Dispositivos de expansión by Susana Rodríguez

DISPOSITIVOS DE EXPANSIÓN

BLOQUE TEMÁTICO: REFRIGERACIÓN UNIDAD DIDÁCTICA: TEMA 11 3ª evaluación 1

Tipos de dispositivos de expansión. El dispositivo de expansión se define en el Reglamento de Instalaciones Frigoríficas como: "Elemento que permite y regula el paso del refrigerante líquido desde un estado de presión más alto a otro más bajo. Se consideran como tales las válvulas de expansión (manuales, termostáticas y electrónicas), los tubos capilares, los flotadores de alta, etc." Es uno de los cuatro elementos indispensables para el funcionamiento de una instalación frigorífica, junto con el condensador, evaporador y compresor. Las vamos a clasificar de la siguiente forma:

Existen otros dispositivos, como los flotadores para sistemas inundados que no se estudian por ser muy poco habituales. Los dispositivos de expansión se sitúan lo más cerca posible de la entrada del evaporador.

Se aborda el estudio de estos dispositivos comenzando por las válvulas termostáticas de expansión, por ser las más empleadas; siguiendo con las válvulas de expansión electrónicas, por ser las más novedosas y finalizando con los tubos capilares y las válvulas automáticas por ser de aplicación más limitada.

Válvulas de expansión termostáticas. Alimentar con la cantidad de refrigerante al evaporador según las necesidades de cada momento es una tarea complicada, ya que si se producen variaciones de la carga frigorífica, la cantidad de refrigerante existente en el evaporador debería modificarse en el mismo sentido que lo hace la carga si queremos que el funcionamiento de la máquina sea lo más estable posible. El dispositivo que es capaz de realizar esta función de una forma simple y sencilla es la válvula de expansión termostática, en adelante VET. El propósito de la VET es controlar el flujo de refrigerante hacia el evaporador de forma que se aproveche al máximo su superficie extrayendo la mayor cantidad de calor en forma latente, recalentando el refrigerante lo mínimo necesario. En resumen, podemos decir que las funciones de la VET son: • Reducir la presión y la temperatura de líquido refrigerante procedente del condensador. • Alimentar con líquido refrigerante a baja presión y temperatura el evaporador, según la demanda de carga, para aprovechar lo más posible su superficie para el intercambio de calor. • Asegurar la existencia de un recalentamiento dentro de unos márgenes seguros para evitar la llegada de líquido al compresor. En muchos casos se dice que este tipo de válvulas mantienen el recalentamiento constante, aunque esta afirmación debe matizarse convenientemente (más que nada porque según mi criterio es falsa).

Aspectos constructivos de una VET. Se puede distinguir en una VET las siguientes partes, aunque en la mayoría de los casos no es posible separarlas: • Bulbo, que se coloca sobre la tubería de salida del evaporador.

• Elemento termostático, que transmite la presión del bulbo. • Tubo capilar, que une el bulbo con el elemento termostático. • Tornillo para ajuste del recalentamiento. • Conexiones de entrada y salida. Algunos modelos disponen además de una tercera conexión, ya que tienen equilibrador externo de presión. • Orificio intercambiable, para modificar la capacidad de la válvula, con filtro. • Cuerpo de la válvula. Aparecen en la siguiente figura una VET Danfoss.

En la VET de la figura anterior sólo se puede sustituir el orificio, pero existen otros modelos de válvulas, en las que el cuerpo, los orificios y el elemento termostático son intercambiables. El cuerpo puede ser de paso recto o a 90°.

Funcionamiento de la válvula de expansión termostática. En el interior del bulbo existe un fluido, que en un principio supondremos igual al refrigerante de la máquina, y que tendrá aproximadamente la misma temperatura que la del gas de aspiración, ya que se encuentra situado sobre dicha tubería.

Hay tres presiones que actúan sobre la VET y que afectan a su forma de trabajo: • La presión del bulbo, P1, que intenta abrir la válvula. • La presión del refrigerante que hay en el evaporador, P2.

