DISPOSITIVOS DE EXPANSION DESDE EL TUBO CAPILAR A LA VÁLVULA ELECTRÓNICA

 

La diferencia de presiones entre el condensador y el evaporador puede ser obtenida insertando un tubo de diámetro reducido y relativamente largo ya que la caída de presión es inversamente proporcional al diámetro y directamente proporcional al largo. Cuando se elija un tubo capilar, el diámetro del mismo se deberá elegir con la mayor dimensión posible en orden de reducir los riesgos del bloqueo con pequeñas impurezas presentes en el sistema. Todo incremento del diámetro deberá ser compensado con una mayor longitud del tubo capilar.

Una vez que el tubo capilar ha sido seleccionado la resistencia del mismo es fija, por lo tanto, el caudal del líquido refrigerante a través del mismo es proporcional a la diferencia de presiones entre el condensador y el evaporador.

Como el tubo capilar y el compresor están conectados en serie la capacidad del flujo del tubo debe ser necesariamente igual a la capacidad de bombeo del compresor cuando este último esté funcionando. Una condición de desequilibrio entre estos dos componentes debe ser necesariamente temporario.

La figura 1 nos muestra la capacidad del compresor alternativo para varias temperaturas de condensación con respecto a la presión de succión.

Como vemos a medida que aumenta la presión de succión para una temperatura de condensación constante, aumenta la capacidad del compresor.

La figura 2 nos muestra el rendimiento de un tubo capilar con respecto a la presión de succión para las mismas temperaturas de condensación.

En este gráfico se observa que a medida que aumenta la presión de succión disminuye la capacidad del tubo capilar para la misma temperatura de condensación.

La figura 3 nos muestra la superposición de los dos gráficos anteriores.

En el mismo se puede ver que para una temperatura de condensación de 30ºC, el compresor y el tubo capilar deberán buscar una presión de succión que les permita manejar el mismo caudal de refrigerante.

Esta presión es la encontrada en el punto 1 del gráfico de la figura 3 y corresponde al punto de equilibrio de ambos componentes para una temperatura de condensación de 30ºC. De la misma forma los puntos 2 y 3 son los puntos de equilibrio para las temperaturas de condensación de 40ºC y 50ºC respectivamente.

El compresor y el tubo capilar no tienen completa libertad para fijar la presión de succión porque la relación de transferencia de calor del evaporador deberá también ser satisfecha. Si la transferencia de calor no se satisface en el punto de equilibrio compresor-tubo capilar estamos ante una condición de desequilibrio la cual puede causar una sobrealimentación o subalimentación del evaporador.

Esta última aparece cuando la presión de succión aumenta y el tubo capilar no envía la suficiente cantidad de refrigerante para refrigerar adecuadamente la superficie del evaporador. La figura 4 nos muestra para una temperatura de condensación dada un punto de equilibrio entre el compresor y el tubo capilar para una presión de succión A. Si se aumenta la carga del evaporador también aumentará la presión de succión y nos encontramos en el punto B.

En esta condición el compresor bombeará más refrigerante desde el evaporador que el que puede suministrar el tubo capilar al mismo, y en poco tiempo el evaporador se quedará con poco refrigerante. El vaciado del evaporador no puede continuar indefinidamente, algo deberá suceder para restaurar el equilibrio. La condición correctiva que ocurre en la mayoría de los equipos que no tienen tubo recibidor es que el líquido se estacione en el condensador reduciendo la superficie del mismo y aumentando la presión de condensación. Con una mayor presión de condensación se reduce la capacidad del compresor y se aumenta la capacidad de alimentación del tubo capilar alcanzándose una nueva posición de equilibrio.

