Firma LNS od wielu lat jest dystrybutorem marki Parker-Sporlan. Automatyka Sporlan kojarzy się z wysoką solidnością wykonania i precyzją działania. Na przestrzeni lat nic się w tym kierunku nie zmieniło. Producent ten ciągle oferuje solidny produkt z USA i Europy w czasach dominacji dalekowschodniej produkcji.

Niniejszy artykuł ma na celu przybliżyć czytelnikom mało popularny w Polsce produkt Sporlan – elektryczne zawory rozprężne z silnikami krokowymi. Sporlan zaczął eksperymentować z technologią silników krokowych w latach 80-tych ubiegłego stulecia i już na początku lat 90-tych XX wieku rozpoczął ich produkcję. Obecnie w ofercie znajduje się kilkanaście modeli, każdy dostępny w kilku konfiguracjach przyłączy. Niektóre modele są dostępne zarówno z korpusami o konstrukcji przelotowej jak i kątowej. Korpusy zaworów SERI oraz SEHI posiadają wbudowany wziernik, który umożliwia sprawdzenie działania zaworu, przepływu czynnika oraz poziomu jego zawilgocenia.

Rys. 1. Elektryczne zawory rozprężne Sporlan

Oprócz modeli wymienionych na wykresach (rys. 2.), dla mniejszych wydajności wprowadzono również 2 nowe: SER-A i SER-AA (dla jeszcze mniejszych wydajności). Zakres nominalnych wydajności dostępnych zaworów to 1÷1400 kW. Ponadto każdy zawór może regulować przepływ czynnika w zakresie od 10 do 100% swojej nominalnej wydajności. Tak duże zróżnicowanie pozwala na idealne dopasowanie odpowiedniego zaworu niemalże do każdej aplikacji w podanym zakresie wydajności.

Rys. 2. Wydajności dla R407C, ciecz 38°C, spadek ciśnienia 7 bar, temperatura parowania 5°C

Mocno uproszczony schemat zaworu z silnikiem krokowym pokazano na rysunku 3. W tym typie zaworu, mały silnik jest używany do otwierania i zamykania portu zaworu. Silnik nie obraca się w sposób ciągły, ale zamiast tego obraca się o określoną część obrotu dla każdego sygnału wysłanego przez sterownik. Właśnie te oddzielne „kroki” dały nazwę silnikowi. Liczba Rys. 1. Elektryczne zawory rozprężne Sporlan sygnałów krokowych wysłana przez sterownik jest przezeń zapamiętywana, dzięki czemu może on bez problemu przywrócić trzpień do pierwotnej pozycji. Ta powtarzalność jest niemal bezwzględna i daje najlepszą kontrolę jaką można osiągnąć. Wszystkie elektryczne zawory rozprężne Sporlan nowej generacji pracują z prędkością 200 kroków/s. Pełny skok trzpienia w mniejszych zaworach to 2500 kroków natomiast w większych zaworach wynosi 6386 kroków. Taka rozdzielczość daje bardzo dobrą kontrolę przepływu.

Rys. 3. Uproszczony schemat zaworu krokowego

Teoria silników krokowych

W przeciwieństwie do tradycyjnych silników, które obracają się w sposób ciągły kiedy są zasilane, silniki krokowe obracają się o znaną wartość kąta i zatrzymują się. Kiedy zasilanie jest wyłączone i załączone ponownie, silnik znowu obróci się o zadaną wartość kąta lub krok, a następnie się zatrzyma. Ten cykl może być powtarzany w granicach limitów mechanicznych w obu kierunkach.

Silniki krokowe, jak większość silników, bazują na zasadzie przyciągania i odpychania biegunów magnetycznych (rys. 4.). Magnes środkowy jest zdolny do obrotu, ale powyższa orientacja sprawia, że pozostaje bez ruchu. Jeśli zostaną użyte elektromagnesy (podłączone jak na rys. 5.), zmieni się orientacja biegunów i wtedy środkowy magnes będzie mógł się obrócić. Możemy zatem stworzyć silnik krokowy jeśli rozmieścimy grupy elektromagnesów w koło wolno obracającego się magnesu. Zasilanie poszczególnych grup elektromagnesów będzie powodowało przesunięcie się środkowego magnesu (wirnika) do odpowiedniej pozycji wyznaczonej przez daną parę elektromagnesów.

Rys. 4

Rys. 5

Schemat na rysunku 6. to kolejne duże uproszczenie. W prawdziwym silniku krokowym znajduje się od 24 do 100 wirtualnych elektromagnesów rozmieszczonych dookoła wirnika. Prosta arytmetyka pokazuje, że jeden krok takiego wirnika wynosi od 15° do 3,6°.

Rys. 6

Dokładność zaworów rozprężnych z silnikami krokowymi

Dokładność zaworu jest definiowana przez jego możliwość zapewnienia wymaganego w danym momencie przepływu. W zaworach pulsacyjnych istnieją tylko 2 stopnie regulacji: ƒƒ

• zawór jest całkowicie otwarty,ƒƒ
• albo całkowicie zamknięty.

