Van tiết lưu nhiệt có tên đầy đủ là van tiết lưu tĩnh nhiệt (tiếng Anh là Thermostatic Expansion Valve, viết tắt là TEV) là loại van tiết lưu được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay bởi hiệu suất cao cũng như khả năng ứng dụng đa dạng của nó trong rất nhiều máy lạnh trong các lĩnh vực khác nhau.

 

1. Cấu tạo và làm việc

Nguyên tắc làm việc của nó là giữ một độ quá nhiệt ổn định của ga lạnh sau dàn bay hơi. Độ quá nhệt này đảm bảo cho dàn bay hơi luôn được cung cấp đủ lỏng từ van tiết lưu để làm việc có hiệu quả nhất. Độ quá nhiệt này cũng đồng thời đảm bảo lỏng không lọt về máy nén gây va đập thủy lực. Van tiết lưu nhiệt có khả năng thích ứng tốt cả ở điều kiện chạy 100% tải và non tải hoặc có tải biến động.

 

Xem hình 2 ta biết được nguyên lý hoạt động của van lỏng từ dàn ngưng tụ đi vào van qua cửa 5, phin lọc gas 6, qua kim và đế van 2, qua cửa 8 để vào dàn bay hơi 9. Đế van nằm cố định nhưng kim van được gắn liền với màng dãn nở 1 và được tỳ lên lò xo 3. Nhờ bầu cảm 7 có nạp lỏng bên trong mà nhiệt độ quá nhiệt của hơi ra khỏi dàn bay hơi chuyển thành tín hiệu áp suất làm co dãn màng 1, qua đó tác động điều chỉnh đóng bớt hoặc mở rộng thêm cửa thoát. Nhờ lò xo 3 và vít 4 ta có thể điều chỉnh được độ quá nhiệt hơi ra khỏi dàn bay hơi ở điểm C.

 

Sự hoạt động của van tiết lưu nhiệt được quyết định bởi 3 lực cơ bản (xem hình 3), trong đó:

P1 – áp suất của bầu cảm nhiệt tác động lên phía trên của màng dãn nở, để mở to thêm cửa van.

P2 – áp suất bay hơi tác động ngược lại ở phía dưới màng dãn nở, để đóng bớt cửa van.

P3 – áp suất của lò xo có xu hướng đóng bớt cửa van, nó tác dụng lên kim van và qua chốt van, tác động lên màng dãn nở. Lò xo này được gọi là lò xo quá nhiệt vì kết hợp với vít 4 có thể điều chỉnh được độ quá nhiệt của hơi hút ở cửa ra của dàn bay hơi.

Hình 1. Vị trí lắp đặt van tiết lưu nhiệt cân bằng trong

 

Hình 2. Cấu tạo van tiết lưu nhiệt cân bằng trong

Điểm A - Lỏng phun vào dàn bay hơi; Điểrm B' - đại bộ phận lỏng đã hóa hơi; 

Điểm B - toàn bộ lỏng đã hóa hơi (hơi bão hòa khô); Điểm C - hơi quá nhiệt.

Khi van vận hành ổn định thì áp suất của bầu cảm cân bằng với áp suất bay hơi cộng với áp suất lò xo theo biểu thức:

P1 = P2 + P3

 

Hình 3. Các lực tác dụng trong van tiết lưu nhiệt cân bằng trong

 

Nếu trong bầu cảm cũng sử dụng loại ga lạnh giống như trong hệ thống lạnh thì lực tác dụng sẽ giống nhau khi ở cùng nhiệt độ. Sau khi bay hơi hết trong dàn bay hơi (điểm B) hơi bắt đầu tăng nhiệt độ và có độ quá nhiệt, ví dụ tăng thêm 5K ở điểm C. Độ quá nhiệt đó gây ra bởi lò xo “quá nhiệt”. Tuy nhiên áp suất bay hơi vẫn giữ nguyên, nếu bỏ qua tổn thất áp suất trong dàn bay hơi. Do bầu cảm được gắn chặt lên vị trí C nên bầu cảm cảm nhận được nhiệt độ quá nhiệt của hơi hút và áp suất trong bầu cảm tương ứng với áp suất bão hòa của ga lạnh ở nhiệt độ quá nhiệt.

 

Hình 4. Ba lực cơ bản quyết định sự vận hành của van tiết lưu nhiệt.

 

A - Lỏng phun vao dàn bay hơi; B - hơi bão hòa khô (toàn bộ lỏng vừa hóa hơi hết);

C- hơi quá nhiệt về máy nén.

