Bauteile

11. April 2017

Thermostatische Expansionsventile (TEV) für Kälteanlagen

Erklärungen zur Überhitzung, Unterkühlung, äußerer Druckausgleich, Fühler Füllungen etc.

Kältetechnik - Einführung in die Grundlagen - Thermostatisches Expansionsventil

1. Einleitung

Ein thermostatisches Expansionsventil besitzt ein thermostatisches Element (1), welches vom Ventilgehäuse durch eine Membrane getrennt ist.

Das Element ist durch ein Kapillarrohr mit einem Fühler (2), einem Ventilgehäuse mit Ventilsitz (3) und einer Feder (4) verbunden.

Wirkungsweise eines thermostatischen Expansionsventils

Die Funktion eines thermostatischen Expansionsventils wird von drei grundlegenden Drücken bestimmt:

P1:

Fühlerdruck, der auf der Oberseite der Membrane wirkt und das Ventil öffnet.

P2:

Verdampferdruck, der auf der Unterseite der Membrane wirkt und das Ventil schließt.

P3:

Federdruck, der ebenfalls auf der Unterseite der Membrane wirkt und das Ventil schließt.

Wenn das Expansionsventil regelt, besteht ein Gleichgewicht zwischen dem Fühlerdruck auf der Oberseite der Membrane und dem Verdampferdruck plus Federdruck auf der Unterseite der Membrane.

Mit Hilfe der Feder wird die statische Überhitzung eingestellt.

2. Überhitzung

Unter Überhitzung versteht man die Differenz aus der am Fühler des thermostatischen Expansionsventils gemessenen Temperatur und der Verdampfungstemperatur.

Die Verdampfungstemperatur wird über Manometer an der Saugseite ermittelt.

Die Überhitzung wird in Kelvin [K] angegeben

3. Unterkühlung

Die Unterkühlung ist als Differenz zwischen Flüssigkeitstemperatur und Verflüssigerdruck/- temperatur am Eintritt des Expansionsventils definiert.

Die Unterkühlung wird in Kelvin [K] angegeben. Unterkühlung der Kältemittelflüssigkeit ist notwendig, um Dampfblasen vor dem Expansionsventil zu vermeiden.

Dampfblasen setzen die Leistung des Expansionsventils herab bzw. reduzieren die Flüssigkeitszufuhr zum Verdampfer. Eine Unterkühlung von 4-5 K ist in den meisten Fällen ausreichend.

4. Äußerer Druckausgleich

Expansionsventile mit äußerem Druckausgleich müssen immer eingesetzt werden, wenn Flüssigkeitsverteiler verwendet werden. Die Verwendung von Verteilern ergibt im allgemeinen einen Druckabfall von 1 bar über Verteiler und Verteilerrohr.

Expansionsventile mit äußerem Druckausgleich sollten immer in Kälteanlagen mit großen Verdampfern oder Plattenwärmetauschern eingesetzt werden.

Bei diesen ist der Druckabfall normalerweise größer als der Druck, der 2 K entspricht.

5. Füllungen

Ein thermostatisches Expansionsventil kann drei verschiedene Füllungen haben:

1. Universalfüllung

2. MOP-Füllung

3. MOP-Füllung mit Ballast (Standard)

1. Universalfüllung

Expansionsventile mit Universalfüllung werden bei den meisten Kälteanlagen eingesetzt. Einsatzbedingungen:

Druckbegrenzung (MOP) nicht erforderlich
Anlagen mit hohen Verdampfungstemperaturen
Element kann kälter als der Fühler sein

2. MOP-Füllung

Expansionsventile mit MOP-Füllung werden in Anlagen eingesetzt, bei denen eine Begrenzung des Saugdrucks während des Anlaufs erforderlich wird, z.B. in Tiefkühlanlagen. Alle Expansionsventile mit MOP haben eine sehr kleine Füllung im Fühler.

Das bedeutet, dass das thermostatische Element wärmer sein muss als der Fühler. Andernfalls kann eine Füllungsverlagerung vom Fühler zum Element stattfinden, was die Funktion des Expansionsventils unterbindet.

