UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA POZA RICA – TUXPAN
“DESCRIPCIÓN DE DISPOSITIVOS DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN.”
TESINA
QUE PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA: EXPERIENCIA RECEPCIONAL PRESENTAN: DANIEL VELÁZQUEZ AGUSTÍN DIEGO VANEGAS MÁRQUEZ DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL ING. CÉSAR IGNACIO VALENCIA GUTIÉRREZ
POZA RICA, VER.
FEBRERO 2011.
INDICE CAPITULO I INTRODUCCIÓN JUSTIFICACIÓN NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO ENUNCIACIÓN DEL TEMA EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO
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CAPÍTULO II DESARROLLO DEL TEMA PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN MARCO CONTEXTUAL MARCO TEÓRICO
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1.0 PRINCIPIOS DE REFRIGERACIÓN 1.1 REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN. 1.2 TERMODINAMICA DE LA REFRIGERACIÓN. 1.3 COMPONENTES PRINCIPALES DEL CICLO MECÁNICO
2.0 TIPOS Y FUNCIONES DE LOS DISPOSITIVOS DE CONTROL DEL REFRIGERANTE 2.1 VÁLVULA DE AGUJA OPERADA A MANO. 2.2 VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA. 2.3 VÁLVULA DE EXPANSIÓN AUTOMÁTICA. 2.4 FLOTADOR EN EL LADO DE PRESIÓN ALTA. 2.5 FLOTADOR EN EL LADO DE PRESIÓN BAJA. 2.6 TUBO CAPILAR O DE ESTRANGULACIÓN.
3.0 VALVULAS DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA 3.1 DEFINICIONES. 3.2 EFECTOS DEL SOBRECALENTAMIENTO. 3.3 CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DEL EVAPORADOR. 3.4 TIPOS DE CARGAS DEL BULBO REMOTO. 3.5 VÁLVULAS DE TERMO EXPANSIÓN DE PUERTO BALANCEADO 3.6 SELECCIÓN DE VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA
ANÁLISIS CRÍTICOS DE LOS DIFERENTES ENFOQUES
20 20 27 38
40 41 42 46 48 49 50 52 53 56 64 80 94 97 110
CAPÍTULO III CONCLUSIONES
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BIBLIOGRAFÍA
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ANEXOS
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INTRODUCCIÓN JUSTIFICACIÓN En la refrigeración moderna se emplea una gran variedad de dispositivos de control de refrigerante con el fin de obtener un funcionamiento económico y eficaz. Los sistemas pequeños con control manual o control automático simple de “encendido y apagado” pueden precisar únicamente uno o dos controles, sin embargo, los grandes sistemas con más controles automáticos pueden tener una multitud de controles, siendo esencial el adecuado funcionamiento y aplicación de cada uno para la satisfactoria operación del sistema. Con el fin de ajustar un control para un funcionamiento eficaz o para conocer el efecto de un funcionamiento indebido, es indispensable que el desempeño, funcionamiento y aplicación de cada control de refrigeración sea completamente comprendido. La Válvula de Expansión Termostática controla el flujo de refrigerante líquido que entra al evaporador de expansión directa manteniendo constante el recalentamiento del vapor de refrigerante en la salida del evaporador. Recalentamiento es la diferencia entre la temperatura del vapor de refrigerante y su temperatura de saturación. Para calcular el recalentamiento que la Válvula de Expansión Termostática controla, se determina la diferencia entre la temperatura en el lugar del bulbo sensor y la temperatura de saturación correspondiente a la presión de succión en el lugar del bulbo sensor. Controlando el recalentamiento, la Válvula de Expansión Termostática mantiene activa casi toda la superficie del evaporador, al mismo tiempo que evita el regreso de refrigerante líquido al compresor. La capacidad de la Válvula de Expansión Termostática para mantener el flujo de refrigerante a la velocidad a la que puede ser vaporizado en el evaporador hace de ésta válvula el dispositivo ideal para la mayoría de las aplicaciones de aire acondicionado y refrigeración.
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NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO Un refrigerante líquido a presión alta se debe transformar en un refrigerante líquido a presión baja en las cantidades correctas, para operar un sistema con una eficiencia máxima y sin sobrecargar el compresor. En las primeras etapas de la refrigeración, las condiciones de presión alta y baja y la velocidad del flujo se controlaban manualmente ajustando una válvula de agua. Con los mejoramientos y la experiencia en el diseño, la operación y el mantenimiento de los sistemas de refrigeración, se han desarrollado varios dispositivos de control del refrigerante, que han sido económicos, eficientes y automáticos. El presente trabajo recepcional trata sobre la descripción de los diferentes dispositivos de expansión termostática, entre los cuales el de mayor importancia y variedad lo conforman las válvulas de expansión termostáticas. Los fabricantes de válvulas termo expansión, publican extensas tablas de capacidad para las válvulas de termo expansión (VTE). Estas tablas se basan en las siguientes condiciones (para usarse como punto de referencia):
Líquido libre de vapor entrando a la válvula termo expansión. Temperatura de evaporación. Caída de presión expresada en psi a través de la válvula de termo expansión para diferentes refrigerantes. Caída de presión expresada en psi a través de la válvula termo expansión para diversos refrigerantes. Se requiere un cambio de sobrecalentamiento de 2º a 3oC (4o a 6oF), para mover la aguja de la válvula a través de su carrera «clasificada».
Tan pronto como alguna de las condiciones de arriba cambie de lo nominal, la capacidad de la válvula también cambiará. Las tablas de capacidad extendida se hacen necesarias, cuando las condiciones de operación del sistema difieren de las condiciones nominales. A través de la investigación documental, aplicada para la elaboración del presente trabajo, se presentarán los diferentes tipos de válvulas de expansión utilizados en sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Además se tratarán los efectos y comportamiento de dichas válvulas de expansión, para lograr una completa comprensión de su actuación en los sistemas de refrigeración. La finalidad propia de ésta investigación documental, solo se enmarca en la descripción de los diversos dispositivos de expansión termostática. 4
ENUNCIACIÓN DEL TEMA El dispositivo más comúnmente utilizado para controlar el flujo del refrigerante líquido en el evaporador es la válvula termostática de expansión. Un orificio en la válvula controla el flujo que entra en el evaporador, siendo regulado el tipo de flujo, según se requiera, mediante un vástago y asiento de tipo aguja que varía la abertura del orificio. La aguja está controlada por un diafragma sujeto a tres fuerzas. La presión del evaporador es ejercida debajo del diafragma y tiende a cerrar la válvula. La fuerza de un resorte de sobrecalentamiento es asimismo ejercida debajo del diafragma en la dirección de cierre. Opuesta a estas dos fuerzas se encuentra la presión ejercida por la carga en el bulbo térmico que está unido al bulbo de succión a la salida del evaporador. Es conveniente imaginarse la acción de la válvula de expansión termostática teniendo en cuenta que la carga del bulbo térmico es el mismo refrigerante que está siendo utilizado en el sistema. Con la unidad en funcionamiento el refrigerante en el evaporador se evapora a su presión y temperatura de saturación. Durante el tiempo que el bulbo térmico esté expuesto a una temperatura superior, éste ejercerá una presión más elevada que la del refrigerante en el evaporador y, por consiguiente, el efecto neto de estas dos presiones producirá la apertura de la válvula. El resorte de sobrecalentamiento tiene una presión fija que hace que la válvula se cierre siempre que la diferencia neta entre la presión del bulbo y la presión del evaporador sea inferior a la fijada para el resorte de sobre calentamiento. A medida que se eleva la temperatura del gas refrigerante que abandona el evaporador (un aumento en el sobrecalentamiento) la presión ejercida para el bulbo térmico colocado en la salida del serpentín se aumenta y el flujo a través de la válvula de expansión aumenta; a medida que la temperatura del gas disminuye (una disminución del sobrecalentamiento) decrece la presión ejercida por el bulbo térmico y la válvula de expansión se cierra ligeramente disminuyendo el flujo. Con un evaporador y una válvula de expansión correctamente seleccionada para la carga, la alimentación de la válvula de expansión será bastante estable en el punto de sobrecalentamiento deseado. Una válvula de expansión demasiado grande o un evaporador muy grande puede producir una alimentación errónea del evaporador, lo cual puede dar por resultado grandes fluctuaciones en la presión de succión del compresor y posible devolución de líquido al compresor. La presión de evaporación, en la salida del serpentín evaporador, será inferior que la de la válvula de expansión debido a la caída de presión motivada por el flujo de refrigerante a través del evaporador. Si esta caída de presión es de alguna importancia, se precisará de un sobrecalentamiento superior para establecer el equilibrio de las fuerzas que actúan sobre el diafragma de la válvula y el evaporador 5
no recibirá suficiente refrigerante. Para compensar la caída de presión a través del evaporador se utiliza frecuentemente en la válvula de expansión una conexión externa igualadora. Con esto se introduce la presión de salida del evaporador bajo el diafragma de la válvula, en vez de la presión de entrada del evaporador, y el funcionamiento de la válvula queda de este modo sin influencia de la caída de presión del evaporador. Las válvulas con igualadores externos deberán emplearse cuando se utilice un distribuidor en la entrada del evaporador. Con frecuencia se utilizan válvulas de expansión limitadoras de presión para limitar la demanda de energía del compresor. La válvula se construye de modo que limita la presión de succión a un valor máximo dado y disminuye la alimentación de refrigerante si la presión de succión se eleva sobre dicho punto. Las válvulas limitadoras de presión cargadas con gas tienen un carga limitada, y a la temperatura del bulbo térmico equivalente a su máxima presión de operación, todo el líquido se ha evaporado y cualquier aumento ulterior de la temperatura únicamente puede recalentar el gas pero no puede ejercer presión adicional. Cualquier aumento en la presión del evaporador tendera a actuar como una fuerza de cierre en la válvula de expansión. La desventaja de la válvula cargada con gas estriba en la posibilidad de que la carga de gas se condense en la cabeza de la válvula de expansión si la cabeza está más fría que el bulbo térmico, motivando que la válvula pierda el control sobre la alimentación de líquido al evaporador. Con las válvulas cargadas con gas, el bulbo térmico debe siempre estar más frío que la cabeza de la válvula. Este tipo de válvula se utiliza normalmente en aplicaciones de alta temperatura. Las válvulas limitadoras mecánicas normalmente se fabrican de tipo diafragma doble presionado por resorte. En caso de que el evaporador alcance una presión previamente establecida, se deforma el diafragma y la alimentación de la válvula se restringe hasta que la presión disminuye suficientemente para que la tensión del resorte restablezca el diafragma a su posición normal de funcionamiento. Con el fin de lograr un control más exacto para aplicaciones variables, las válvulas de expansión se fabrican con diferentes tipos de carga en el bulbo térmico, poseyendo cada uno de ellos distintas características de funcionamiento. El resorte de sobrecalentamiento está equipado con un tornillo de ajuste externo de forma que pueda ajustarse a una aplicación dada. Antes de proceder el ajuste de cualquier válvula de expansión deberán comprenderse por completo las características de la válvula y deberán consultarse los datos que figuran en el catalogo del fabricante para obtener una información detallada sobre ello.
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EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO Este trabajo recepcional tiene como finalidad presentar los diferentes dispositivos que se utilizan para producir la expansión termostática en los sistemas de refrigeración, además se desea que éste documento pueda servir de guía y consulta para la comunidad universitaria de la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, así como al personal involucrado en los sistemas de refrigeración y aire acondicionado, especialmente a aquellos que manejan las distintas técnicas y procedimientos para el mantenimiento de dichos sistemas térmicos. La presente tesina se ha estructurado con un marco contextual que proporciona la información suficiente para ubicarse en el conocimiento de los dispositivos de expansión termostática utilizados en los sistemas de refrigeración. Posteriormente se realiza el desarrollo del marco teórico, en donde se aborda la descripción específica de los diferentes dispositivos de expansión termostática, el cual se desglosa de la siguiente manera: En primer lugar se describen los Principios de Refrigeración, en donde se explica ampliamente la refrigeración por compresión, así como la termodinámica del proceso de refrigeración, además se describen las partes o componentes principales de dichos sistemas termodinámicos y los diversos efectos, nocivos o característicos, que afectan el correcto funcionamiento de los dispositivos de expansión termostática. En segundo lugar se expone el tema de los Tipos y Funciones de los Dispositivos del Control de Refrigerante, entendiendo así sus características distintivas, la clasificación general de las válvulas de expansión y las aplicaciones en los sistemas de refrigeración. Finalmente, dentro de éste marco teórico se desarrolla el tema acerca de las Válvulas de Expansión Termostática en donde se describen los diferentes tipos de válvulas así como sus diversos efectos que se presentan en la operación de los sistemas de refrigeración, hasta llegar a la correcta selección de las válvulas de expansión termostáticas. Concluye la presente investigación documental con un Análisis Crítico de los Diferentes Enfoques, para así llegar a las Conclusiones. Presentando además la Bibliografía consultada y los Anexos específicos a éste trabajo recepcional.
