A finalidade da válvula de expansão é controlar o fluxo de refrigerante do lado de condensação de alta pressão do sistema para o evaporador de baixa pressão. Na maioria dos casos, a redução de pressão é conseguida através de um orifício de fluxo variável, modulante ou de duas posições. As válvulas de expansão podem ser classificadas de acordo com o método de controle.
VÁLVULAS DE EXPANSÃO TERMOSTÁTICA
Os circuitos de expansão direta devem ser projetados e instalados de forma que não haja risco de retorno do refrigerante líquido ao compressor. Para garantir esse estado, a superfície de troca de calor no evaporador é usada para aquecer o gás saturado seco para que fique superaquecido. A quantidade de superaquecimento é geralmente da ordem de 5 K.
As válvulas de expansão termostática (TEVs) para tais circuitos incorporam um mecanismo que detectará o superaquecimento do gás que sai do evaporador (Fig. 1). O refrigerante ferve no evaporador em Te e pe , até que seja todo vapor, ponto A e então superaquece até uma condição Ts , pe , na qual passa para a linha de sucção, ponto B. Um recipiente separado do mesmo refrigerante na temperatura Ts teria pressão ps , e a diferença ps − pe representada por C–B na Fig. 1 é um sinal diretamente relacionado à quantidade de superaquecimento.
A válvula de expansão termostática básica (Fig. 2) possui um detector e um elemento de potência, carregado com o mesmo refrigerante do circuito. A pressão ps gerada no frasco pelo gás superaquecido equaliza-se através do tubo capilar até o topo do diafragma. Uma mola ajustável fornece o equilíbrio de ps − pe no diafragma e a haste da válvula é fixada no centro. Caso o superaquecimento caia por qualquer motivo, haverá risco do líquido atingir o compressor. Ts diminuirá com uma queda correspondente em ps. As forças no diafragma agora estão desequilibradas e a mola começará a fechar a válvula.
p1 / p2 =T1 / T2
Por outro lado, se a carga no evaporador aumentar, o refrigerante evaporará mais cedo e haverá mais superaquecimento na posição do frasco. Em seguida, o ps aumentará e abrirá mais a válvula para atender à nova demanda.
O frasco deve ser maior em capacidade do que o resto do elemento de energia ou a carga dentro dele pode passar para a cápsula da válvula e tubo, se estes forem mais frios. Se isso acontecesse, o frasco em Ts conteria apenas vapor e não responderia a uma posição Ts , ps na curva T − p.
Pode-se fazer uso deste último efeito. O elemento de potência pode ser carregado no limite de modo que todo o refrigerante dentro dele seja vaporizado a uma temperatura predeterminada (normalmente 0°C). Acima deste ponto, a pressão dentro dele deixará de seguir a curva do ponto de ebulição, mas seguirá as leis dos gases conforme mostrado na Fig. 3; e a válvula permanecerá fechada. Isso é feito para limitar a pressão do evaporador ao iniciar pela primeira vez um sistema quente, o que pode sobrecarregar o motor de acionamento. Isso é denominado carga limite ou pressão máxima de operação. Essas válvulas devem ser instaladas de forma que o frasco seja a parte mais fria.
A inclinação da curva T − p não é constante, de modo que uma pressão de mola fixa resultará em maior superaquecimento em uma faixa de temperatura operacional mais alta. Para permitir isso e fornecer uma válvula que pode ser usada em uma ampla gama de aplicações, o frasco pode ser carregado com uma mistura de dois ou mais fluidos voláteis para modificar a curva característica.
Alguns fabricantes utilizam o princípio da adsorção de um gás por um material poroso, como sílica gel ou carvão. Como o adsorvente é sólido e não pode migrar do frasco, essas válvulas não podem sofrer reversão de carga.
EQUALIZADOR EXTERNO
O simples válvula de expansão termostática depende da pressão sob o diafragma ser aproximadamente a mesma que na saída da bobina, e pequenas quedas de pressão da bobina podem ser acomodadas por ajustes na configuração da mola.