3. MOP-Füllung mit Ballast (Standard)

Expansionsventile mit MOP-Ballast-Füllungen werden vorzugsweise in Kälteanlagen mit “hochdynamischen” Verdampfern eingesetzt, z.B. in Klimaanlagen und Plattenwärmeaustauschern, die eine große Übertragungsleistung bei kleinen inneren Volumen haben.

Mit der MOP-Ballast-Füllung können 2 bis 4 K weniger Überhitzung erreicht werden als mit anderen Füllungsarten.

6. Wahl des thermostatischen Expansionsventils

Das thermostatische Expansionsventil kann be-stimmt werden, wenn folgendes bekannt ist:

Kältemittel
Verdampferleistung
Verdampfungstemperatur
Verflüssigungstemperatur
Unterkühlung
Druckabfall über das Ventil
Innerer oder äußerer Druckausgleich

7. Bezeichnung

Das thermostatische Element ist auf der Oberseite mit einem Schild versehen. Die Buchstaben beziehen sich auf das für das Ventil vorgesehene Kältemittel:

X = R 22
Z = R 407C
N = R 134a
L = R 410A
S = R 404A/ R 507

Auf dem Schild sind Ventiltyp, Verdampfungstemperaturbereich, evtl. MOP-Punkt, Kältemittel und der max. Arbeitsdruck PS/MWP angegeben.

Der Düseneinsatz für T/TE 2 ist mit der Düsengröße (z.B. 06) und der Kalenderwoche + der letzten Ziffer des Kalenderjahre (z.B. 279) gekennzeichnet.

Die Nummer des Düseneinsatzes ist außerdem auf dem Deckel des Kunststoffbehälters für den Einsatz angegeben.

Bei TE 5 und TE 12 gibt die obere Kennzeichnung (TE 12) an, für welchen Ventiltyp der Einsatz bestimmt ist.

Die untere Kennzeichnung (01) bezieht sich auf die Düsengröße. Bei TE 20 und TE 55 bezieht sich die obere Kennzeichnung (N/B 50/35 TR) auf die Nennleistung in den beiden Verdampfungstemperaturbereichen N und B sowie auf das

(50/35 TR = 175 kW im Bereich N und 123 kW im Bereich B). Die untere Kennzeichnung (TEX 55) gibt an, für welchen Ventiltyp der Einsatz benutzt werden kann.

8. Montage

Das Expansionsventil ist vor dem Verdampfer in die Flüssigkeitsleitung zu montieren, und sein Fühler ist so nahe wie möglich hinter dem Verdampfer an der Saugleitung zu befestigen.

Wenn es sich um Ventile mit äußerem Druckausgleich handelt, muss die Ausgleichsleitung unmittelbar nahe dem Fühler an der Saugleitung angebracht werden.

Der Fühler wird an einem waagerechten Rohr an der Saugleitung montiert, in einer Position, die bei Vergleich mit dem Zifferblatt einer Uhr der Zeit zwischen 1 und 4 Uhr entspricht. Die Anbringung ist vom Außendurchmesser des Rohres abhängig.

Achtung!

Der Fühler darf nie an der Unterseite der Saugleitung befestigt werden, da er dort falsche Signale aufnimmt, wenn sich unten im Rohr Öl befindet.

Der Fühler soll die Temperatur des überhitzten Saugdampfes ermitteln und darf deshalb nicht so angebracht werden, dass er von Fremdwärme/-kälte beeinflusst werden kann.

Die Danfoss Fühlerschelle erlaubt eine feste und sichere Montage des Fühlers am Rohr. Dabei wird sichergestellt, dass der Fühler einen bestmöglichen thermischen Kontakt mit der Saugleitung hat. Das TORX Design der Schraube macht es für den Monteur einfach das Drehmoment vom Schraubendreher auf die Schraube zu übertragen, ohne das Werkzeug in die Schraubeneinkerbung zu pressen und die Einkerbung zu beschädigen.

Der Fühler darf nicht hinter einem zusätzlichen Wärmeaustauscher montiert werden, da diese Anbringung zu einem verfälschten Signal an das Expansionsventil führt.

Der Fühler darf nicht in der Nähe von Komponenten mit großer Masse montiert werden, da dies ebenfalls zu einem verfälschten Signal an das Expansionsventil führt.

Der Fühler ist, wie zuvor erwähnt, am waagerechten Teil der Saugleitung unmittelbar hinter dem Verdampfer zu befestigen und darf nicht an einem Sammelrohr oder einem Steigrohr hinter einem Ölsack montiert sein.

