Funktionsprinzipien und Unterschiede zwischen intern und extern ausgleichenden Expansionsventilen

Die Rolle von Expansionsventilen in Kältesystemen

Obwohl das Expansionsventil nur ein relativ kleines Bauteil innerhalb einer gesamten Kühlanlage ist, ist seine Bedeutung extrem hoch. Das Expansionsventil beeinflusst direkt, ob die Flüssigkeitszufuhr zum Verdampfer stabil bleibt und ob die Kühlleistung normal funktioniert.

Die Hauptfunktion eines Expansionsventils besteht darin, den Kältemittelstrom in den Verdampfer zu steuern und die Kältemittelzufuhr automatisch zu regeln, sodass der Verdampfer stets im optimalen Betriebszustand bleibt. Vereinfacht gesagt, funktioniert es wie ein automatischer Wasserhahn mit Durchflussregulierung. Steigt die Wärmelast im Kühlraum, öffnet es sich automatisch weiter. Sinkt die Temperatur im Kühlraum, verringert es automatisch die Öffnung.

Öffnet sich das Expansionsventil zu weit, kann eine große Menge flüssigen Kältemittels nicht vollständig verdampfen, bevor es direkt zum Kompressor zurückfließt, was zu einem Flüssigkeitsrückfluss führt. In schweren Fällen kann dies den Kompressor sogar beschädigen. Öffnet sich das Expansionsventil hingegen zu wenig, ist die Flüssigkeitszufuhr zum Verdampfer unzureichend. Dadurch kann der hintere Teil des Verdampfers nicht mehr vollständig am Wärmeaustausch teilnehmen, was die Kühlleistung verringert. Der Betriebszustand des Expansionsventils beeinflusst somit unmittelbar die Stabilität des gesamten Kältesystems.

In der Praxis werden thermostatische Expansionsventile in zwei Typen unterteilt: intern und extern ausgleichende Expansionsventile. Obwohl diese beiden Ventiltypen äußerlich ähnlich aussehen, unterscheiden sie sich grundlegend in ihrer Funktionsweise.

Funktionsprinzip von intern ausgleichenden Expansionsventilen

Das auffälligste Merkmal eines internen Expansionsventils mit Druckausgleich ist, dass es nur zwei Hauptanschlüsse besitzt. Vom Aufbau her erscheint es relativ einfach, weshalb diese Bauart in vielen kleinen Kälteanlagen und Standard-Klimaanlagen zum Einsatz kommt.

Um interne Ausgleichsventile zu verstehen, ist es zunächst notwendig zu verstehen, wie sie „Temperaturänderungen erfassen“.

Am oberen Ende des Expansionsventils ist ein dünnes Kapillarröhrchen mit dem Fühler verbunden. Der Fühler ist üblicherweise am Verdampferauslassrohr angebracht und enthält eine geringe Menge Kältemittel. Steigt die Verdampferauslasstemperatur, verdampft das Kältemittel im Fühler und erzeugt Druck. Dieser Druck wird über das Kapillarröhrchen auf die Oberseite der Membran im Inneren des Expansionsventils übertragen.

Mit steigendem Druck über der Membran wird diese nach unten gedrückt und betätigt die Ventilnadel. Sobald sich die Ventilnadel bewegt, öffnet sich die zuvor geschlossene Ventilöffnung allmählich und lässt mehr Kältemittel in den Verdampfer strömen. Mit zunehmender Flüssigkeitszufuhr steigt die Wärmeaufnahmekapazität des Verdampfers, und die Temperatur im Kältespeicher sinkt allmählich.

Sinkt die Temperatur im Kühlraum, sinkt auch die Verdampferaustrittstemperatur. Dadurch kondensiert das Kältemittel im Fühler erneut, was den Druck verringert. Die auf die Membran wirkende Kraft nimmt ab, und das Expansionsventil schließt allmählich.

Die Ventilschließung hängt jedoch nicht allein von der Federkraft ab. Eine weitere Kraft, die zum Druckgleichgewicht beiträgt, ist der Verdampferdruck selbst. Im Inneren des Expansionsventils befindet sich ein sehr kleiner Kanal. Durch diesen Kanal gelangt der Druck nahe dem Verdampfereinlass in den Raum unterhalb der Membran und erzeugt eine nach oben gerichtete Kraft auf diese. Gleichzeitig drückt die Feder im Expansionsventil ebenfalls nach oben gegen die Membran.