(Ví dụ: máy điều hòa R22, t0 = 5 0C, tqn = 10 0C, p1 = p(+10 0C) = 6.8 bar;

p2 = p(+5 0C) = 5,84 bar, p3 = 0,96 bar) 

Nếu lấy ví dụ là máy điều hòa không khí có nhiệt độ bay hơi là 5˚C, nhiệt độ quá nhiệt là 10˚C, độ quá nhiệt 5K thì ta có các áp suất như sau:

- áp suất bầu cảm (bảo hòa ở 10˚C) P1 = 6.80 bar

- áp suất bay hơi (bão hòa ở nhiệt độ bay hơi 5˚C) P2 = 5.84 bar

- áp suất lò xo P3 = 0.96bar

và P1 = 6.8bar = P2 + P3 = 5.84 + 0.96 bar

Khi điều chỉnh cho độ quá nhiệt tăng lên, nhiệt độ bay hơi sẽ giảm và năng suất lạnh sẽ giảm.

 

Sau khi đã đạt độ quá nhiệt cho van, ví dụ 5K với lực tác dụng lên lò xo tương đương áp suất 0.96 bar lên màng dãn nở, van sẽ làm việc theo độ quá nhiệt đó. Nếu ga lạnh phun vào dàn quá ít, áp suất bay hơi giảm, độ quá nhiệt hơi hút tăng lên, áp suất bầu cảm tăng, màng dãn nở xuống phía dưới, cửa thoát của van được mở rộng hơn. Nếu ga lạnh phun vào dàn quá nhiều, áp suất bay hơi tăng, độ quá nhiệt làm cho áp suất bầu cảm giảm, màng co lên trên đóng bớt cửa thoát của van. Cứ như vậy, van tự động điều chỉnh đúng lượng lỏng phun vào dàn, đúng độ quá nhiệt hơi hút và đưa 3 lực vào trạng thái cân bằng.

 

Trường hợp tải lạnh của dàn bay hơi tăng lên, ga lạnh bốc hơi mạnh, đoạn ống có hơi quá nhiệt dài hơn, độ quá nhiệt tăng lên làm cho áp suất bầu cảm tăng, màng bị đẩy xuống và van cũng mở rộngg hơn cửa thoát để phun nhều hơn ga lỏng vào dàn. Như vậy, khi tải lạnh tăng, van sẽ tự động mở to hơn và độ quá nhiệt hơi hút cũng tăng lên chút ít.

 

Tóm lại, van tiết lưu nhiệt có khả năng duy trì việc cấp lỏng đầy đủ cho dàn bay hơi ở các điều kiện tải khác nhau.

 

2. Đặc tính thiết kế và vận hành van tiết lưu nhiệt cân bằng trong

Đặc tính thiết kế van tiết lưu nhiệt

a Trong bầu cảm nhiệt của van được nạp cùng loại ga giống như trong hệ thống lạnh

b. Thể ích bầu cảm và lượng nạp cần phải thiết kế sao cho ở mọi chế độ nhiệt độ làm việc cảu màng dãn nở và ống mao vẫn tồn tại lỏng ở trong bầu cảm biến.

Ưu điểm van tiết lưu nhiệt

Bầu cảm luôn luôn điều chỉnh được lượng lỏng phun vào dàn phù hợp trong cả trường hợp van và màng có nhiệt độ thấp hơn.

Nhược điểm van tiết lưu nhiệt

1. Khi máy nén khởi động, áp suất hút và áp suất trong dàn bay hơi giảm xuống, nhưng vì bầu cảm của van chưa giảm nhiệt độ đồng thời nên áp suất trong bầu cảm tương đối cao, van mở quá lớn làm cho:

a. độ quá nhiệt thấp và có nguy cơ tràn lỏng về máy nén.

b. áp suất hút giảm chậm dần đến nguy cơ quá tải cho động cơ máy nén.

2. Ở cùng một chế độ điều chỉnh van, nếu nhệt độ sôi cao mà nhiệt độ quá nhiệt đạt yêu cầu thì ở nhiệt độ sôi thấp, độ quá nhiệt sẽ tăng quá cao. Độ quá nhiệt tăng quá cao sẽ làm cho năng suất lạnh giảm xuống.

3. Ở chu kỳ máy nghỉ, nếu bầu cảm được cố định ở vị trí “ấm” tương đối so với buồng lạnh thì áp suất bầu cảm sẽ đủ cao để mở van và lỏng sẽ tràn ngập dàn lạnh. Đây cũng là nguyên nhân dẫn đến quá tải và tràn lỏng vào máy nén. Trong trường hợp này thường phải lắp đặt thêm 1 van điện từ trước van tiết lưu để khắc phục. Đôi khi người ta còn mở trễ van điện từ 30 ÷ 120 giây sau khi máy nén khởi động.