Otra condición de desequilibrio ocurre si la carga de refrigeración disminuye, ver Pto. C de la figura 4. Allí el tubo capilar puede suministrar más refrigerante al evaporador que el que el compresor puede bombear. En este caso el evaporador se inundará de líquido corriendo el peligro que éste pase al compresor. Para evitar esto es necesario limitar la carga de refrigerante del sistema, ésta deberá ser cuidadosamente medida de tal forma que el refrigerante llene el evaporador pero no más. El punto de equilibrio se alcanza nuevamente cuando el vapor refrigerante entra al tubo capilar, ya que el vapor por tener un mayor volumen específico se reduce la cantidad del mismo que pasa por el tubo capilar y se alcanza un nuevo punto de equilibrio (ver Pto. D Fig.4)

Si bien el punto D representa una condición de equilibrio no es una condición satisfactoria. El estado del refrigerante que está entrando al tubo capilar como se puede apreciar en el diagrama presión-entalpía de la figura 5 se encuentra en la zona de vapor húmedo, el cual reduce el efecto refrigerante si lo comparamos con el caso de que sea líquido saturado ó subenfriado el entrante al tubo capilar.

La carga de refrigerante en equipos que usan tubos capilares es crítica por cuanto cuando el compresor se detiene no cierra el paso del líquido refrigerante hacia el evaporador. Es decir cuando el compresor se detiene se igualan las presiones en los lados de alta y baja a través del tubo capilar y el líquido residual del condensador pasa al evaporador donde permanece hasta que se inicie el ciclo del compresor. Es por esta razón que los equipos provistos de tubos capilares no deben usar tubos recibidores de líquido para no inundar el evaporador durante las paradas del compresor ya que este líquido irá al compresor en el arranque y por lo tanto la carga del refrigerante deberá ser crítica. Deberá ser la mínima para satisfacer las necesidades del evaporador y al mismo tiempo mantener un sello de líquido en el condensador a la entrada del tubo capilar. Cualquier refrigerante que se exceda de esta cantidad regresará al condensador disminuyendo la superficie de intercambio de calor, aumentando la presión de condensación y reduciendo la eficiencia del sistema. Por el contrario sobre la línea de aspiración puede ser necesario instalar un separador de líquido para evitar que éste pueda llegar al compresor.

Ventajas y desventajas de los tubos capilares:

A) Ventajas: Son simples, no tienen partes en movimiento, son económicos y permiten la igualdad de presiones del sistema después de la parada, permitiendo que el motor tenga un bajo par de arranque.

B) Desventajas: Bajo rendimiento cuando se apartan de las condiciones de trabajo. Son susceptibles a taparse con materias extrañas y requieren que el peso de la carga de refrigerante sea mantenido dentro de ciertos límites. Esta última desventaja permite que los tubos capilares sean usados en aquellos equipos sellados herméticamente en los que haya pocas posibilidades de pérdida de gas refrigerante.

Su mejor empleo es para sistemas que tengan carga relativamente constante. Tampoco deberán usarse con compresores del tipo abierto, debido a la pérdida de refrigerante que pueda haber a través del sello del eje. Deberá evitarse el uso de capilares en sistemas remotos ya que tales sistemas son difíciles de cargar con exactitud.

Si bien el tubo capilar es autocompensante dentro de ciertas condiciones de operación, operará en su máxima eficiencia sólo en las condiciones de trabajo para las que fue diseñado. Los mismos son diseñados para un juego de condiciones de operación y todo cambio ya sea en las temperaturas de condensación ó evaporación de las condiciones de diseño representan una disminución en la eficiencia.

Selección del tubo capilar .

El diseñador de una unidad de refrigeración nueva que use tubo capilar deberá seleccionar el diámetro y longitud del mismo de tal forma que el compresor y el tubo capilar encuentren el punto de equilibrio para la temperatura de evaporación deseada. La técnica más a menudo usada es “cortar y probar”. Primero se instalará un capilar de longitud mayor a la habitual con el probable resultado que el punto de equilibrio se encuentre a una temperatura demasiado baja; luego se corta hasta encontrar el punto de equilibrio a la temperatura deseada.

Existen números métodos para dimensionar capilares en la literatura específica, algunos de ellos están basados en ecuaciones empíricas y otros aplican el principio de la dinámica de los fluidos. El problema se complica aún más cuando el tubo capilar se une a la línea de succión formando un intercambiador de calor como ocurre en la mayoría de los sistemas de refrigeración, ya que el flujo a través del tubo capilar en estos casos no es adiabático.

