Dispositivos de expansión

DISPOSITIVOS DE EXPANSIÓN

INDICE

Introducción

Tipos de dispositivos de expansión para instalaciones frigoríficas

Instalación de válvula de expansión

Funcionamiento de válvula de expansión termostática

INTRODUCCIÓN

La válvula de expansión es uno de los dispositivos más importantes de un sistema frigorífico.

Debido a su capacidad para controlar el refrigerante y a su adaptabilidad a las muchas y variadas aplicaciones del ciclo de refrigeración, la válvula de expansión ha jugado un papel importante en el continuo progreso de la industria de refrigeración y aire acondicionado y su tecnología.

Es el elemento que permite y regula el paso del refrigerante líquido desde un estado de presión más alto a otro más bajo.

Como muchos otros componentes del sistema, el desarrollo de estos dispositivos, ha sido un resultado de la evolución técnica.

TIPOS DE DISPOSITIVOS DE EXPANSIÓN

Hay cinco tipos básicos de dispositivos de expansión:

(1) la válvula de expansión manual;

(2) válvula de expansión automática;

(3) el tubo capilar;

(4) la válvula de flotador;

(5) la válvula de expansión termostática.

La función de cualquier válvula de expansión es regular la entrada de fluido frigorífero en el evaporador y mantener la diferencia de presión necesaria entre los lados de alta y de baja presión del sistema frigorífico, para asegurar su buen funcionamiento.

(1) Válvula de expansión manual

La válvula de expansión manual es utilizada como válvula auxiliar de regulación de flujo del refrigerante, instalándose en una tubería de desviación. Con frecuencia también se usa en el control del caudal a través de tuberías de purgado o sangrado.

Son válvulas de aguja, operadas manualmente. El caudal de paso por la válvula depende del grado de apertura de la válvula y del diferencial de presión a través del orificio de la válvula.

(2) Válvulas de expansión automáticas

Se trata en este caso de válvulas de asiento de accionamiento automático. Estas válvulas se componen de un tornillo de ajuste, resorte, fuelle o diafragma, vástago y asiento

La presión constante que pueden mantener estas válvulas en el evaporador se consigue con la interacción entre la presión en el evaporador y la tensión del resorte. Cuando la presión en el evaporador disminuye por debajo de cierto valor establecido previamente (regulando el tornillo de ajuste) la válvula se abre dejando pasar líquido frigorífero, hasta que la presión en el evaporador vuelva a subir, cerrándose entonces la válvula.

Con esta válvula, sólo se permite que una pequeña parte del evaporador esté lleno de líquido durante los períodos de elevada carga térmica. La característica de presión constante de la válvula de expansión automática limita la capacidad y eficiencia del sistema de refrigeración para la condición de capacidad alta. Además, en condiciones de carga mínima el evaporador está prácticamente inundado aumentando la temperatura en los vapores del tramo de aspiración, teniendo pérdidas de capacidad y eficiencia del compresor (que maneja vapor sobrecalentado excesivamente). Esto ocurre en los períodos de puesta en marcha del compresor.

Otra desventaja de la válvula de expansión automática es que no se puede utilizar junto con un control del compresor del baja presión, ya que en el evaporador se mantiene la presión constante.

Por todo lo anterior, la válvula de expansión automática es adecuada sólo en sistemas de carga pequeña. Pero, aun en estos sistemas es poco utilizada.

(3) Tubo capilar

Es el más sencillo de los tipos de válvulas de expansión o de regulación de caudal de refrigerante. Consiste en una tubería de longitud fija, de pequeño diámetro, instalada entre el condensador y el evaporador. Se emplean solamente con compresores tipo hermético, de capacidad frigorífica relativamente constante.

(4) Válvula de expansión de flotador

En los evaporadores tipo inundado (todo el evaporador contiene fluido frigorífico) se utiliza normalmente válvulas de regulación de caudal de refrigerante del tipo de flotador. La cámara del flotador puede estar o bien en el lado de alta presión o bien en el de baja presión de la instalación frigorífica.