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DESARROLLO DEL TEMA PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN La misión de los elementos de expansión es la de controlar el paso de refrigerante y separar la parte de alta con la de baja, los diferentes tipos de elementos de expansión son: Tubo capilar. Válvula de expansión termostática. Válvula de expansión automática. Válvula manual. Válvula de flotador en alta presión. Válvula de flotador en baja presión. Válvula electrónica. Tubos capilares. Los tubos capilares se utilizan habitualmente como elementos de expansión en pequeñas instalaciones por las razones siguientes: Facilidad de instalación. Bajo costo. Fiabilidad, no hay piezas en movimiento. Permiten la utilización de compresores de bajo par de arranque por el buen equilibrio de presiones. Cuando el refrigerante líquido entra dentro del tubo capilar se produce una estrangulación, (aumenta la velocidad y disminuye la presión) debido a esto parte del líquido se evapora al cambiar de presión. Para evitar que se evapore todo el líquido antes de entrar al evaporador se suele soldar junto con la línea de aspiración para evitar que robe calor del exterior. Cuando ponemos en marcha el compresor empezamos regar el evaporador, se evapora y va avanzando el refrigerante, se suele colocar un termostato en la línea de aspiración antes del compresor para pararlo cuando llegue el refrigerante en estado líquido. Al parar el compresor todo el refrigerante pasa al evaporador al no haber nada que lo impida y gracias a la diferencia de presiones. Por esta razón no se puede utilizar recipiente en instalaciones con tubo capilar y hay que tener cuidado al dimensionar el filtro ya que este podría hacer de recipiente. Al estar las presiones igualadas el motor arranca sin muchos esfuerzos. Los equipos congeladores suelen llevar un separador de partículas para evitar los golpes de líquido. En la placa de características del equipo debe llevar el peso del refrigerante que forma parte de la instalación ya que la carga es crítica. El tubo está calibrado, la potencia frigorífica está en función con el diámetro y la longitud del tubo. 8
La carga exacta para estos equipos es cuando todo el refrigerante está evaporado en el evaporador en el momento en que el compresor está parado. Se ajustan las condiciones de trabajo de los equipos con tubo capilar con la carga de refrigerante. Una carga escasa es causa de una temperatura de evaporación demasiada baja, lo que tiene como consecuencia la disminución del rendimiento frigorífico y por lo tanto aprovechamiento solamente parcial del evaporador. En cambio una carga demasiado fuerte es causa de una presión demasiado elevada y conduce a la sobrecarga del compresor pudiéndole llegar golpes de líquido. Válvulas de expansión termostáticas. Las válvulas de expansión termostáticas regulan la inyección de refrigerante líquido en los evaporadores. La inyección se controla en función del recalentamiento del refrigerante. Por lo tanto, las válvulas son especialmente adecuadas para inyección de líquido en evaporadores "secos", en los cuales el recalentamiento a la salida del evaporador es proporcional a la carga de éste. La válvula termostática de expansión tiene tres funciones. 1) Reduce la presión del refrigerante líquido que entra al evaporador para que se evapore a baja temperatura. 2) Controla el refrigerante que entra al evaporador para que haya líquido que evaporar, en toda su superficie de evaporación. 3) Controla el sobrecalentamiento del gas en la salida del evaporador. Muy importante: Los líquidos para evaporarse necesitan calor. La temperatura a la que se evapora un líquido o se condensa un vapor depende de la presión (tabla presión-temperatura). El calor fluye siempre del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. El aire también es un cuerpo. Saturación. El refrigerante está en condición de saturación cuando está en proceso de cambio de estado, ya sea evaporando o condensando. Bajo esta condición, su presión y temperatura permanecen constantes, sólo cambia de estado físico. Sobrecalentamiento del gas. Son los grados de temperatura adicionales que el vapor de salida del evaporador adquiere sobre la temperatura de evaporación del líquido. Estos grados son sensados por el bulbo para que la VTE pueda regular el flujo de líquido al evaporador. Esto significa que a partir de donde se termina el líquido empieza a sobrecalentarse el vapor. Subenfriamiento del líquido. Son los grados de temperatura que el refrigerante líquido puede disminuir debajo de la temperatura de condensación. El subenfriamiento solo se puede obtener al final del condensador o en la línea del liquido, después de que todo el vapor se ha condensado. 9
MARCO CONTEXTUAL. El sistema de refrigeración: Se define como un sistema cerrado, en el cuál el proceso de absorción y liberación de calor se realiza por medio de un refrigerante que fluye en un ciclo de compresión de vapor. En su forma más sencilla, un sistema de refrigeración consta de cinco componentes: Compresor, Condensador, Evaporador, Dispositivo de Expansión y Tubería. El compresor es el corazón del sistema ya que causa el flujo de refrigerante. Su función es recibir vapor de refrigerante a baja presión (y temperatura) proveniente del evaporador y comprimirlo a alta presión (y temperatura). El vapor a alta presión es entonces convertido a fase líquida en el condensador. El condensador realiza esta función absorbiendo calor del vapor y liberándolo hacia el aire, o hacia el agua, en el caso de un condensador enfriado con agua. El líquido, que permanece a alta presión, pasa a través del dispositivo de expansión y se transforma en una mezcla fases (líquida y gaseosa) a baja presión. Esta mezcla de refrigerante regresa a su fase gaseosa en el evaporador, absorbiendo calor del medio que está siendo enfriado. Dado que el dispositivo de expansión regula el flujo de refrigerante hacia el evaporador, su selección es de particular importancia para la operación del sistema de refrigeración. Un dispositivo de expansión mal aplicado o incorrectamente dimensionado puede causar dificultades operacionales y un funcionamiento pobre del sistema. Por ejemplo, un dispositivo de expansión subdimensionado evita que haya suficiente flujo de refrigerante hacia el evaporador, causando una reducción en la capacidad de enfriamiento del sistema. Un dispositivo de expansión sobredimensionado puede permitir que fluya demasiado refrigerante hacia el evaporador, y causar que el refrigerante líquido fluya de regreso al compresor. La condición anterior es referida como retorno de líquido. Invariablemente, ambas condiciones resultan en daño al compresor si no son remediadas rápidamente. Tipos de dispositivos de expansión: Los dispositivos de expansión pueden dividirse en cuatro categorías generales: El restrictor de área fija, la válvula de expansión automática (presión constante), la válvula de expansión termostática y la válvula de expansión eléctrica. El dispositivo de expansión de restrictor de área fija consiste en un orificio calibrado a través del cual fluye líquido refrigerante. Dos ejemplos comunes de este tipo de dispositivo de expansión son el tubo capilar y el restrictor de tubo corto, o restrictor de orificio. Estos dispositivos son usados típicamente en sistemas pequeños de aire acondicionado y refrigeración, donde las condiciones de operación permiten una carga moderadamente constante del evaporador, y presiones de condensador también constantes. La desventaja asociada con estos dispositivos es su limitada capacidad 10
para regular eficientemente el flujo de refrigerante en respuesta a cambios en las condiciones de operación, dado que estos son dimensionados para un solo conjunto de condiciones de operación. Al igual que el orificio fijo, la Válvula de Expansión Automática (VEA) es más usada para aplicaciones que tengan una carga del evaporador moderadamente constante. La VEA regula el flujo de refrigerante simplemente manteniendo una presión constante en evaporador o en la salida de la válvula. A medida que la carga de calor en el evaporador incrementa la VEA reduce el flujo de refrigerante para mantener constante la presión del evaporador al valor establecido por el ajuste de válvula. Como resultado, la VEA alimenta poco al evaporador en condiciones de carga alta y lo alimenta demasiado en condiciones de carga baja. La válvula de expansión termostática (VET) provee una excelente solución para regular el flujo de refrigerante hacia dentro de un evaporador del tipo de expansión directa. La VET regula el flujo de refrigerante manteniendo constante el recalentamiento en la salida del evaporador. A medida que el recalentamiento en la salida del evaporador incrementa por el aumento de la carga de calor en el evaporador, la VET incrementa el flujo de refrigerante, hasta que el recalentamiento regresa al valor preestablecido de la válvula. A la inversa, la VET disminuye el flujo de refrigerante como resultado de una reducción de la carga de calor en el evaporador. El efecto de este tipo de control es que permite optimizar la utilización de la superficie efectiva del evaporador en todas las condiciones de operación. El concepto de recalentamiento, y el método apropiado para medirlo, son explicados en mayor detalle en la página 14, Factores que Afectan la Operación y el Rendimiento de la VET. La válvula de expansión termostática ofrece una ventaja adicional cuando se carga el sistema con refrigerante. Cuando se usa una VET, la carga de refrigerante del sistema usualmente no es tan crítica como lo es con otros dispositivos de expansión. La operación apropiada de un orificio fijo, o aún menos común de una válvula de expansión automática, depende de si se tiene la cantidad correcta de refrigerante en el sistema. La Válvula de Expansión Eléctrica (VEE) proporciona una forma para diseñar aplicaciones con complejas funciones para el control de los sistemas. Este tipo de válvula es controlada por un circuito electrónico, el cual es frecuentemente diseñado para permitir que la válvula controle algún otro aspecto de la operación del sistema, además del recalentamiento. Por ejemplo, la temperatura de descarga de aire del evaporador, o la temperatura del agua en un enfriador, pueden ser monitoreadas por el controlador de la VEE.
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Operación básica de la Válvula de Expansión Termostática (VET): Para poder entender los principios de operación de la VET, es necesario revisar sus principales componentes. Un bulbo sensor está conectado a la VET a través de un tubo capilar, que transmite la presión del bulbo hasta la parte superior del diafragma de la válvula. El conjunto bulbo sensor, tubo capilar y diafragma es conocido como elemento termostático. El elemento termostático es reemplazable. El diafragma es el componente actuante de la válvula y su movimiento es transmitido al conjunto eje y porta eje por medio de una ó dos barras de empuje, permitiendo que el eje se mueva, entrando y saliendo del orificio de la válvula (figura A). El resorte de recalentamiento está ubicado debajo del porta eje y una guía de resorte lo mantiene en su lugar. En las válvulas ajustables externamente, un vástago de ajuste permite alterar la presión del resorte.
FIG A: COMPONENTES BÁSICOS DE UNA VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA. El concepto constructivo básico de la válvula de termo expansión es como sigue: 1. Cuerpo. 2. Conexiones de entrada y salida. 3. Orificio de expansión, aguja y asiento. 4. Elemento termostático (o de poder). Compuesto por el diafragma y el bulbo. 5. Resorte y ajuste del sobrecalentamiento. 6. Conducto de igualación: interna o externa.
Hay tres presiones fundamentales que actúan sobre el diafragma de la válvula y afectan su operación: Presión de bulbo sensor P1, presión de evaporador P2, y presión equivalente de resorte P3 (figura B). La presión de bulbo sensor es una función de la temperatura de la carga termostática, por ejemplo, la sustancia dentro del bulbo. Esta presión actúa sobre la parte superior del diafragma de la válvula, causando que la válvula se mueva hacia una posición más abierta. Las presiones de evaporador y del resorte actúan juntas debajo del diafragma, haciendo que la válvula se mueva hacia una posición más cerrada. Durante la operación normal de la válvula, la presión de bulbo sensor debe ser igual a la suma de las presiones del resorte y evaporador, es decir: P1 = P2 + P3 12
FIG B: PRESIONES FUNDAMENTALES QUE ACTÚAN SOBRE EL DIAFRAGMA DE LA VÁLVULA
La presión equivalente de resorte se define como la fuerza del resorte dividida entre el área efectiva del diafragma. El área efectiva del diafragma es la parte del área total del diafragma que es usada efectivamente por las presiones de bulbo y evaporador para suministrar sus respectivas fuerzas de apertura y cierre. La presión equivalente de resorte es, en lo esencial, constante una vez que la válvula ha sido ajustada al recalentamiento deseado. Como resultado, la VET funciona controlando la diferencia entre las presiones de bulbo y evaporador, en base a de la presión de resorte. La función del bulbo es “sensar” la temperatura del vapor de refrigerante al salir del evaporador. Idealmente, la temperatura de bulbo es exactamente igual a la temperatura del vapor de refrigerante. A medida que la temperatura de bulbo aumenta, la presión de bulbo también aumenta, haciendo que el eje se mueva alejándose del orificio de la válvula, permitiendo un mayor flujo de refrigerante hacia dentro del evaporador. La válvula continúa abriéndose hasta que la presión de evaporador incrementa lo suficiente, de tal manera que la suma de las presiones de evaporador y resorte se equilibra con la presión de bulbo. A la inversa, a medida que la temperatura de bulbo disminuye, la presión de bulbo disminuye haciendo que el eje se mueva hacia el orificio, permitiendo un menor flujo de refrigerante hacia dentro del evaporador. La válvula continúa cerrándose hasta que la presión de evaporador disminuye lo suficiente de tal manera que la suma de presiones de evaporador y resorte se equilibra con la presión de bulbo. 13
Un cambio en la temperatura del vapor de refrigerante en la salida del evaporador es causado por uno de dos eventos: (1) la presión del resorte es cambiada por medio del ajuste de la válvula, y (2) un cambio en la carga térmica del evaporador. Cuando la presión del resorte es aumentada girando el ajuste de válvula en dirección de las manecillas del reloj, se disminuye el flujo de refrigerante hacia dentro del evaporador. La temperatura del vapor en la salida del evaporador aumenta, dado que el punto donde el refrigerante se vaporiza completamente, se mueve más atrás dentro del evaporador, dejando una mayor superficie de evaporador para calentar el refrigerante a su forma gaseosa. Las temperaturas reales del vapor de refrigerante y bulbo serán controladas en el punto donde la presión de bulbo se equilibra con la suma de las presiones de evaporador y resorte. A la inversa, cuando la presión del resorte es disminuida girando el ajuste de la válvula en dirección contraria a las manecillas del reloj, incrementa el flujo de refrigerante hacia dentro del evaporador y disminuyen las temperaturas del vapor de refrigerante y del bulbo. La presión de resorte determina el recalentamiento al cual controla la válvula. Aumentar la presión de resorte aumenta el recalentamiento, disminuir la presión de resorte disminuye el recalentamiento. Un aumento en la carga térmica del evaporador hace que el refrigerante se evapore a mayor velocidad. Como resultado, el punto de completa vaporización del flujo de refrigerante se mueve más atrás dentro del evaporador. Las temperaturas de vapor de refrigerante y bulbo aumentan, causando un incremento en la presión de bulbo y que la válvula se mueva en dirección de abrir, hasta que las tres presiones se equilibran. A la inversa, si se reduce la carga térmica en el evaporador, causa una disminución en las temperaturas de vapor y bulbo, y que la válvula se mueva en la dirección de cerrar hasta que las tres presiones se equilibran. A diferencia de un cambio en la presión de resorte debido a un ajuste de válvula, un cambio en la carga térmica del evaporador no afecta apreciablemente el recalentamiento de control de una válvula de expansión termostática. Esto se debe al hecho de que las VETs son diseñadas esencialmente para mantener constante la diferencia entre las presiones de bulbo y evaporador, y por ende, controlan el recalentamiento sin importar la carga térmica. Caída de presión a través del orificio de la válvula: Hay una presión adicional, considerada no fundamental, que afecta la operación de la válvula, esta surge de la caída de presión a través del orificio de la válvula. Esta presión P4 puede relacionarse con las otras tres presiones fundamentales como el producto de la caída de presión a través del orificio y la razón del área del orificio al área efectiva del diafragma, por ejemplo: P4 = Caída de Presión x (Área de Orificio/Área de Diafragma)
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En el caso del diseño convencional de VETs, esta presión tiende a abrir la válvula, dado que el flujo de refrigerante tiende a mover la válvula en la dirección de abrir. Como resultado, nuestra ecuación original se modifica así: P1 + P4 = P2 + P3 P4 se hace más significativa para la operación de la VET mientras mayor sea la razón área del orificio al área efectiva del diafragma, y mientras mayor sea la caída de presión a través del orificio de la válvula. Aplicaciones de la válvula de expansión termostática: Método de Ecualización. La operación de la válvula de expansión termostática está determinada por la relación entre tres presiones fundamentales: presión de bulbo, presión de ecualizador y presión equivalente de resorte. Estas presiones se ilustran en la figura A. La presión de ecualizador, es la presión de evaporador que la válvula sensa. El medio usado para transmitir esta presión desde el sistema de refrigeración hasta el lado de abajo del diafragma de la válvula es llamado método de ecualización. La presión del evaporador es transmitida al lado inferior del diafragma de la válvula por uno de dos métodos. Si la válvula es ecualizada internamente, la presión del evaporador en la salida de la válvula es transmitida al diafragma vía un pasadizo dentro del cuerpo de la válvula o través de espacios alrededor de las barras de empuje. Si la válvula es ecualizada externamente, el lado de abajo del diafragma es aislado de la presión de salida de la válvula usando un material de empaque alrededor de las barras de empuje o con barras de empuje que han sido ajustadas estrechamente. La presión del evaporador se transmite al diafragma por medio de un tubo que conecta la línea de succión, cerca de la salida evaporador, con la conexión de ecualizador externo de la válvula. La conexión externa está unida a un pasadizo que termina en el lado de abajo del diafragma, (figura C).
