Ηλεκτρονικές εκτονωτικές βαλβίδες

Το θέμα της εξοικονόμησης ενέργειας έχει γίνει θεμελιώδης πτυχή στον τομέα της επαγγελματικής ψύξης και του κλιματισμού.  Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τις αλυσίδες σούπερ μάρκετ, καθώς η μείωση κατανάλωσης ενέργειας αποτελεί τον πιο αποτελεσματικό τρόπο για να μειωθούν τα κόστη και να γίνουν πιο ανταγωνιστικές. Επιπλέον, η υιοθέτηση τεχνικών και μεθόδων που αποσκοπούν στην εξοικονόμηση ενέργειας σημαίνει επίσης την υιοθέτηση μιας κοινωνικά υπεύθυνης πολιτικής σε σχέση με όλους τους ενδιαφερόμενους που αλληλεπιδρούν με το σούπερ μάρκετ.

Γράφει ο Πέτρος Δαλαβούρας, Αρχιτέκτων μηχανικός Ε.Μ.Π., MSc  W.S.A.
BREEAM assessor, ASHRAE BEMP Certified, nZEB Designer

Σε αυτό το άρθρο εξετάζονται οι ηλεκτρονικές εκτονωτικές βαλβίδες και παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματά τους έναντι των θερμοστατικών εκτονωτικών βαλβίδων.

Γενικότερα οι εκτονωτικές βαλβίδες εξυπηρετούν δύο σκοπούς:

Τον έλεγχο της ποσότητας ψυκτικού ρευστού που εισέρχεται στον ατμοποιητή: Πρέπει να καλύπτεται όσο το δυνατόν μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας του ατμοποιητή με υγρό ψυκτικό ρευστό χωρίς να μεταφέρεται υγρό στον συμπιεστή. Εάν η χωρητικότητα του ατμοποιητή αυξάνεται, η εκτονωτική βαλβίδα πρέπει να επιτρέπει μεγαλύτερη ροή ψυκτικού και αντίστροφα. Μια μικρότερη ροή μάζας ψυκτικού έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερο επίπεδο υπερθέρμανσης.

Διατήρηση της διαφοράς πίεσης μεταξύ του συμπυκνωτή (υψηλή πίεση) και του ατμοποιητή (χαμηλή πίεση): Η διαφορά πίεσης που δημιουργείται από το έργο του συμπιεστή διατηρείται από την εκτονωτική βαλβίδα

Οι δύο μεγαλύτερες κατηγορίες ηλεκτρονικών εκτονωτικών βαλβίδων αποτελούν οι βηματικές και οι παλμικές.

Βηματικές ηλεκτρονικές εκτονωτικές βαλβίδες

Οι βηματικές ηλεκτρονικές εκτονωτικές βαλβίδες ελέγχονται από αισθητήρια θερμοκρασίας ή πίεσης/θερμοκρασίας. Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου μπορεί να προγραμματιστεί ώστε να διορθώνει τις διαφορές θερμοκρασίας και πίεσης σε οποιοδήποτε σημείο του συστήματος. Επειδή ο ηλεκτρικός ενεργοποιητής αντιδρά μόνο σε σήματα από τον ρυθμιστή, επιτυγχάνονται χαμηλή υπερθέρμανση. Το σήμα ακολουθεί συνεχώς το ελάχιστο σταθερό σήμα (MSS), επειδή τυχόν τάσεις διαφοροποίησης αντισταθμίζονται άμεσα (σχήμα 1). Διορθώνονται επίσης οι διαφορές πίεσης μεταξύ της βαλβίδας και του αισθητήρα που προκαλούνται από τα συστήματα διανομής ψυκτικού μέσου.

Επιπλέον, η ίδια βαλβίδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικά ψυκτικά μέσα μετά από επαναπρογραμματισμό. Ο ηλεκτρικός ενεργοποιητής ελέγχει το άνοιγμα για τη συνεχή προσαρμογή της επιφάνειας του στομίου, ώστε να επιτρέπει τη διέλευση μεγαλύτερης ή μικρότερης ροής μάζας ψυκτικού μέσου, ανάλογα με τα σήματα από τον ρυθμιστή. Αυτός ο τύπος βαλβίδας μπορεί να διαχειριστεί μεγάλες μεταβολές στις συνθήκες λειτουργίας, π.χ. μεταβολές στη διαφορά πίεσης και στην ψυκτική ικανότητα. Οι βηματικές ηλεκτρονικές εκτονωτικές βαλβίδες θα πρέπει να συνοδεύονται από μαγνητικές βαλβίδες κατά την εγκατάσταση για λόγους ασφάλειας όπως π.χ. διακοπή ρεύματος.