• La presión del muelle, P3, que tiende a “cerrar” la válvula. La presión del muelle permanece constante mientras no se modifique el tornillo de ajuste. Para el estudio del comportamiento de la válvula vamos a suponer que se encuentra en una posición fija.

Si se produce un aumento de la carga frigorífica, el refrigerante se evaporará más rápido y absorberá más calor sensibe, aumentando el recalentamiento. El bulbo detecta este aumento de la temperatura a la salida del evaporador y aumenta la presión P 1 que intenta abrir la válvula. La consecuencia es que la VET abre más dejando pasar más refrigerante hacia el evaporador, aprovechando de esta forma lo más posible la superficie del evaporador. En resumen, se puede decir que: • Si la carga frigorífica aumenta, la VET abre y deja pasar más refrigerante hacia el evaporador para evitar que el recalentamiento aumente en exceso. • Si la carga frigorífica disminuye, la VET cierra y deja pasar menos refrigerante hacia el evaporador para evitar una posible llegada de líquido al compresor. El funcionamiento de una VET con R – 22 se muestra en la figura siguiente:

Para comprender cómo las presiones internas determinan el funcionamiento de la VET es conveniente tener presente cómo varía la temperatura de evaporación en función de la presión de evaporación, es decir, la curva de saturación de los refrigerantes:

En la siguiente figura, la curva dibujada en color negro representa la fuerza de apertura provocada por la presión del bulbo de nuestra VET de R - 22, que es la curva de saturación y aumenta con la temperatura. La fuerza del muelle es constante para una posición de ajuste dada, y como se ha supuesto que el refrigerante y el fluido contenido en el bulbo es el mismo, para obtener la fuerza de cierre basta con añadir a la curva de saturación del refrigerante el valor constante que representa la fuerza del muelle. Se ha obtenido de esta forma la curva dibujada en color rojo que representa la fuerza de cierre que actúa sobre la VET.

Para una temperatura dada de evaporación obtenemos sobre la curva de saturación la presión P2, que sumada con la presión del muelle P3, nos da la fuerza de cierre que en el gráfico corresponde a la curva de rojo. En la posición de equilibrio, las fuerzas están igualadas, y por tanto la válvula ni abre ni cierra. Para obtener la temperatura del bulbo llevamos sobre la curva saturación el valor de la fuerza de cierre P2 + P3 = P1. El recalentamiento es la diferencia entre la temperatura del bulbo y la de evaporación.

Tbulbo = Tevaporación + Recalentamiento, es decir: Pbulbo = Pevaporador + Precalentamiento Por otra parte, el equilibrio de fuerzas es: Pbulbo = Pevaporador + Pmuelle Y sustituyendo: Pevaporador + Pmuelle = Pevaporador + Precalentamiento Se obtiene: Pmuelle = Precalentamiento Es decir, variando la presión del muelle se puede variar lo que se denomina recalentamiento estático de la VET. El recalentamiento estático es el que permite la VET cuando está en equilibrio según viene de fábrica. La VET viene de fábrica con un ajuste del tornillo que determina la presión del muelle y que acarrea un determinado recalentamiento estático. Como ejemplo, se muestra la gráfica que enfrenta el grado de apertura con el recalentamiento en una VET.

El 0% no quiere decir que la VET está cerrada, sino que no se ha abierto nada a partir de la posición de equilibrio de fábrica.

En este caso, la VET tiene un recalentamiento estático de 4K. Si este recalentamiento aumenta en función del comportamiento de la carga frigorífica, la VET se va abriendo hasta que alcanza el 100% de abertura con 7K. De ahí que se haya cuestionado la habitual afirmación de que la VET mantiene el recalentamiento constante. Esta afirmación no es cierta ya que la apertura de la válvula aumenta porque el recalentamiento aumenta. En realidad, lo que hace la válvula es asegurar un recalentamiento mínimo, que se corresponde con el ajuste de fábrica. Los fabricantes recomiendan siempre no tocar el tornillo, pero es posible variar la presión que ejerce mediante el ajuste del tornillo de la VET. Sobre la gráfica anterior, se muestran las variaciones del recalentamiento con el apriete y el afloje del tornillo de ajuste. AJUSTE DE FÁBRICA……….……… RECALENTAMIENTO ESTÁTICO 4 K TORNILLO MÁS FLOJO………..…… RECALENTAMIENTO ESTÁTICO 1 K TORNILLO MÁS APRETADO………. RECALENTAMIENTO ESTÁTICO 6 K