Die Fühler muss immer vor einem Ölhebebogen installiert werden.

9. Einstellung der statischen Überhitzung

Das Expansionsventil wird mit einer Werkseinstellung geliefert, die in den meisten Fällen nicht korrigiert werden muss.

Wenn eine Nachjustierung notwendig ist, wird diese mittels der Einstellspindel am Expansionsventil vorgenommen.

Durch Drehen nach rechts (im Uhrzeigersinn) wird die Überhitzung des Expansionsventils vergrößert, durch Drehen nach links (entgegen dem Uhrzeigersinn) verkleinert.

Bei T /TE 2 ergibt eine Umdrehung der Spindel eine Änderung der Überhitzung bei 0 °C Verdampfungstemperatur um etwa 4 K.

Bei TE 5 und nachfolgenden Größen ergibt eine Umdrehung der Spindel eine Änderung der Überhitzung bei 0 °C Verdampfungstemperatur um etwa 0,5 K.

Bei TUA und TUB ergibt eine Umdrehung der Spindel eine Änderung der Überhitzung bei 0 °C Verdampfungstemperatur um etwa 3 K.

Pendelungen im Verdampfer können durch folgendes Verfahren beseitigt werden: Überhitzung durch Drehen der Einstellspindel nach rechts vergrößern, so dass das Pendeln aufhört. Danach die Einstellspindel stufenweise nach links drehen, bis das Pendeln wieder beginnt.

Von dieser Position die Spindel in etwa einmal im Uhrzeigersinn drehen (bei T-/TE2-Ventilen jedoch nur 1/4-Drehung).

Die Anlage pendelt jetzt nicht mehr, der Verdampfer wird voll ausgenutzt. Ein Schwanken der Überhitzung um ± 1 K wird nicht als Pendeln betrachtet.

Eine zu große Überhitzung im Verdampfer kann auf ungenügende Kältemittelflüssigkeit zurückzuführen sein. Die Überhitzung wird durch stufenweises Drehen der Einstellspindel nach links verkleinert, bis Pendeln festgestellt wird.

Von dieser Position die Spindel in etwa einmal im Uhrzeigersinn drehen (bei T-/TE2-Ventilen jedoch nur 1/4-Drehung).

In dieser Einstellung wird der Verdampfer voll ausgenutzt. Ein Schwanken der Überhitzung um ± 1 K wird nicht als Pendeln betrachtet.

10. Auswechseln des Düseneinsatzes

Wird bei der oben beschriebenen Vorgehensweise kein Beharrungszustand erreicht, so ist der Düseneinsatz gegen einen kleineren auszutauschen.

Wenn die Überhitzung des Verdampfers zu groß ist, ist die Ventilleistung zu klein und der Düseneinsatz muss gegen einen größeren ausgewechselt werden.

TE, T2, TUA und TCAE wird mit auswechselbarem Düseneinsatz geliefert.

11. Hunting

Bei einer deutlichen Überdimensionierung eines Expansionsventils kann es zum so genannten „Hunting“ kommen. „Hunting“ ist das englische Wort für „jagen“ und beschreibt das Pendeln der Überhitzung und damit einhergehend auch des Saugdrucks. Beim „Hunting“ fällt auf, dass sich die Überhitzung zwar im Schnitt auf einem akzeptablen Niveau beendet, sich aber ständig vergrößert und anschließend wieder verkleinert, so dass das System den Beharrungszustand nicht erreicht.

Der Hauptgrund hierfür ist eine zu groß dimensionierte Leistungsdüse. Abhilfe kann der Austausch der Düse hin zu einer kleineren Leistungsgröße bringen. Das gleiche Phänomen tritt aber beispielsweise auch bei zu klein eingestellten Istwerten am Ventil auf, wenn diese kleiner sind als das MSS (minimal stabile Signal) des Verdampfers.

So wird ein Überhitzungssollwert von 4 K zusammen mit einem Verdampfer in Plattenwärmetauscherbauart fast immer zu einem Pendeln der Überhitzung führen. Ein entsprechendes Anheben des Überhitzungssollwertes kann hier Abhilfe schaffen.