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FIG C: VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA DE ORIFICIO BALANCEADO
La VET ecualizada internamente debe limitarse a evaporadores de un solo circuito, con caída de presión no mayor que el equivalente a un cambio de 1ºC en la temperatura de saturación. Refiérase a la tabla 1 para recomendaciones de máxima caída de presión permisible para válvulas equilibradas internamente.
TABLA 1: MÁXIMA CAÍDA DE PRESION
Las VET ecualizadas externamente no son afectadas por la caída de presión a través del evaporador, incluyendo la caída de presión de los distribuidores de refrigerante empleados por los serpentines de evaporadores multi-circuito. Una VET ecualizada externamente puede ser usada en todas las aplicaciones de refrigeración. Esta no presenta desventajas operacionales en comparación con una válvula ecualizada internamente, excepto que requiere la conexión de la línea del ecualizador externo. Las figuras D, E y F, ilustran el efecto de la caída de presión en el evaporador en una VET ecualizada internamente y externamente.
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La figura D muestra una válvula ecualizada internamente que alimenta a un circuito sencillo de evaporador sin caída de presión. El refrigerante del sistema es R-22 y, para propósitos de ilustración, también se usa R-22 como carga termostática. La presión de evaporador a la salida de la válvula y en el lugar del bubo sensor es de 52 psig. La suma de esta presión y la presión de 12 psi del resorte, produce una presión de 64 psig en la dirección de cerrar. Para que la válvula opere correctamente, se requiere una presión de bulbo de 64 psig en la dirección de abrir que equilibre la presión.
FIG D: VÁLVULA DE TERMOEXPANSIÓN INSTALADA
IMPORTANTE: Debe usarse un ecualizador externo en sistemas con evaporador que utilizan un distribuidor de refrigerante. Dado que el bulbo sensor consiste de R-22 líquido, su característica presióntemperatura es idéntica a la curva de saturación del R-22, y se requiere una temperatura de bulbo de 3ºC. El recalentamiento al cual la válvula está controlando se calcula sustrayendo la temperatura de saturación correspondiente a la presión en el lugar donde está localizado el bulbo sensor, de la temperatura del bulbo. En este caso, el recalentamiento es de 5ºC. La figura E muestra la misma válvula ecualizada internamente en un sistema que tiene la misma presión de evaporador en el lugar del bulbo sensor. Sin embargo, el serpentín del evaporador tiene ahora una caída de presión de 6 psi. Dado que una válvula ecualizada internamente sensa la presión del evaporador a la salida de la válvula, la presión total en la dirección de cerrar se convierte en 58 psig más la presión del resorte de 12 psi, es igual a 70 psig. Ahora, se requiere una presión de bulbo de 70 psig para una regulación apropiada de la válvula, lo que se traduce en una temperatura de bulbo de 5ºC. El recalentamiento cambia a 7ºC, o sea 2ºC mayor que el recalentamiento calculado en la figura D. El aumento en el recalentamiento se debe a la caída de presión en el evaporador. Por tanto, la caída de presión entre la salida de la válvula y el lugar donde está ubicado el bulbo sensor causa que una VET ecualizada internamente opere a un recalentamiento mayor al deseado. 17
FIG E: VÁLVULA ECUALIZADA INTERNAMENTE
FIG F: VÁLVULA ECUALIZADA EXTERNAMENTE
La figura F muestra el mismo sistema de la figura E, pero con una VET ecualizada externamente. Dado que una VET ecualizada externamente sensa la presión del evaporador a la salida del mismo, esta no es influenciada por la caída de presión a través del evaporador. Como resultado, la VET sensa la presión correcta, y controla el recalentamiento deseado. Estos diagramas pueden usarse para mostrar la influencia que tiene la caída de presión en el evaporador sobre una VET ecualizada internamente a medida que las temperaturas de evaporador disminuyen. Use una VET ecualizada externamente siempre que las caídas de presión excedan los valores mostrados en la tabla 1, ó cuando las caídas de presión no puedan determinarse. Debe usarse una VET ecualizada externamente siempre que se use un distribuidor de refrigerante con el evaporador. Cargas termostáticas: El bulbo sensor de la VET transmite presión a la parte superior del diafragma por medio del tubo capilar. La carga termostática es la substancia dentro del bulbo sensor que responde a la temperatura de la línea de succión para crear presión de bulbo. Está diseñada para permitir que la VET opere a un nivel satisfactorio de recalentamiento dentro de un rango específico de temperaturas de evaporación. El tema de cargas termostáticas puede explicarse describiendo las categorías de clasificación de cargas. Estas categorías son las siguientes: 1. Carga Líquida 2. Carga Gaseosa 3. Carga Líquida-Cruzada
4. Carga Gaseosa-Cruzada 5. Carga de Adsorción 18
La carga líquida convencional consiste en el mismo refrigerante en el elemento termostático que el usado en el sistema de refrigeración, mientras que la carga líquidacruzada consiste en una mezcla de refrigerantes. El término carga cruzada surge del hecho que la característica presión-temperatura de la mezcla de refrigerantes cruzará en algún punto la curva de saturación del refrigerante del sistema. Tanto la carga líquida como la líquida-cruzada tienen suficiente líquido, de manera que el bulbo, tubo capilar y la cámara del diafragma siempre tendrán algún líquido en todas las condiciones de temperatura. Esta característica previene la migración de carga de la carga termostática que se alejará del bulbo sensor si la temperatura del mismo se vuelve mayor que las otras partes del elemento termostático. La migración de carga provoca la pérdida del control de la válvula. Una característica adicional de estas cargas es la ausencia de una característica de Presión Máxima de Operación (PMO). Una carga termostática con una característica de PMO, causa que la VET disminuya su respuesta de apertura cuando la presión del evaporador excede un valor predeterminado, restringiendo así el flujo hacia el evaporador y limitando la presión de evaporador a la cual el sistema puede operar. Similarmente, la carga gaseosa consiste en que se usa el mismo refrigerante en el elemento termostático y en el sistema de refrigeración, mientras que la gaseosacruzada consiste en una mezcla de refrigerantes. A diferencia de las cargas de tipo líquido, ambas cargas gaseosas se distinguen por tener una carga gaseosa en el elemento termostático que condensa una cantidad diminuta de líquido cuando la VET trabaja dentro de su rango normal de operación. Esta característica provee a la válvula una PMO a la temperatura de bulbo a la cual la parte líquida de la carga se convierte en gas. Por encima de esta temperatura de bulbo, un incremento de la temperatura no incrementa significativamente la presión de la carga termostática, limitando la presión máxima del evaporador a la cual el sistema puede operar. Una desventaja de este tipo de carga termostática es la posibilidad de migración de carga. La carga de adsorción consiste de un gas no-condensable y un material adsorbente localizado en el bulbo sensor. A medida que la temperatura del bulbo aumenta, el gas es expulsado fuera del material adsorbente incrementando la presión del bulbo. A la inversa, a medida que la temperatura del bulbo disminuye, el gas es adsorbido y por tanto la presión del bulbo disminuye. De igual manera que las cargas líquidas y líquida cruzada, la carga de absorción no provee una PMO, y no migrará.
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MARCO TEÓRICO 1.0 PRINCIPIOS DE REFRIGERACIÓN La refrigeración continua puede lograrse por diferentes procesos. En la gran mayoría de las aplicaciones y casi exclusivamente en las de pequeño caballaje, el sistema de compresión de vapor, comúnmente llamado ciclo básico de compresión se usa para el proceso de refrigeración. Sin embargo, se han usado exitosamente sistemas de absorción aplicaciones.
en diversas
En equipo mayor se emplean los sistemas centrífugos, que son básicamente una adaptación del ciclo de compresión. 1.1 REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN. Existen dos presiones en el sistema de compresión aparte de la de evaporación o baja presión y la de condensación o alta presión. El refrigerante actúa como medio de transporte para mover el calor del evaporador al condensador donde es despedido a la atmósfera, o en casos de sistemas enfriados por agua, al agua de enfriamiento. Un cambio de estado del líquido a vapor y viceversa permite al refrigerante absorber y descargar grandes cantidades de calor en forma eficiente. El ciclo básico opera de la siguiente forma: el refrigerante líquido de altas presiones es alimentado del recibidor a través de la tubería del líquido, pasando por un filtro secador al instrumento de control que separa el lado de alta presión del sistema del lado de baja presión. Existen varios instrumento de control que pueden emplearse, pero en esta ilustración consideremos únicamente la válvula de expansión. La válvula de expansión controla la alimentación de un refrigerante líquido al evaporador, y por medio de un pequeño orificio reduce la presión del refrigerante a la de evaporación o de baja presión. La reducción de presión en el refrigerante líquido provoca que este hierva o se vaporice hasta que el refrigerante alcanza la temperatura de saturación correspondiente a la de su presión. Conforme el refrigerante de baja temperatura pasa a través del evaporador, el calor fluye a través de las tuberías del evaporador hacia el refrigerante, haciendo que la acción de ebullición continué hasta que el refrigerante se encuentra totalmente vaporizado.
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La válvula de expansión regula el flujo a través del evaporador conforme sea necesario para mantener una diferencia de temperatura determinada a cierto sobrecalentamiento deseado entre la temperatura de evaporación y el vapor que sale del evaporador. Conforme la temperatura del gas que sale del evaporador varía, el bulbo de la válvula de expansión registra esta variación y actúa para modular la alimentación a través de la válvula de expansión para adaptarse a las nuevas necesidades. El vapor refrigerante que sale del evaporador viaja a través de la línea de succión hacia la entrada del compresor. El compresor toma el vapor a baja presión y lo comprime aumentando tanto su presión como su temperatura. El vapor caliente y a alta presión es bombeado fuera del compresor a través de la válvula de descarga hacia el condensador. Conforme pasa a través del condensador, el gas de alta presión es enfriado por algún medio externo. En sistemas enfriados por aire se usa generalmente un intercambiador de calor de refrigerante a agua. Conforme la temperatura del vapor refrigerante alcanza la temperatura de saturación correspondiente a la alta presión del condensador, el vapor se condensa y fluye al recibido, repitiéndose nuevamente al ciclo. El proceso de refrigeración es continuo siempre y cuando funcione el compresor.
FIG 1: CICLO MECÁNICO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN.
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1.1. A. CALOR DE COMPRESION
Cuando se comprime el gas refrigerante en un cilindro de compresor, se aumenta la presión y se reduce el volumen. El cambio en presión y en volumen tiende a mantenerse en equilibrio con la ley del gas perfecto, por lo tanto este cambio no afecta gravemente la temperatura del gas refrigerante; pero se requiere energía y trabajo para comprimir el gas refrigerante, y siguiendo la primera ley de la termodinámica esta energía no puede ser destruida por lo tanto, toda la energía mecánica necesaria para comprimir el gas es transformada en energía de calor. Con excepción de una pequeña fracción de calor total despedido por el cuerpo del compresor, toda esta energía es transferida al gas refrigerante. Esto da lugar a un rápido aumento en la temperatura del gas comprimido causando que las válvulas de descarga del compresor siempre se encuentren sometidas a las temperaturas más altas existentes en el sistema. El calor de compresión se define como el calor agregado al gas refrigerante que resulta de la energía y el trabajo usada en el compresor. El calor que debe desechar al condensador, se llama calor de rechazo y consiste en el total de calor absorbido por el refrigerante por el evaporador, en el compresor y en cualquier calor agregado en el sistema debido a ineficiencias del motor (éste último aplicable únicamente a compresores herméticos y semiherméticos). Para moto compresores herméticos y semiherméticos, el calor de rechazo además del que produce la carga de refrigeración, puede calcularse aproximadamente por el calor equivalente a la electricidad que consume el compresor. 1.1. B. EFICIENCIA VOLUMETRICA DEL COMPRESOR.
