El propósito de la válvula de expansión es controlar el flujo de refrigerante desde el lado de condensación de alta presión del sistema hacia el evaporador de baja presión. En la mayoría de los casos, la reducción de presión se consigue a través de un orificio de flujo variable, ya sea modulante o de dos posiciones. Las válvulas de expansión se pueden clasificar según el método de control.
VÁLVULAS DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICAS
Los circuitos de expansión directa deben diseñarse e instalarse de manera que no haya riesgo de que el refrigerante líquido regrese al compresor. Para garantizar este estado, se utiliza la superficie de intercambio de calor en el evaporador para calentar el gas saturado seco para que se sobrecaliente. La cantidad de sobrecalentamiento suele ser del orden de 5 K.
Las válvulas de expansión termostáticas (TEV) para tales circuitos incorporan un mecanismo que detectará el sobrecalentamiento del gas que sale del evaporador (Fig. 1). El refrigerante hierve en el evaporador en Te y pe, hasta que es todo vapor, punto A y luego se sobrecalienta a una condición Ts, pe, en la que pasa a la línea de succión, punto B. Un recipiente separado del mismo refrigerante a temperatura Ts tendría presión ps, y la diferencia ps − pe representada por C – B en la Fig. 1 es una señal directamente relacionada con la cantidad de sobrecalentamiento.
La válvula de expansión termostática básica (Fig. 2) dispone de un detector y una resistencia de potencia, cargados con el mismo refrigerante que el del circuito. La presión ps generada en la ampolla por el gas sobrecalentado se iguala a través del tubo capilar hasta la parte superior del diafragma. Un resorte ajustable proporciona el equilibrio de ps - pe en el diafragma y el vástago de la válvula está sujeto en el centro. Si el recalentamiento disminuye por cualquier motivo, habrá riesgo de que llegue líquido al compresor. Ts disminuirá con la correspondiente caída en ps. Las fuerzas sobre el diafragma ahora están desequilibradas y el resorte comenzará a cerrar la válvula.
pag1/p2 =T1/T2
Por el contrario, si aumenta la carga en el evaporador, el refrigerante se evaporará antes y habrá más sobrecalentamiento en la posición de la ampolla. Entonces ps aumentará y abrirá más la válvula para satisfacer la nueva demanda.
La ampolla debe tener una capacidad mayor que el resto del elemento de potencia o toda la carga que contiene puede pasar a la cápsula de la válvula y al tubo, si están más fríos. Si esto sucediera, el vial en Ts contendría sólo vapor y no respondería a una posición Ts, ps en la curva T − p.
Se puede hacer uso de este último efecto. El elemento de potencia se puede cargar de forma limitada para que todo el refrigerante que contiene se haya vaporizado a una temperatura predeterminada (comúnmente 0 °C). Por encima de este punto, la presión dentro del mismo dejará de seguir la curva del punto de ebullición pero seguirá las leyes de los gases como se muestra en la Fig. 3; y la válvula permanecerá cerrada. Esto se hace para limitar la presión del evaporador al arrancar por primera vez un sistema caliente, lo que podría sobrecargar el motor de accionamiento. Esto se denomina carga límite o presión máxima de funcionamiento. Estas válvulas deben instalarse de manera que la ampolla sea la parte más fría.
La pendiente de la curva T − p no es constante, de modo que una presión de resorte fija dará como resultado un mayor sobrecalentamiento en un rango de temperatura de operación más alto. Para permitir esto y proporcionar una válvula que pueda usarse en una amplia gama de aplicaciones, el vial puede cargarse con una mezcla de dos o más fluidos volátiles para modificar la curva característica.
Algunos fabricantes utilizan el principio de adsorción de un gas por un material poroso como el gel de sílice o el carbón vegetal. Dado que el adsorbente es un sólido y no puede migrar del vial, estas válvulas no pueden sufrir inversión de carga.
ECUALIZADOR EXTERNO
Lo simple válvula de expansión termostática depende de que la presión debajo del diafragma sea aproximadamente la misma que la de la salida del serpentín, y se pueden acomodar pequeñas caídas de presión del serpentín ajustando la configuración del resorte.
