La Válvula Termostática

 

 

La Válvula Termostática de Expansión en el ciclo de refrigeración es quizás de los componentes menos comprendidos, es por eso trataremos de repasar su principio de operación. Un ciclo de aire acondicionado y refrigeración, básicamente consta de seis elementos para que pueda funcionar (Fig. 1): compresor, válvula termostática (elemento regulador de la cantidad de refrigerante o tubo capilar), condensador, evaporador, tubería y refrigerante.

El funcionamiento de un ciclo térmico está gobernado por la naturaleza o condiciones presión-temperatura ambientales. Cuando estas variaciones son menores o el ambiente es estable como en el caso de un refrigerador doméstico ubicado dentro de un lugar de poca variación ambiental, en paquetes de aire acondicionado pequeños, la utilización de un tubo capilar es aceptable.

Desafortunadamente como podemos ver en la Fig. 1, el ciclo está sujeto a continuas variaciones. Por la Válvula Termostática está el condensador. En un lugar que es caluroso o frío está sujeto a las variaciones de temperatura ambiente durante cada día, y a la de las diferentes estaciones durante el año. Todas estas diferentes temperaturas ocasionan diferentes presiones de condensado.

Fig. 1  Diagrama básico del sistema o ciclo de refrigeración

En el lado opuesto de la válvula está el Evaporador, el cual también está sujeto a continuos cambios tales como variaciones en carga térmica, humedad relativa, movimientos del producto, rapidez de enfriamiento, deshielos, etcétera. Lo que produce también las variaciones de presión de evaporación correspondiente.

La cantidad o flujo de refrigerante requerido en el ciclo, depende principalmente de la carga térmica y las condiciones de temperatura requeridas en el cuarto o cámara fría. El compresor es la máquina que bombea esta cantidad de refrigerante a las presiones del condensador y del evaporador.

La presión y temperatura para un condensador están gobernadas por las condiciones del medio ambiente.

El diámetro del orificio de la Válvula Termostática nos determina la presión del refrigerante en el evaporador que corresponde a la temperatura de saturación necesaria para la aplicación requerida.

Por lo tanto, la información mínima requerida para la selección de una válvula de expansión es:

1 Presión de descarga del compresor, que corresponde a la temperatura de saturación del refrigerante en el condensador, y a su vez directamente proporcional a la temperatura ambiente.

2 Presión del evaporador o de succión del compresor, que corresponde a la temperatura de saturación del refrigerante en el evaporador, y a su vez directamente proporcional a la temperatura del cuarto o cámara fría.

3 Capacidad o carga térmica en Btu/h, toneladas, kcal/h, etcétera en las condiciones de los puntos 1 y 2.

4 Dado que las condiciones 1, 2 y 3 son continuamente cambiantes, es importante que se disponga de un dispositivo que adapte el ciclo a esas variaciones. La Válvula de Expansión Termostática, TXV, es capaz de regular el flujo de refrigerante bajo esas diferentes condiciones.

Para el entendimiento del funcionamiento de la Válvula Termostática de Expansión es importante el entendimiento del concepto de refrigerante sobrecalentado.

La condición en que la temperatura y presión para la cual una sustancia o refrigerante puede existir simultáneamente en estado líquido y vapor se denomina punto de “SATURACIÓN”.

Después de que un líquido ha cambiado a vapor, manteniendo su presión constante, cualquier adición de calor (calor sensible) causa una elevación en su temperatura. El término vapor “SOBRECALENTADO” es usado para describir un gas cuya temperatura está arriba de su punto de saturación o punto de ebullición. Ver Fig. 2.

La Válvula Termostática de Expansión es un dispositivo diseñado para regular o dosificar el flujo de refrigerante líquido al evaporador. Lo realiza en la misma proporción en la que el refrigerante es evaporado.

Esto se logra manteniendo un sobrecalentamiento predeterminado a la salida del evaporador (en la línea de succión hacia el compresor).

Esto asegura que todo el líquido refrigerante ha evaporado dentro del evaporador, de esta forma todo el refrigerante que regresa al compresor está en estado gaseoso. Ver Fig. 3, y Fig. 4.