La eficiencia volumétrica se define como la relación del volumen real del gas refrigerante bombeado por el compresor al volumen desplazado por los pistones del compresor. La eficiencia de un compresor puede variar en una gran escala dependiendo del compresor y del índice de compresión. El índice de compresión es la relación que existe entre la presión de entrada al compresor y la presión de salida. Este índice de compresión es mejor conocido como la relación de compresión. Hay dos factores fundamentales que afectan la eficiencia del compresor aumento considerable del índice de compresión.
con un
a) Existe en la parte superior del cilindro, un espacio de tolerancia en el cual el gas que durante la compresión ahí se aloja, no es bombeado; por lo que, entre mayor sea el índice de compresión más denso se hará el gas que ahí se aloja y ocupara mayor volumen en el cilindro durante la carrera de descarga del pistón, evitando así la succión total del gas que el cilindro puede aceptar. b) A mayor índice de compresión mayor será el calor que se produzca durante la presión, efectuándose un aumento de temperatura en los cilindros y en la 22
cabeza del compresor; de ahí que el gas proveniente del evaporador que entra a los cilindros en la carrera de succión, sea calentado por las paredes internas de dichos cilindros, provocando la expansión del gas y reduciéndose el volumen del gas de entrada a los cilindros del compresor.
FIG 2: CURVAS DE EFICIENCIA VOLUMÉTRICA.
Los compresores de aire acondicionado están generalmente diseñados con más tolerancia de volumen, por lo tanto, la eficiencia baja mucho más rápidamente con un aumento en el índice de compresión, mientras que la eficiencia volumétrica en cada paso de un compresor de doble paso es similar a las curvas típicas de un compresor de doble paso tiene una eficiencia relativamente con un límite bastante amplio del índice de compresión. Puesto que el uso de un subenfriador de liquido con un compresor de doble paso puede aumentar la capacidad enormemente, se ha agregado una línea punteada a la figura No. 2 con el objeto de hacer comparaciones. 1.1. C. EFECTOS NOCIVOS DEBIDO A VARIACIONES DE OPERACIÓN
1.1. C.1. Efectos de los cambios en la presión de succión El volumen especifico del gas de retorno al compresor aumenta si se mantiene constantes todos los factores al reducirse la presión de succión. La capacidad de bombero de un compresor se determina por su velocidad y su desplazamiento. La reducción de densidad del gas de succión reduce el peso del refrigerante bombeado, con la consecuente pérdida de capacidad del compresor. 23
Esta pérdida de capacidad con la reducción de la presión de succión, es extremadamente rápida con la desventaja de que la energía eléctrica en kilocalorías/Watt que requiere un compresor para realizar su trabajo, no se reduce en la misma proporción. Por lo tanto, para obtener la mayor capacidad y la mayor economía de operación, es de gran importancia que el sistema de refrigeración opere a las presiones de succión más altas posibles. 1.1. C.2. Efectos de los cambios en la presión de descarga Un aumento en la presión de condensación comúnmente llamada presión de descarga, provoca un aumento en el índice de compresión, con la consecuente pérdida de eficiencia volumétrica. Aun cuando la pérdida de capacidad no es tan grande como la perdida causada por una disminución en la presión de succión equivalente, será de todas maneras bastante perjudicial. Para economía de operación y para obtener mayor capacidad, la presión descarga debe mantenerse tan baja como sea posible.
de
1.1. C.3. Efectos de subenfriamiento del refrigerante líquido mediante agua o aire Cuando el refrigerante líquido caliente y a alta presión alimenta al evaporador a través de la válvula de expansión, el refrigerante debe en primer lugar reducirse a la temperatura de evaporación en el evaporador antes de que pueda empezar a absorber calor. Esto es realizado por una ebullición casi instantánea del liquido refrigerante, y el calor latente de evaporación necesario en el cambio de estado absorberá el calor del líquido refrigerante restante. El refrigerante evaporado ya no puede producir ninguna refrigeración adicional y en realidad la capacidad refrigerativa del refrigerante ha sido disminuida por el calor absorbido al bajar la temperatura del líquido. Si una porción de este calor pudiera extraerse del líquido antes de su entrada al evaporador, podría aumentarse la capacidad del sistema. Esto puede lograrse subenfriado el refrigerante líquido después de la condensación por agua o por aire. Si las temperaturas de condensación son relativamente altas, pueden obtenerse fácilmente aumentos de capacidad del 5% al 15%. Puesto que no se requiere ninguna fuerza para mover el agente de enfriamiento, el subenfriamiento del líquido puede proporcionar grandes ahorros en el costo de operación.
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1.1. C.4. Efectos de subenfriamiento del refrigerante líquido mediante vapor sobrecalentado Frecuentemente se usa un intercambiador de calor de gas de succión a refrigerante líquido debido a las siguientes razones: 1) Para aumentar la temperatura del gas de succión que regresa al compresor evitar la formación de la escarcha y la condensación en la línea de succión. 2) Para subenfriar el refrigerante líquido lo suficiente para compensar cualquier pérdida de presión que pueda ocurrir en la línea de líquido, y evitar la formación de gases en la misma línea de líquido. 3) Para proveer una fuente de calor que evapore cualquier refrigerante líquido que pueda a ver pasado del evaporador, evitando por lo tanto el retorno del refrigerante líquido al cárter. 4) Para aumentar la capacidad total del sistema. Como se indica en la sección anterior el subenfriamiento del refrigerante líquido aumenta la capacidad de refrigeración por kilo de refrigerante circulado si no hay transferencias de calor del espacio no refrigerado a la línea de succión. Si se coloca un intercambiador de calor entre de calor entre la línea de líquido y la línea de succión, aumentará teóricamente un poco la capacidad del sistema (en R-12 el aumento es significativo) puesto que el calor transferido del refrigerante líquido al vapor del refrigerante es mayor que la pérdida de capacidad en el compresor, como resultado del aumento de volumen especifico del vapor. Como un hecho practico, puede haber un aumento substancial en la capacidad de todos los refrigerantes. En la mayoría de los casos, la línea de succión no esta aislada y la mayor parte del sobrecalentamiento en el gas de succión es causado por el aire ambiente. Si se aísla bien la línea de succión, el gas frío que circula por ésta podrá ser usado para subenfriar el refrigerante líquido de la línea de entrada al evaporador y las pérdidas serán mínimas por la disminución en la transmisión de calor. 1.1. C.5. Efectos del sobrecalentado de vapor que sale del evaporador Es esencial que la temperatura del gas que regresa al compresor esté a una temperatura mínima de 15 F arriba de la temperatura de evaporación, para evitar el acarreo de refrigerante líquido al compresor. Si se agrega este calor al vapor dentro del espacio refrigerado, el calor absorbido aumenta l capacidad de refrigeración mientras que el aumento en volumen especifico del gas reduce la capacidad del compresor. Estos dos factores tienden a cancelarse el uno al otro, con efectos casi nulos en la capacidad. El calor que entra al refrigerante proveniente del aire ambiente exterior a través de la línea de succión da como resultado una pérdida de la capacidad beta del sistema. Puesto que tales pérdidas pueden ser hasta de 10% a 15%, el aislamiento de la 25
línea de succión puede ser una buena inversión para evitar que la temperatura del gas de retorno se eleve demasiado. 1.1. C.6. Efectos de las pérdidas de presión en la línea de descarga y en el condensador La perdida de presión causada por la fricción conforme el gas refrigerante fluye a través de la línea de descarga y el condensador, reduce la capacidad del compresor, debido a las más altas presiones de descarga que resultan y a la más baja eficiencia volumétrica. Puesto que la temperatura de condensación no es muy afectada, las pérdidas de presión de 0.532 kg/Cm2 (5 PSIG) tienen muy poco efecto en la capacidad del sistema. Sin embargo, el consumo de electricidad del compresor aumentara debido al aumento en la presión de descarga, y para la mejor economía de operación deben evitarse las presiones excesivamente altas en las línea de descarga. 1.1. C.7. Efectos de las pérdidas de presión en la línea de líquido Si la presión de un refrigerante líquido cae debajo de su temperatura de saturación, una porción del líquido se transformara en vapor para enfriar el resto del refrigerante líquido a la nueva temperatura de saturación. Esto puede ocurrir en una línea de líquido si la presión cae lo suficiente, debido a la fricción, o aun en la subida vertical. Si el líquido se evapora, la alimentación a través de la válvula de expansión puede ser inadecuada para la demanda del evaporador. El hecho de subenfriar el refrigerante líquido después de la condensación, en una cantidad suficiente para compensar las pérdidas de presión, asegurara un flujo normal de refrigerante líquido únicamente en la válvula de expansión. A 49C (120F) de temperatura de condensación, un subenfriamiento de 5.6C (10F) protegerá contra la evaporación que causan las siguientes pérdidas de presión: R-12 0.162 Kg./Cm2 R-22 2.383 Kg./Cm2 R-50 2.426 Kg./Cm2
(2.3 PSI) (33.9 PSI) (34.5 PSI)
Los refrigerantes 12, 22 y 502 son ligeramente más pesados que el agua, y una altura de 10 metros de refrigerante líquido equivale a 1 Kg/Cm 2. Por lo tanto, si un condensador o un recibidor se encuentra en el sótano de un edificio de 6 metros alimentando con refrigerante líquido a un evaporador en la azotea, debe considerarse en el diseño del sistema una pérdida de presión de aproximadamente 0.6 Kg/Cm2, causada por la diferencia de elevaciones. En el mismo edificio, la pérdida de presión sería de 10 PSI, ya que 6 metros equivalen a 20 pies y 2 pies de refrigerante líquido son aproximadamente igual a 1 PSI.
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TEMP. DE EVAPORACIÓN C -23 -23 -23 -23
F -10 -10 -10 -10
CAÍDA DE PRESIÓN EN LA LÍNEA 2 Kg./Cm PSI
PRESIÓN EN EL COMPRESOR Kg./Cm
.07 .141 .211 .281
.246 .176 .105 .035
1 2 3 4
2
PSI 3.5 2.5 1.5 0.5
CAPACIDAD
KCal/Hr 8,165 7,585 7,005 6,450
BTU/hr 32,400 30,100 27,800 25,600
1.1. C.8. Efectos de las pérdidas de presión en el evaporador Las pérdidas de presión que ocurren en el evaporador debido a la fracción del fluido, hacen que la presión en la salida de éste sea inferior a la presión del refrigerante a la entrada de dicho evaporador. Para un serpentín y una carga dada, la temperatura promedio para el refrigerante es fija. Entre más grande sea la pérdida de presión en el evaporador, mayor será la diferencia de presiones entre el refrigerante de entrada del evaporador y el refrigerante de salida de dicho evaporador. Conforme se reduce la presión de succión a la salida del evaporador, aumenta el volumen especifico del gas que regresa al compresor, y desciende el paso del refrigerante bombeado por el compresor. Por lo tanto la pérdidas de presión en el evaporador causa una reducción de capacidad en el sistema y es importante que se calcule correctamente el evaporador para que no existan pérdidas de presión anormalmente grandes. 1.1. C.9. Efectos de las pérdidas de presión en la línea de succión Los efectos de la pérdida de presión en la línea de succión son similares a las pérdidas de presión en el evaporador. Ya que la pérdida de presión en la línea de succión no provoca un correspondiente descenso en la temperatura de evaporación del refrigerante, la pérdida de presión en la línea de succión puede ser muy perjudicial a la capacidad del sistema. Las líneas de succión deben calcularse o para evitar excesivas pérdidas de presión. 1.2 TERMODINAMICA DE LA REFRIGERACIÓN. De la práctica cotidiana el calor fluye desde una zona de alta temperatura a una de baja temperatura sin necesidad de algún dispositivo. El proceso inverso no sucede por si solo (principio de la segunda ley de la termodinámica), para lograr transferir calor desde una zona de baja temperatura a una de alta sin violar la segunda ley requiere de dispositivos especiales conocidos como refrigeradores. Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo empleados en los ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes. En la figura 3, se muestra de manera esquemática un refrigerador. En este caso Qsum es la magnitud del calor extraído del 27
espacio refrigerado a la temperatura Tsum, Qced es la magnitud del calor liberado hacia el espacio caliente a la temperatura Tced y Wneto, es la entrada neta de trabajo al refrigerador. Como se analizó, Qsum y Qced representan magnitudes, y por ello son cantidades positivas.
FIG 3: ESQUEMA DE SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
FIG 4: ESQUEMA DE SISTEMA DE BOMBA DE CALOR
Otro dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta es la bomba de calor. Los refrigeradores y las bombas de calor son esencialmente lo mismo, solo difieren en los objetivos como lo describe la figura 4. El desempeño de los refrigeradores y de las bombas de calor se expresa en los términos de coeficiente de operación (COP), el cual se define como:
Es importante resaltar que el COP de los refrigeradores y bomba de calor pueden ser mayores a uno. Debido a que:
Para valores fijos de QL y QH. Esta relación implica que COP BC > 1 puesto que COPR es una cantidad positiva, es decir, una bomba de calor funcionará en el peor de los casos, como un calentador de resistencia. 28
La capacidad de enfriamiento de un sistema de refrigeración (la rapidez del calor extraído del espacio refrigerado) con frecuencia se expresa en toneladas de refrigeración equivalentes a 12.000 Btu/h o 12660 KJ/h. Esto tiene su base en la capacidad que tiene un sistema de refrigeración en convertir 1 tonelada de agua líquida a 0 ºC (32 ºF) en hielo a 0ºC (32 ºF) en 24 horas. 1.2.1.CICLO DE CARNOT INVERSO
Como introducción al tema de ciclos de refrigeración por compresión de vapor, es necesario tener presentes distintos aspectos tratados con anterioridad en termodinámica relacionados con el ciclo de Carnot inverso debido a su utilización como ciclo de referencia para evaluar el desempeño de otros ciclos y en particular al ciclo de refrigeración por compresión de vapor, haciendo las comparaciones correspondientes para así lograr caracterizar el funcionamiento de los sistemas de refrigeración bajo el esquema de los ciclo termodinámicos. El ciclo de Carnot es totalmente reversible, permitiendo que los cuatro procesos que comprenden el ciclo puedan invertirse. El resultado es un ciclo que opera en dirección contraria a las manecillas del reloj, que se llama ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que opera en este ciclo recibe el nombre de refrigerador o bomba de calor de Carnot. Aunque en la práctica no es utilizado por razones que más adelante se expondrán, sirve de referencia para evaluar el desempeño de un dispositivo real que trabaje bajo las mismas condiciones de temperatura. Considere un ciclo de Carnot invertido ejecutado dentro de la campana de saturación de un refrigerante, como el que se muestra en la figura 5.
