Módulo Formativo: Máquinas y Equipos Térmicos 1º Frío
Profesor: Manuel Conde Navarrete
MÓDULO FORMATIVO “MÁQUINAS Y EQUIPOS TÉRMICOS” UNIDAD DE TRABAJO Nº 9 DISPOSITIVO DE EXPANSIÓN
Profesor: Manuel Fco. Conde Navarrete Unidad de Trabajo nº 9 : El Dispositivo de expansión
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ÍNDICE U.T.9 EL DISPOSITIVO DE EXPANSIÓN Página
1.- Dispositivos de expansión
3
2.- La válvula de expansión termostática (V.E.T.)
5
3.- Componentes de una V.E.T.
5
4.- El cuerpo de la válvula
6
5.- El diafragma 6.- La aguja y el asiento 7.- El muelle 8.- El bulbo sensor y el capilar de transmisión 9.- Tipos de carga en el bulbo 10.- Bulbo con carga líquida 11.- Bulbo con carga interlíquida 12.- Bulbo con carga de vapor 13.- Bulbo con carga de intervapor 14.- VET con ecualizador interno 15.- VET con ecualizador externo 16.- Respuesta de la VET a los cambios de carga 17.- Elección de una VET 18.- VET con orificio equilibrado 19.- VET limitadora de presión (MOP) 20.- Mantenimiento de una VET 21.- Instalación del bulbo sensor 22.- VET controlada por termistor 23.- Válvula de expansión automática (VEA) 24.- Respuesta de una VEA a los cambios de carga 25.- Consideraciones a tener en cuenta en las VET y VEA 26.- El dosificador de tubo capilar 27.- Carga de refrigerante en sistemas con expansión por tubo capilar 28.- Resúmen del tema 29.- Actividades a realizar
8 9 11 12 15 15 16 16 17 17 20 22 22 22 23 23 22 24 26 28 29 29 32 34 36
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EL DISPOSITIVO DE EXPANSIÓN 1.- Dispositivos de expansión Los dispositivos de expansión, también denominados dosificadores, constituyen el cuarto componente necesario para que funcione el ciclo de compresión de la refrigeración. Los dispositivos de expansión no están tan a la vista como los evaporadores, los condensadores o los compresores. Generalmente, estos dispositivos están ocultos en el interior del equipo y no son evidentes para cualquier observador ocasional. Puede tratarse tanto de una válvula como de un dispositivo
de
diámetro fijo. El dispositivo de expansión es una de las líneas divisorias entre el lado de alta presión y el lado de baja presión del sistema (el compresor es la otra). La figura 1 muestra dónde está situado este dispositivo. Dicho dispositivo es el que se encarga de dosificar la cantidad correcta de refrigerante que va al evaporador. El evaporador funciona mucho mejor cuando está lo más lleno posible de refrigerante líquido, sin que llegue a salir nada por el tubo de aspiración. Cualquier refrigerante líquido que entre en el tubo de aspiración puede llegar hasta el compresor, porque no debería haber ninguna cantidad de calor apreciable añadido al refrigerante en este tubo, que hirviera el líquido hasta convertirlo en vapor. Más adelante, en esta misma sección, examinaremos un intercambiador de calor para aplicaciones especiales, que se utiliza para hervir el líquido que pudiera encontrarse en el tubo de aspiración, ya que, normalmente, la presencia de líquido en este tubo supone un problema. Figura 1
El dispositivo de expansión suele estar instalado en el tubo de líquido que hay entre el condensador y el evaporador. Este tubo de líquido puede estar caliente al tacto en un día caluroso y Unidad de Trabajo nº 9 : El Dispositivo de expansión
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puede seguirse fácilmente hasta el dispositivo de expansión, en donde hay una caída de presión y su correspondiente bajada de temperatura. Por ejemplo, durante un día caluroso, el tubo de líquido que llega hasta el dispositivo de expansión podría estar a 45 °C. Si este tubo pertenece a un frigorífico de baja temperatura que utilice refrigerante R-134A, la presión del lado de baja presión del evaporador podría encontrarse a 20 kPa y la temperatura sería de -25 °C. Esta caída de la temperatura es bastante espectacular y se puede detectar fácilmente, cuando tiene lugar. Este dispositivo puede estar caliente por un lado y congelado por el otro, tal y como muestra la figura 2.
Figura 2 Dado que algunos dispositivos de expansión son válvulas y otros son dispositivos de diámetro fijo, este cambio puede tener lugar en un espacio muy reducido; es decir, en menos de 3 cm en una válvula, aunque el cambio es más gradual en algunos dispositivos de diámetro fijo. Existen tres tipos diferentes de dispositivos de expansión: (1) la válvula de expansión termostática, (2) la válvula de expansión automática y (3) de diámetro fijo, como el tubo capilar (fig. 3)
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2.- La válvula de expansión termostática La válvula de expansión termostática (VET) se encarga de dosificar el refrigerante que va al evaporador utilizando, para ese fin, un sensor térmico que controla el sobrecalor o recalentamiento. Esta válvula se abre o se cierra en respuesta a un elemento térmico. La VET mantiene un sobrecalor constante en el evaporador (5ºC). Recuerda que, si hay sobrecalor, no hay refrigerante líquido. No es recomendable que haya un exceso de sobrecalor, pero con esta válvula es necesario que haya una pequeña cantidad, para garantizar que no salga nada de refrigerante líquido del evaporador. 3.- Componentes de la válvula de expansión termostática La VET consta de (1) el cuerpo de la válvula, (2) un diafragma, (3) una aguja y asiento, (4) un muelle, (5) un portaestopa y (6) un bulbo sensor y un tubo de transmisión (figura 4).
