wybierać polarny gaz, którego prężność pary jest bliska prężności pary czynnika chłodzącego w układzie i dodać do niego absorbent polarny, który zmniejszy jego prężność pary i w ten sposób pozwoli uniknąć trudności spowodowanych kondensacją na membranie. W przypadku użycia R134a (tetrafluoroetanu) jako czynnika chłodzącego, użyteczne wsady do zasobnika obejmują wyżej wspomniane mieszaniny woda-amoniak, zawierające od około 5% do 85% amoniaku oraz mieszaniny eter dimetylowy-glikol propylenowy lub etylenowy, a zwłaszcza mieszaniny zawierające od około 40% do 95% wagowych eteru dimetylowego. W przypadku tetrafluoroetanu szczególnie użyteczne są także mieszaniny amoniak-glikol propylenowy i/lub etylenowy zawierające od około 10% do 70% amoniaku.

Użyteczne jako wsad do zasobnika mieszaniny typu gaz-absorbent w przypadku gdy czynnik chłodzący w systemie nie jest idealnym składnikiem wsadu do zasobnika z uwagi na niepolarny charakter, obejmują gazy wybrane z grupy obejmującej eter dimetylowy, niższe (C|-Có) etery, niższe alifatyczne (Cj-Cć) aminy trzeciorzędowe i niższe alifatyczne (Ci-C_ń) ketony oraz absorbenty wybrane z grupy obejmującej glikol propylenowy, glikol etylenowy, alkohole, etery glikolowe, polietery, estry, poliestry, di-, tri- i polialkohole, di-, tri- i poliaminy, amidy, poliamidy i wodę. Amoniak, metyloamina i inne niższe (Ci-Cć) aminy są stosowane wraz z absorbentami wybranymi z grupy obejmującej alkohole, glikole, di-, tri- i polialkohole, etery, etery glikolowe, polietery, amidy, poliamidy, estry, poliestry i wodę.

Po dobraniu wsadu do zasobnika należy określić maksymalny dopuszczalny wzrost stopnia przegrzania przy maksymalnym przepływie czynnika chłodzącego i przeliczyć ten wzrost przegrzania na ciśnienie w zasobniku. W przypadku parownika amoniakalnego, pracującego w temperaturze -35°C i zaprojektowanego na przegrzanie o 10°C, użycie w zasobniku mieszaniny 66% wagowych amoniaku i 34% wagowych glikolu etylenowego, przy dopuszczalnym wzroście przegrzania o 1°C w warunkach maksymalnego natężenia przepływu, odpowiednie ciśnienia wyniosą:

ciśnienie w parowniku 13,5 psia (93,08 kPa) w temperaturze -35°C ciśnienie w zasobniku 14,4 psia (99,3 kPa) w temperaturze -25°C (przegrzanie 10°C) ciśnienie w zasobniku 15,1 psia (104,1 kPa) w temperaturze -24°C (przegrzanie 11 °C).

188 432

Zwężenie na wylocie z zaworu jest tak zwymiarowane, aby spadek ciśnienia przy maksymalnym natężeniu przepływu czynnika chłodzącego wyniósł 0,7 psi (4,8 kPa).

Przykładowo, w pewnym małym absorpcyjnym agregacie chłodniczym, pracującym w zakresie mocy chłodzenia 15-25 watów, przy temperaturze parownika -32°C i skraplacza 50-60°C, zastosowano zawór o następujących wymiarach elementów:

średnica zwężenia na wylocie: 0,054 cm (0,021 cala) średnica wlotu: 0,20 cm (0,08 cala) wewnętrzna objętość zaworu (wgłębienie zaworu) : 1 cm3 (0,06 cala sześciennego) objętość układu parownika = 15 cm.

Termostatyczny zawór rozprężający według wynalazku może być zastosowany do regulacji stopnia przegrzania w przypadku gdy po stronie zasobnika stosowany jest czynnik chłodzący, oraz jako regulator ciśnienia dla regulowania ciśnienia w parowniku przez zastosowanie ustalonego ciśnienia gazu lub przez przyłożenie odpowiedniego napięcia sprężyny do membrany po stronie zasobnika. Wpływ ciśnienia w skraplaczu na regulację ciśnienia można wyeliminować przez umieszczenie wsadu gazowego po stronie zasobnika, który pozostaje w cieplnym kontakcie ze skraplaczem. Dobór odpowiedniego stosunku powierzchni membrany do powierzchni otworów w zaworze pozwala całkowicie wyeliminować wpływ ciśnienia w skraplaczu na równowagę sił w całym normalnym zakresie parametrów.

Zawór według wynalazku może być użyty w każdym urządzeniu typu lodówka/zamrażalnik, lub w innym aparacie chłodzącym, w którym wymagana jest regulacja dopływu ciekłego czynnika chłodzącego do parownika. Zawór ten jest szczególnie przydatny w układach o niewielkiej mocy chłodzenia, w których przepływy czynnika chłodzącego nie przekraczają 12 kg/godzinę. Co więcej, użycie takiego zaworu jest jeszcze bardziej korzystne w układach, w których przepływy czynnika chłodzącego są niższe niż 6 kg/godzinę, a szczególnie korzystne w układach o przepływach czynnika chłodzącego mniejszych niż 3 kg/godzinę. W układach, w których przepływy czynnika chłodzącego są jeszcze mniejsze, na przykład wynoszą od około 5 do około 75 g/godzinę, spotykanych w opisanych poprzednio amoniakalnych układach chłodzących, zawór według wynalazku jest unikalnie korzystny. Wyrażając to w funkcji mocy chłodzenia, takie układy chłodnicze mają moc z reguły mniejszą od 1000 watów-, a zwłaszcza mniejszą niż 500 watów, w szczególności mniejszą niż 250 watów, a najbardziej szczególnie mniejszą niż 100 watów. Bardzo małe układy amoniakalne, oziębiające lub chłodnicze, w których zawór według wynalazku pracuje skutecznie i najbardziej korzystnie mieszczą się w zakresie mocy od 10 do 100 watów.