Caída de presión en el evaporador. En evaporadores grandes, o cuando tienen varios circuitos en paralelo y están alimentados por distribuidores de líquido, existe caída de presión, es decir, entre la presión a la entrada y la presión a la salida del mismo hay una diferencia que se debe tener en cuenta. En estos casos, la presión que ejerce el evaporador tendente a cerrar la válvula no se puede tomar a la entrada del evaporador, pues difiere de la que existe a la salida, donde se coloca el bulbo. En el caso de VET´s con equilibrador externo de presión hay una toma que comunica la aplicación de la presión con la salida del evaporador. En la figura siguiente se puede ver un esquema simplificado de las válvulas con equilibrador interno y externo.

En el caso de que exista caída de presión se produce un aumento del recalentamiento respecto al que se había previsto, porque la fuerza de cierre de la presión de entrada del evaporador es mayor de la que realmente hay en él. Por eso la válvula cierra más de lo que debería y aumenta el recalentamiento. Para evitar este problema se utilizan VET´s con equilibrador externo de presión, que no es más que una toma conectada a la salida del evaporador. Véanse ambos tipos de válvulas:

Se debe, por tanto, utilizar este tipo de válvulas cuando las caídas de presión en el evaporador sean considerables o cuando se alimenten los evaporadores por medio de un distribuidor de líquido, que provocará una caída de presión por sí mismo.

Tipos de carga en el bulbo. El tipo de fluido que lleve el bulbo determinará la forma de comportamiento de la VET, por lo que resulta imprescindible conocer los tipos de carga para el bulbo. Los distintos tipos de carga para el bulbo, son: • Carga líquida o carga universal.

• Carga gaseosa o carga MOP. • Carga cruzada. • Cargas con balasto.

o Carga líquida o universal. En este caso, el bulbo tiene el mismo refrigerante que la máquina donde se va a utilizar. Debe contener siempre refrigerante en estado líquido independientemente de la temperatura a la que se encuentre el bulbo (al menos algo, menos cuanto más caliente esté el bulbo), de forma que la presión del bulbo se corresponde siempre con la de saturación a la temperatura del bulbo. Este tipo de válvulas se emplean cuando la temperatura del evaporador se debe mantener dentro de un rango estrecho, y presentan la ventaja de que no importa la temperatura del bulbo respecto a la del cuerpo de la válvula. La desventaja que tienen es que durante el arranque, cuando el bulbo está más caliente, abren demasiado y puede llegar líquido al compresor o provocarle una sobrecarga como consecuencia del exceso de refrigerante introducido en el evaporador. Esto es debido a que al arrancar el compresor la presión de aspiración baja más rápidamente que la temperatura del bulbo y la válvula abre en exceso.

o Carga gaseosa o carga MOP. En este caso, la carga que lleva el bulbo en su interior es la misma que en el caso anterior, pero en una cantidad limitada, de tal forma que a cierta temperatura se habrá evaporado toda la cantidad de líquido existente en el interior del bulbo. Al ocurrir esto, toda la carga se convierte en vapor saturado y cualquier incremento posterior de la temperatura del bulbo provocará un recalentamiento del gas, pero la presión ejercida no aumentará como si aún existiese líquido y estuviera aumentando la cantidad del gas. En este tipo de válvulas existe una presión a partir de la cual la presión que puede ejercer 14

el bulbo deja de crecer en la misma medida que la curva de saturación. Esta presión se conoce como Máxima Presión Operativa (punto MOP). La función MOP de una válvula permite proteger al compresor de las altas presiones de aspiración, ya que si la temperatura aumenta por encima del punto MOP la presión ejercida por el evaporador continua aumentando (fuerza de cierre), mientras que la del bulbo no aumentará de la misma forma (fuerza de apertura), resultando que la válvula cierra disminuyendo la cantidad de refrigerante que deja pasar hacia el evaporador.