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4.- El cuerpo de la válvula En los sistemas de refrigeración normales, el cuerpo de la válvula es una pieza mecanizada con extremada precisión, hecha de bronce sólido o acero inoxidable, y que es la que contiene al resto de los componentes y fija la válvula al circuito de tuberías de refrigeración (figura 5).
Válvula para abocardar
válvula para embridar
Algunas válvulas constan de una sola pieza, por lo que no es posible desmontarlas y, en cambio, otras están hechas de tal forma que sí que se pueden desmontar. Estas válvulas pueden estar sujetas al sistema mediante tres métodos: conexión abocardada, por soldadura o mediante una brida. Al instalar una válvula en un sistema de refrigeración, hay que pensar siempre en su mantenimiento futuro, por lo que debería utilizarse una conexión abocardada o una válvula de bridas. Si se utiliza una conexión soldada, sería recomendable emplear una válvula que se pueda desmontar y reparar in situ, cuando sea preciso (véase la figura 6).
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Generalmente, la válvula posee una entrada con una malla muy fina que sirve para filtrar cualquier pequeña partícula que pudiera detener la aguja y el asiento (véase la figura 7).
Algunas válvulas poseen una tercera conexión, denominada ecualizador externo. Esta conexión es, normalmente, un abocinado de 1/4" o una soldadura de 1/4" y se encuentra en el lateral de la válvula, cerca del diafragma (figura 8).
Figura 8 Tal y como veremos más adelante, la presión del evaporador tiene que estar representada bajo el diafragma de la válvula de expansión. Si el evaporador tiene un circuito muy largo, puede que haya una caída de presión en el evaporador; por eso se suele utilizar un ecualizador externo. Al final del evaporador se realiza una toma de presión que proporciona la presión del evaporador bajo el diafragma. Algunos evaporadores poseen varios circuitos y utilizan un método para distribuir el refrigerante que provoca una caída de presión entre la salida de la válvula de expansión y la entrada del evaporador. Esta instalación tiene que tener un ecualizador externo para que la válvula de expansión pueda controlar Unidad de Trabajo nº 9 : El Dispositivo de expansión
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correctamente el refrigerante (véase la figura 9). Más adelante analizaremos con más profundidad este distribuidor.
5.- El diafragma El diafragma está situado en el interior del cuerpo de la válvula y se encarga de hacer entrar y salir la aguja del asiento en respuesta a los cambios de carga del sistema. El diafragma está hecho de un metal muy fino y se encuentra bajo la parte superior de la válvula que tiene forma de cúpula (figura 10).
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6.- Aguja y asiento La aguja y el asiento regulan el flujo de refrigerante que pasa por la válvula. Suelen estar hechos de algún tipo de metal muy resistente, como el acero inoxidable, para evitar que el refrigerante que pasa por él lo corroa. La aguja y asiento se utilizan en los dosificadores para poder regular con precisión el refrigerante (véase la figura 11).
Algunos fabricantes de válvulas incluyen mecanismos de aguja y asiento que se pueden cambiar según las diferentes capacidades o incluso para corregir algún problema. El tamaño de la aguja y el asiento es el que va a determinar la cantidad de refrigerante que va a pasar por la válvula para una caída de presión específica. Por ejemplo, cuando la presión sea de 1.200 kPa en un lado de la válvula y de 15 kPa en el otro lado, por ella pasará una cantidad calculada y predecible de refrigerante líquido. Si utilizáramos esta misma válvula cuando la presión fuera de 700 kPa y 20 kPa, respectivamente, dicha válvula no sería capaz de hacer pasar la misma cantidad de refrigerante. A la hora de seleccionar una válvula, es importante tener en cuenta las condiciones bajo las cuales va a trabajar. Para tomar esta decisión, es recomendable que consultemos el manual que proporciona el fabricante para cada válvula específica. La diferencia de presión entre uno y otro lado de la válvula no tiene que ser obligatoriamente la diferencia entre la presión de aspiración y la presión de descarga. Una caída de presión en el condensador y en las tuberías de interconexión podría ser suficiente para causar problemas, si no se la tiene en cuenta. Observa en la figura 12 que la presión de descarga y de aspiración no son las mismas que la caída de presión en la válvula de expansión.
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Las válvulas de expansión termostática se clasifican en vatios o toneladas de refrigeración (1 ton = 3440 w) para unas condiciones de caída de presión concretas. Es necesario conocer la capacidad y las condiciones de trabajo del sistema. Por ejemplo, si utilizamos el catálogo del fabricante de la figura 13.
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vemos que para un frigorífico de temperatura media con un evaporador de -6 °C (152 Kpa) y una capacidad de una tonelada (3.243 w), que vaya a trabajar en el interior de una tienda, hay que utilizar una válvula de una tonelada (3.243 w). Se espera que la parte interior de la tienda esté a 21 °C a lo largo de todo el año y que la presión de descarga se estabilice en 767 kPa (36ºC). La válvula de 1 tonelada tiene una capacidad de 1,15 toneladas en unas condiciones de este tipo (767 - 152 = 615 Kpa).
