Thermostatische Expansionsventile Aufbau und Funktion

Thermostatische Expansionsventile

Eine Alternative zu thermostatischen Expansionsventilen sind Kapillarrohre, die allerdings hauptsächlich in Kühlschranksystemen und einfachen, kleinen Kältesystemen verwendet werden. Der wichtigste Vorteil von Kapillaren ist der Kostenfaktor. Nachteil ist die unflexible Regelung (bzw. keine Regelung) der Einspritzung in den Verdampfer.

Eine weitere Alternative zu den thermostatischen Geräten ist das automatische Expansionsventil, was im heutigen Kälteanlagenbau jedoch kaum mehr eine Rolle spielt. Das liegt vor allem daran, dass diese Ventile darauf abzielen, den Verdampfungsdruck unter allen Umständen konstant zu halten, auch im Falle von Flüssigkeitsrücktransport zum Verdichter.

Dreiteiliges Expansionsventil

Funktionsweise

Thermostatische Expansionsventile sind so konzipiert, dass grundsätzlich eine ausreichende Überhitzung am Verdampferaustritt gewährleistet wird, damit der Verdichter keinen Schaden nimmt. Die Überhitzung ist die Differenz zwischen dem gemessenen Temperaturwert am Verdampferausgang und der Nassdampftemperatur des am Manometer abgelesenen Drucks (meist ist zur Erleichterung der Orientierung schon eine entsprechende Temperaturschablone über die Druckskala des Servicemanometers gelegt, die von Kältemittel zu Kältemittel unterschiedlich ist). Gleichzeitig wird so erreicht, dass die gesamte Austauschfläche des Verdampfers genutzt wird.

In diesem Zusammenhang sollte der Kältefachmann immer die wichtige Rolle der Aggregat-Zustandsänderung in Kompressionskälteanlagen im Auge behalten: im Verdampfer, der die Wärme aufnimmt und im Verflüssiger, der die Wärme (außerhalb des zu kühlenden Raumes) wieder abgibt. So kann in den Wärmetauschern mit einem deutlich kleineren Volumenstrom gearbeitet werden, als dies bei unseren gebräuchlichen Kältemitteln durch den Wärmetransport durch sensible Temperaturerhöhung (messbare Temperaturerhöhung) möglich wäre. Zusätzlich kommt uns bei dieser latenten (versteckten) Wärmeaufnahme noch entgegen, dass es bei Einstoffkältemitteln und azeotropen Kältemittelge- mischen keine Temperaturänderung in der Nassdampfzone (im Phasenwechsel) gibt. Diese Tatsache ist bezüglich der Berechnungen des Wärmeübergangs sehr komfortabel.

Wie funktioniert nun aber solch ein thermostatisches Expansionsventil?

ein selbsttätiger mechanischer Regler ohne Fremdenergie. Das heißt, es braucht keinen elektrischen Anschluss oder höheren, extern herbeigeführten Druck zur Funktion. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass es auch eine Vielzahl elektronischer Expansionsventile gibt, die nach dem Prinzip der Überhitzungsregelung arbeiten. Dieser Produktfamilie soll ein gesonderter Beitrag zu einem zukünftigen Zeitpunkt dieser Serie in der KKA gewidmet werden.

Expansionsventil mit äußerem Druckausgleich und Verdampfer

Die Komponenten

Das thermostatische Expansionsventil besteht aus einem thermostatischen Element mit Fühler, einer Fühlerfüllung, einer Membrane, einer Verbindung mittels Stößel zwischen Membrane und Ventilsitz und einem Gehäuse, welches meist die Möglichkeit bie- tet, verschieden große Leistungsdüsen ein- zusetzen. Am Expansionsventil steht – vom Sammler kommend – flüssiges Kältemittel aus der Flüssigkeitsleitung an. Diese Flüssigkeit wird nun durch das Expansionsventil geregelt und über die Einspitzleitung und ggf. einen Kältemittelverteiler in den Verdampfer eingespritzt. Der Fühler wird am Verdampferausgang angebracht und es muss dafür gesorgt werden, dass der Verdampfungsdruck unter der Membrane im Expansionsventil ansteht. Verwendet man – meist bei sehr kleinen Kälteleistungen und Systemen ohne Verteiler in der Einspritzleitung – thermostatische Expansionsventile mit internem Druckausgleich, wird automatisch im Ventil der Verdampfungsdruck, genauer gesagt der Druck in der Einspritzleitung, in das Ventil unter die Membrane geleitet. Die meisten Expansionsventile jedoch sind bauartbedingt Ventile mit äußerem Druckausgleich. Dabei muss der Verdampfungsdruck abgenommen am Verdampferausgang über eine kleine Stichleitung zum Ventil hingeführt werden. Hierfür sollte ein 6er- Rohr (Kupferrohr mit 6 mm Außendurchmesser) verwendet werden und kein Kapillarrohr. Ventile mit externem Druckausgleich sind als Standard anzusehen, da sie den Druckabfall über einen Kältemittelverteiler (z.B. Venturiverteiler) berücksichtigen.