FIG 6: DIAGRAMA Ts DE CARNOT.
FIG 5: CICLO DE CARNOT INVERSO
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1-2: Se transfiere (absorción) calor reversiblemente desde la región fría TL, de forma isoterma donde el refrigerante experimenta cambios de fase. 2-3: Se comprime el refrigerante isoentrópicamente, hasta que alcanza la temperatura máxima TH. 3-4: Se transfiere calor reversiblemente a la región caliente a TH, de forma isoterma, donde el refrigerante experimenta cambios de fase (vapor a líquido). 4-1: Se expande el refrigerante isentrópicamente hasta, alcanzar la temperatura mínima TL Los inconvenientes de un ciclo de refrigeración de Carnot como modelo de dispositivo práctico radican en los procesos de compresión y expansión. En general debe evitarse comprimir una mezcla húmeda por el daño de las presencias de pequeñas gotas liquidas puedan causar al compresor (caso análogo de las turbinas de vapor). La expansión con una turbina bajo condiciones similares a la ya descrita es igual de perjudicial, la restricción a las condiciones de saturación limita la capacidad de absorber calor. Las modificaciones para evitar estos dos tipos de problemas inherentes al ciclo de Carnot conducen en la práctica al ciclo de refrigeración por compresión de vapor. 1.2.2. CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR.
En el proceso de compresión de vapor se realizan modificaciones al ciclo de Carnot basados en las siguientes consideraciones: •En el proceso de compresión, el fluido de trabajo solo debe estar en la fase de vapor. •Para expansionar el refrigerante es recomendable utilizar un dispositivo más económico y con cero mantenimientos (válvula de estrangulamiento o tubo capilar). •La temperatura de condensación no debe limitarse a la zona de saturación. Muchos aspectos imprácticos asociados con el ciclo invertido de Carnot, se eliminan al evaporar el refrigerante completamente antes de que se comprima y al sustituir la turbina con un dispositivo de estrangulamiento, tal como una válvula de expansión o tubo capilar (ver figura 7).
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FIG 8: DIAGRAMA Ts
FIG 7: CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
Para cada proceso, la ecuación general de energía en régimen estacionario por unidad de masa, despreciando la variación de la energía cinética y potencial está dada por:
La capacidad de refrigeración, es el flujo de calor transferido en el evaporador Q planteada así:
evap
En el compresor y en el proceso de estrangulamiento no se transfiere calor, mientras que sólo existe trabajo en el proceso de compresión. El coeficiente de operación del ciclo está dado por:
Principio de funcionamiento de los principales dispositivos del sistema de refrigeración. Evaporador: Se transfiere calor (absorbe) de la región fría al refrigerante (ver figura 7), que experimenta un cambio de fase a temperatura constante. Para que la transferencia de calor sea efectiva, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser menor que la temperatura de la región fría. 31
Condensador: El refrigerante se condensa al ceder calor a una corriente externa al ciclo (ver figura 7). El agua y el aire atmosférico son las sustanciales habituales utilizadas para extraer calor del condensador. Para conseguir que se transfiera calor, la temperatura de saturación del refrigerante debe ser mayor que las temperaturas de las corrientes atmosféricas. Compresor: Para alcanzar las condiciones requeridas en el condensador logrando la liberación del calor desde el sistema al ambiente, es necesario comprimir el refrigerante de manera de aumentar su presión y en consecuencia su temperatura (generalmente temperaturas de sobrecalentamiento), los requerimiento de potencia de entrada depende de las necesidades de enfriamiento. Válvula de estrangulamiento: Liberado el calor en el condensador es necesario revertir el proceso del compresor de manera de obtener bajas temperatura al disminuir la presión (estrangular), logrando las condiciones requeridas en el evaporador. Un ciclo real de refrigeración como el mostrado en la figura 8 por compresión de vapor, difiere de uno ideal por varias razones. Entre las más comunes están las irreversibilidades que suceden en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidades son la fricción del fluido (que provoca caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores.
FIG 8: CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
FIG 9: DIAGRAMA Ts REAL
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Influencia de las irreversibilidades en el compresor. El proceso de compresión en el ciclo ideal es internamente reversible y adiabático y, en consecuencia, isentrópico. Sin embargo, el proceso de compresión real incluirá efectos friccionantes los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor que puede aumentar o disminuir la entropía, dependiendo de la dirección. En el caso adiabático e irreversible la salida real puede determinarse a partir del rendimiento adiabático del compresor planteado como:
Influencia de las irreversibilidades en el evaporador. En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del evaporador y entra al compresor como vapor saturado. Pero esta condición es imposible de mantener el estado del refrigerante con tanta precisión. En lugar de eso se procura diseñar el sistema de manera de sobrecalentar ligeramente al refrigerante a la entrada del compresor para así garantizar evaporación completa al momento de ingresar al compresor. Asimismo, en línea que conecta al evaporador al compresor suele producirse caídas de presión del refrigerante y cierta ganancia de calor no deseable, trayendo como resultado un aumento en el volumen especifico del refrigerante y por ende un incremento en los requerimientos de potencia de entrada al compresor, basado en el criterio de W neto = ∫ vdp Influencia de las irreversibilidades en el condensador. En los ciclos ideales de refrigeración, el fluido de trabajo sale del condensador como liquido saturado a la presión de salida del compresor. Sin embargo, es inevitable que se produzcan caídas de presión en el condensador así como en las líneas que conectan al compresor y a la válvula de estrangulamiento, además de la imposibilidad de mantener con precisión la regulación del condensador para tener a la salida líquido saturado, y es indeseable enviar refrigerante a la válvula de estrangulamiento sin condensar en su totalidad, debido a que reduce la capacidad de absorción de calor, por lo que se considera el subenfriamiento como alternativa para disminuir la entalpía de entrada a la válvula de estrangulamiento y en consecuencia aumentar la capacidad de absorción de calor (efecto refrigerante)
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1.2.3. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN EN CASCADA
El ciclo en cascada es un conjunto de ciclos de compresión de vapor simple en serie, de manera que el condensador de un ciclo de temperatura inferior, proporciona calor al evaporador de un ciclo de temperatura mayor. El refrigerante por lo general en cada circuito es diferente con el objeto de ajustar los intervalos de temperatura y presión (ver figura 10 y 11).
FIG 11: DIAGRAMA Ts
FIG 10: DIAGRAMA DEL SISTEMA EN CASCADA.
Criterios que determinan las restricciones del C.R.C.V y sustitución por el sistema en cascada.
La diferencia de temperaturas entre el evaporador y el condensador es grande. La variación de la presión del vapor con la temperatura de saturación de un único refrigerante no se ajusta a los valores deseados para el evaporador y el condensador. Cuando se utiliza una sola unidad de compresión disminuye la capacidad de refrigeración.
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Consideraciones para el análisis de los sistemas en cascada:
Los flujos másicos de los refrigerantes en los diferentes ciclos, generalmente tienen cantidades distintas, independientemente del tipo de refrigerantes. El flujo másico está determinado por la capacidad de refrigeración necesaria en el evaporador del ciclo B. El flujo de calor transferido por el condensador B debe ser igual al flujo de calor transferido hacia el evaporador del ciclo A, cuando el intercambiador de calor global está bien aislado.
Despreciando las variaciones de energía cinética y potencial en régimen estacionario y considerando el intercambiador de calor (condensador-evaporador) adiabático, el balance de energía se plantea:
Estableciendo la analogía con lo planteado en las gráficas se tiene:
Donde,
Sustituyendo los términos correspondientes se tiene:
El rendimiento de estos dispositivos, en cascada se plantea como:
1.2.4. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR MÚLTIPLES ETAPAS
Para sistemas de compresión de vapor, donde se desea reducir el trabajo de entrada del compresor, se realizan modificaciones que consiste en incluir la compresión multietapa con refrigeración intermedia. En estos ciclos de refrigeración intermedia el sumidero de energía puede ser el mismo refrigerante, ya que en muchos puntos del ciclo, la temperatura del refrigerante es inferior a la temperatura del ambiente. Por tanto, el intercambiador de calor que funciona como refrigerador intermedio, se convierte en 35
un intercambiador regenerativo, ya que el calor se transfiere de forma interna en el sistema. La fracción de vapor que se forma en la cámara de evaporización instantánea, es la calidad X del fluido en el estado 6 del diagrama de máquinas tal como se observa en la figura 12, y es la fracción de flujo que pasa por la cámara de mezcla proveniente de la cámara de evaporación instantánea. La fracción de líquido formado es 1-X, que corresponde a la fracción del flujo total que pasa por el evaporador. Aplicando el balance de energía en la cámara de mezcla en condiciones adiabáticas, para determinar la entalpía, a la salida de la cámara se tiene:
FIG 12: DIAGRAMA DE MAQUINA DEL SISTEMA MULTIETAPA
FIG 13: DIAGRAMA Ts
El efecto de refrigeración por unidad de masa que atraviesa el evaporador es: El efecto de refrigeración por unidad de masa que atraviesa el evaporador es:
El trabajo total suministrado al compresor por unidad de masa que atraviesa el condensador es la suma de las dos (2) etapas, es decir: 36
El COP del ciclo de compresión de vapor de dos etapas, con refrigeración intermedia regenerativo, se sigue definiendo como:
1.2.5. SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE ADECUADO.
Aunque en los comienzos del desarrollo de los sistemas de refrigeración se utilizaron sustancias químicas como el dióxido de azufre, amoníaco y éter etílico, desde la década de los treinta, el campo ha sido denominado por la clase general de sustancias denominados compuestos clorofluorocarbonados (CFC). Los más importantes se designan R-11, R-12, R-22 y R-502 (mezcla del R-22 y R115). Al final de la década de los ochenta se tomaron medidas internacionales para restringir el uso de ciertos CFC, ya que se encontró que reduce la capa protectora del ozono de la atmósfera y contribuye al efecto invernadero. Así en la década de los noventa se inicia un periodo en el que se investiga nuevos refrigerantes, como los compuestos hidrofluorocarbonados (HFC). El problema radica en el hecho de la reducción en el COP cuando simplemente se hace el cambio del refrigerante al sistema, sin modificaciones para adaptarlo. Cuando se selecciona un nuevo refrigerante generalmente es necesario rediseñar el compresor. Los refrigerantes fluorados más comunes son: R407C y R410: Es el que más se usa en instalaciones de Aire Acondicionado y bombas de calor. R 134a: normalmente se usa en pequeñas plantas de refrigeración a causa de entre otras cosas, que calor de evaporación de la cantidad de refrigerante en circulación es relativamente pequeño. R 404a: Es el refrigerante que se usa en plantas de congelación donde se necesitan más bajas temperaturas. Además de estos refrigerantes fluorados, hay una larga serie de otros que no se ven a menudo hoy: R23, R417, R508A, etc. Amoniaco NH3: El amoniaco NH3 es usado normalmente en grandes plantas de refrigeración. Su punto de ebullición es de -33°C. El amoniaco tiene un olor característico incluso en pequeñas concentraciones con el aire. No arde, pero es explosivo cuando se mezcla con el aire en un porcentaje en 37
volumen de 13-28. Es corrosivo el cobre y aleaciones de cobre no se pueden emplear en plantas de amoniaco. El más común utilizado en la refrigeración y en los textos de termodinámica en la actualidad es el R-134a, al no ser agresivo al medio ambiente. 1.3. COMPONENTES PRINCIPALES DEL CICLO MECÁNICO Los principales elementos que componen un sistema de refrigeración son: Compresores. Su función es la de incrementar la presión del refrigerante gaseoso que regresa del sistema, dando las condiciones requeridas para la condensación. El compresor recibe refrigerante a baja presión y alta temperatura y lo entrega a alta presión y alta temperatura. Tipos de compresores Reciprocante. Es un equipo en el cual la compresión se realiza por el desplazamiento de un pistón en el interior de un cilindro. Pueden ser herméticos, semiherméticos o abiertos. Los herméticos se caracterizan por tener el compresor y el motor en un mismo compartimento sellado. Los abiertos se caracterizan por tener el motor y el compresor acoplados exteriormente. Tornillo. Es un equipo en el cual la compresión se realiza por la reducción en una cavidad en el acople de dos elementos helicoidales con forma de tornillos. Centrifugo. Es equipo que desarrolla la diferencia de presión por medio de un movimiento de rotación a alta velocidad. Condensadores. Su función es la de realizar el intercambio de calor en el refrigerante, lo cual permite su cambio de estado gaseoso a liquido. El condensador libera el calor que retira del refrigerante a través del medio condensante. El condensador recibe refrigerante a alta presión-alta temperatura y lo entrega a alta presión-baja temperatura. El condensador es una superficie de transferencia de calor. El calor del vapor refrigerante caliente pasa a través de las paredes del condensador para su condensación. Como resultado de su pérdida de calor hacia el medio condensante, el refrigerante es primero enfriado hasta saturación y después condensado hasta su fase de estado líquido. Los medios condensantes usados más comúnmente son el aire, el agua o una combinación de los dos. Los condensadores son de tres tipos: Enfriados con aire, Enfriados con agua o Evaporativos (agua y aire).