7.- El muelle El muelle es una de las tres fuerzas que actúan sobre el diafragma. Lo que hace es elevar el diafragma y cerrar la válvula, empujando la aguja hacia el asiento. Si la válvula es ajustable, el ajuste aplicará mayor o menor presión en el muelle, con el fin de cambiar la tensión para las diversas configuraciones de sobrecalor. La tensión del muelle viene configurada previamente de fábrica para un sobrecalor de 4 °C a 6 °C; véase la figura 14.
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El ajuste de esta válvula puede ser tanto una ranura de tornillo como un árbol de cabeza cuadrada. Tanto el uno como el otro están protegidos por una tapa para evitar que el agua, el hielo o cualquier otro cuerpo extraño se acumule en el vástago. Esta tapa también sirve como medida de prevención auxiliar contra fugas. La mayoría de los vástagos de ajuste de las válvulas de expansión poseen un prensaestopas que se puede apretar para evitar fugas de refrigerante. La tapa cubriría el prensaestopas y el vástago (figura 15). Normalmente, una vuelta completa del vástago puede cambiar el ajuste de sobrecalor de 0,25 °C a 0,5 °C, dependiendo del fabricante.
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8.- El bulbo sensor y el tubo de transmisión El bulbo sensor y el tubo de transmisión son prolongaciones del diafragma de la válvula. Este bulbo se encarga de detectar qué temperatura hay en el extremo final del evaporador, en el tubo de aspiración, y de transmitirla, convertida en presión, a la parte superior del diafragma. Este bulbo contiene un fluido como, por ejemplo, refrigerante, que responde a un diagrama de relación presión-temperatura igual que el del R-134A o R-22. Si sube la temperatura del tubo de aspiración, este cambio de temperatura tiene lugar en el interior del bulbo. Cuando hay un cambio de presión, el tubo de transmisión, que no es más que un tubo hueco de pequeño diámetro, permite que la presión entre el bulbo y el diafragma se equilibre (figura 16).
El asiento de la válvula está fijo en el cuerpo de la válvula y el diafragma mueve la aguja. Uno de los lados del diafragma obtiene su presión del bulbo, mientras que el otro la obtiene del evaporador. El diafragma se mueve hacia arriba y hacia abajo en respuesta a tres presiones diferentes. Estas tres presiones actúan en el momento adecuado para abrir, cerrar o modular la aguja de la válvula entre los puntos de apertura y de cierre. Estas tres presiones son: la presión del bulbo, la presión del evaporador y la presión del muelle. Todas ellas funcionan en conjunto para colocar la aguja de la válvula en la posición correcta para las condiciones de carga, en cualquier momento determinado. La figura 17 muestra una serie de ilustraciones que representan las funciones de la válvula VET bajo diferentes condiciones de carga.
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9.- Tipos de carga del bulbo El fluido que hay en el interior del bulbo de la válvula de expansión se conoce como la carga de la válvula. Con la VET, podemos tener cuatro tipos de carga: carga líquida, carga de interlíquido, carga de vapor y carga de intervapor. 10.- El bulbo de carga líquida El bulbo de carga líquida es una válvula y bulbo cargados con el fluido refrigerante del sistema. El diafragma y el bulbo no están realmente llenos de líquido; no obstante, siempre tienen suficiente líquido en su interior como para no quedarse vacíos. No todo este líquido hierve. La relación presióntemperatura está representada en un gráfico por una línea que es casi recta. Cuando la temperatura sube un grado, la presión sube una cantidad determinada, lo que se puede seguir en el gráfico de la relación presión-temperatura. Si seguimos este gráfico, veremos fácilmente que, cuando hay temperaturas altas, también hay presiones altas. Durante el proceso de descongelación, el bulbo de la válvula de expansión puede llegar a alcanzar temperaturas muy elevadas, lo que podría provocar que ocurrieran dos cosas. Las presiones del interior del bulbo podrían originar presiones excesivamente altas en el diafragma y la válvula se abriría por completo cuando el bulbo se calentase. Esto sobrealimentaría al evaporador y podría hacer que el líquido inundase el compresor al terminar el proceso de descongelación, tal y como muestra la figura 18. Por ello, puede que el técnico de mantenimiento tenga que cambiar el bulbo por un modelo de carga de interlíquido.
Figura 18
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11.- El bulbo de carga interlíquido El fluido del bulbo de carga de interlíquido no es el mismo que el fluido del sistema y no sigue la relación presión-temperatura. Su curva es mucho más plana y, si sube la presión del evaporador, se cerrará la válvula a mayor velocidad. Esta válvula se cierra durante el ciclo de apagado, cuando el compresor se detiene y la presión del evaporador se eleva. Todo esto sirve para evitar que el refrigerante líquido inunde el compresor durante la puesta en marcha (figura 19).