Daher funktioniert das gesamte Ventil tatsächlich unter dem Gleichgewicht dreier Kräfte:

• Der Druck der Messbirne drückt nach unten

• Der Verdampferdruck drückt nach oben

• Die Federkraft drückt ebenfalls nach oben

Wenn diese drei Kräfte im Gleichgewicht sind, stabilisiert sich das Ventil in einer bestimmten Öffnungsposition.

Die Bezeichnung „interner Druckausgleich“ rührt daher, dass der Verdampferdruck direkt über einen internen Kanal im Ventilkörper gewonnen wird, ohne dass zusätzliche Leitungen benötigt werden. Die Druckaufnahme erfolgt somit intern.

Funktionsprinzip des thermostatischen Expansionsventils (TXV)

Probleme im Zusammenhang mit intern ausgleichenden Expansionsventilen

Interne Ausgleichs-Expansionsventile zeichnen sich durch einfache Bauweise, relativ niedrige Kosten und einfache Installation aus und sind daher weit verbreitet. Sie weisen jedoch ein offensichtliches Problem auf: Der gemessene Druck entspricht nicht dem tatsächlichen Verdampferausgangsdruck, sondern dem Druck in der Nähe des Verdampfereintritts.

Viele Anfänger im Bereich Kältetechnik übersehen oft die Druckverluste in Verdampfern. Tatsächlich muss das Kältemittel nach dem Eintritt in den Verdampfer lange Rohrschlangen durchlaufen. Während dieses Prozesses sinkt der Druck kontinuierlich aufgrund von Reibungswiderstand und Verdunstung.

Dies bedeutet, dass der Einlassdruck und der Auslassdruck des Verdampfers oft unterschiedlich sind.

Sind die Verdampferschlangen relativ kurz, ist dieser Druckunterschied möglicherweise nicht signifikant, sodass interne Ausgleichsventile normal funktionieren können. Sind die Verdampfer jedoch lang oder gehören sie zu Niedertemperatursystemen, werden die internen Druckverluste deutlich größer.

An diesem Punkt regeln interne Ausgleichsventile weiterhin anhand des Eingangsdrucks, was zu Fehleinschätzungen führen kann. Dies lässt sich vergleichen mit jemandem, der feststellen möchte, ob der Wasserdruck am Ende eines Rohrs ausreicht, aber nur den Druck am Rohreingang misst. Da im gesamten Rohr ein Widerstand vorhanden ist, bedeutet ein hoher Eingangsdruck nicht zwangsläufig einen hohen Druck am Ausgang.

Da interne Ausgleichsventile den tatsächlichen Auslassdruck nicht erfassen können, schließen sie unter Umständen vorzeitig. Dies führt zu einer unzureichenden Flüssigkeitszufuhr, wodurch der hintere Teil des Verdampfers weniger effektiv am Wärmeaustausch teilnimmt und letztendlich die Kälteleistung sinkt.

Bei vielen Kühlhäusern kommt es vor, dass „der vordere Bereich vereist, während der hintere Bereich unzureichend gekühlt bleibt“. In vielen Fällen hängt dies direkt mit einer ungleichmäßigen Kältemittelverteilung zusammen.

Funktionsprinzip von extern ausgleichenden Expansionsventilen

Zur Behebung von Fehlern, die durch den Druckabfall im Verdampfer verursacht werden, wurden externe Ausgleichs-Expansionsventile entwickelt.

Das wichtigste Merkmal von externen Ausgleichsventilen ist ein zusätzlicher Anschluss im Vergleich zu internen Ausgleichsventilen. Dieser Anschluss ist üblicherweise mit einem kleinen Ausgleichsrohr verbunden, das direkt an das Verdampferauslassrohr angeschlossen ist. Dadurch entspricht der unter der Membran gemessene Druck nicht mehr dem Verdampfereintrittsdruck, sondern dem tatsächlichen Verdampferauslassdruck.