Παλμικές ηλεκτρονικές εκτονωτικές βαλβίδες

Μια παλμική ηλεκτρονική βαλβίδα είναι στην πραγματικότητα μια ηλεκτρονικά ελεγχόμενη ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα που λειτουργεί τόσο ως βαλβίδα εκτόνωσης όσο και ως ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα. Όταν λειτουργεί ως εκτονωτική βαλβίδα, χρησιμοποιείται έλεγχος ON/OFF. Κατά τη διάρκεια μιας περιόδου, συνήθως 6 δευτερόλεπτα, η βαλβίδα ανοίγει και κλείνει μία φορά. Η απόδοση της βαλβίδας εκτόνωσης, δηλαδή η ποσότητα του ψυκτικού μέσου που ρέει μέσω αυτής, καθορίζεται από τη σχέση μεταξύ του χρόνου ανοίγματος και κλεισίματος. Ένας ρυθμιστής ελέγχει το άνοιγμα και το κλείσιμο της βαλβίδας προκειμένου να επιτευχθεί το σωστό επίπεδο υπερθέρμανσης. Οι είσοδοι στον ρυθμιστή είναι η θερμοκρασία και η πίεση στην έξοδο του ατμοποιητή. Τα δεδομένα εισαγωγής στον ρυθμιστή, μπορούν επίσης να είναι οι θερμοκρασίες εισόδου και εξόδου του ατμοποιητή, όπως για μια ηλεκτρονική βαλβίδα με συνεχή έλεγχο.

Όταν η ζήτηση ψυκτικού μέσου είναι υψηλή, η βαλβίδα παραμένει ανοικτή σχεδόν για ολόκληρο το διάστημα των 6 δευτερολέπτων. Όταν η ζήτηση είναι πολύ χαμηλή, η βαλβίδα ανοίγει μόνο για ένα κλάσμα των 6 δευτερολέπτων. Όταν ο συμπιεστής απενεργοποιείται, η βαλβίδα κλείνει και λειτουργεί ως ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα. Οι μεταβολές των χρόνων ανοίγματος και κλεισίματος κατά τη διάρκεια των περιόδων του κύκλου παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.

Η παλμική ηλεκτρονική βαλβίδα μπορεί να λειτουργεί ικανοποιητικά ακόμη και με μεγάλες διακυμάνσεις στις συνθήκες λειτουργίας, όπως αλλαγές στη διαφορά πίεσης ή στην ψυκτική ικανότητα. Η απόδοση της βαλβίδας ρυθμίζεται απλά με την αλλαγή της σχέσης μεταξύ του χρόνου ανοίγματος και κλεισίματος. Αυτό επιτρέπει την εύρεση της ελάχιστης σταθερής υπερθέρμανσης για ένα ευρύ φάσμα συνθηκών λειτουργίας.

Χαρακτηριστικά ηλεκτρονικών εκτονωτικών βαλβίδων

1) Χαμηλή υπερθέρμανση, υψηλότερη πίεση εξάτμισης και καλύτερο βαθμό αποδοτικότητας:

Τα πλεονεκτήματα ενός ηλεκτρονικού ελεγκτή υπερθέρμανσης είναι προφανή. Ο ατμοποιητής είναι πάντα βέλτιστα γεμάτος με ψυκτικό ρευστό. Ακόμη και με μεγάλες διακυμάνσεις φορτίου, που σημαίνει ένα εξαιρετικά ευρύ φάσμα συνθηκών λειτουργίας με μερικό φορτίο, μπορεί να εγχυθεί ακριβώς η σωστή ποσότητα ψυκτικού ρευστού. Αυτό επιτυγχάνεται με τη συνεχή ανίχνευση της πραγματικής τιμής υπερθέρμανσης στον εξατμιστή μέσω ενός μετατροπέα πίεσης και ενός πολύ ευαίσθητου αισθητήρα θερμοκρασίας και τη μετάδοση αυτών των πληροφοριών στον ελεγκτή σε σχεδόν πραγματικό χρόνο. Με αυτές τις πληροφορίες, ο ελεγκτής μπορεί να ενεργήσει για να επιτύχει ένα βέλτιστα χαμηλό επίπεδο υπερθέρμανσης. Αυτή η προσαρμοστική ρύθμιση της έγχυσης ψυκτικού μέσου οδηγεί στη βέλτιστη αξιοποίηση του ατμοποιητής και, συνεπώς, στην υψηλότερη δυνατή πίεση εξάτμισης που μπορεί να επιτευχθεί στο συγκεκριμένο σύστημα. Αυτό όχι μόνο οδηγεί σε υψηλότερες τιμές COP, αλλά και σε εξοικονόμηση ενέργειας, επειδή η τιμή COP ισούται με την ψυκτική ικανότητα διαιρούμενη με την κατανάλωση ενέργειας.

