Was ist das Funktionsprinzip eines thermischen Expansionsventils?

Hallo! Als Ventillieferant werde ich oft nach dem Funktionsprinzip eines thermischen Expansionsventils gefragt. Deshalb dachte ich, ich würde es in diesem Blogbeitrag aufschlüsseln.

Beginnen wir mit den Grundlagen. Ein thermisches Expansionsventil, oft als TXV oder TEV abgekürzt, ist eine entscheidende Komponente in Kühl- und Klimaanlagen. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die Menge an Kältemittel zu regulieren, die in die Verdampferschlange fließt. Warum ist das so wichtig? Wenn nicht die richtige Menge Kältemittel den Verdampfer erreicht, kühlt oder heizt das System nicht effektiv.

Wie alles beginnt

In einem Kühl- oder Klimaanlagensystem durchläuft das Kältemittel einen Kreislauf. Beim Verlassen des Kondensators handelt es sich zunächst um eine Flüssigkeit mit hohem Druck und hoher Temperatur. Das Kältemittel muss dann in den Verdampfer gelangen, wo es Wärme aus der Umgebungsluft (in einem Wechselstromsystem) oder aus dem zu kühlenden Raum (in einem Kühlsystem) aufnimmt.

Das thermische Expansionsventil sitzt zwischen Kondensator und Verdampfer. Es ist wie ein Verkehrspolizist, der kontrolliert, wie viel Kältemittel zum Verdampfer gelangt. Wenn zu viel Kältemittel in den Verdampfer gelangt, hat dieser nicht genug Zeit, vollständig zu verdampfen, und flüssiges Kältemittel gelangt möglicherweise zurück in den Kompressor, was diesen beschädigen kann. Wenn andererseits zu wenig Kältemittel eindringt, kann der Verdampfer nicht genügend Wärme aufnehmen und das System arbeitet nicht effizient.

Die Schlüsselkomponenten

Ein thermisches Expansionsventil besteht aus einigen wichtigen Teilen, die zusammenarbeiten, damit es funktioniert.

1. Birne: Der Kolben ist mit einem Kältemittel oder einer Flüssigkeit gefüllt, die ähnliche Eigenschaften wie das Kältemittel im System aufweist. Es wird am Auslass des Verdampfers befestigt. Die Temperatur des den Verdampfer verlassenden Kältemittels beeinflusst den Druck im Inneren des Kolbens.
2. Membran: Das Diaphragma ist eine flexible Membran, die zwei Kammern trennt. Eine Seite der Membran ist mit der Glühbirne verbunden und die andere Seite ist mit einer Feder und dem Verdampferdruck verbunden.
3. Ventilsitz und Nadel: Durch den Ventilsitz fließt das Kältemittel, und mit der Nadel wird die Größe der Öffnung im Ventilsitz gesteuert. Wenn sich die Nadel nach oben oder unten bewegt, ändert sie die Menge an Kältemittel, die durch das Ventil strömen kann.

Der Arbeitsmechanismus

So funktioniert das thermische Expansionsventil Schritt für Schritt:

1. Erfassen der Temperatur: Die Glühbirne misst die Temperatur des Kältemittels, das den Verdampfer verlässt. Wenn die Temperatur des Kältemittels am Verdampferauslass steigt, steigt auch der Druck im Inneren des Kolbens. Dies liegt daran, dass sich die Flüssigkeit im Inneren der Glühbirne ausdehnt, wenn es wärmer wird.
2. Druck auf die Membran: Der erhöhte Druck vom Kolben wird auf eine Seite des Zwerchfells übertragen. Auf der anderen Seite der Membran wirken der Druck des Verdampfers und die Kraft einer Feder. Die Membran fungiert als Ausgleichspunkt zwischen diesen beiden Drücken.
3. Die Nadel bewegen: Wenn der Druck des Kolbens höher ist als der kombinierte Druck des Verdampfers und der Feder, wird die Membran nach unten gedrückt. Durch diese Abwärtsbewegung bewegt sich die Nadel nach oben und öffnet den Ventilsitz weiter. Dadurch kann mehr Kältemittel in den Verdampfer strömen.
4. Anpassen des Durchflusses: Wenn umgekehrt die Temperatur des den Verdampfer verlassenden Kältemittels sinkt, sinkt der Druck im Inneren des Kolbens. Der Druck vom Verdampfer und der Feder wird dann größer als der Druck vom Kolben und drückt die Membran nach oben. Dadurch bewegt sich die Nadel nach unten, wodurch sich die Öffnung im Ventilsitz verkleinert und die Menge des in den Verdampfer strömenden Kältemittels verringert.

Anwendungen aus der Praxis

Thermische Expansionsventile werden in allen Arten von Kühl- und Klimaanlagen eingesetzt. Sie finden sie in Klimaanlagen für Privathaushalte, gewerblichen Kühlschränken und sogar in industriellen Kühlsystemen. In einem Supermarkt beispielsweise sind die Kühlsysteme, die die Lebensmittel kalt halten, auf thermische Expansionsventile angewiesen, um sicherzustellen, dass die richtige Menge Kältemittel verwendet wird, um die richtige Temperatur aufrechtzuerhalten.

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Referenzen

1. ASHRAE-Handbuch – Kühlung. American Society of Heating, Refrigerating and Air - Conditioning Engineers.
2. Stoecker, WF, & Jones, JW (1982). Kühlung und Klimaanlage. McGraw - Hill.