Cuando un serpentín del evaporador se divide en varios pasos paralelos, se utiliza un dispositivo de distribución con una pequeña pérdida de presión para asegurar un flujo igual a través de cada paso. Son habituales las caídas de presión de 1 a 2 bar. Ahora habrá una diferencia finita mucho mayor entre la presión debajo del diafragma y la de la entrada del serpentín. Para corregir esto, el cuerpo de la válvula se modifica para acomodar una cámara intermedia y una conexión de ecualización que se lleva a la salida de la bobina, cerca de la posición del vial. La mayoría de las válvulas de expansión termostáticas tienen prevista una conexión de ecualizador externo (ver Fig. 4).
La válvula de expansión termostática es sustancialmente un control proporcional no amortiguado y oscila continuamente, aunque la amplitud de esta oscilación puede limitarse mediante la selección e instalación correctas, y si la válvula siempre funciona dentro de su rango de diseño de flujo másico. Las dificultades surgen cuando los compresores funcionan con carga reducida y el flujo másico de refrigerante cae por debajo del rango de diseño de la válvula. Es útil mantener constante la presión de condensación, aunque no es necesario que sea constante y, por lo general, se puede permitir que baje en climas más fríos para ahorrar energía del compresor. Se puede ver que las válvulas en sistemas pequeños se cierran y abren completamente en ocasiones. Una oscilación excesiva de la válvula de expansión termostática significa que la superficie del evaporador tiene una alimentación de refrigerante irregular con una ligera pérdida resultante de la efectividad de la transferencia de calor. Si la oscilación se debe a un desfase entre el cambio de posición de la válvula y el efecto en la salida del evaporador, una solución puede ser aumentar la masa de la ampolla del sensor, lo que aumentará la amortiguación. Las válvulas sobredimensionadas y la posición incorrecta de la ampolla también pueden dar lugar a oscilaciones. La ampolla siempre debe ubicarse en la salida horizontal, lo más cerca posible del evaporador y no en la parte inferior del tubo.
VÁLVULAS DE EXPANSIÓN ELECTRÓNICAS
La válvula de expansión electrónica ofrece un mayor grado de control y protección del sistema. Los beneficios se pueden resumir de la siguiente manera:
- Control de flujo preciso en una amplia gama de capacidades.
- Respuesta rápida a cambios de carga.
- Mejor control en recalentamientos bajos para que se requiera menos superficie del evaporador para el recalentamiento. Una mayor superficie de evaporación da como resultado una temperatura de evaporación más alta y una mejor eficiencia.
- La conexión eléctrica entre componentes ofrece una mayor flexibilidad en el diseño del sistema, lo cual es importante para los sistemas compactos.
- La válvula puede cerrarse cuando el sistema se apaga, lo que elimina la necesidad de una válvula solenoide de cierre adicional.
Types of electronic valve in use include a continuous flow type in which the orifice size is varied by a stepper motor, and a pulse width modulated (PWM) type. In each case a controller is used in conjunction with the valve. The controller is pre-configured for the refrigerant and valve type and it receives the information from sensors, for example, pressure and temperature at the evaporator outlet. This enables the superheat to be determined. The output signal to the valve initiates the orifice adjustment. In the case of the PWM valve it is the relationship between the opening and closing which determines the capacity of the valve. The valve is either open or closed and each time interval of a few seconds will include an opening period depending on the signal.
Existe un tercer tipo de válvula que combina ambas características. Se envía un voltaje de modulación al actuador y, a medida que aumenta el voltaje, aumenta la presión en el recipiente del actuador, lo que da como resultado una mayor apertura de la válvula durante un "ciclo de encendido" de duración fija.
En cada caso, el control se puede configurar para que la válvula permanezca cerrada en caso de pérdida de energía. En condiciones de carga parcial o presión de condensación flotante, que ocurre a baja temperatura ambiente, la presión de condensación disminuye. Las válvulas de expansión termostáticas tienden a oscilar, pero los sistemas con componentes electrónicos funcionan con carga parcial exactamente de la misma manera y de manera estable que con carga completa.