Fig. 3  Determinación del sobrecalentamiento en el bulbo sensor

Fig. 4  La Válvula Termostática de Expansión nos proporciona:

Que el sobrecalentamiento en la entrada del compresor sea correcto (58 – 34 = 24ºF (13.3 ºC)) Que la carga y el flujo de refrigerante son correctos Que el evaporador se use completo, (máxima eficiencia) La temperatura es la deseada

La Válvula Termostática se instala en la línea de líquido (ver Fig. 1) en la entrada del evaporador, y separa los lados de alta y baja presión del sistema. El bulbo sensor de temperatura es colocado a la salida del evaporador. La Válvula Termostática se mantiene en su posición de cerrada hasta que se alcanza el sobrecalentamiento predeterminado.

Subsecuentemente el refrigerante fluye a través del orificio de la válvula manteniéndose en forma consistente el flujo de refrigerante requerido para la carga térmica y el de su ajuste de sobrecalentamiento.

La cantidad en masa de refrigerante que pasa por la VTX es la misma que debe bombear el compresor, y deben estar perfectamente hermanados.

El proceso termodinámico en la válvula de expansión es Isoentálpico, en el que no existe transferencia de calor, ni tampoco energía o trabajo mecánico. El ciclo de la Fig. 1 es un sistema cerrado, el trabajo o energía dada al compresor más el calor absorbido en el evaporador es igual al calor rechazado en el condensador.

Existen tres fuerzas las cuales gobiernan la operación de la Válvula Termostática la cuales son (ver Fig. 5 y 6): P1 la correspondiente al elemento de potencia debida a la presión del bulbo sensor remoto, P2 la correspondiente a la presión del evaporador, y P3 la correspondiente a la fuerza del resorte equivalente al sobrecalentamiento.

Fig. 5  Sobrecalentamiento estático y de operación

Fig. 6  La Válvula Termostática de Expansión nos proporciona:

Dentro de los tipos de Válvulas Termostáticas podemos mencionar la Válvula con Igualador Interno, en la cual la presión P2 del evaporador o de salida de la válvula, se transmite a la parte inferior del diafragma a través de un orificio dentro del cuerpo de la válvula (ver Fig. 6). Estas válvulas son usadas cuando la caída de presión en el evaporador es menor de 3 psi. El orificio igualador es el pasaje que comunica el evaporador con la parte inferior del diafragma.

En aplicaciones donde la caída de presión entre la salida de la válvula y la salida del evaporador es despreciable, las válvulas con igualador interno son efectivas.

La Válvula con Igualador Externo se usa donde la caída de presión en el evaporador es mayor de 3 psi. La presión P2 es la de la salida del evaporador mediante un tubo conector a la válvula.

Como ejemplo en la Fig. 3, se observa una caída de presión en el evaporador de 10 psi (68.5 – 58.5). Cuando se usa refrigerante R-22, la presión P2 abajo del diagrama es 58.5 psig (detectada a través del tubo igualador), la que corresponde a una temperatura de saturación de 33°F (en la tabla P-T) del refrigerante R-22, por lo tanto el sobrecalentamiento a la salida del evaporador es la temperatura medida de salida del evaporador de 40°F menos la temperatura de saturación de 33°F, e igual a 7°F (40 °F – 33°F).

En este mismo ejemplo Fig. 3, en caso de no usar el tubo igualador; la presión P2 abajo del diagrama sería 68.5 psig, y se requeriría una presión en el bulbo sensor de 78.5 psig para el adecuado balance de las presiones. A esta presión corresponde una temperatura de saturación del bulbo (igual a la temperatura de salida del evaporador) de 46.4°F, por lo tanto el sobrecalentamiento a la salida del evaporador es la temperatura de salida del evaporador de 46.4°F menos la temperatura de saturación a la salida de 33°F, e igual a 13.4°F (46.4°F – 33°F).

En conclusión si la caída de presión es significativa >3.0 psi, es necesario el uso de válvulas con igualador externo, ya que un excesivo sobrecalentamiento es indicio de la baja utilización del evaporador que redunda en una baja eficiencia de transmisión de calor, con altos costos de operación.