La válvula de flotador de presión alta, que puede ser instalada en un evaporador de expansión seca, o en un evaporador tipo inundado, controla indirectamente la cantidad de líquido en el evaporador, manteniendo constante el nivel de líquido en la cámara de flotador que se encuentra a alta presión. Cuando para el compresor en una instalación de este tipo, baja el nivel de líquido en la cámara de flotador, lo que hace que se cierre la válvula y permanezca cerrada hasta que nuevamente arranque el compresor. De esta forma el mayor volumen de refrigerante siempre estará en el evaporador, siendo la carga crítica para evitar sobrealimentaciones y posible paso de líquido refrigerante al compresor.

(5) Válvula de expansión termostática

Debido a sus grandes ventajas y a su fácil instalación, esta válvula es quizá la más utilizada en sistemas frigoríficos. Asegura que el vapor que se va formando en el evaporador se sobrecalienta hasta cierto nivel controlado. Esto permite mantener el evaporador completamente lleno de refrigerante bajo las condiciones de carga del sistema, sin peligro de paso de líquido a la tubería de aspiración. La denominación "termostática" puede prestarse a error, puesto que el control no se hace por la temperatura del evaporador, sino por el grado de recalentamiento del gas de admisión que sale del evaporador.

Es adecuada para la regulación de caudal de refrigerante en sistemas sujetos a amplias variaciones de carga. Se trata de una válvula de asiento accionada por la dilatación o contracción de un fluido sensible a los cambios de temperatura registrados en un bulbo. La tensión del muelle que equilibra el esfuerzo de dilatación del fluido puede ser regulada por un tornillo de ajuste.

Salvo algunas excepciones, el fluido del bulbo es el refrigerante usado en el sistema. La presión de este fluido actúa en uno de los lados de los fuelles o diafragma a través del bulbo capilar y tiende a mover el obturador abriéndolo. Pero, es la presión de interior del sistema del evaporador la que tiende a cerrar la válvula.

Para este tipo de válvula, la cantidad de sobrecalentamiento necesario para lograr el equilibrio depende de la tensión que se tenga en el resorte. Al aumentar la presión en el muelle, se aumenta el sobrecalentamiento necesario para compensar esa tensión y llevar a la válvula a la condición de equilibrio.

Normalmente, las válvulas de expansión termostática se ajustan por el fabricante para un sobrecalentamiento del orden de 7-10 ºC. Este sobrecalentamiento se mantendrá constante independientemente de las condiciones de carga térmica del evaporador. Pero, esta válvula termostática no puede mantener una cierta temperatura y presión en el evaporador, únicamente un sobrecalentamiento constante.

Como el refrigerante sufre una pérdida de carga a través del evaporador, la temperatura de saturación del refrigerante es siempre menor a la salida del evaporador que a la entrada. Cuando ese incremento de presión es grande, las diferencias de temperaturas entre la salida y la entrada también son considerables. Esto da lugar a problemas de funcionamiento de la válvula termostática. Esta necesita de un mayor sobrecalentamiento en el tramo de aspiración para conseguir que la válvula llegue al equilibrio. Este fenómeno provoca el que se necesite gran parte del evaporador (de la superficie de intercambio) para satisfacer las necesidades de sobrecalentamiento. De esta forma, el hecho de que la caída de presión sea pronunciada, tiene como consecuencia una reducción de la superficie útil del evaporador. La disposición de un compensador de presión no reduce la caída de presión en el evaporador, pero permite usar toda la superficie efectiva del evaporador. En este caso la presión que actúa sobre el diafragma de la válvula es la presión de salida del evaporador, en lugar de la presión de entrada del mismo. El tubo de equilibrio se conecta a la salida del evaporador situado a unos 20 cm de la conexión del bulbo.