12.- El bulbo de carga de vapor El bulbo de carga de vapor es, en realidad, una válvula que solamente tiene una pequeña cantidad de refrigerante líquido en el bulbo (figura 20) En ocasiones, este bulbo se denomina bulbo de carga crítica. A medida que sube la temperatura del bulbo, todo el líquido va hirviendo para convertirse en vapor, hasta que no quede nada. Cuando se llega a este punto, el aumento de la temperatura ya no provoca un aumento de la presión. La curva de la presión será plana, tal y como muestra la figura 21
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Al utilizar esta válvula, hay que procurar que el cuerpo de la válvula no se enfríe más que el bulbo, ya que, si esto fuera así, el líquido que hay en el interior del bulbo se condensaría por encima del diafragma. Si esto ocurre, el control que ejerce el bulbo sobre el extremo final del tubo de aspiración quedaría en manos del área del diafragma de la válvula (figura 22). La temperatura del líquido que hay en el interior del diafragma será lo que controle la válvula y dicha válvula perderá el control. Para evitar que esto ocurra, se instalan una serie de calentadores en el cuerpo de la válvula.
Figura 22 13.- Bulbo de carga intervapor El bulbo de carga de intervapor tiene las mismas características que la válvula de carga de vapor, pero no tiene el mismo fluido que el refrigerante del sistema. Esto hace que la relación entre la presión y la temperatura sea distinta en condiciones diferentes. Estas válvulas especiales se aplican en sistemas también especiales. Si surgiera alguna duda, habría que consultar a los fabricantes o los proveedores.
14.- Ejemplo de una válvula VET con un ecualizador interno Una vez instalados todos estos componentes, la válvula de expansión funcionará de la manera siguiente. Nota: el bulbo de este ejemplo está lleno de líquido. 1. Condiciones de carga normales. La válvula funciona en equilibrio; es decir, no hay cambios y permanece estable (figura 23). El evaporador trabaja en una aplicación de temperatura media y justo antes del punto de desconexión. La presión de aspiración es de 150 kPa y el refrigerante utilizado, el R134A, hierve (se evapora) en el evaporador a -6 °C. La válvula de expansión mantiene 5 °C de sobrecalor, por lo que la temperatura del tubo de aspiración es de -1 °C en el bulbo. El bulbo ha estado en el tubo el tiempo suficiente como para que su temperatura sea la misma que la del tubo; es decir -1 °C. Por ahora, vamos a suponer que el líquido del bulbo tiene una presión de 200 kPa, que es la que se corresponde con la temperatura de -1 °C. El muelle ejerce una presión igual a la diferencia de presión para mantener la Unidad de Trabajo nº 9: El Dispositivo de expansión
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aguja en la posición correcta en el asiento, con el fin de mantener esta condición. En este ejemplo, la presión del muelle es de 50 kPa.
Figura 23 2.
Las condiciones de carga cambian al introducir alimentos en el frigorífico [véase la figura
24(A)]. Al introducir en el frigorífico alimentos cuya temperatura sea mayor que la de su interior, la carga del evaporador cambia. Estos alimentos calientan el aire que hay en el interior del frigorífico y este aire es el que añade la carga al serpentín de refrigeración. Este aire caliente que pasa por encima del serpentín hace que el refrigerante líquido que hay en el interior del serpentín hierva más rápidamente. La presión de aspiración también se elevará. El efecto global de este tipo de condición es que el último punto del líquido está mucho más alejado del extremo final del serpentín que cuando este serpentín estaba trabajando en condiciones normales. Así pues, el serpentín no recibirá el refrigerante líquido suficiente y la VET comenzará a suministrar más refrigerante para compensar esta carencia. Cuando se mantiene esta condición de carga durante un periodo de tiempo largo, la VET estabilizará su suministro de refrigerante y alcanzará un nuevo punto de equilibrio, en donde no tendrá lugar ningún ajuste.
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3. La carga cambia al retirar alimentos del frigorífico [véase la figura 24(B)]. Si sacamos varios alimentos del frigorífico, la carga descenderá en el serpentín del evaporador. Ya no habrá suficiente carga para hervir el refrigerante que está suministrando al serpentín la válvula de expansión, por lo que dicha válvula comenzaría a sobrealimentar al serpentín.
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El serpentín, por tanto, comenzaría a inundarse de refrigerante. Así pues, la VET tiene que estrangular el flujo de refrigerante. Cuando la VET lleve trabajando en estas condiciones durante cierto periodo de tiempo, se estabilizará y alcanzará un nuevo punto de equilibrio. Si esta condición perdura durante cierto tiempo, el termostato apagará el compresor, porque la temperatura del aire del frigorífico se reduce hasta el punto de corte fijado en el termostato. 15.- Válvulas VET con ecualizadores externos A menudo, se diseñan e instalan evaporadores que tienen una caída de presión desde la entrada a la salida. Esta caída de presión puede deberse a un distribuidor situado tras la válvula de expansión o a que el evaporador tenga un circuito de tuberías demasiado largo. Si, por alguna razón, tuviera lugar una caída de presión excesiva, de aproximadamente 35 kPa, habría que utilizar una VET con un ecualizador externo con el fin de que la válvula alimentara adecuadamente con refrigerante al serpentín. Si hay una caída de presión excesiva en un serpentín que utilice una VET, la válvula reducirá el suministro de refrigerante al serpentín (véase la figura 25).