Die Membrane

Expansionsventil am Verdampfer mit Venturiverteiler

Für die folgende theoretische Überlegung gehen wir von einer Parallelfüllung des Expansionsventiloberteils aus. Parallelfüllung bedeutet, es befindet sich das gleiche Kältemittel als Fühlerfüllung im Expansionsventil wie in der Anlage. Tatsächlich werden Parallelfüllungen heute höchstens noch für Kleinserien von Sonderventilen verwendet. In Großserienventilen werden fast ausschließlich Kältemittelmischungen eingesetzt. Weiter unterstellen wir, dass eine ausreichende Fühlerfüllung im Expansionsventil vorhanden ist, so dass wir uns immer im Nassdampfbereich des Kältemittels in der Fühlerfüllung befinden und nie in den überhitzten Bereich kommen Nun wirken verschiedene Kräfte auf die Membrane im Expansionsventil: Von oben der Druck der Fühlerfüllung und von unten der Verdampfungsdruck zusammen mit der Überhitzungseinstellfeder. Bei einer Membranenbewegung nach unten wird das Ventil geöffnet und in der entgegengesetzten Richtung wird das Expansionsventil tendenziell geschlossen. Nehmen wir nun an, die von oben und unten angreifenden Kräfte befinden sich in einem Gleichgewicht. Steigt die Überhitzung am Verdampferausgang an, dann steigt der Druck und somit die Kraft im Fühler, also von oben auf die Membrane. Das Ergebnis ist eine Membranbewegung nach unten. So wird mehr Kältemittel in den Verdampfer eingespritzt, die Überhitzung verringert sich und das Ventil schließt. Gleichzeitig wird die Überhitzung immer konstant geregelt.

Überhitzungseinstellung

Will man die Überhitzung anheben, so dreht man die Einstellschraube im Uhrzeigersinn (das ist bei praktisch allen Expansionsventilen so). Bei kleineren Kompaktven- tilen, wie z.B. dem „T2“ oder „TU“, erreicht man eine recht große Änderung der Überhitzung mit nur einer 360°-Drehung.

P1 = Fühlerdruck
P2 = Verdampfungsdruck
P3 = Federdruck

Diese kann bis zu 4 K pro Umdrehung betragen, variiert aber je nach Verdampfungstemperatureinsatzbereich und abhängig davon, ob ein MOP-Ventil eingesetzt wird. Bei größeren, dreiteiligen Ventilen ist die Überhitzungsänderung bei einer Umdrehung deutlich geringer. Als Faustwert gilt: 0,5 K pro 360°. Im Zweifels- fall empfiehlt es sich, in den entsprechenden Einstellanleitungen nachzulesen. Gehen wir nun wieder von unserem Beharrungspunkt mit Kräftegleichgewicht aus, so verändert die stärkere Spannung der Feder die Kraft, die von unten auf die Membrane einwirkt. Das Ventil fährt in Richtung geschlossene Position. Damit wird weniger Kältemittel in den Verdampfer eingespritzt, was zu einer Vergrößerung der Überhitzung führt. Wird nun die zusätzliche Federkraft durch die zusätzliche Fühlerkraft – wegen der höheren Überhitzung – egalisiert, dann befindet sich das Ventil wieder in einem Zustand, in dem es konstant die gewünschte höhere Überhitzung ausregelt.

MOP-Füllung

MOP-Expansionsventile

Standard-Füllung (Universal-Füllung)

Wird statt eines Standard-Expansionsventils ein MOP-Ventil eingesetzt (MOP = maximum operating pressure bzw. maximaler Arbeitsdruck), dann zielt das Ventil darauf ab, zu hohe Verdampfungstemperaturen zu vermeiden. Solche MOP-Ventile werden besonders gerne bei Tiefkühlanlagen verwendet, da Tiefkühlverdichter im Vergleich zu Normalkühl- oder Klimaverdichtern einen kleineren Elektromotor haben und mit dieser Maßnahme vor Überlast geschützt werden. Die einzige technische Änderung bei einem MOP-Ventil gegenüber einem „Standardventil“ ist die begrenzte Fühlerfüllung. Ist bei einer bestimmten Temperatur die komplette Fühlerfüllung verdampft, so vergrö- ßert sich der Fühlerdruck praktisch nicht mehr (bzw. nur noch vernachlässigbar). Das bedeutet, dass die Kraft, die von oben auf die Membrane des Expansionsventils einwirkt, ab einer gewissen Verdampfungstemperatur nicht mehr zunimmt – die Gegenkraft, die von unten auf die Membrane einwirkt, jedoch schon.

Überhitzungseinstellungsänderungen immer nur in kleinen Schritten und nicht überhastet vornehmen

Daraus ergibt sich eine Begrenzung des Verdampfungsdruckes nach oben. Z.B. verdampft bei Raumtemperatur +10 °C ein MOP-Ventil mit MOP-Punkt - 10 °C weiter bei -10 °C, wohingegen ein „Standardventil“ schon bei 0 °C verdampfen würde. Für den Praktiker ist wichtig zu wissen, dass es speziell bei MOP-Ventilen zu höheren Überhitzungen kommen kann, ohne dass eine Fehlfunktion vorliegt.