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Evaporadores. Su función es la extraer el calor del medio refrigerado por medio de la evaporación del refrigerante. El evaporador recibe refrigerante a baja presión y baja temperatura y lo entrega a baja presión y alta temperatura. Según el tipo de alimentación de líquido pueden ser de expansión seca, inundado o recirculado. Según el tipo de construcción pueden ser de tubo descubierto, de superficie plana o de tubos aleteados. Válvula de expansión. Su función es la de realizar la expansión del refrigerante, disminuyendo la presión al refrigerante lo que luego le permite su cambio de estado líquido a gaseoso. El elemento de expansión recibe refrigerante a alta presión y baja temperatura y lo entrega a baja presión y baja temperatura. Torre de enfriamiento. Su función es enfriar agua caliente llevándola hasta la temperatura ambiente. Intercambiadores de calor. Su función es extraer calor de un fluido a mayor temperatura para entregarlo a otro a menor temperatura.
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2.0
TIPOS Y FUNCIONES DE LOS DISPOSITIVOS DE CONTROL DEL REFRIGERANTE
Un refrigerante líquido a presión alta se debe transformar en un refrigerante líquido a presión baja en las cantidades correctas, para operar un sistema con una eficiencia máxima y sin sobrecargar el compresor. En las primeras etapas de la refrigeración, las condiciones de presión alta y baja y la velocidad del flujo se controlaban manualmente ajustando una válvula de agua. Con los mejoramientos y la experiencia en el diseño, la operación y el mantenimiento de los sistemas de refrigeración, se han desarrollado varios dispositivos de control del refrigerante, que han sido económicos, eficientes y automáticos. Tipos y funciones de los dispositivos de control Los seis tipos principales de controles de refrigerante que se describen en esta sección incluyen los siguientes:
Válvula de aguja operada a mano Válvula de expansión termostática Válvula de expansión automática Flotador en el lado de presión alta Flotador en el lado de presión baja Tubo capilar o de estrangulación
Estos controles dependen para su operación de uno de los factores siguientes: (1) cambios de presión, (2) cambios de temperatura, (3) cambios de volumen o cantidad (4) cualquier combinación de los puntos anteriores. Se usan ejemplos típicos para ilustrar la construcción y principios de operación de los seis tipos de dispositivos de control y para simplificar la descripción de cada uno. Se exponen las ventajas, desventajas y aplicaciones para desarrollar un conocimiento completo de las funciones de los dispositivos de control bajo condiciones variables. Los dispositivos para el control del refrigerante se conocen más comúnmente como dispositivos medidores. Un dispositivo medidor en el trabajo de refrigeración es, Principalmente, una restricción que se introduce en el sistema. Esta restricción permite que el compresor, por su acción de bombeo, mantenga una diferencia de presión. El compresor bombea el refrigerante del lado bajo al lado alto. El refrigerante regresa del lado alto al lado bajo a través de la restricción (dispositivo medidor). El compresor debe tener suficiente capacidad para poder bombear el refrigerante tan pronto como regresa por el dispositivo medidor. Cuando el compresor efectúa este trabajo, mantiene la presión baja en el evaporador, lo cual es necesario para que el 40
refrigerante hierva a una temperatura baja. Entonces se puede absorber calor por conducto del evaporador y se lleva a cabo la refrigeración. También, se puede disipar el calor cuando el compresor mantiene un nivel de presión alta y temperatura alta en el condensador. El dispositivo medidor, además de constituir una restricción, controla (mide) la velocidad de flujo del refrigerante del lado alto al lado bajo. 2.1 VÁLVULA DE AGUJA OPERADA A MANO. El método más simple para alimentar el refrigerante líquido en el evaporador consiste en operar manualmente una válvula de cierre figura 14. Un operador ajusta esta válvula para alimentar una cantidad definida de refrigerante para el tamaño del tema y las condiciones que prevalecen dentro de éste. La válvula manual de expansión se emplea en las instalaciones industriales grandes, en las plantas fabricantes de hielo y en los almacenes refrigerados Esto resulta práctico porque existe una carga casi constante; por tanto, el compresor funciona continuamente. Además, un operador está a mano todo el tiempo. La válvula manual de expansión no es adecuada para instalaciones donde la carga es variable y el compresor funciona intermitentemente para mantener una temperatura constante, En estas condiciones, se alimentan cantidades variables de refrigerante líquido en el evaporador y es necesario ajustar con frecuencia la válvula manual de expansión. Como esto no es práctico en las instalaciones pequeñas, se deben usar otros dispositivos de medición.
FIG 14: VÁLVULA DE EXPANSIÓN MANUAL
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2.2 VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA. La válvula de control que se usa más comúnmente en los sistemas de refrigeración comercial y acondicionamiento de aire con capacidades menores de tres toneladas, es la válvula de expansión termostática. Esta válvula mantiene un supercalor constante en el evaporador. La diferencia entre esta válvula y la válvula de expansión automática es que se conecta a ella un elemento térmico mediante un pequeño tubo capilar sellado. El elemento térmico (bulbo) está parcialmente lleno de un líquido refrigerante y mantiene algo del líquido bajo todas las condiciones de temperatura y carga. En la fotografía de la figura 15 se muestra una válvula típica, así como en el dibujo lineal esquemático de la figura 16. El bulbo térmico está unido a la línea de succión, de manera que cualquier cambio de temperatura de la línea de succión produce un cambio correspondiente en el bulbo térmico. Bajo un aumento de carga por calor, el refrigerante hierve con más rapidez en el evaporador. Esto da por resultado un aumento de temperatura en el bulbo térmico debido al supercalentamiento.
FIG 15: VALVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTATICA
FIG 16: ESQUEMA INTERNO DE FUNCIONAMIENTO DE LA VÁLVULA TERMOSTÁTICA
La temperatura más alta produce una presi6n mayor dentro del bulbo y el tubo y esto, a su vez, hace que se dilate el fuelle metálico y ocasione una abertura más grande de la válvula. Como resultado, se admite más refrigerante en el evaporador para hacerse cargo del aumento de la carga. La abertura de la válvula se controla por medio de la temperatura para la cual se haya ajustado la válvula. Si disminuye la carga de refrigeración. La abertura de la válvula admite menos refrigerante al evaporador. Esta condición continúa hasta que la abertura de la válvula es constante para el supercalor para el que esté ajustado el bulbo térmico. 42
El refrigerante del bulbo térmico usualmente es del mismo tipo del refrigerante que controla. Para las válvulas que trabajan con amoníaco, se usa amoníaco, dióxido de azufre para las que lo hacen con dióxido de azufre y así, sucesivamente. Por esta razón, se deben revisar cuidadosamente las unidades de reemplazo, para tener la seguridad de obtener el control apropiado. El bulbo se puede montar a un lado de la línea de succión o se puede insertar dentro de la línea. El bulbo se une en el punto que se muestra en la figura 17, de manera que su temperatura es la misma que la del vapor supercalentado que viene del evaporador.
FIG 17: TEMPERATURAS Y PRESIONES DE OPERACIÓN PARA LA VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA.
Siempre existe algo de líquido vaporizado dentro del bulbo para mantener una presión en el tubo de conexión y el fuelle metálico sobre el diafragma de la válvula. Esta presión que se mantiene, corresponde a la temperatura del líquido refrigerante del interior del bulbo térmico. Por lo tanto, la carga en el serpentín del evaporador determina la cantidad de refrigerante líquido que admite la válvula de expansión termostática. Aunque se puede conectar cualquier número de serpentines evaporadores a un compresor, cada serpentín debe tener su propia válvula de expansión. Entonces, cada válvula admite la cantidad de refrigerante que necesita el serpentín que controla, para mantener el supercalor para el cual está ajustada cada válvula. De este modo no se ven afectados los otros serpentines. Compensadores Una válvula de expansión termostática con una conexión compensadora es un dispositivo que se necesita en aquellas instalaciones en que el ajuste para el supercalor de la válvula de expansión no puede controlar la cantidad de refrigerante que fluye por el serpentín. Esta pérdida de control se produce cuando hay una caída de presión excesiva en el evaporador. El esquema de una válvula de expansión termostática instalada con un compensador externo conectado a un serpentín, figura 18, señala la 43
posición de la conexión del compensador (6) entre la válvula y la línea de retorno del aceite que se conecta a la línea de succión. Algunas válvulas de expansión poseen compensadores internos construidos dentro de las mismas. El compensador no elimina la caída de presión, pero la corrige.
FIG 19: VÁLVULA TERMOSTÁTICA CON COMPENSADOR
FIG 18: VALVULA TERMOSTATICA CON CONEXIÓN DE COMPENSADOR
En la figura 19 se ilustra otro diseño para una válvula de expansión termostática. Esta válvula combina las características del bulbo térmico Y el tubo de conexión al incluirlos dentro de la válvula. En la cabeza de la válvula se encuentra un elemento de fuerza (A) que es sensible al vapor de la succión cuando fluye hacia el compresor. Este elemento produce una respuesta casi instantánea a los cambios de la carga. El vástago (B) del fondo de la válvula proporciona el ajuste para el sobrecalor. Con esta válvula no se necesita un compensador externo, porque se puede hacer la compensación en ella misma de acuerdo con la caída de presión del evaporador. Prueba de las válvulas de expansión termostática Las válvulas de expansión termostática se pueden probar en campo con un equipo regular de servicio. Uno de estos equipos usualmente se compone de: Un tambor para servicio de Refrigerante 12 o cloruro de metilo para aplicar presión. El refrigerante que se use no tiene que ser igual al que se emplee: en el sistema en que esté instalada la válvula que se debe probar. Por ejemplo, un tambor de Refrigerante 12 es adecuado para probar válvulas que trabajan con SO2 o con Refrigerante 12. Un manómetro para presión baja. 44
Un manómetro para presión alta que muestre la presión que existe en la entrada de la válvula. Una cantidad de hielo finamente triturado que se lleva en un termo u otro recipiente que esté completamente lleno con el hielo para efectuar todas las pruebas. Un elemento de fuerza (bulbo térmico). La ilustración muestra cómo se puede probar una válvula de expansión termostática. La salida de la válvula de expansión tiene el medidor de presión baja atornillado sin apretar en el adaptador. Esto permite el escape de una pequeña cantidad de gas a través de las cuerdas. El bulbo se coloca en el hielo triturado. Nótese que el medidor para presión alta está conectado en la línea a la entrada de la válvula. Cuando se abre la válvula del tambor de servicio y el tambor caliente desarrolla una presión por lo menos de 70 psig (4.8 kg/cm2), se puede ajustar la válvula de expansión. La lectura de la presión en el medidor de la válvula de expansión termostática debe ser: 29 psig (1.98 kg/cm2) para el Refrigerante 500 55 psig (3.74 kg/cm2) para el Refrigerante 502 22 psig (1.50 kg/cm2) para el Refrigerante 12 45 psig (3.06 kg/cm2) para el Refrigerante 22 15 psig (1.02 kg/cm2) para el cloruro de metilo 03 psig (0.20 kg/cm2) para el dióxido de azufre Estos valores se obtuvieron usando 10° de supercalor. Se debe advertir que aunque en el ejemplo se usó cloruro de metilo y dióxido de azufre, comúnmente no se usan estos refrigerantes. Con una válvula buena, la presión aumenta unas cuantas libras y después se estabiliza o aumenta un poco más gradualmente. Un desarrollo rápido de presión hasta el punto en que la presión de la válvula iguale la presión de la entrada, es indicio de la existencia de fugas en la válvula. Con las nuevas válvulas de expansión carga as con gas, que contienen una pequeña carga de refrigerante, la presión no se desarrolla por arriba de la presión marcada en el cuerpo de la válvula. Los elementos de fuerza se prueban aflojando el medidor para presión baja de manera que permita alguna fuga por las roscas, figura 20. Después se retira del hielo triturado el bulbo del elemento de fuerza y se calienta con las manos o en agua a la temperatura ambiente. La presión indicada de un elemento de fuerza que esté funcionando correctamente aumenta con rapidez. 45
El fuelle del cuerpo de una válvula de expansión termostática se prueba con presión alta en ambos medidores.
FIG 20: PRUEBA DE UNA VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA
El escape de gas se descubre por medio de un detector de fugas o usando aceite o una jabonadura. Cuando se hace esta prueba con una presión relativamente alta, es importante que se aprieten firmemente el cuerpo de la válvula, los medidores y otras conexiones para eliminar cualquier fuga. 2.3 VÁLVULA DE EXPANSIÓN AUTOMÁTICA. Uno de los tipos más antiguos de válvulas automáticas de expansión se conoce como válvula de presión constante. El nombre de la válvula indica que mantiene la presión a un nivel constante independientemente de la magnitud de la carga. El diagrama esquemático de la figura 21, identifica las partes principales de dicha válvula. El muelle (2) se activa por medio de la presión existente en el evaporador.
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FIG 21: VÁLVULA DE EXPANSIÓN AUTOMATICA
Todo aumento de presión debido al incremento de la absorción de calor produce la expansión del fuelle o el diafragma y reduce la abertura entre el vástago de la válvula y su asiento (1). Esto disminuye el flujo del refrigerante líquido al serpentín de enfriamiento y la cantidad de líquido que se evapora en el serpentín. Al evaporar menos líquido baja la presión por la acción del compresor. Estas condiciones continúan hasta que se alcanza la presión a la cual se ajustó la válvula mediante el tornillo de ajuste. Cuando baja la presión en el serpentín tiene lugar la acción inversa. El resorte abre la válvula, se admite más líquido y se eleva la presión dentro del serpentín. La válvula regula la velocidad a que se admite el líquido para el serpentín de enfriamiento y de este modo controla la magnitud de la superficie interior en contacto con el refrigerante líquido. Al mantener constante la presión de succión, la válvula automática de expansión también mantiene uniforme la carga del compresor. Esta acción se explica como sigue: Un aumento de la carga de un sistema de refrigeración produce una elevación de la presión de succión. Esto se debe a que cuando aumenta la carga se absorbe más calor, produciendo una ebullición más rápida del refrigerante. El vapor se forma más rápidamente y esto tiende a aumentar la presión de succión. Si se mantiene esta presión a un nivel constante, la capacidad de refrigeración del compresor es constante. Por esta razón, las válvulas de expansión (automáticas) de presión constante no son adecuadas para compresores que funcionan continuamente y con cargas variables. Independientemente de la capacidad real necesaria, la válvula de expansión de presión constante ayuda a desarrollar una capacidad fija. Como tal, se necesita la capacidad nominal total del compresor siempre que esté funcionando. La válvula de expansión de presión constante se puede usar con ventaja cuando los compresores se controlan por medio de termostatos que operan de acuerdo con la temperatura ambiente. Como no se puede usar esta válvula cuando se conecta más de un serpentín al compresor, tiene una aplicación limitada en las instalaciones de acondicionamiento de aire que necesitan más de un serpentín de enfriamiento. Si se emplea más de un 47
serpentín y baja la carga en uno de ellos, baja la presión en el serpentín. Sin embargo, la presión se iguala en la línea de succión porque ambos serpentines están conectados a ella. Esta igualación de presión interfiere con la operación de las válvulas separadas. 2.4 FLOTADOR EN EL LADO DE PRESIÓN ALTA. El sistema de flotador en el lado alto para el control del flujo del refrigerante recibe su nombre por el hecho de que el flotador y la válvula de aguja se encuentran en el lado de presión alta. El la figura 22 señala unos cuantos cambios de diseño del sistema de flotador en el lado bajo. Nótese que el flotador y la válvula están ubicados fuera del evaporador y, consecuentemente, se dispone de más espacio en el interior de aquél para el proceso de evaporación.