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Recuerda que el evaporador trabaja más eficientemente cuando tiene la máxima cantidad posible de refrigerante sin que éste inunde el compresor. En la figura 8 de este tema puedes ver una válvula de expansión que dispone de un ecualizador externo. Hay que conectar siempre el tubo del ecualizador externo con el tubo de aspiración después del bulbo sensor de la válvula de expansión, para evitar problemas de sobrecalor que se pudieran derivar de fugas internas en la válvula (figura 26). Si una válvula VET con un ecualizador externo tuviera una fuga interna, se descargarían cantidades muy pequeñas de líquido en el tubo de aspiración a través del ecualizador externo. Si esta pequeña cantidad de líquido tocara el bulbo sensor, la válvula se cerraría, porque estaría simulando un serpentín inundado (figura 27). A veces esta condición se nota tocando el tubo que lleva hasta el tubo de aspiración. Este tubo no debería enfriarse en el lugar donde sale de la válvula de expansión.
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16.- Respuesta de la válvula VET a los cambios de carga (en el evaporador) Las válvulas VET responden a los cambios de carga de la siguiente forma. Cuando la carga aumenta, por ejemplo cuando se introducen en el frigorífico (el compartimento refrigerado) alimentos más calientes que él, la válvula VET se abre, permitiendo que entre más refrigerante en el serpentín. En este momento, el evaporador necesita más refrigerante porque la carga adicional está evaporando más rápidamente el refrigerante en el evaporador. Por este motivo, la presión de aspiración aumenta, tal y como se mostraba en la figura 24. Por otra parte, cuando la carga desciende (por ejemplo, cuando se retira algún alimento del frigorífico), el líquido que hay en el evaporador se evapora más lentamente y la presión de aspiración desciende. En este momento, la válvula VET estrangulará el refrigerante cerrando ligeramente la aguja y el asiento para mantener el sobrecalor correcto. La válvula VET responde al aumento de la carga permitiendo que entre más refrigerante en el serpentín, lo que se deriva en un aumento de la presión de aspiración. 17.-Elección de la VET Es muy importante elegir con cuidado la válvula VET de una aplicación particular, ya que cada una de las válvulas de este tipo está diseñadas para un refrigerante específico. Una de las válvulas que podemos encontrar en el mercado utiliza un intercambiador de muelle para cambiar de refrigerante, aunque no por ello deja de ser necesario tener en cuenta el refrigerante al elegir el muelle. La capacidad del sistema es extremadamente importante. Si el sistema requiere una válvula de expansión de 1500 w, pero se utiliza una de 3000 w, dicha válvula no regulará correctamente, porque la aguja y el asiento serán demasiado grandes. En cambio, si se utilizara una válvula de 750 w, no pasaría el refrigerante líquido necesario para mantener lleno el serpentín, por lo que dicho serpentín estaría subalimentado (poco refrigerante, recalentamiento muy alto). 18.- Válvula de expansión termostática con orificio equilibrado La existencia de temperaturas de ambiente bajas ha obligado a los fabricantes a desarrollar válvulas VET que suministren refrigerante a la misma velocidad en este tipo de temperaturas. Estas válvulas permiten que el flujo de refrigerante no se reduzca cuando la presión de descarga sea baja en un clima frío. Por consiguiente, el evaporador puede disponer de la cantidad correcta de refrigerante y puede funcionar en condiciones de diseño con temperaturas exteriores bajas. Es imposible distinguir una válvula de expansión con orificio equilibrado de una válvula de expansión normal por su aspecto. Lo único por lo que se las puede distinguir es por el número de modelo, que se puede buscar en el catálogo del fabricante, para determinar así el tipo exacto de válvula.
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19.- Válvula de expansión termostática limitadora de presión (MOP) Las válvulas VET limitadoras de presión poseen un fuelle adicional que solamente permite al evaporador llegar hasta una presión determinada y, cuando se alcanza, la válvula cierra el flujo de líquido. Se aconseja utilizar esta válvula en aplicaciones de baja temperatura porque mantiene baja la presión de aspiración del compresor durante un descenso en caliente (sobrecarga del evaporador) que pudiera sobrecargar el compresor. Por ejemplo, si se pone en marcha un frigorífico de baja temperatura, estando caliente el interior del compartimento, el compresor trabajaría en una condición de sobrecarga hasta que dicho compartimentó se enfriara. La válvula termostática de expansión limitadora de presión sirve para evitar que esto ocurra (véase la figura 28).
20.- Mantenimiento de la válvula VET Al elegir una válvula VET, hay que procurar que la válvula que se elija se pueda reparar y funcione correctamente. Hay que tener en cuenta varios factores: (1) el tipo de cierre (abocinado, por soldadura o de brida), (2) la ubicación de la válvula para su reparación y para obtener el mejor rendimiento y (3) la ubicación del bulbo de la válvula de expansión. Esta válvula posee varias piezas móviles que se desgastan por el uso. Cuando haya que cambiar una válvula, lo mejor es sustituirla por otra exactamente igual. Si esto no es posible, solicita al proveedor que te proporcione la información adecuada para elegir otra válvula. Existen muchos técnicos (y propietarios) que ajustan personalmente las válvulas VET Este hecho puede ser una fuente de problemas, porque las presiones y temperaturas del serpentín cambian. Si el sensor de la válvula está instalado correctamente y se halla en la ubicación correcta, en donde pueda medir la temperatura del vapor refrigerante, dicha válvula debería funcionar correctamente tal y como se haya enviado de fábrica. Estas válvulas son bastante fiables y normalmente no requieren ningún tipo de ajuste. Si existiese algún indicio de que la válvula ha sido reajustada, busque otros problemas, porque probablemente la válvula no tenía por qué haber sido ajustada. Muchos fabricantes fabrican válvulas que no se pueden ajustar, para evitar que se ajusten cuando no sea necesario.