Teoretycznie, jeśli taki zawór ma zapewnić przepływ dla 50% obciążenia, może pozostać zamknięty przez połowę czasu i później otworzyć się na połowę tego czasu. Kontrola temperatury i przegrzania w takim przypadku będzie skokowa, gdyż zawór będzie skokowo zalewał parownik, a następnie w parowniku będzie niedobór czynnika (również cyklicznie). Jeśli wahania temperatury będą równe 6K, to możemy powiedzieć, że dokładność wynosi ±3K. Analogowy termostatyczny zawór rozprężny ma lepszą dokładność, ponieważ jego otwieranie i zamykanie następuje w sposób płynny. Tak czy inaczej, w przypadku obu zaworów występuje pewna histereza.

W przypadku TZR potrzebna jest większa siła, aby odkształcić membranę w kierunku otwierającym zawór niż w kierunku zamykającym. Taka histereza ma wpływ na dokładność zaworu i ogranicza jego zdolność do kontroli przepływu przy zmiennym ciśnieniu skraplania i zmiennym obciążeniu parownika. TZR z konstrukcją „Balanced Port” (np. Sporlan R, EBS, O) mają dużo większą dokładność kontroli niż konwencjonalne TZR, ale ciągle nie w takim stopniu jak EZR (Elektryczne Zawory Rozprężne). 

Dokładność EZR jest zapewniana przez skok trzpienia zaworu i ilość kroków przypadającą na skok. Skok największego zaworu wynosi 6386 kroków, co oznacza, że na jeden krok przypada na ruch liniowy trzpienia o niecałe 2 um. Ta ekstremalnie mała jednostka pozwala bardzo dokładnie regulować przepływ czynnika. Zawory pulsacyjne, które mogą być tylko całkowicie otwarte lub całkowicie zamknięte, wykazują o wiele gorszą dokładność. Prostą analogią jest porównanie dwupozycyjnego przełącznika światła (ON/OFF) z tzw. „ściemniaczem”.

Sterownik Sporlan PS D4

W roku 2013 Sporlan wprowadził do swojej oferty kontroler przegrzania PSD4. Zastąpił on starszą generację „Kelvin II”. PSD4 jest przeznaczony do sterowania zaworami Sporlan SER, SERI oraz SEHI (zawory z bipolarnymi silnikami krokowymi). Sterownik doskonale nadaje się do precyzyjnej kontroli w systemach klimatyzacji, pomp ciepła oraz chillerów. Może pracować w dwóch trybach: kontrola przegrzania lub analogowy pozycjoner (korzystając z wejścia analogowego 0-10 V). PSD4 jest dostępny w 3 wersjach bez wyświetlacza oraz 1 z wyświetlaczem (najbardziej rozbudowany z portami CANbus i Modbus). To zróżnicowanie czyni go idealnym produktem dla klientów OEM, którzy wymagają produktu dostosowanego do swoich potrzeb, z możliwością zdalnego sterowania i podłączenia do sieci monitoringu. Sterownik jest zasilany prądem 24VAC i wymaga dedykowanego zasilacza lub transformatora o odpowiedniej mocy.

Rys. 7. Sterownik Sporlan PSD4

Akcesoria dodatkowe 

Sporlan oferuje do swoich sterowników różne akcesoria: czujniki temperatury, przetworniki ciśnienia, wyświetlacze LCD, klucze programujące, przetworniki TTL/USB dla bezpośredniego podłączenia sterownika z PC (oprogramowanie do obsługi PSD4 jest bezpłatne) oraz awaryjne moduły zasilające (zamykają zawór w przypadku utraty zasilania).

Podsumowanie

Elektryczne zawory rozprężne Sporlan z silnikami krokowymi powinny być stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest bardzo precyzyjne utrzymywanie zadanej temperatury. Podstawowe zalety i korzyści wynikające z ich stosowania to:ƒƒ

• precyzyjna kontrola dzięki silnikom krokowym o dużej rozdzielczości;ƒƒ
• kontrola przepływu w szerokim zakresie (10÷100%);ƒƒ
• MOPD aż do 40 bar w obu kierunkach;
• wysoka szczelność i niezawodność;
• ƒƒodporność na korozję dzięki zastosowanym materiałom;
• ƒƒniskie zużycie energii- poniżej 4W;
• ƒƒkompatybilność z większością olejów oraz czynników HCFC i HFC;
• ƒƒdługa żywotność.

Mam nadzieję, że niniejszy artykuł przybliżył czytelnikom elektryczne zawory rozprężne z silnikami krokowymi oraz ich zasadę działania. Sporlan ma już ponad 20-letnie doświadczenie w technologii elektronicznej kontroli przegrzania, co pozwoliło na perfekcyjne dopasowanie produktu do potrzeb klientów. Jeżeli zainteresowała Państwa oferta firmy Parker Sporlan, zachęcamy do odwiedzenia strony www.lns.com.pl, gdzie można zapoznać się z aktualnym katalogiem i cennikiem.

Łukasz TARGOSZ
Kierownik ds. Techniczno-Handlowych,
LNS Sp. z o.o.
ul. Żernicka 9
55-010 Święta Katarzyna
tel: +48 71 716 44 50
fax: +48 71 716 44 51
e-mail: Adres poczty elektronicznej jest chroniony przed robotami spamującymi. W przeglądarce musi być włączona obsługa JavaScript, żeby go zobaczyć.
www.lns.com.pl