FIG 22: SISTEMA DE FLOTADOR EN EL LADO DE ALTA PRESIÓN
El dibujo en corte de un flotador para el lado alto de la figura 23 muestra su utilidad como combinación de recibidor de refrigerante y válvula de control. El refrigerante licuado que viene del condensador fluye hacia la cámara del flotador. Cuando aumenta el nivel del líquido en la cámara, el flotador abre la válvula de aguja. En esta posición el refrigerante fluye hacia la línea del líquido y sigue hasta el evaporador. El nivel al que se ajusta el flotador controla la cantidad de refrigerante líquido a presión baja que entra a la línea del líquido. El congelamiento o el sudor en la línea del líquido ocurren cuando se usa el flotador en el lado alto debido a la presión baja. Por esto es que se debe aislar la línea del líquido cuando el flotador se encuentra en la parte baja de un gabinete. Se puede evitar la formación de sudor colocando una restricción en la línea del líquido cerca del evaporador, figura 24. La restricción produce una presión intermedia en la línea del líquido. 48
FIG 23: SECCIÓN TRANSVERSAL DE UN FLOTADOR PARA EL LADO DE ALTA PRESIÓN
FIG 24: VÁLVULA DE PRESIÓN INTERMEDIA
Esta presión es aproximadamente 25 psig (1.7kg/ cm.2) mayor que la presión del lado bajo y es suficientemente alta para que la temperatura de saturación del líquido esté por arriba de la temperatura del punto de condensación del aire circundante. En aquellas aplicaciones del flotador en el lado alto en que la unidad se encuentra en la parte superior del refrigerador, cerca del evaporador, no se necesita válvula de presión intermedia. La línea del líquido está dentro del gabinete, por lo que hay un mínimo de sudoración o congelación. El nivel del refrigerante líquido en un sistema de flotador en el lado alto es crítico. Demasiado líquido origina la inundación de la línea del líquido; muy poco líquido produce un nivel bajo en el evaporador, lo que da por resultado una capacidad de absorción de calor más baja. Esto contrasta con el sistema de flotador en el lado bajo, donde el nivel del líquido en el recibidor puede estar en cualquier punto arriba de la salida a la línea del líquido o abajo de la entrada del condensador. 2.5 FLOTADOR EN EL LADO DE PRESIÓN BAJA. El sistema de flotador en el lado bajo recibe este nombre porque el flotador se encuentra en el lado de presión baja del sistema de refrigeración, figura 25. Se mantiene un nivel fijo para el refrigerante líquido en el evaporador mediante la posición delf1otador que abre, cierra y controla el flujo del refrigerante que pasa por una válvula de aguja. El flotador Y la válvula se conectan con una palanca que permite al flotador controlar el mecanismo de la válvula de “aguja". La abertura de la línea de succión interna está ubicada cerca de la parte superior de la cámara del flotador para permitir retirar el vapor más seco en ese punto y evitar la congelación en la línea de succión.
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Los conjuntos de flotador están diseñados con una cabeza desmontable o no desmontable.
FIG 25: CONTROL DE FLOTADOR EN EL LADO DE BAJA PRESIÓN
Como la gravedad específica de cada refrigerante varía, el flotador seleccionado debe: (1) poseer la flotabilidad correcta para el refrigerante que se emplee; (2) estar calibrado correctamente para mantener el refrigerante a un nivel constante y (3) estar en un evaporador que esté nivelado. Otra consideración importante es el nivel del aceite y el refrigerante, que debe ser apropiado para impedir que se inunde la línea de succión. Para los casos en que el aceite flota en la capa superior del refrigerante, el aceite se puede regresar al compresor a través de un orificio perforado en la línea de succión o por medio de una mecha. 2.6 TUBO CAPILAR O DE ESTRANGULACIÓN. Un tubo capilar es un conducto con diámetro interior muy pequeño. Este diámetro y la longitud del tubo controlan el flujo del refrigerante. El capilar es el punto divisor entre el lado alto y el lado bajo del sistema. El tubo capilar tiene la desventaja de no ser práctico para aplicaciones comerciales, porque no es tan sensible a los cambios de la carga como otros dispositivos de control. Esta condición existe porque no se puede modificar el orificio y la longitud del tubo después de haberse instalado. El diagrama de un sistema completo de refrigeración con un tubo capilar en la línea del líquido de la figura 27 ofrece una imagen mejor del tubo como dispositivo de control y medición del refrigerante. Otra ventaja del tubo capilar en los sistemas de refrigeración de tamaño pequeño es que sirve como control del líquido. 50
FIG 26: TUBO CAPILAR
FIG 27: POSICIÓN DEL TUBO CAPILAR EN EL SISTEMA
Cuando el compresor no está en operación, el tubo permite que se igualen las presiones, por lo que el compresor puede arrancar fácilmente. Esto significa que se pueden emplear motores menos costosos con bajo toque de arranque. También, como estos sistemas utilizan menos refrigerante y el costo de un tubo capilar es menor que el de otros controles, un sistema capilar es comparativamente barato y se produce con facilidad. Sin embargo, por el barreno de la tubería, la necesidad de mantener limpio y seco el refrigerante y la carga apropiada del refrigerante, es importante que (si es práctico) este sistema esté sellado herméticamente.
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3.0 VALVULAS DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA Debido a su capacidad para controlar el refrigerante y a su adaptabilidad a las muchas y variadas aplicaciones del ciclo de refrigeración, la válvula de expansión termostática ha jugado un papel importante en el continuo progreso de la industria de refrigeración y aire acondicionado y su tecnología. Como muchos otros componentes del sistema, el desarrollo de la válvula de expansión termostática, ha sido un resultado de la evolución técnica. En los primeros días de la refrigeración mecánica, el control del refrigerante se hacía con una válvula de aguja operada manualmente, la cual se sigue utilizando en la actualidad, sobre todo en sistemas de refrigeración con amoníaco. Mientras que este dispositivo proporcionaba alguna medida de control en aplicaciones donde la carga era constante, no respondía a otras condiciones que afectaban la cantidad de refrigerante que pasa a través de ella, tales como cambios de presión en el líquido causados por variaciones en la presión de descarga del compresor. De conformidad con esto, el uso de la válvula de expansión manual, figura 28, requiere supervisión constante donde una carga variable podría producir condiciones de falta de refrigerante en el evaporador, o una excesiva alimentación de líquido.
FIG 28: EVAPORADOR CON VÁLVULA DE EXPANSIÓN MANUAL.
El subsecuente desarrollo de un medio para superar esta dificultad, produjo lo que se conoció como la válvula de expansión automática. La descripción más precisa de este dispositivo sería: una válvula de control de la presión constante del evaporador, ya que mantenía una presión constante en la salida, a pesar de los cambios en la presión del líquido a la entrada, la carga u otras condiciones, según se muestra en la figura 29. La válvula de expansión automática fue un decidido progreso sobre la válvula de expansión manual. Mantenía la temperatura más constante y controlaba mejor la escarcha en la línea del evaporador. También, cerraba la línea de líquido cuando paraba el compresor, y evitaba el flujo excesivo al arrancar el mismo. Sin embargo, este dispositivo también tenía sus desventajas y limitaciones. Tendía a sobrealimentar 52
refrigerante al evaporador cuando la carga térmica era baja, o a no alimentar suficiente cuando la carga térmica era alta. Por lo tanto, la disminución de la temperatura era lenta; ya que no se aprovechaba el área completa del evaporador ni su capacidad, al arrancar el ciclo de refrigeración.
FIG 29: EVAPORADOR CON VÁLVULA DE EXPANSIÓN AUTOMÁTICA.
A fines de la década de los 20’s, se desarrolló un dispositivo que superaba las limitaciones que tenían los otros dos tipos de válvulas de expansión, la manual y la automática. A este dispositivo se le llamó válvula de expansión termostática. Originalmente, el propósito era que controlara el flujo de refrigerante líquido hacia el evaporador, de tal manera que lo mantuviera todo el tiempo activo; es decir, que el evaporador estuviera todo el tiempo lleno de refrigerante líquido para aprovechar al máximo la extracción de calor latente, aún con las variaciones de la carga térmica, y también, que cuando el compresor parara, se cerrara la válvula. Obviamente, si el evaporador está todo el tiempo lleno de líquido, no se tendría vapor sobrecalentado y ese líquido estaría regresando al compresor. En la actualidad sabemos que esto no es conveniente, y que a la salida del evaporador, el refrigerante debe de estar en forma de vapor y a una temperatura mayor que la de saturación. Esta es una de las funciones de la válvula de expansión termostática, mantener un sobrecalentamiento constante a la salida del evaporador. 3.1 DEFINICIONES. La válvula de expansión termostática o válvula de termoexpansión, es un dispositivo de medición diseñado para regular el flujo de refrigerante líquido hacia el evaporador, en la misma proporción en que el refrigerante líquido dentro del evaporador se va evaporando. Esto lo logra manteniendo un sobrecalentamiento predeterminado a la salida del evaporador (línea de succión), lo que asegura que todo el refrigerante líquido se evapore dentro del evaporador, y que solamente regrese al compresor refrigerante en 53
estado gaseoso. La cantidad de gas refrigerante que sale del evaporador puede regularse, puesto que la termo válvula responde a: 1. La temperatura del gas que sale del evaporador y, 2. La presión del evaporador. En conclusión, las principales funciones de una válvula de termo expansión son: reducir la presión y la temperatura del líquido refrigerante, alimentar líquido a baja presión hacia el evaporador, según la demanda de la carga, y mantener un sobrecalentamiento constante a la salida del evaporador. Debido a que en el nombre dado a este dispositivo se incluye la palabra «termo», se tiene la falsa idea de que se utiliza para controlar directamente la temperatura, y muchos técnicos intentan erróneamente controlar la temperatura del refrigerador, moviendo el ajuste de la válvula. El propósito de este capítulo es informar al lector sobre lo más importante relacionado con estos dispositivos: el principio del sobrecalentamiento - que es una de las funciones de la válvula de termo expansión, así como la teoría de operación, selección y aplicación adecuadas de estos dispositivos. Antes de estudiar en detalle las válvulas de termo expansión, es conveniente recordar algunos conceptos de refrigeración que están asociados con su funcionamiento: Línea de Succión. Es el tramo de tubería que une al evaporador con el compresor y por donde circula el vapor sobrecalentado o «Gas de Succión». Línea de Liquido. Es el tramo de tubería que une al Condensador con la VTE, y en el cual circula refrigerante líquido a alta presión. Temperatura de Saturación. Es la temperatura a la que se evapora el refrigerante dentro del evaporador. También se le conoce como temperatura de evaporación; en ese punto, el vapor y el líquido tienen la misma temperatura. Calor Latente de Evaporación. Es el calor recogido por el refrigerante al pasar de líquido a vapor. No hay aumento en la temperatura. Calor Sensible. Es el calor utilizado por el refrigerante para aumentar su temperatura, ya sea que esté en fase líquida o de vapor; es decir, por abajo o arriba de su temperatura de saturación. Cuando está en forma de vapor, este calor le ocasiona el sobrecalentamiento al refrigerante. Evaporación Completa. Es el punto dentro del evaporador en el que el refrigerante líquido se convierte a vapor. Este punto lo determina la cantidad de líquido que entra al evaporador. Después de este punto, el calor que recoge el vapor es calor sensible y es sobrecalentado.
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Relaciones entre temperatura y presión Para entender mejor el funcionamiento de una válvula de termo expansión, es fundamental entender lo que es el sobrecalentamiento, y para entender este último, se deben conocer las relaciones entre la presión y la temperatura para cualquier fluido. Cuando aplicamos calor a una sustancia y la presión permanece constante, la sustancia sufrirá algunos cambios, tales como variaciones en su temperatura o cambios de estado. En la figura 30, se muestran los cambios que ocurren cuando se le aplica calor a un kilogramo de agua que se encuentra originalmente a 0 °C y a la presión atmosférica: 1. La línea A-B representa el calor sensible, necesario para elevar la temperatura del líquido desde 0 °C (punto de congelación), hasta 100°C (punto de ebullición). Se requiere un total de 100 kilocalorías. 2. A partir de este punto ("B"), si se sigue agregando continuamente calor, la temperatura del agua no cambia, permanece en 100°C, lo que cambia es su estado pasando de líquido a vapor. Esta condición continúa hasta que se evapora la última gota de agua (punto "C"). El vapor producido durante la ebullición, tiene la misma temperatura que el líquido y se le conoce como vapor saturado. El calor total requerido para evaporar un kilogramo de agua es de 536 kilocalorías, y se conoce como calor latente de evaporación. 3. Si todo el vapor producido por el kilogramo de agua se sigue calentando, se elevará su temperatura arriba de 100°C. Este calor se llama sensible. La temperatura arriba de 100°C es el sobrecalentamiento y también se mide en grados. En el punto "D" de la figura, se muestra claramente que el vapor a 110°C y presión atmosférica es vapor que ha sido sobrecalentado 10°C.