Onde uma serpentina do evaporador é dividida em várias passagens paralelas, um dispositivo de distribuição com uma pequena perda de pressão é usado para garantir um fluxo igual em cada passagem. Quedas de pressão de 1–2 bar são comuns. Haverá agora uma diferença finita muito maior entre a pressão sob o diafragma e aquela na entrada da bobina. Para corrigir isso, o corpo da válvula é modificado para acomodar uma câmara intermediária e uma conexão equalizadora que é levada para a saída da bobina, próximo à posição do frasco. A maioria das válvulas de expansão termostáticas tem provisão para uma conexão de equalizador externo (ver Fig. 4).
A válvula de expansão termostática é substancialmente um controle proporcional não amortecido e oscila continuamente, embora a amplitude dessa oscilação possa ser limitada pela seleção e instalação corretas e se a válvula sempre funcionar dentro de sua faixa projetada de fluxo de massa. As dificuldades surgem quando os compressores funcionam com carga reduzida e o fluxo de massa do refrigerante cai abaixo da faixa de projeto da válvula. É útil manter a pressão de condensação estável, embora ela não precise ser constante e geralmente possa diminuir em climas mais frios para economizar energia do compressor. As válvulas em sistemas pequenos podem ser vistas totalmente fechadas e totalmente abertas às vezes. A oscilação excessiva da válvula de expansão termostática significa que a superfície do evaporador tem uma alimentação de refrigerante irregular, resultando em uma leve perda da eficácia da transferência de calor. Se a oscilação for causada por um intervalo de tempo entre a mudança de posição da válvula e o efeito na saída do evaporador, uma solução pode ser aumentar a massa do frasco do sensor, o que aumentará o amortecimento. Válvulas superdimensionadas e posição incorreta do frasco também podem causar caça. O frasco deve estar sempre localizado na saída horizontal, o mais próximo possível do evaporador e não na parte inferior do tubo.
VÁLVULAS DE EXPANSÃO ELETRÔNICAS
A válvula de expansão eletrônica oferece um grau mais refinado de controle e proteção do sistema. Os benefícios podem ser resumidos da seguinte forma:
- Controle de fluxo preciso em uma ampla gama de capacidades.
- Resposta rápida a mudanças de carga.
- Melhor controle em superaquecimentos baixos, de modo que menos superfície do evaporador seja necessária para o superaquecimento. Mais superfície para evaporação resulta em maior temperatura de evaporação e melhor eficiência.
- A conexão elétrica entre os componentes oferece maior flexibilidade no layout do sistema, o que é importante para sistemas compactos.
- A válvula pode fechar quando o sistema é desligado, o que elimina a necessidade de uma válvula solenóide de fechamento adicional.
Os tipos de válvula eletrônica em uso incluem um tipo de fluxo contínuo no qual o tamanho do orifício é variado por um motor de passo e um tipo modulado por largura de pulso (PWM). Em cada caso, um controlador é usado em conjunto com a válvula. O controlador é pré-configurado para o tipo de refrigerante e válvula e recebe as informações dos sensores, por exemplo, pressão e temperatura na saída do evaporador. Isso permite que o superaquecimento seja determinado. O sinal de saída para a válvula inicia o ajuste do orifício. No caso da válvula PWM é a relação entre a abertura e o fechamento que determina a capacidade da válvula. A válvula está aberta ou fechada e cada intervalo de tempo de alguns segundos incluirá um período de abertura dependendo do sinal.
Existe um terceiro tipo de válvula que combina os dois recursos. Uma tensão de modulação é enviada ao atuador e, à medida que a tensão aumenta, a pressão no recipiente do atuador aumenta, resultando em uma maior abertura da válvula durante um 'ciclo ligado' de duração fixa.
Em cada caso, o controle pode ser configurado para que a válvula permaneça fechada em caso de perda de energia. Sob condição de carga parcial ou pressão de condensação flutuante, que ocorre em baixa temperatura ambiente, a pressão de condensação diminui. As válvulas de expansão termostáticas tendem a caçar, mas os sistemas com componentes eletrônicos operam em carga parcial exatamente da mesma maneira estável que em carga total.