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21.- Instalación del sensor Hay que tener un cuidado especial al instalar el sensor de la válvula de expansión. Cada fabricante recomienda un método diferente para instalarlo, pero son todos muy parecidos. El bulbo sensor de la válvula se tiene que instalar al final del evaporador, en el tubo de aspiración. El mejor sitio para colocarla es cerca del final del tubo, en un tendido horizontal, en donde se puede instalar el bulbo horizontalmente, sin elevarlo mediante un accesorio (figura29). El bulbo no se debe colocar en la parte inferior del tubo, porque el aceite que regresa al compresor haría de aislante para el sensor. El propósito del sensor es el de medir la temperatura del tubo de aspiración. Para ello, dicho tubo deberá estar totalmente limpio y el bulbo deberá encontrarse sujeto firmemente al tubo. Los fabricantes suelen aconsejar que se aísle el bulbo de la temperatura ambiente si dicho ambiente está a más temperatura que el tubo de aspiración, ya que, de lo contrario, tanto la temperatura ambiente como la del tubo influirían en el bulbo.
Figura 29 22.- VET controlada por un dispositivo de estado sólido (electrónica) La válvula de expansión controlada por un dispositivo de estado sólido utiliza un termistor como sensor para variar la tensión aplicada a una válvula accionada mediante el calor del motor (es decir, una válvula con un elemento bimetal). Esta válvula suele utilizar una tensión de regulación de 24 V para funcionar (véase la figura 30A). Cuando se aplica la tensión a la bobina de la válvula, dicha válvula se abre. Para conseguir la modulación, hay que variar la tensión (figura 30B). Esta válvula es muy versátil y puede utilizarse para diferentes funciones en el sistema. Cuando se corta la tensión al final del ciclo, la válvula se cierra y se
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puede efectuar un bombeo de vacío del sistema. Si se permite que dicha tensión siga aplicada al elemento, la válvula permanecería abierta durante la parte inactiva del ciclo y las presiones se nivelarían. El termistor se inserta en el chorro de vapor al final del evaporador. Su masa es muy pequeña y responde rápidamente a los cambios de temperatura.
La válvula de expansión controlada por un dispositivo de estado sólido responde a los cambios de temperatura del sensor como cualquier válvula VET, excepto por el hecho de que no tiene ningún muelle. Cuando el termistor se encuentra suspendido en vapor seco, la corriente que pasa a través de él lo calienta. Esto hace que la respuesta sea mucho más rápida que si se limitara a medir la temperatura
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del vapor (figura 30C). Cuando la válvula se abre y el vapor saturado llega hasta el elemento, la válvula comienza a cerrase ligeramente. Esta válvula permite regular de modo que se obtenga un nivel de sobrecalor muy bajo, lo que permite al evaporador utilizar un área de superficie máxima.
Figura 30C. Diferentes aplicaciones y funciones de la válvula controlada por termistor La válvula de expansión controlada por un dispositivo de estado sólido es una válvula muy singular, porque permite que el refrigerante fluya en cualquier dirección a través de su cuerpo. Por este motivo, es perfecta para las aplicaciones de bombeo de calor y se utiliza en las bombas de calor autónomas, porque los fabricantes pueden construir sistemas con una sola válvula de expansión que permita que el refrigerante fluya en cualquier dirección.
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23.- La válvula de expansión automática La válvula de expansión automática es un dispositivo de expansión que dosifica el refrigerante del evaporador utilizando un dispositivo sensor de la presión. Este dispositivo es también una válvula cuya dimensión interior cambia en respuesta a su elemento sensor. La válvula de expansión automática mantiene una presión constante en el evaporador. Fíjate en que no hemos mencionado el sobrecalor. Este dispositivo posee una aguja y un asiento, como la válvula VET, sujetos a un diafragma, tal y como muestra la figura 31. Uno de los lados del diafragma conecta con el evaporador, mientras que el otro da a la atmósfera. Si, por cualquier razón, la presión del evaporador cayese, la válvula se comenzará a abrir para suministrar más refrigerante al evaporador. La válvula de expansión automática es muy parecida a la válvula vet, excepto por el hecho de que no tiene un bulbo sensor. Su cuerpo suele estar fabricado de bronce mecanizado. El ajuste de esta válvula se suele encontrar en su parte superior. Puede que haya un tapón que se puede retirar o desenroscar. Este ajuste cambia la tensión del muelle que ayuda a la atmósfera a comprimir hacia abajo
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diafragma. Cuando la tensión aumenta, la válvula suministra más refrigerante, aumentando la presión de aspiración.