En este tipo de válvulas el punto MOP permite mantener parcialmente cerrada la válvula durante los ciclos en los que el compresor se encuentra parado. Al arrancar el compresor, la presión del evaporador es mayor que la del bulbo y se retarda la apertura de la válvula. Al disminuir la presión de aspiración (evaporación) rápidamente, la fuerza de cierre se hace menor que la del bulbo y la válvula abre y se comporta igual que una válvula con carga universal. Este retardo en la apertura de la válvula durante el arranque reduce la posibilidad de que llegue líquido al compresor. En este tipo de válvulas la ubicación del bulbo y del cuerpo de la válvula es muy importante, ya que siempre debe encontrarse más frío el bulbo que el cuerpo de la válvula, para evitar que se condense el gas fuera del bulbo. Si esto ocurriese, y no es 15

sencillo evitarlo, la VET dejaría de funcionar correctamente.

Las ventajas que presentan este tipo de válvulas son: • Mantiene la válvula parcialmente cerrada durante las paradas del compresor. • Se retarda la apertura de la válvula durante el arranque, lo que permite proteger el compresor contra las sobrecargas y posibles llegadas de líquido. • Limita la presión máxima (MOP) durante los ciclos de trabajo normal. El principal inconveniente es que el bulbo debe ser siempre el elemento más frío de la válvula, situación que se ve amplificada en sistemas de baja temperatura y refrigeración comercial. Las válvulas con carga gaseosa o carga MOP suelen utilizarse en aplicaciones de aire acondicionado y bombas de calor.

o Carga cruzada En este tipo de válvulas el fluido del bulbo es diferente al refrigerante del sistema. Si se dibujan las curvas de saturación de la carga del bulbo y del refrigerante se puede observar que se cruzan, de ahí el nombre de carga cruzada. La curva del fluido contenido en el bulbo es más plana que la del refrigerante, es decir,

un cambio en la temperatura del bulbo provoca una variación más pequeña de la presión que si el bulbo estuviese cargado con refrigerante. Sin entrar en más explicaciones, se puede decir que estas válvulas: • Cierran rápidamente cuando para el compresor. • Permiten una disminución rápida de la presión de aspiración. Se suelen utilizar en aplicaciones con bombas de calor.

o Bulbos con balasto En los sistemas en los que se requiere que el recalentamiento sea lo más estable posible se utilizan este tipo de válvulas. Son válvulas con una carga cruzada de gas, que en el interior del bulbo llevan un balasto, que no es más que una barra de acero cuadrada, aunque también se emplean otros materiales como piedras porosas. La misión de dicha barra de acero es retardar los cambios térmicos en el fluido del bulbo.

Instalación de la válvula de expansión Para la instalación de la VET debe atenderse a las especificaciones de los fabricantes. A modo de ejemplo se incluyen las especificaciones dadas por Danfoss para uno de sus modelos que son de aplicación generalizada.

o Posición del bulbo El bulbo debe situarse a la salida del evaporador sobre la tubería de aspiración haciendo buen contacto con la misma y protegiéndolo de posibles influencias externas. Para su sujeción se emplean las abrazaderas facilitadas por el fabricante. La ubicación depende del diámetro de la tubería. El bulbo no debe situarse nunca sobre un tramo vertical de la tubería, ni sobre el colector de salida del evaporador. En el caso de que exista un tramo de tubería ascendente debe colocarse antes del mismo un sifón para que durante las paradas se acumule allí el aceite y el refrigerante que no se haya evaporado sin afectar al bulbo.

o Equilibrador externo de presión En las válvulas de expansión termostáticas con equilibrador externo de presión la conexión de éste debe realizarse después del bulbo. Cuando la conexión se realice en tramos de tubería horizontales, ésta deberá ser siempre por la parte superior para evitar acumulación de aceite en la línea del igualador.

o Temperatura del bulbo y cuerpo de la válvula. Si la válvula tiene MOP, t2 debe ser mayor de t1.

Selección de la válvula de expansión Los datos para seleccionar una VET son los siguientes: • Capacidad del evaporador. • Caída de presión a través de la válvula y caídas de presión en tuberías y elementos del circuito (distribuidor, filtros,…).