Uma válvula do tipo fluxo contínuo é mostrada na Fig. 5. A sede da válvula e o cursor são feitos de cerâmica sólida. A forma da corrediça da válvula fornece uma característica de capacidade altamente linear entre 10 e 100%. Dependendo do controlador e sua configuração, uma única válvula de controle pode ser usada para diferentes tarefas de controle. Possíveis usos incluem: válvula de expansão para controle de superaquecimento, controle de pressão de sucção para controle de capacidade, injeção de líquido para superaquecimento do compressor, controle de pressão de condensação e controle de bypass de gás quente para compensar o excesso de capacidade do compressor e garantir que a pressão de evaporação não fique abaixo de um determinado ponto.
TUBOS CAPILARES E RESTRITORES
O orifício variável da válvula de expansão pode ser substituído, em sistemas pequenos, por um tubo longo e fino. Este é um dispositivo não modulante e tem certas limitações, mas fornecerá um controle razoavelmente eficaz sobre uma ampla gama de condições, se selecionado e aplicado corretamente. O fluxo de massa é uma função da diferença de pressão e do grau de subresfriamento do líquido na entrada. O tubo capilar é usado quase exclusivamente em pequenos sistemas de ar condicionado e é auto-regulável dentro de certos parâmetros. O aumento da temperatura ambiente resulta em aumento da carga no espaço condicionado e a pressão de condensação aumentará, forçando mais fluxo de refrigerante.
Furos de tubo de 0,8–2 mm com comprimentos de 1–4 m são comuns. O tubo capilar só é instalado em equipamentos testados e construídos na fábrica, com cargas exatas de refrigerante. Não é aplicável a sistemas instalados em campo.
O dispositivo de expansão do restritor supera algumas das limitações do tubo capilar. O orifício pode ser perfurado com precisão, enquanto os tubos capilares podem sofrer variações no diâmetro interno ao longo de seu comprimento, o que resulta em alterações no desempenho previsto. A Fig. 6 mostra como o dispositivo é aplicado em um ar condicionado reversível. Na Fig. 6a, o dispositivo é mostrado no modo de resfriamento normal. Uma bala que está livre para se mover horizontalmente por uma pequena quantidade é pressionada contra um assento forçando o refrigerante através da restrição central que atua como um dispositivo de expansão. Quando o fluxo se inverte, Fig. 6b, a bala se move de volta para a outra sede, mas o sulco permite o fluxo ao redor do lado de fora e também através dele, de modo que a restrição é muito pequena.
É normalmente instalado na saída do condensador e não na entrada do evaporador. Isso significa que, em vez de uma linha de líquido para o evaporador, o tubo contém líquido e gás de flash e deve ser isolado. Embora o acúmulo de calor seja prejudicial ao desempenho, a queda de pressão, que é usada para conduzir o fluido, normalmente teria ocorrido na válvula de expansão de qualquer maneira. Linhas de líquido para evaporadores remotos em sistemas split podem ser bastante longas e em uma linha de líquido de alta pressão do tipo mais comumente usado, a queda de pressão pode resultar em um aumento da pressão do condensador e tendência à formação de bolhas. Além disso, o restritor pode ser fornecido como parte da unidade condensadora e é removível, permitindo que alterações sejam feitas para proporcionar um desempenho ideal.
VÁLVULAS E INTERRUPTORES DE BÓIA DE BAIXA PRESSÃO
Os evaporadores inundados requerem um nível de líquido constante, para que os tubos permaneçam molhados. Uma simples válvula de bóia é suficiente, mas deve estar localizada com a bóia fora da carcaça do evaporador, pois a superfície do líquido em ebulição é agitada e o movimento constante causaria um desgaste excessivo do mecanismo. A bóia está, portanto, contida dentro de uma câmara separada, acoplada com linhas de equilíbrio ao invólucro (ver Fig. 7).