2) Σταθερή βελτιστοποίηση υπερθέρμανσης

Η υπερθέρμανση προσαρμόζεται πάντα στο ελάχιστο σταθερό σήμα (γραμμή MSS) του ατμοποιητή, γεγονός που αποτρέπει αξιόπιστα οποιαδήποτε μετατόπιση του σήματος στην ασταθή περιοχή (αριστερά της γραμμής MSS στο Σχήμα 1). Ο ελεγκτής επιλέγει αρχικά μια αυθαίρετη τιμή σημείου ρύθμισης υπερθέρμανσης, όπως 8 K. Στη συνέχεια προσπαθεί να επιτύχει αυτή την τιμή (8 K) ως τιμή σημείου ρύθμισης του συστήματος. Δεδομένου ότι όλες οι πληροφορίες συγκεντρώνονται εδώ και αποθηκεύεται το ιστορικό αυτών των δύο παραμέτρων για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας ελέγχου, ο ελεγκτής μπορεί εύκολα να αποφασίσει αν η τιμή που προσπαθεί να επιτύχει είναι πράγματι εφικτή υπό τις τρέχουσες συνθήκες φορτίου.

Για παράδειγμα, εάν η πίεση εξάτμισης αυξομειώνεται έντονα και η τιμή της υπερθέρμανσης μεταβάλλεται γρήγορα, αυτό αποτελεί ένδειξη ότι ο ελεγκτής θα πρέπει να προσπαθήσει να επιτύχει υψηλότερη υπερθέρμανση. Από την άλλη, εάν η υπερθέρμανση και η πίεση εξάτμισης παραμένουν σε μεγάλο βαθμό σταθερές, ο ελεγκτής μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί με διαδοχικά χαμηλότερες τιμές σημείου ρύθμισης υπερθέρμανσης, όπως 7 K, 6 K, 5 K κ.ο.κ.

Η συνεχής επαλήθευση του βέλτιστου επιπέδου υπερθέρμανσης αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα των ηλεκτρονικών εκτονωτικών βαλβίδων σε σχέση με τις αμιγώς θερμοστατικές εκτονωτικές βαλβίδες. Οι θερμοστατικές εκτονωτικές βαλβίδες πρέπει να ρυθμίζονται εκ των προτέρων στη μέγιστη τιμή σημείου ρύθμισης υπερθέρμανσης που αντιστοιχεί στο συγκεκριμένο χαρακτηριστικό MSS του συστήματος. Ωστόσο, η τιμή αυτή δεν είναι ιδιαίτερα εύκολο να προσδιοριστεί, οπότε η ήδη κακή αρχική κατάσταση γίνεται συνήθως ακόμη χειρότερη από το γεγονός ότι ο εγκαταστάτης προσθέτει έναν συντελεστή ασφαλείας στην απαιτούμενη ελάχιστη τιμή υπερθέρμανσης κατά την έναρξη λειτουργίας.

3) Επιλέξιμο σημείο μέγιστης λειτουργίας πίεσης

Μια σημαντική πτυχή του ηλεκτρονικού ελέγχου του ψεκασμού είναι ότι το σημείο μέγιστης λειτουργίας πίεσης (MOP) είναι επιλέξιμο. Το σημείο MOP αφορά στη μέγιστη πίεση εξάτμισης της εκτονωτικής βαλβίδας. Οι θερμοστατικές εκτονωτικές βαλβίδες έχουν πάντα πολύ συγκεκριμένα σημεία MOP επομένως θα πρέπει να γίνεται επιλογή διαφορετικού τεμαχίου για κάθε εφαρμογή (π.χ. -20°C για καταψύξεις). Το σημείο MOP επιλέγεται ελεύθερα με μια ηλεκτρονική εκτονωτική βαλβίδα εκτόνωσης και, αν χρειαστεί, μπορεί να ρυθμιστεί ή να αλλάξει σε μια εντελώς διαφορετική τιμή. Αυτό σημαίνει ότι στις περισσότερες περιπτώσεις μπορείτε να τα καταφέρετε χωρίς ρυθμιστή πίεσης στροφαλοθάλαμου, γεγονός που ισοδυναμεί με σημαντική εξοικονόμηση κόστους σε ένα σχετικά μεγάλο σύστημα.
Επιπλέον, η ρύθμιση του επιθυμητού σημείου είναι ταχύτερη και πιο βολική με την ηλεκτρονική έκδοση από ότι με έναν μηχανικό ρυθμιστή πίεσης στροφαλοθάλαμου.

Πλεονεκτήματα της ηλεκτρονικής εκτονωτικής βαλδίδας

Υπάρχουν πολλά οφέλη από τη χρήση ηλεκτρονικών εκτονωτικών βαλβίδων τα οποία και παραθέτονται συνοπτικά παρακάτω. Το επίκεντρο όμως είναι συνήθως ότι με τη χρήση αυτών των εκτονωτικών βαλβίδων θα μειωθεί η κατανάλωση ενέργειας του σύστηματος ψύξης και θα έχει καλύτερη απόδοση.

• Ακριβής έλεγχος
• Γρήγορη και ακριβής απόκριση στην αλλαγή του φορτίου
• Ευρύτερη διακύμανση του μερικού φορτίου από ότι η TXV
• Διατηρεί τον έλεγχο της μέγιστης δυναμικότητας ακόμη και σε μερικό φορτίο
• Εισάγει με ακρίβεια τη σωστή ποσότητα ψυκτικού μέσου
• Εξοικονόμηση ενέργειας ~15%