Zawór według wynalazku może być użyty w każdym systemie oziębiającym lub chłodniczym, włącznie z układami wykorzystującymi fluorowęglowodory CFC, HFC i HCFC, niepolarne czynniki chłodzące, takie jak propan lub butan oraz polarne czynniki chłodzące, takie jak ujawnione w opisach patentowych US 5 441 995 i 5 477 706, których opis wprowadzono tu przez powołanie. Zawór jest skuteczny w układach sprężarkowych, stosujących kompresor mechaniczny, jak również w układach chłodniczych sorpcyjnych z termicznym kompresorem o małej mocy chłodzenia, opisanych w zgłoszeniu patentowym US 08/390 678 i uwzględnionych tutaj przez powołanie. W urządzeniach takich stosuje się jeden lub więcej absorbentów, zawierających kompozycję stałych sorbentów, zdolnych naprzemian absorbować i desorbować gazowy czynnik chłodzący. Jako stały sorbent można zastosować dowolną kompozycję obejmującą znane związki włączeniowe, takie jak zeolit, aktywowany tlenek glinu, węgiel aktywny i silikażel lub wodorek metalu. Korzystnymi sorbentami są związki kompleksowe utworzone przez adsorpcję polarnego gazowego czynnika chłodzącego na soli metalu, ujawnione w opisie patentowym US 4 848 994 i uwzględnione tu przez powołanie. Szczególnie korzystne są związki kompleksowe utworzone w procesie, w którym gęstość ich poddawana jest optymalizacji metodą zahamowania rozszerzania się objętościowego związku kompleksowego według opisu patentowego US 5 298 231 i 5 328 671, uwzględnione tutaj przez powołanie. Tego rodzaju związki kompleksowe pozwalają uzyskać szybkości reakcji znacznie zwiększone w porównaniu z szybkościami reakcji tychże związków nie poddanych ograniczeniu ekspansji objętościowej i kontroli gęstości. Sorbenty te obejmują sole metali oraz związki kom10

188 432 pleksowe, jak również ich mieszaniny z wyżej wspomnianymi związkami włączeniowymi. Najkorzystniejszymi związkami kompleksowymi są te, w których zawarty amoniak stanowi czynnik chłodzący.

Wprawdzie zawór według wynalazku opisano przede wszystkim w zastosowaniach do aparatury chłodzącej, jest on również użyteczny jako zawór regulacji ciśnienia w zastosowaniach innych niż chłodzenie. Jako regulator ciśnienia, zawór jest najbardziej użyteczny w przypadkach, gdy natężenia przepływu są niewielkie a modulacyjne regulatory ciśnienia nie sprawują się dobrze. Przesunięcie ciśnienia względem ciśnienia panującego we wgłębieniu zaworu można uzyskać przez zastosowanie czynników mechanicznych, takich jak nacisk sprężyny lub ciśnienie płynu (cieczy lub gazu).

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (10)

Zastrzeżenia patentowe

1. Zawór o działaniu pulsacyjnym zawierający wlot, wylot, wgłębienie znajdujące się pomiędzy wlotem i wylotem i pozostające we wzajemnym otwartym połączeniu z nimi, oraz elementy zaworu, które są połączone z wlotem do otwierania i zamykania tego wlotu, znamienny tym, że powierzchnia przepływu wlotu (28) jest większa od powierzchni przepływu wylotu (15), co umożliwia gwałtowny wzrost ciśnienia we wgłębieniu zaworu i szybkie zamknięcie wlotu następujące po każdym jego otwarciu, przez co zawór w trakcie działania szybko otwiera i zamyka wlot.

2. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera doprowadzający ciśnienie wlot (11) i reagujący na ciśnienie element (12), połączone z zewnętrznym ciśnieniem przesuwającym powodującym otwieranie wlotu (28) przez wymienione elementy zaworu.

3. Zawór według zastrz. 2, znamienny tym, że reagujący na ciśnienie element (12) zawiera mieszek lub membranę.

4. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera urządzenie przesuwające (14) zamykające wlot (28) przez wymienione elementy zaworu.

5. Zawór według zastrz. 4, znamienny tym, że wlot (28) wyposażony jest w gniazdo (20), a elementy zaworu zawierają czop, który uszczelnia gniazdo (20) zaworu.

6. Zawór według zastrz. 4, znamienny tym, że urządzenie przesuwające (14) wyposażone jest w sprężynę, która powoduje, że wymienione elementy zaworu zamykają wlot (28).

7. Zawór według zastrz. 1 albo 3, albo 4, znamienny tym, że wlot (28) jest co najmniej 2 razy większy od wylotu (15).

8. Zawór według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że wlot (28) jest co najmniej 10 razy większy od wylotu (15).

9. Zawór według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że wlot (28) jest od 10 do 20 razy większy od wylotu (15).

10. Zawór według zastrz. 7, znamienny tym, że zawiera doprowadzający ciśnienie wlot (11) i reagujący na ciśnienie element (12), połączone z zewnętrznym ciśnieniem przesuwającym powodującym otwieranie wlotu (28) przez wymienione elementy zaworu.