El bulbo sensor remoto y la presión del elemento de poder P1 que corresponde a la presión de saturación del gas refrigerante saliendo del evaporador, mueve la aguja o perno de la válvula en la dirección de abrir, (ver Fig. 5).

Opuesta a esta fuerza de apertura en la parte de abajo del diafragma y actuando en sentido de cierre se encuentran dos fuerzas, la debida a la presión del evaporador P2 y la debida a la acción del resorte de sobrecalentamiento P3. La primera situación sucede cuando la válvula se encuentra en una posición de control estable, y las tres fuerzas están balanceadas, (ver Fig. 6 o sea  P1 = P2 + P3).

La siguiente situación se debe a un aumento de carga térmica en el evaporador. El sobrecalentamiento del gas saliendo del evaporador (lugar del bulbo sensor remoto) también se aumenta arriba de la temperatura de saturación correspondiente a la presión de evaporación. La presión generada dentro del bulbo sensor P1, debido al aumento de temperatura, se aumenta arriba de las dos fuerzas combinadas (del evaporador P2, y del resorte de sobrecalentamiento P3), causando que la aguja de la válvula se mueva en dirección de abrir.

Inversamente debido a una disminución de carga térmica en el evaporador, el sobrecalentamiento del gas saliendo del evaporador (lugar del bulbo sensor remoto) también se reduce abajo de la temperatura de saturación correspondiente a la presión de evaporación. La presión generada dentro del bulbo sensor P1, debido al aumento de temperatura, se disminuye abajo de las dos fuerzas combinadas (del evaporador P2, y del resorte de sobrecalentamiento P3), causando que la aguja de la válvula se mueva en dirección de cerrarse.

En ambas situaciones al aumentar o disminuir el flujo de refrigerante la válvula retoma el equilibrio de sus presiones, manteniendo siempre el sobrecalentamiento necesario para una eficiente y segura operación del evaporador y del compresor.

Los ajustes de fábrica de las Válvulas Termostáticas de Expansión se hacen justo cuando su aguja empieza a dejar de tocar su asiento (ver Fig. 5) aproximadamente 0.002 pg. El aumento del sobrecalentamiento justo cuando la aguja se empieza a mover se refiere en la Fig. 5, como Sobrecalentamiento Estático (SS) o de Apertura Inicial.

Las válvulas por lo general funcionan en tal forma que un aumento del sobrecalentamiento del gas saliendo del evaporador, normalmente sea arriba de 4 a 6°F del valor del ajuste de su valor estático, esto es necesario para que la aguja de la válvula abra a su posición nominal de funcionamiento. Este sobrecalentamiento adicional se conoce como Gradiente (OS). Si una válvula de fábrica viene con un ajuste de 6°F de sobrecalentamiento operará en su valor nominal cuando su aguja se encuentre en su posición correspondiente, siendo del orden de 10 a 12 grados de sobrecalentamiento.

Los ajustes recomendables de operación de sobrecalentamiento de las válvulas son:

•  Para Alta Temperatura (Arriba de 30 °F de Evaporación), de 10 a 12 °F.•  Para Media Temperatura (de 0 a 30 °F de Evaporación), de 5 a 10 °F.•  Para Baja Temperatura (Abajo de 0 °F de Evaporación), de 2 a 5 °F.

Se recomienda un sobrecalentamiento total a la entrada del compresor de 20 °F. El bulbo sensor debe montarse firmemente en una sección limpia del tubo y en forma horizontal, y tan cerca como sea posible de la salida del evaporador. Su localización recomendada es entre la posición de las tres y cuatro de las  manecillas del reloj. Aislarlo de las temperaturas ambientales y corrientes de aire que lo rodean, para prevenir lecturas erróneas de la temperatura de línea de succión.

No debe instalarse donde exista atropamiento de refrigerante líquido o en la parte inferior de la línea de succión, ya que enviará una señal incorrecta con una falsa respuesta de la válvula.

Una instalación adecuada del bulbo sensor asegura un buen  funcionamiento de la Válvula Termostática, y una buena respuesta a los cambios de temperatura del gas que sale del evaporador.