Figura 31
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24.- Respuesta de la válvula de expansión automática a los cambios de carga La válvula de expansión automática no responde a los cambios de carga de la misma manera que la válvula VET. De hecho, responde exactamente a la inversa. Cuando aumenta la carga del serpentín, la presión de aspiración comienza a subir. La válvula de expansión automática comenzará a estrangular el flujo de refrigerante, cerrándose lo suficiente como para mantener la presión de aspiración en un punto fijo. Esto tiene como consecuencia que el serpentín esté ligeramente subalimentado. Cuanto más se aumente la carga, más subalimentado estará el serpentín. Por otra parte, cuando se reduce la carga y la presión de aspiración comienza a bajar, la válvula de expansión automática comienza a abrirse y a suministrar más refrigerante al serpentín. Si la carga se reduce demasiado, podría salir líquido del evaporador y bajar por el tubo de aspiración (figura 32). En estos ejemplos podemos ver que esta válvula responde de forma inversa a la carga. La mejor aplicación para esta válvula será aquélla en donde la carga sea bastante constante. Una de las mejores características de esta válvula es que es capaz de mantener la presión constante. Si aplicáramos esta válvula a un evaporador para agua, no se produciría nunca el congelamiento.
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25.- Consideraciones especiales acerca de la válvula VET y la válvula de expansión automática La válvula VET y la válvula de expansión automática son dispositivos de expansión que permiten una cantidad mayor o menor de flujo de refrigerante, dependiendo de la carga. Ambas válvulas necesitan un dispositivo de almacenamiento (receptor) para guardar el refrigerante cuando no es necesario. Este receptor es un pequeño tanque situado entre el condensador y el dispositivo de expansión. Normalmente, el condensador suele estar cerca del receptor. El receptor dispone de una válvula maestra que hace de válvula de servicio. Esta válvula evita que el refrigerante salga del receptor cuando se está reparando el lado de baja presión del sistema. Este receptor puede utilizarse como tanque de almacenamiento en diferentes condiciones de carga o como tanque en el que bombear el refrigerante durante el mantenimiento del sistema (figura 33), pueden ser horizontales o verticales.
26.- El dosificador de tubo capilar El dosifícador de tubo capilar regula el flujo de refrigerante mediante la caída de la presión. Se trata de un tubo de cobre con un diámetro interior calibrado muy pequeño (figura 34).
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El diámetro y la longitud del tubo son los que determinan la cantidad de líquido que pasará a través del tubo para una caída de presión determinada (figura 35).
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Los fabricantes utilizan esta relación entre la longitud y la caída de presión para calcular la caída de presión correcta que va a permitir pasar la cantidad adecuada de refrigerante a través del tubo capilar, para llenar el evaporador de la manera adecuada. En algunas instalaciones, el tubo capilar puede ser bastante largo y puede estar enrollado en un serpentín para acomodar el tubo sobrante. El tubo capilar no regula el sobrecalor ni la presión. Se trata de un dispositivo de diámetro fijo que no tiene piezas móviles. Dado que este dispositivo no se puede adaptar a un cambio de carga, normalmente se utiliza en aquellos lugares en donde la carga es relativamente constante, donde no hay grandes fluctuaciones. El tubo capilar es un dispositivo para regular el refrigerante que resulta muy económico, por lo que se suele utilizar con frecuencia en los equipos más pequeños. Este dispositivo no posee una válvula y no evita que el líquido pase al lado de baja presión del sistema durante la parte inactiva del ciclo, por lo que las presiones se nivelan durante dicha fase. Esto reduce los requisitos del par de arranque del motor para el compresor. La figura 36 ilustra un tubo capilar en la entrada del evaporador. El técnico ha de estar familiarizado con el dosificador de tubo capilar porque, probablemente, es el dispositivo que más se utiliza para dosificar el refrigerante. No posee ninguna pieza móvil, por lo que no sufre ningún desgaste. Prácticamente, el único problema que puede presentar es que se introduzcan en él pequeñas partículas que bloqueen el tubo, total
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o parcialmente. Su diámetro es tan pequeño que cualquier pequeño trozo de fundente, carbón o soldadura podría causar algún problema si llegara hasta la entrada del tubo. Los fabricantes colocan siempre un filtro o un fitro-secador justamente delante del tubo capilar, para evitar que esto ocurra (figura 34 de la página 30).
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27.- Carga de funcionamiento del sistema de tubo capilar El tubo capilar sólo necesita una pequeña cantidad de refrigerante, porque no modula el refrigerante (es decir, no suministra más o menos refrigerante) de acuerdo con la carga. A los sistemas de tubo capilar se les suele considerar sistemas de carga crítica. Si analizamos la carga de refrigerante, veremos que, en el momento en que la unidad está funcionando en las condiciones de diseño, hay una cantidad específica de refrigerante en el evaporador y otra cantidad específica en el condensador. Esa es la cantidad de refrigerante que se necesita para que la refrigeración sea adecuada. Cualquier otra cantidad de refrigerante que haya en el sistema se encuentra en las tuberías y es, exclusivamente, para fines circulatorios. La cantidad de refrigerante del sistema es esencial para los sistemas de tubos capilares. Es muy fácil que los técnicos sobrecarguen el sistema de refrigerante si no tienen cuidado o no están familiarizados con él. En la mayoría de los sistemas de tubos capilares, la carga adecuada aparece impresa en la placa del Unidad de Trabajo nº 9 : El Dispositivo de expansión
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equipo. Los fabricantes siempre recomiendan medir el refrigerante de estos sistemas con balanzas o con botellas de carga de líquidos. Un sistema que tenga la carga correcta de refrigerante mantendrá un sobrecalor de 5 °C al final del serpentín (figura 37).