4. Các van tiết lưu nhiệt thông thường không có các đặc tính đặc biệt tránh được các nguy cơ va đập thủy lực hoặc gây quá tải cho máy nén.

Chính vì các nhược điểm đó mà các nhà thiết kế đã đưa ra các cải tiến khác phục được trình bày sau đây:

3. Van tiết lưu nhiệt giới hạn áp suất (MOP)

Do những nhược điểm cùa van tiết lưu nhiệt thông thường, người ta thấy cần phải cải tiến bầu cảm nhiệt để tránh các nhược điểm đó. Hướng cải tiến ở đây là giới hạn áp suất trong bầu cảm khi nhiệt độ bầu cảm tăng quá cao ở chu kỳ dừng của máy nén, vì áp suất bầu cảm có tác động mở van tiết lưu làm ngập lỏng trong dàn bay hơi.

 

Như vậy, bầu cảm của van tiết lưu cải tiến có giới hạn áp suất tối đa MOP (Maximum Operating Pressure). Điểm MOP phải cao hơn phạm vi làm việc của van. Nhiệt độ mà bầu cảm đạt áp suất tối đa MOP phải cao hơn nhiệt độ quá nhiệt vận hành của dàn bay hơi và có thể định trước được. Khi đã đạt tới áp suất đó thì dù nhiệt độ bầu cảm có tăng lên bao nhiêu nửa (ở chu kỳ máy nén nghỉ), áp suất bầu cảm cũng không tăng thêm.

 

Người ta có thể đạt được MOP cho bầu cảm nhờ cơ cấu cơ khí hoặc nhờ phương pháp nạp hơi. Tài liệu [2] giới thiệu 2 cơ cấu cơ khí để đạt MOP trong bầu cảm là túi hơi MOP và lò xo MOP. Ở túi hơi, người ta thiết kế một túi hơi có áp suất Mop đặt ngay giữa màng dãn nở và tì van. Túi hơi có áp suất MOP sẽ truyền sự dãn nở của màng xuống van khi áp suất bầu cảm nhỏ hơn MOP. Khi áp suất bầu cảm lớn hơn áp suất MOP, túi hơi sẽ bị xẹp lại. Ở lò xo MOP, một lò xo có lực tương ứng MOP  cũng được đặt giữa màng dãn nở và tì van. Lò xo này cũng bị xẹp khi màng dãn nở đạt MOP.

 

Tuy nhiên phương pháp đơn giản nhất là náp hơi cho bầu cảm. Ở trạng thái bình thường chỉ có hơi trong bầu cảm. Chỉ khi nhiệt độ bầu cảm hạ xuống đến nhiệt độ dịnh trước, trong bầu cảm mới xuất hiện hạt lỏng đầu tiên, đây cũng là áp suất MOP. Nhiệt độ quá nhiệt vận hành của van cũng chỉ nằm dưới nhiệt độ định trước này chút ít.

 

Ưu điểm của bầu cảm MOP

1. Van đóng chặt trong chu kỳ dừng máy: khi dừng máy, dàn bay hơi tăng nhiệt độ, nhiệt độ bầu cảm cũng tăng nhưng vì bầu cảm đã đạt MOP, dù nhiệt độ bầu cảm có tăng thêm nhưng áp suất không tăng. Trong khi đó, áp suất bay hơi tăng, cộng thêm lực lò xo, tác động làm van đóng chặt trong chu kỳ dừng máy.

 

2. Van tiết lưu vẫn đóng chặt trong quá trình khởi động máy nén không gây ngập lỏng trong dàn bay hơi và tràn lỏng về máy nén vì khi áp suất bay hơi giảm trong quá trình khởi động nhưng nhiệt độ còn tương đối cao, áp suất còn tương đối cao cộng với lực lò xo vẫn lớn hơn MOP nên van vẫn còn đóng. Chỉ khi nào 2 lực này cân bằng với Mop thì van mới mở lại.

 

Tài liệu tham khảo:

Tự động điều khiển các quá trình nhiệt - lạnh - Tác giả Nguyễn Tấn Dũng.

Hệ thống máy và thiết bị lạnh - Tác giả Đinh Văn Thuận - Võ Chí Chính

Tự động hóa hệ thống lạnh - Tác giả Nguyễn Đức Lợi 

Thiết bị tiết lưu và thiết bị phụ - Tác giả Nguyễn Đức Lợi