En la Fig. 5 se muestra una válvula de flujo continuo. El asiento y el deslizador de la válvula están hechos de cerámica sólida. La forma de la corredera de la válvula proporciona una característica de capacidad altamente lineal entre el 10 y el 100%. Dependiendo del controlador y su configuración, se puede utilizar una única válvula de control para diferentes tareas de control. Los posibles usos incluyen: válvula de expansión para control de sobrecalentamiento, control de presión de succión para control de capacidad, inyección de líquido para desrecalentar el compresor, control de presión de condensación y control de derivación de gas caliente para compensar el exceso de capacidad del compresor y garantizar que la presión de evaporación no baje de un valor establecido. punto.
TUBOS CAPILARES Y RESTRICTORES
El orificio variable de la válvula de expansión puede sustituirse, en sistemas pequeños, por un tubo largo y delgado. Este es un dispositivo no modulador y tiene ciertas limitaciones, pero brindará un control razonablemente efectivo sobre una amplia gama de condiciones si se selecciona y aplica correctamente. El flujo másico es función de la diferencia de presión y del grado de subenfriamiento del líquido al entrar. El tubo capilar se utiliza casi exclusivamente en pequeños sistemas de aire acondicionado y se autorregula dentro de determinados parámetros. El aumento de la temperatura ambiente da como resultado un aumento de la carga en el espacio acondicionado y la presión de condensación aumentará, forzando un mayor flujo de refrigerante.
Son comunes los diámetros interiores de los tubos de 0,8 a 2 mm con longitudes de 1 a 4 m. El tubo capilar sólo se instala en equipos fabricados y probados en fábrica, con cargas de refrigerante exactas. No es aplicable a sistemas instalados en campo.
El dispositivo de expansión restrictor supera algunas de las limitaciones del tubo capilar. El orificio se puede perforar con precisión, mientras que los tubos capilares pueden sufrir variaciones en el diámetro interno a lo largo de su longitud, lo que resulta en cambios en el rendimiento previsto. La Fig. 6 muestra cómo se aplica el dispositivo en un acondicionador de aire reversible. En la Fig. 6a, el dispositivo se muestra en modo de enfriamiento normal. Una bala que puede moverse horizontalmente una pequeña cantidad se presiona contra un asiento, forzando al refrigerante a través de la restricción central que actúa como un dispositivo de expansión. Cuando el flujo se invierte, Fig. 6b, la bala regresa al otro asiento, pero las ranuras permiten el flujo tanto alrededor del exterior como a través de él, de modo que la restricción es muy pequeña.
Normalmente se instala en la salida del condensador y no en la entrada del evaporador. Esto significa que en lugar de una línea de líquido al evaporador, la tubería contiene líquido y gas flash y debe estar aislada. Aunque la captación de calor es perjudicial para el rendimiento, la caída de presión, que se utiliza para impulsar el fluido, normalmente se habría producido en la válvula de expansión de todos modos. Las líneas de líquido a evaporadores remotos en sistemas divididos pueden ser bastante largas y, en una línea de líquido de alta presión del tipo más utilizado, la caída de presión puede provocar un aumento de la presión del condensador y una tendencia a formar burbujas. Además, el restrictor se puede entregar como parte de la unidad condensadora y es extraíble, lo que permite realizar cambios para lograr un rendimiento óptimo.
VÁLVULAS DE FLOTADOR E INTERRUPTORES DE BAJA PRESIÓN
Los evaporadores inundados requieren un nivel de líquido constante para que los tubos permanezcan mojados. Una válvula de flotador simple es suficiente, pero debe ubicarse con el flotador fuera de la carcasa del evaporador, ya que la superficie del líquido en ebullición se agita y el movimiento constante causaría un desgaste excesivo en el mecanismo. Por lo tanto, el flotador está contenido dentro de una cámara separada, acoplada con líneas de equilibrio al casco (ver Fig. 7).
Una válvula de este tipo es un dispositivo dosificador y puede no proporcionar un cierre positivo cuando se detiene el compresor. En estas circunstancias, el refrigerante seguirá fugándose al evaporador hasta que las presiones se igualen y el nivel del líquido podría aumentar demasiado cerca de la salida de succión. Para proporcionar este cierre, se necesita una válvula solenoide en la línea de líquido.