• Temperaturas de evaporación y condensación. • Temperatura del refrigerante a la entrada de la válvula (subenfriamiento). • Refrigerante. • Otros datos: carga bulbo, conexiones, equilibrador de presión. Lo más adecuado para seleccionar una VET es utilizar un programa informático. Como ejemplo sirva el “DIRcalc” de Danfoss que es gratuito y se puede descargar en la dirección:

http://www.danfoss.com/Spain/BusinessAreas/Refrigeration+and+Air+Conditio ning/Product+Selection+Tools+Details/DIRcalc.htm

Válvulas de expansión electrónicas. Para controlar la cantidad de refrigerante que se deja pasar hacia el evaporador se han empleado tradicionalmente las válvulas de expansión termostáticas que dan resultados suficientemente satisfactorios para el control de las máquinas frigoríficas. En la actualidad, los equipos frigoríficos han evolucionado e incorporan nuevas funciones como la telegestión, ahorro energético,…, lo que ha llevado al empleo de válvulas de expansión controladas por medio de una señal eléctrica. A este tipo de válvulas de expansión se les llama válvulas de expansión electrónicas. Además del equipo electrónico que gobierna la válvula serán necesarios una serie de sensores de temperatura y presión para poder controlar los distintos parámetros de funcionamiento de la máquina y abrir o cerrar, en consecuencia, la válvula. Al igual que la VET, están formadas por un cuerpo de válvula y un orificio intercambiable. Además llevan una bobina en la parte superior que será la encargada de abrir o cerrar la válvula. El funcionamiento de este tipo de válvulas puede estar basado en la tecnología PWM (Modulación del ancho de pulso), o ir equipadas con un motor paso a paso

que se encuentra ubicado en la parte superior y que va unido por medio de un eje con el orificio. Para el control de estas válvulas se necesita un controlador electrónico similar al indicado en la imagen siguiente. Además del controlador se pueden ver sondas de temperatura, transmisor de presión, válvulas e indicadores de panel.

El número de sondas para realizar el control puede variar de un equipo a otro, pero de forma genérica pueden tener cinco sondas, tal como aparece en el evaporador de la figura siguiente, en la que se mide: • S1: Temperatura de entrada al evaporador. • S2: Temperatura y/o presión de salida del evaporador. • S3: Temperatura del aire de entrada al evaporador. • S4: Temperatura de salida del aire del evaporador. • S5: Sensor para fin de desescarche.

Este tipo de válvulas presenta las siguientes ventajas respecto a las válvulas de

expansión termostáticas convencionales: • Utilización óptima del evaporador en cualquier condición de carga. • Optimización del recalentamiento, que se puede ajustar a valores más pequeños que con las VET´s. • Montaje sencillo y facilidad de puesta en marcha. • El controlador electrónico incorpora múltiples funciones: termostato, alarma, diagnóstico para averías,… Sin embargo, también tienen inconvenientes, como: • Necesidad de utilizar un equipo electrónico que en algunos casos puede disuadir de su empleo al instalador. • Posibles fallos en el sistema electrónico. • Son muy caras.

o Control del ancho de pulso. El funcionamiento por control del ancho de pulso (PWM) está basado en la relación entre los tiempos de conexión (válvula abierta) y el ciclo de trabajo, que es de 6 segundos habitualmente. La válvula sólo puede estar abierta o cerrada, no tiene posiciones intermedias.

o Control por motor paso a paso. El funcionamiento de una válvula de expansión electrónica accionada mediante motor paso a paso se basa en el funcionamiento del motor paso a paso, que sirve 22

para posicionar cargas y se mueve desplazándose un cierto número de grados en cada paso, lo que permite situarse con precisión en la situación deseada, si los pasos son pequeños. De esta forma se puede regular con exactitud el grado de apertura de la válvula de forma continua, no como en el caso anterior.