Essa válvula é um dispositivo de medição e pode não fornecer fechamento positivo quando o compressor é parado. Nessas circunstâncias, o refrigerante continuará a vazar no evaporador até que as pressões tenham se igualado e o nível do líquido pode subir muito perto da saída de sucção. Para fornecer esse fechamento, é necessária uma válvula solenoide na linha de líquido.
Uma vez que a bóia de baixa pressão precisa de uma válvula solenoide para fechamento hermético, esta válvula pode ser usada como um controle on-off em conjunto com um orifício pré-ajustado e controlada por uma chave de bóia (Fig. 8).
A forma mais comum de detector de nível é uma bóia metálica carregando um núcleo de ferro que sobe e desce dentro de uma luva de vedação. Uma bobina de indução envolve a luva e é usada para detectar a posição do núcleo. O sinal resultante é amplificado para ligar a válvula solenóide e pode ser ajustado para nível e sensibilidade. Uma válvula reguladora é instalada para fornecer o dispositivo de redução de pressão.
Se o controle da bóia falhar, o nível no invólucro pode subir e o líquido passar para a sucção do compressor. Para alertar sobre isso, um segundo interruptor de bóia geralmente é instalado em um nível mais alto, para operar um alarme e desligar.
Where a flooded coil is located in a liquid tank, the refrigerant level will be within the tank, making it difficult to position the level control. In such cases, a gas trap or siphon can be formed in the lower balance pipe to give an indirect level in the float chamber. Siphons or traps can also be arranged to contain a non-volatile fluid such as oil, so that the balance pipes remain free from frost.
VÁLVULAS DE FLUTUAÇÃO DE ALTA PRESSÃO
On a single-evaporator flooded system, a float valve can be fitted which will pass any drained liquid from the condenser direct to the evaporator. The action is the same as that of a steam trap. The float chamber is at condenser pressure and the control is termed a high-pressure float (Fig. 9).
The high-pressure float switch keeps the condenser drained without the need for a high-pressure receiver. The level in the evaporator is fixed by the system charge. Low charge systems using shell and plate heat exchangers and spray chillers are possible with this method. The type of float valve in Fig. 10 can work with ammonia or carbon dioxide refrigerants. Economizer circuits with the float switch expanding the liquid to an intermediate flash expansion vessel are used for low-temperature applications. This control cannot feed more than one evaporator, since it cannot detect the needs of either.
A dificuldade da carga crítica pode ser superada permitindo que qualquer refrigerante líquido excedente que sai do evaporador transborde para um receptor ou acumulador na linha de sucção e ferva-o com o líquido quente que sai do condensador. Neste sistema, o circuito receptor de baixa pressão, o líquido é drenado do condensador através da bóia de alta pressão, mas a etapa final da queda de pressão ocorre em uma válvula de expansão secundária após o líquido quente ter passado pelas bobinas dentro do receptor. Desta forma, o calor está disponível para evaporar o excesso de líquido que sai do evaporador (consulte a Fig. 11).
Dois trocadores de calor transportam o líquido quente do condensador dentro deste recipiente. A primeira bobina está na parte superior do receptor e fornece superaquecimento suficiente para garantir que o gás entre no compressor a seco. A serpentina inferior ferve o excesso de líquido, deixando o próprio evaporador. Com este método de alimentação de refrigerante, o evaporador tem uma melhor superfície interna molhada, com uma melhoria na transferência de calor.
OUTROS CONTROLES DE NÍVEL
Se um pequeno elemento aquecedor for colocado no nível de líquido necessário de um evaporador inundado, juntamente com um elemento sensor de calor, este último detectará uma temperatura maior se o refrigerante líquido não estiver presente. Este sinal pode ser usado para operar uma válvula solenoide.
A válvula de expansão termostática ou eletrônica também pode ser usada para manter um nível de líquido. O frasco e um elemento aquecedor são ambos presos a um bulbo no nível de líquido necessário. Se o líquido não estiver presente, o aquecedor aquece o frasco para uma condição de superaquecimento e a válvula abre para admitir mais líquido.