Dado que el flotador de baja presión necesita una válvula solenoide para un cierre hermético, esta válvula se puede utilizar como control de encendido y apagado junto con un orificio preestablecido y controlada por un interruptor de flotador (Fig. 8).
La forma más común de detector de nivel es un flotador metálico que lleva un núcleo de hierro que sube y baja dentro de un manguito de sellado. Una bobina de inducción rodea el manguito y se utiliza para detectar la posición del núcleo. La señal resultante se amplifica para cambiar la válvula solenoide y se puede ajustar en cuanto a nivel y sensibilidad. Se instala una válvula de mariposa para proporcionar el dispositivo reductor de presión.
Si falla un control de flotador, el nivel en la carcasa puede aumentar y el líquido pasar a la succión del compresor. Para advertir de esto, normalmente se instala un segundo interruptor de flotador en un nivel superior, para operar una alarma y un corte.
Cuando se ubica un serpentín inundado en un tanque de líquido, el nivel de refrigerante estará dentro del tanque, lo que dificultará la ubicación del control de nivel. En tales casos, se puede formar una trampa de gas o un sifón en el tubo de equilibrio inferior para proporcionar un nivel indirecto en la cámara del flotador. También se pueden disponer sifones o trampas para contener un fluido no volátil, como por ejemplo aceite, de modo que los tubos de equilibrio permanezcan libres de escarcha.
VÁLVULAS DE FLOTADOR DE ALTA PRESIÓN
En un sistema inundado de un solo evaporador, se puede instalar una válvula de flotador que hará pasar cualquier líquido drenado del condensador directamente al evaporador. La acción es la misma que la de una trampa de vapor. La cámara del flotador está a la presión del condensador y el control se denomina flotador de alta presión (Fig. 9).
El interruptor de flotador de alta presión mantiene el condensador drenado sin necesidad de un receptor de alta presión. El nivel en el evaporador lo fija la carga del sistema. Con este método son posibles sistemas de carga baja que utilizan intercambiadores de calor de carcasa y placas y enfriadores por aspersión. El tipo de válvula de flotador de la Fig. 10 puede funcionar con refrigerantes de amoníaco o dióxido de carbono. Los circuitos economizadores con el interruptor de flotador que expande el líquido a un recipiente de expansión flash intermedio se utilizan para aplicaciones de baja temperatura. Este control no puede alimentar más de un evaporador, ya que no puede detectar las necesidades de ninguno de los dos.
La dificultad de la carga crítica se puede superar permitiendo que cualquier exceso de refrigerante líquido que salga del evaporador se derrame hacia un receptor o acumulador en la línea de succión, y lo hierva con el líquido caliente que sale del condensador. En este sistema, el circuito receptor de baja presión, el líquido se drena del condensador a través del flotador de alta presión, pero el paso final de caída de presión tiene lugar en una válvula de expansión secundaria después de que el líquido caliente ha pasado a través de los serpentines dentro del receptor. De esta manera, se dispone de calor para hervir el exceso de líquido que sale del evaporador (ver Fig. 11).
Dos intercambiadores de calor transportan el líquido caliente desde el condensador dentro de este recipiente. El primer serpentín está en la parte superior del receptor y proporciona suficiente sobrecalentamiento para garantizar que el gas ingrese al compresor en condiciones secas. El serpentín inferior hierve el exceso de líquido y sale del evaporador. Con este método de alimentación de refrigerante, el evaporador tiene una mejor superficie interna humedecida, con una mejora en la transferencia de calor.
OTROS CONTROLES DE NIVEL
Si se coloca un pequeño elemento calentador al nivel de líquido requerido de un evaporador inundado, junto con un elemento sensor de calor, este último detectará una temperatura mayor si no hay refrigerante líquido presente. Esta señal se puede utilizar para operar una válvula solenoide.
La válvula de expansión termostática o electrónica también se puede utilizar para mantener el nivel de líquido. Tanto la ampolla como el elemento calentador están sujetos a un bulbo al nivel de líquido requerido. Si no hay líquido presente, el calentador calienta la ampolla a una condición de sobrecalentamiento y la válvula se abre para admitir más líquido.