Tubos capilares. En sistemas sencillos, como pueden ser refrigeradores domésticos, vitrinas expositoras, equipos de aire acondicionado de poca potencia,…, se emplean como dispositivos de expansión tubos capilares o aparatos que tienen una restricción fija, es decir, que no regulan la cantidad de refrigerante líquido que pasa hacia el evaporador. Estos dispositivos de expansión tienen la ventaja de ser muy simples, aunque al no regular el paso de refrigerante sólo tienen sentido cuando la carga frigorífica no está sometida a grandes variaciones. El tubo capilar es un tubo de cobre con un diámetro interior calibrado, cuyos valores suelen encontrarse entre 0,6 y 2,5 mm, y con una longitud variable en función de la caída de presión que se desee obtener. Generalmente suelen emplearse en equipos fabricados en serie donde la carga frigorífica puede suponerse que no sufre grandes variaciones. Este dispositivo no tiene partes en movimiento y por tanto no se encuentra sometido a desgaste. En el supuesto de que fuese necesario sustituir el capilar por otro debemos elegir uno con las mismas características (diámetro interior y longitud) que el original. La instalación del tubo capilar en la máquina se realiza uniendo una parte del mismo a la tubería de aspiración, evitando de esta forma que se evapore demasiado refrigerante durante el proceso de expansión.

En las máquinas que llevan tubo capilar durante los periodos de parada se produce una igualación de las presiones entre el lado de alta y el de baja presión. Cuando la máquina vuelva a ponerse en marcha, el compresor arranca prácticamente en vacío ya que las presiones de alta y baja son iguales, lo que permite emplear motores con bajo par de arranque LST (Low Start Torque). La única avería que puede producirse sería debida a una obstrucción como consecuencia de ceras, humedad,…, por lo que debe realizarse la alimentación del capilar por medio de un filtro secador.

También se utilizan otros sistemas de expansión, especialmente en los equipos de aire acondicionado (como los de la figura), que sustituyen al capilar y que se comportan de forma similar a éste.

Para determinar la longitud y diámetro interior del tubo suele recurrirse a procedimientos experimentales, aunque existen tablas, gráficos y programas informáticos que permiten determinar de forma aproximada el tamaño del tubo capilar. Se utilizan gráficos como el que se muestra:

O bien programas informáticos como el DanCap de Danfoss, que se descarga en la misma página que el programa de selección de VET:

http://www.danfoss.com/Spain/BusinessAreas/Refrigeration+and+Air+Conditio ning/Product+Selection+Tools+Details/DanCap.htm

Válvulas automáticas. La válvula de expansión automática mantiene una presión constante en el evaporador, independientemente de la carga frigorífica, es decir, no tiene en cuenta el recalentamiento. Se emplean muy poco. En la figura aparecen algunas de estas válvulas.

Este tipo de válvulas son similares a las válvulas de expansión termostáticas aunque carecen de bulbo. Poseen una aguja y asiento, unidos a un diafragma, que por un lado está unido al evaporador y por el otro abierto a la atmósfera. Sobre el diafragma de la válvula actúan las siguientes fuerzas: • Presión atmosférica y presión ejercida por el muelle, que tienden a abrir la válvula. • Presión del evaporador que tiende a cerrar la válvula.

El funcionamiento, de forma simplificada, es como sigue: 1. Al aumentar la carga frigorífica tiende a aumentar la presión de evaporación y la válvula tiende a cerrar, alimentando con menos líquido al evaporador, lo que provocará un aumento del recalentamiento. 2. Al disminuir la carga frigorífica la presión de evaporación tiende a disminuir y la válvula abre inyectando más líquido en el evaporador, por lo que se corre el riesgo de que llegue líquido al compresor. 27

3. En todo momento la válvula intenta mantener una presión de evaporación constante, y por tanto una temperatura de evaporación constante, independientemente de las condiciones de carga. Esta válvula funciona de forma inversa a la válvula de expansión termostática. Las aplicaciones principales de este tipo de válvulas son aquellos equipos que no presentan variaciones de carga o en aquellos casos en los que no deseamos que la temperatura de evaporación disminuya por debajo de un determinado valor, aunque esto puede lograrse con otros métodos y además bastante mejores. Es de destacar que con este tipo de válvulas se limitan las sobrecargas del motor del compresor al limitar la presión de evaporación.