Válvulas de expansión a presión constante

La válvula de expansión a presión constante, como su nombre lo indica, mantiene una presión constante a la salida de la misma. Esta válvula sensa la presión del evaporador y cuando la misma cae por debajo del punto de control, la válvula tiende a abrir. Por el contrario cuando la presión sube por encima de este punto, la válvula cierra parcialmente. La figura 6 nos muestra un esquema de dicha válvula.

En la figura 7 podemos apreciar el funcionamiento de una válvula de expansión a presión constante. Para una misma presión de condensación el punto A es el punto de equilibrio donde la válvula de expansión alimenta tanto refrigerante al evaporador como el compresor puede bombear del mismo. Si la carga de refrigeración disminuye, también disminuye la presión de evaporación pero la válvula se resiste a esta caída abriendo. Bajo esta nueva condición el compresor se mantiene en A y la válvula en el punto B. El evaporador se sobrealimentará en esta condición de desequilibrio.

Por el contrario si la carga de refrigeración aumenta, la presión de evaporación también aumenta y la válvula reacciona cerrándose, nos encontramos en el punto C donde el evaporador se subalimentará. El uso de estas válvulas está limitado a pequeños equipos que tengan cargas relativamente constantes. Las válvulas de expansión a presión constante fueron muy utilizadas en ciertas épocas, pero debido a su tendencia de agotar el evaporador cuando se tienen altas cargas y de sobrealimentarlo cuando se tienen cargas ligeras han sido reemplazadas por los tubos capilares y las válvulas de expansión termostáticas. Otra desventaja es que no pueden ser usadas junto con un control (presóstato de baja), ya que la condición adecuada de éste último depende en sustancia del cambio de presión en el evaporador durante el ciclo; condición que no puede esperarse de las válvulas de expansión a presión constante.

Válvulas de expansión termostáticas:

El dispositivo de expansión más ampliamente usado en los sistemas de refrigeración comerciales es la válvula de expansión termostática, la cual envía el flujo refrigerante al evaporador en respuesta al grado de sobrecalentamiento del vapor refrigerante que sale del mismo.

La válvula de expansión regula el caudal de líquido refrigerante a alta presión que viene del condensador y se dirige al evaporador.

La figura 8 nos muestra distintos puntos de equilibrio para distintas cargas, manteniendo una presión de condensación constante. En la misma podemos ver que si la carga de refrigeración se incrementa también aumenta la de presión de succión y el compresor bombeará mayor cantidad de fluído. Si la cantidad de líquido en el evaporador disminuye, hay una superficie mayor disponible para el sobrecalentamiento del gas de succión, el cual aumentará la temperatura y presión del bulbo que se encargará de abrir la válvula. Si por el contrario la cantidad de líquido en el evaporador se incrementa, decrece el sobrecalentamiento y la válvula cierra.

La principal función de la válvula de expansión es mantener la eficiencia del evaporador y proteger al compresor, previniendo la entrada de líquido refrigerante.

Ella debe controlar que el líquido refrigerante que entra al evaporador sea igual a la cantidad que éste puede vaporizar y que a la salida del evaporador salga solamente vapor sobrecalentado.

Sobrecalentamiento podemos decir que es la diferencia entre la temperatura del refrigerante y la temperatura de saturación correspondiente a la presión de ese mismo refrigerante.

El sobrecalentamiento es un fenómeno físico y juega un papel preponderante en el tema que nos ocupa. Por un lado determina la utilización de la superficie de intercambio de calor en el evaporador y por otro provee la señal para la operación de las válvulas de expansión termostáticas.

El término “termostática” induce a pensar que la válvula mantiene una temperatura constante en el evaporador, pero en realidad ocurre todo lo contrario, al variar la capacidad del sistema con un compresor de desplazamiento constante la presión del evaporador varía a la capacidad máxima, la válvula se abre completamente y la presión toma un cierto valor. Al decrecer la capacidad, la válvula se cierra y la presión decrece hasta que se establece un valor correspondiente a la combinación del compresor y la válvula.

Válvulas de expansión termostáticas con ecualizador interno y externo:

Las válvulas de expansión termostáticas las podemos encontrar con ecualizador interno ó externo. Las primeras se usan en aquellos evaporadores que tienen poca caída de presión y no usan distribuidores de líquido. Cuando la caída de presión del refrigerante a través del evaporador es de magnitud apreciable, la temperatura de saturación del refrigerante a la salida del evaporador será considerablemente menor que la temperatura de saturación a la entrada del evaporador. En una válvula con ecualizador interno habrá una presión mayor aplicada en el fuelle inferior que la que realmente existe en la línea de succión en el punto donde el bulbo esté colocado.