Obwohl dadurch nur ein kleines Rohr hinzugefügt wird, ändert sich die Funktionsweise grundlegend. Da externe Ausgleichsventile den Verdampferausgangsdruck direkt erfassen, werden sie nicht durch Druckverluste im Verdampfer beeinflusst. Die gewonnenen Daten werden genauer, was naturgemäß zu einer präziseren Ventilsteuerung führt.

Bei Änderungen der Verdampferlast können externe Ausgleichsventile die tatsächlichen Betriebsbedingungen des Verdampfers genauer bestimmen und die Flüssigkeitszufuhr entsprechend anpassen.

Der größte Vorteil dieser Regelungsmethode liegt in der präziseren Überhitzungssteuerung. Überhitzung lässt sich vereinfacht als der zusätzliche Temperaturanstieg des Kältemittels nach dem Verlassen des Verdampfers verstehen. Zu hohe Überhitzung deutet auf eine unzureichende Kältemittelzufuhr hin, während zu niedrige Überhitzung auf ein Rückflussrisiko hinweisen kann.

Da externe Ausgleichsventile eine präzisere Steuerung ermöglichen, tragen sie dazu bei, dass Verdampfer optimalere Betriebsbedingungen aufrechterhalten können.

Vorteile von externen Ausgleichs-Expansionsventilen in Kühlhausanwendungen

Tieftemperatur-Kältespeicher zeichnen sich typischerweise durch lange Verdampfer, komplexe Rohrleitungen und hohe interne Druckverluste aus. [Tieftemperatur-Kältespeicher sind prinzipiell schwieriger zu kühlen und erfordern größere Wärmetauscherflächen. Größere Wärmetauscherflächen führen zwangsläufig zu einem höheren Strömungswiderstand.] In diesen Systemen führt die fortgesetzte Verwendung interner Ausgleichsventile häufig zu einer unzureichenden Flüssigkeitszufuhr.

Insbesondere in großen luftgekühlten Kältespeichern können die Verdampferschlangen extrem lang werden. Nachdem das Kältemittel diese Schlangen durchströmt hat, sinkt der Druck deutlich. Da interne Ausgleichsventile den tatsächlichen Auslassdruck nicht erfassen können, gehen sie fälschlicherweise oft von einem weiterhin hohen Verdampferdruck aus und reduzieren die Kältemittelzufuhr vorzeitig.

Das Ergebnis ist, dass der hintere Teil des Verdampfers nicht vollständig genutzt werden kann, wodurch die verfügbare Wärmeaustauschfläche ungenutzt bleibt. Externe, druckausgleichende Expansionsventile hingegen erfassen direkt den Verdampferausgangsdruck und ermöglichen so eine präzisere Einstellung der Ventilnadelöffnung, sodass die gesamte Verdampferschlange am Wärmeaustausch teilnimmt.

Dies verbessert nicht nur die Kälteleistung, sondern sorgt auch für stabilere Kühlraumtemperaturen. Daher sind externe Ausgleichsventile in Tieftemperatur-Kühlsystemen, mittelgroßen bis großen Kühlhäusern, langen Verdampferschlangen und Systemen, die eine hohe Temperaturgenauigkeit erfordern, bereits Standard.

Die Bedeutung des Verständnisses der Funktionsprinzipien von Expansionsventilen

Viele Ausfälle von Kälteanlagen hängen tatsächlich mit einer fehlerhaften Regelung des Expansionsventils zusammen. Probleme wie unzureichende Flüssigkeitszufuhr, ungleichmäßige Vereisung des Verdampfers, zu hohe Ansaugtemperaturen und Flüssigkeitsrücklauf im Kompressor können allesamt auf einen fehlerhaften Betrieb des Expansionsventils zurückzuführen sein.

Wirklich professionelle Kältetechniker lösen Probleme nicht einfach durch den Austausch von Bauteilen. Vielmehr können sie Systemanomalien schnell anhand von Druck-, Temperatur- und Vereisungsbedingungen erkennen.

Grundlage jeder solchen Analyse ist das Verständnis der Funktionsprinzipien von Expansionsventilen. Nur wenn Techniker die Unterschiede zwischen intern und extern druckausgeglichenen Expansionsventilen wirklich verstehen, können sie genauer bestimmen, warum Probleme in realen Kälteanlagen auftreten und wie Einstellungen und Reparaturen durchzuführen sind.