12. Zu große Überhitzung

Ursachen für zu große Überhitzung am Verdampfer können beispielsweise sein: Flashgas vor dem Expansionsventil, MOP-Füllungsverlagerung, eine zu kleine Düse, Kältemittelverlust oder Fühlerfüllungsverlust. Flashgasbildung lässt sich leicht im Schauglas entdecken. Das Schauglas sollte bei normalen Betriebsbedingungen blasenfrei sein. Bei starker Flashgasbildung kann es notwendig sein, beispielsweise einen internen Unterkühler einzubauen, um zusätzliche Unterkühlung in die Flüssigkeitsvorlage vor dem Expansionsventil hineinzubringen. Unterkühlung ist die zusätzliche sensible Temperaturabsenkung unter den Nassdampfwert bei entsprechendem Druck.

Beispiel: Auf dem Servicemanometer ist 10,6 bar abzulesen. Das entspricht 45 °C bei R134a. Misst man nun vor dem Expansionsventil an der Flüssigkeitsleitung 40 °C und vernachlässigt der Einfachheit halber jegliche Druckabfälle, so ergibt sich eine Unterkühlung von 5 K (Kelvin Druckdifferenzen werden immer in Kelvin (K) angegeben). Flashgas bildet sich durch teilweises Verdampfen der Flüssigkeit durch die Überwindung von Höhenunterschieden als Flüssigkeits-Steigleitung bzw. durch Druckabfälle in der Flüssigkeitsleitung. MOP-Füllungsverlagerung kann entstehen, wenn der Thermokopf des Expansionsventils kälter ist als der Fühler.

Damit verlagert sich das Kältemittel der Fühlerfüllung zur kälteren Stelle, im Thermokopf und am Fühler ist kein üssiges Kältemittel mehr übrig, um zu verdampfen und damit den Druck im Fühler zu erhöhen. Der „MOP-Füllungsverlagerungstest“ ist simpel: einfach den Thermokopf erwärmen. Ist das Problem danach verschwunden, dann lag eine MOP-Füllungsverlagerung vor.

13. Auslegungsbeispiel

Kommen wir nun zur Auslegung eines Expansionsventils mittels Datenblatt. Folgendes klassisches Beispiel soll betrachtet werden: ein Kühlraum mit 7 kW bei -10 °C Verdampfung, 45 °C Kondensation und 10 K Unterkühlung, zum Einsatz kommt das Kältemittel R134a. Für die Auswahl des Datenblatts sind Kältemittel und Verdampfungstemperatur entscheidend.

In unserem Fall heißt das: Verwendung des Datenblatts für R134a und Verdampfungstemperaturbereich +10 bis -40 °C. Zuerst muss die Kälteleistung mit dem Korrekturfaktor für die Unterkühlung korrigiert werden, der auf der kleinen Tabelle unten abgelesen werden kann (siehe Tabelle „Auslegungsbeispiel“ auf dieser Seite oben). Bei 10 K beträgt er 1,08. 7 (kW) dividiert durch 1,08 ergibt 6,5 (kW).

Da „-10 °C“ explizit als eigene Tabelle ausgewiesen ist, kann die passende Düsengröße für die Kälteleistung 6,5 kW direkt abgelesen werden. Außerdem wird der Druckabfall über dem Expansionsventil benötigt, da die Verflüssigungstemperatur im Datenblatt nicht direkt angegeben ist.

Der Kältemittelschieber schafft Abhilfe: Hier können wir ablesen, dass Verflüssigungs- und Verdampfungstemperatur 9,6 bar (10,6 bar – 1 bar) auseinander liegen

Um dem Druckabfall über dem Verteiler am Verdampfer gerecht zu werden, ziehen wir pauschal nochmals 1 bar vom Resultat ab. Daraus ergeben sich 8,6 bar. Wir orientie- ren uns an 8 bar ∆ p, 6,5 kW Kälteleistung, -10 °C Verdampfungstemperatur und können nun nach der passenden Düsengröße schauen. Der Wert ist 6,9 und die zugehörige Düsengröße 5.

Somit kann ein „TEN 2“-Ventil („E“ steht für externen Druckausgleich und „N“ steht für das Kältemittel R134a) mit Düse 5 für unseren Kühlraum in diesem Beispiel ausgewählt werden.