En este caso la válvula de expansión necesita de un mayor grado de sobrecalentamiento y con esto se reduce la efectividad del evaporador. Para eliminar esta situación se utilizan las válvulas de expansión con ecualizador externo que consiste en colocar un capilar desde la línea de succión hasta el fuelle inferior de la válvula para que en este fuelle exista la presión real que hay en la salida de la serpentina independientemente de la caída de presión que existe a través de la misma.

Válvulas de expansión con carga MOP:

Una desventaja de las válvulas de expansión termostáticas convencionales es la de abrirse por completo y sobrealimentar al evaporador durante el arranque de los ciclos del compresor.

Esto es motivado porque la presión en el evaporador cae rápidamente cuando arranca el compresor y la presión en el bulbo permanece alta, hasta que desciende y alcanza la temperatura de operación normal.

La potencia del compresor aumenta con la temperatura del evaporador ó presión del evaporador. En los momentos de arranque después de una larga parada ó después del desescarchado y especialmente cuando se trabaja con bajas temperaturas se hace necesario limitar la presión de aspiración ó en su defecto sobredimensionar el compresor para estos períodos “si bien cortos” de arranque, por Ej. si estamos trabajando con R-502 y evaporando a -30ºC necesitamos un compresor X, pero si después de una larga parada el evaporador toma la temperatura del ambiente puede llegar por ejemplo a +20ºC para este caso necesitamos un compresor mayor.

Una de las formas de limitar la presión de aspiración para evitar de colocar un compresor de mayor potencia es colocar una válvula de expansión termostática con carga MOP (Máxima Operación de Presión). Otra forma puede ser el instalar un regulador de cárter antes del compresor. También existen válvulas de expansión que limitan la presión de aspiración por medios mecánicos que pueden ser un cartucho plegable ó un resorte.

La válvula de expansión con carga MOP es idéntica a la de expansión termostática común e incluso tiene el bulbo cargado con el mismo tipo de fluido, lo único que varía es la cantidad de éste. La cantidad de líquido es tal que a una predeterminada temperatura este líquido se ha vaporizado y por encima de este punto el incremento de temperatura tiene muy poca influencia sobre el elemento termostático.

Válvulas de expansión electrónicas:

Las válvulas de expansión mas modernas son las válvulas de expansión electrónicas, éstas se pueden clasificar en varios tipos de acuerdo al tipo de construcción y funcionamiento.

Uno de estos tipos es la válvula de expansión electrónica que modula en base a pulsos de ancho variable que se consiguen mediante el control electrónico. Esta válvula es del tipo solenoide, es decir ON-OFF. Si bien ella está totalmente abierta ó totalmente cerrada, actúa como un dispositivo de regulación modulante variando el tiempo que permanece abierta ó cerrada. Por ejemplo, si la válvula cicla cada 10 segundos y es necesario un 40% del fluido la válvula estará abierta 4 segundos y cerrada 6 segundos. Si el fluido necesario fuera del 50% la válvula estará abierta 5 segundos y cerrada otros 5 segundos.

Otro tipo de válvula de expansión electrónica es la que se conoce como “HEAT MOTOR VALVE” ó “THERMAL MOTOR VALVE” . La operación de esta válvula es controlada por un controlador electrónico el cual en respuesta a las señales de 2 sensores S1 y S2 controla la cantidad de energía suministrada al elemento de calefacción en el actuador de la válvula. El valor requerido de sobrecalentamiento se puede variar fácilmente por medio de una perilla en un rango que por ejemplo puede ir desde 2ºC hasta 18ºC. Si el grado de sobrecalentamiento actual no es igual al requerido por la válvula, el controlador envía una señal en forma de pulsos eléctricos al elemento calefactor el cual causará la apertura ó cierre de la válvula.

Por el Ing. Florentino Rosón Rodríguez .
Fuente: Asociación Argentina del Frío