En muchos sistemas de tubos capilares, el tubo capilar está sujeto al tubo de aspiración, entre el condensador y el evaporador, con el fin de intercambiar calor entre el tubo capilar y el tubo de aspiración, en otros incluso circula por el interior del tubo de aspiración a contracorriente para mejorar el intercambio. Para diagnosticar un posible problema del tubo capilar, es preciso obtener la lectura correcta del sobrecalor. El tubo capilar debería mantener el refrigerante con un sobrecalor aproximado de 5 °C al final del evaporador. Para obtener la lectura correcta del sobrecalor, hay que tomarla antes del intercambio de calor entre el tubo de aspiración y el tubo capilar, tal y como muestra la figura 37. El tubo capilar es demasiado lento en su respuesta a los cambios en la carga o a las modificaciones en la cantidad de refrigerante. Por ejemplo, si un técnico añadiera una pequeña cantidad de refrigerante
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en el sistema del tubo capilar, la carga tardaría 15 minutos en ajustarse. La razón radica en que el refrigerante se traslada de un lado al otro del sistema a través de un orificio muy pequeño y eso le lleva algún tiempo. Cuando se añade refrigerante en el lado de baja presión del sistema, este refrigerante va al compresor y se bombea hacia el condensador. A continuación, debe ir hasta el evaporador antes de que la carga se equilibre. Muchos técnicos se precipitan y sobrecargan este tipo de sistemas. Los fabricantes aconsejan no añadir refrigerante más allá del máximo posible de carga; en lugar de ello, recomiendan comenzar de nuevo con un vacío profundo y medir con precisión la carga completa para el sistema. Los dosificadores de tubo capilar se utilizan principalmente en pequeños sistemas de refrigeración de potencia inferior a 1 CV (736 w). Estos sistemas están sellados herméticamente y no poseen conexiones con juntas obturadoras cerradas con pernos, por lo que no tienen fugas. Se montan en la propia fábrica en un entorno muy limpio y funcionan sin ningún problema durante muchos años. 28.- RESUMEN 1.- El dispositivo de expansión es una de las líneas divisorias entre los lados de alta y baja presión del sistema. 2.- La válvula VET mantiene el sobrecalor constante en el evaporador. 3.- La válvula VET consta de un cuerpo, un diafragma, una aguja y asiento y un bulbo y tubo de transmisión. 3.- Sobre la aguja y asiento de la válvula VET actúan tres fuerzas: el bulbo, el evaporador y la presión del muelle. 4.- La presión del bulbo es la única fuerza que abre la válvula. 5.- Todas las fuerzas que hay en el interior de la válvula de expansión funcionan en conjunción para mantener la aguja y el asiento en la posición correcta para que el evaporador disponga de la cantidad adecuada de refrigerante en todas las condiciones de carga. 6.- El bulbo y el diafragma pueden tener cuatro tipos de carga diferentes: carga líquida, carga de interlíquido, carga de vapor o carga de intervapor. 7.- Hay que sujetar firmemente el bulbo VET al tubo de aspiración para que pueda detectar con precisión la temperatura del tubo de aspiración. 8.- La válvula VET responde al aumento de carga suministrando más refrigerante al evaporador. 9.- Los ecualizadores externos evitan que una caída excesiva de la presión en el evaporador tenga como consecuencia que la válvula VET subalimente al evaporador. 10.- Las válvulas de expansión termostática con orificio equilibrado se utilizan cuando la temperatura ambiente es baja. 11.- La válvula de expansión controlada por un dispositivo de estado sólido utiliza un termistor para supervisar la temperatura del tubo de aspiración, con el fin de regular el flujo de refrigerante que va al evaporador.
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12.- La válvula de expansión automática responde a la carga de manera inversa; cuando la carga aumenta, la válvula de expansión estrangula el flujo de refrigerante en lugar de suministrar más, tal y como hace la válvula VET. 13.- El dispositivo de expansión del tubo capilar es un dosificador de diámetro fijo que normalmente está hecho de cobre, que tiene un diámetro interior muy pequeño y que no posee ninguna pieza móvil. 14.- El sistema del tubo capilar utiliza una cantidad muy reducida de refrigerante en comparación con otros dosificadores y es el sistema que más se emplea en los sistemas pequeños.
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29.- Actividades a realizar 0.¿Cuáles son las tres fuerzas que actúan sobre el diafragma de la válvula VET? 1.¿De qué material suelen estar hechos la aguja y el asiento? 2.¿Qué condición mantiene la válvula VET en el evaporador? 3.Indica los cuatro tipos de carga que utiliza la válvula VET para regular el flujo de refrigerante. 4.¿En dónde está instalado el bulbo de la válvula VET? 5.¿Cuándo necesitan algunas válvulas VET un ecualizador externo? 6.Dibuja un diagrama que muestre cómo está conectado un tubo de ecualizador externo al sistema. 7.¿Cómo responden las válvulas VET a un aumento de carga? 8.¿Qué condición mantiene la válvula de expansión automática en el evaporador? 9.¿Cómo responden las válvulas de expansión automática a un aumento de carga? 10.¿Qué es lo que determina la cantidad de refrigerante que fluye a través de un dosificador de tubo capilar?
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