Una de las desventajas de la válvula de expansión termostática es la de abrirse completamente y sobrealimentar al evaporador durante el arranque del compresor, lo cual permite a veces la entrada de refrigerante líquido en la tubería de aspiración. Esto es debido a que el bulbo se calienta durante los períodos de parada, y se tiene sobrealimentación durante el arranque hasta que el bulbo no registre la temperatura normal de funcionamiento del vapor. Estas dificultades de operación pueden paliarse usando válvulas de expansión termostáticas con dispositivos limitadores de presión. Estos dispositivos funcionan estrangulando el flujo del líquido que va hacia el evaporador, quitándole el control de la válvula al bulbo cuando la presión en el evaporador aumenta hasta un máximo determinado. Esa presión máxima puede limitarse por medios mecánicos o mediante el uso de un bulbo cargado con un gas.

Ese control de presión máxima en el evaporador hace que se demore la abertura de la válvula lo suficiente como para permitir que el vapor en el tramo de aspiración enfríe el bulbo y se reduzca la presión en el bulbo antes de que la válvula abra.

La válvula de expansión termostática cargada con gas esencialmente es una válvula limitadora de presión. El bulbo de esta válvula de expansión es cargado con gas del mismo refrigerante que tiene la instalación, de forma que para una cierta temperatura predeterminada en el bulbo, todo el líquido se vaporiza quedando en el bulbo vapor saturado. De esta forma cualquier aumento de temperatura que se tenga en el bulbo (sobrecalentamiento adicional) tendrá un efecto muy pequeño en la presión del bulbo. Al limitar la presión que pueda ejercer el bulbo, como el equilibrio de la válvula es establecido sólo cuando la presión en el bulbo es igual a la presión en el evaporador más la presión ejercida por el resorte (siendo constante ésta última), llega un momento en que la suma de las presiones del evaporador y del resorte excede al valor de la presión en el bulbo y la válvula se cerrará.

En este tipo de válvulas se han de tener las siguientes precauciones:

(1) el cuerpo de la válvula debe colocarse en una zona más caliente que el bulbo

(2) el tubo de conexión del bulbo al cabezal de fuerza no debe permitírsele que roce con alguna superficie más fría que la del bulbo. De otra forma, se producirá condensación en el punto más frío y la válvula será inoperante en estas condiciones.

Las válvulas de expansión limitadoras de presión son actualmente muy utilizadas, sobre todo en aplicaciones de acondicionamiento de aire. Generalmente, la selección de un válvula limitadora de presión se hace con una presión máxima de operación de 0,35-0,71 Kg/cm2 por encima de la presión media del evaporador en condiciones de funcionamiento normal.

Cuando las válvulas de expansión tienen el bulbo cargado con el mismo refrigerante que tiene la instalación, son adecuadas para casi todas las aplicaciones de mediana y alta temperatura, pero no lo son generalmente, para baja temperatura. Esto sucede porque el sobrecalentamiento necesario para impulsar el diafragma será demasiado grande para bajas temperaturas, según se desprende del análisis de la relación presión-temperatura de cualquier refrigerante utilizado.

Las válvulas de expansión termostática con fluido diferente al refrigerante de la instalación, se llaman de "carga cruzada" y se utilizan en aplicaciones de temperatura baja fundamentalmente.

Cuando un evaporador tiene más de un circuito refrigerante, éste es distribuido después de pasar por la válvula de expansión y por medio de distribuidores (que a veces forman parte de la válvula). Los distribuidores pueden ser de distintos tipos.

En las válvulas de expansión termostáticas debe usarse el compensador externo cuando la caída de presión a través del evaporador se suficiente para causar una caída de temperatura de saturación mayor de 2 ºC (en temperaturas de evaporación mayores de -18 ºC) o mayor de 1 ºC (en temperaturas de evaporación inferiores a -18º C). También se tiene que utilizar compensador externo cuando existe un distribuidor (a varios circuitos) de refrigerante en el evaporador.

INSTALACIÓN DE VÁLVULA DE EXPANSIÓN

Para la instalación de estos dispositivos debe atenderse a las especificaciones de los fabricantes.