FIG 30: EFECTO DEL CALOR SOBRE EL AGUA A LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA.
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3.2 EFECTOS DEL SOBRECALENTAMIENTO. Principios del sobrecalentamiento Para cualquier otro fluido diferente al agua, el comportamiento es similar, sólo que los cambios se llevan a cabo en un rango de temperaturas distinto. En la figura 31, se muestran los cambios que se llevan a cabo cuando se aplica calor al refrigerante 12. Como ya sabemos, la temperatura de ebullición del R-12, a la presión atmosférica, es de -30 °C. De manera similar que al agua, cuando todo el líquido se ha evaporado, cualquier cantidad de calor adicional, aumentará la temperatura del vapor por arriba de la de saturación, sobrecalentándolo. Como podemos ver en la figura 31, para aumentar la temperatura de un kilogramo de R-12 líquido desde -40 °C hasta -30 °C, su temperatura de ebullición, se requieren aproximadamente 3.9 kilocalorías. Para evaporar todo el kilogramo de R-12 se requerirán 39.4 kilocalorías más, lo que sería el calor latente de evaporación. Si el vapor formado se sigue calentando, el calor agregado sería calor sensible y sólo serviría para sobrecalentar el vapor. Así, si se eleva la temperatura del vapor hasta -25 °C, tendrá un sobrecalentamiento de (-30)-(-25), es decir, 5 °C. En conclusión, el sobrecalentamiento no es solamente una temperatura, es una diferencia de temperaturas. Su valor es igual a los grados de temperatura que el vapor tiene por arriba de la temperatura de saturación.
FIG 31: REFRIGERANTE 12 A LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA.
En la práctica real, los refrigerantes no se trabajan a la presión atmosférica, por lo que el ejemplo anterior, es solamente para ilustrar el principio del sobrecalentamiento. También hay que recordar que las relaciones entre la presión y la temperatura para un líquido, son directamente proporcionales; es decir, al aumentar la presión aumenta la temperatura y viceversa. 56
Cuando a un líquido se le reduce su presión, disminuye su punto de ebullición, y para evaporarlo, se requiere más calor. Por el contrario, cuando se aumenta la presión sobre el líquido, aumenta su temperatura de ebullición. En cada uno de estos puntos, tanto el líquido como el vapor, están en una condición de saturación. Si estas relaciones de presión-temperatura se grafican, al unir los puntos se obtienen las curvas de saturación. En la gráfica de la figura 32, se muestran las temperaturas de ebullición del R-22 a diferentes presiones. El eje horizontal representa la temperatura en °C, y el eje vertical representa la presión tanto en psig y pulgadas de mercurio, como en kiloPascales (kPa). Nótese cómo cambia la temperatura de saturación cuando cambia la presión; al aumentar la presión, se requiere mayor temperatura para hervir el refrigerante. Por ejemplo, a una presión de 600 kPa (72.3 psig) el R-22 hierve a 6 °C, y a una presión de 200 kPa (14.3 psig) hierve a -25 °C. Puesto que cada refrigerante tiene sus propias características de presión-temperatura, al graficarlas se obtendrán curvas diferentes.
FIG 32: PUNTOS DE EBULLICIÓN DEL R-22 A VARIAS PRESIONES.
Efectos del sobrecalentamiento en un sistema de refrigeración simple. Una vez definido el principio básico del sobrecalentamiento, lo que sigue a continuación es aplicarlo a un sistema de refrigeración simple, consistente de un compresor, un condensador, un tanque recibidor, un evaporador de expansión directa y el más simple de los dispositivos de control: una válvula de expansión manual. Para explicar el funcionamiento de la válvula de expansión, utilizaremos un sistema de refrigeración con R-134a. Si al inicio de la operación se abre ligeramente la válvula de expansión manual, alimentará al evaporador una pequeña cantidad de refrigerante líquido a baja presión y a baja temperatura, como se muestra en la figura 33. Como la temperatura del aire que pasa a través del serpentín, es más alta que la del refrigerante, este calor causará que primero se caliente y luego se evapore. 57
Como es poco el líquido que está entrando al evaporador, rápidamente se evaporará todo muy cerca de la entrada (punto A). Si la presión dentro del evaporador es de 18 psig (225 kPa), la temperatura de ebullición (saturación) correspondiente a esta presión será de -7 °C.
FIG 33: SISTEMA DE REFRIGERACIÓN CON ALTO SOBRECALENTAMIENTO.
Una vez en forma de vapor, el refrigerante seguirá su recorrido por el evaporador recogiendo calor sensible, el cual le aumentará su temperatura y lo sobrecalentará. En el punto B, se supone que su temperatura es de -1 °C por lo tanto, su sobrecalentamiento es de 6 °C. A la salida del evaporador (punto C), la temperatura del gas de succión es de 10 °C, por lo que el sobrecalentamiento será la diferencia entre esta temperatura y la de saturación, correspondiente a 18 psig; es decir, 10 - (-7) =17 °C. Hasta aquí, se pueden observar dos cosas: el sobrecalentamiento es muy alto, ya que para un sistema de este tipo lo normal sería de 5 ó 6 °C. Por otro lado, no se está aprovechando al máximo la superficie del evaporador para recoger calor latente, debido a que el refrigerante se evapora casi en la entrada y recorre la mayor parte en forma de vapor, recogiendo calor sensible. Por lo tanto, es necesario alimentar una mayor cantidad de líquido. Para esto, es necesario abrir un poco más la válvula de expansión manual. Al entrar más líquido al evaporador, aumentará la presión de succión de 18 a 21 psig, ya que aumenta la carga en el compresor, y por lo tanto, aumenta la temperatura de saturación como se muestra en la figura 34. Si el aumento del flujo de líquido es tal, que se evapora todo en el punto B, el vapor formado recorre menos distancia dentro del evaporador y su sobrecalentamiento será menor. Si la temperatura del gas de succión en el punto C es de 5 °C, el sobrecalentamiento será de (5)-(-5)=10 °C, el cual todavía es alto. 58
FIG 34: AUMENTAR EL FLUJO REDUCE EL SOBRECALENTAMIENTO.
Si nuevamente abrimos la válvula de expansión manual, pero esta vez lo suficiente para que el evaporador se llene de líquido, como se muestra en la figura 35, se presentarán las siguientes condiciones: aumentan la presión y la temperatura, se reduce la capacidad del compresor, se desperdicia refrigerante y no hay sobrecalentamiento, ya que el refrigerante sale a la misma temperatura que entra. Pero lo más preocupante es la probabilidad de un daño al compresor, a causa del regreso de refrigerante líquido.
FIG 35: DEMASIADO FLUJO PROVOCA REGRESO DE LÍQUIDO AL COMPRESOR.
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Por todo lo anterior, se concluye que la condición más adecuada a que debe funcionar un evaporador, es que se evapore totalmente el refrigerante un poco antes de salir de éste. De esta manera, se aprovechará al máximo la superficie de transmisión de calor latente, y se asegurará que al compresor le llegue únicamente vapor sobrecalentado. En la figura 36 se muestra esta condición, donde se puede apreciar que el sobrecalentamiento es de 5 °C, lo cual es un valor aceptable.
FIG 36: UN FLUJO ADECUADO DÁ UN SOBRECALENTAMIENTO CORRECTO.
Antiguamente, cuando la válvula de expansión manual era el único dispositivo de control disponible, era muy complicado y tedioso mantener esta condición en el evaporador, debido a las variaciones en la carga térmica. Un operador debía estar casi permanentemente abriendo o cerrando la válvula para mantener el sobrecalentamiento adecuado. En la actualidad, con la válvula de termo expansión se puede lograr una condición muy aproximada a la ideal, ya que regula de manera automática la alimentación de refrigerante al evaporador, manteniendo un sobrecalentamiento casi constante en la salida.
FIG 37: VÁLVULA DE TERMOEXPANSIÓN INSTALADA A LA ENTRADA DEL EVAPORADOR.
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Como se muestra en la figura 37, para que la VTE funcione adecuadamente, el bulbo sensor deberá instalarse en una posición correcta en la línea de succión, a la salida del evaporador. Partes principales Las partes principales de una válvula de termo expansión son: el bulbo remoto, el diafragma, las varillas de empuje, el asiento, la aguja, el resorte, la guía del resorte y el vástago de ajuste. La figura 38, es un dibujo de corte transversal de una VTE típica, mostrando la ubicación de estas partes principales. El vástago de ajuste sirve para variar la presión del resorte. Si se gira en el sentido del reloj, aumenta la tensión del resorte, y por lo tanto, su presión; si se gira en el sentido contrario, disminuye la presión del resorte.
FIG 38: CORTE DE UNA VÁLVULA DE TERMO EXPANSIÓN TÍPICA Y SUS PARTES PRINCIPALES.
Principios de operación Observando detenidamente la figura 37, se puede ver que el bulbo remoto está conectado a la parte superior de la VTE mediante un tubo capilar. El bulbo se ubica en la línea de succión, justo a la salida del evaporador. El bulbo y el capilar contienen un fluido (carga) que puede ser líquido o gaseoso, el cual «siente» la temperatura del gas de succión que pasa por este punto. En esta posición, el bulbo y el fluido dentro de éste, tienen aproximadamente la misma temperatura del gas de succión. Los cambios de temperatura causan que aumente o disminuya la presión del fluido dentro del bulbo. Observando ahora la figura 38, la presión del bulbo es ejercida sobre la parte superior del diafragma; éste a su vez, transmite ese movimiento a la parte superior del porta 61
aguja mediante las varillas de empuje. Por otro lado, un resorte ejerce una fuerza en la parte inferior del porta aguja, la cual se opone a la del bulbo. Una vez en operación, el funcionamiento de la VTE es de la siguiente manera: cuando aumenta la presión del bulbo, el diafragma es empujado hacia abajo, las varillas de empuje «empujan» el porta aguja, vencen la fuerza del resorte y alejan la aguja del asiento, abriendo de esta manera la válvula y permitiendo el paso de líquido hacia el evaporador. Cuando disminuye la presión del bulbo, la fuerza del resorte es mayor que la del bulbo y empuja el porta aguja acercando la aguja al asiento, con lo cual se cierra la válvula y disminuye el flujo de líquido hacia el evaporador. Por lo anterior, pudiera deducirse que en la operación de una válvula de termo expansión actúan dos presiones: la del bulbo oponiéndose a la del resorte. En realidad, en la operación de una válvula de termo expansión intervienen tres presiones fundamentales: la presión del bulbo, la presión del resorte y la presión del EVAPORADOR. En la figura 39, se ilustra cómo actúan estas tres presiones fundamentales. La presión del bulbo actúa en la parte superior del diafragma y tiende a abrir la válvula, la presión del resorte y la del evaporador actúan en la parte inferior del diafragma y tienden a cerrar la válvula. Para que haya un equilibrio entre estas tres presiones, la presión del bulbo debe ser igual a la suma de las presiones del evaporador y del resorte.
FIG 39: LAS TRES PRESIONES FUNDAMENTALES EN UNA VÁLVULA DE TERMOEXPANSIÓN.
Como se mencionó arriba, la carga del bulbo está a la misma temperatura que el gas de succión, y si el gas de succión está sobrecalentado, entonces la temperatura de la carga es mayor que la de saturación; es decir, la temperatura de la carga del bulbo es la suma de la temperatura de saturación más la del sobrecalentamiento.
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De esta manera, la presión del bulbo (P1) es mayor que la del evaporador (P2). Si el sobrecalentamiento es lo suficientemente alto, la presión del bulbo superará a la del resorte (P3) y abrirá la válvula. Aquí podemos ver que la presión de saturación aparece tanto sobre el diafragma (en la presión del bulbo), como debajo de éste (presión del evaporador). Y, puesto que estas presiones se oponen una contra otra y son equivalentes, se cancelan. Por lo tanto, es evidente que los dos factores que actúan para regular la válvula de termo expansión, son la presión del resorte y el sobrecalentamiento. Estos dos factores que se oponen, mantienen un delicado balance de presiones en ambos lados del diafragma, permitiendo que la válvula opere con cargas ligeras, al igual que con cargas pesadas en el evaporador. En la práctica, la válvula de termo expansión es, en efecto, un regulador del sobrecalentamiento. Es muy frecuente oír decir a los técnicos «abrí» o «cerré» la válvula de expansión, refiriéndose a que movieron el vástago de ajuste. Como ya se mencionó, al girar el vástago en el sentido del reloj aumenta la presión del resorte, venciendo a la del bulbo y la válvula tiende a cerrar; por lo que se requiere más sobrecalentamiento para aumentar la presión del bulbo y contrarrestar la del resorte, para que de ésta manera abra la válvula. Inversamente, cuando se gira el vástago en el sentido contrario del reloj, disminuye la presión del resorte, siendo superada por la del bulbo y la válvula tiende a abrir, y para que cierre, se requiere que disminuya el sobrecalentamiento. Cuando aumenta la carga térmica en el evaporador, el refrigerante alimentado por la válvula no es suficiente y se sobrecalienta, esto aumenta la presión del bulbo y hace que la válvula abra más, permitiendo que pase más líquido. Por el contrario, si la carga térmica en el evaporador disminuye, el refrigerante que está alimentando la válvula no se alcanza a evaporar y disminuye su sobrecalentamiento; esto hace que reduzca la presión del bulbo, se cierre la válvula y se reduzca el flujo de líquido. Es importante mencionar que al variar la carga térmica del evaporador, también varía la presión dentro del mismo. Si aumenta la carga, disminuye la presión, y si disminuye la carga, se reduce la presión. En la figura 40, se muestra un ejemplo muy representativo de las condiciones de un sistema con R-134a. El resorte de la válvula de termo expansión ha sido ajustado de fábrica a una presión de 11 psig (libras por pulgada cuadrada manométricas) y la presión del evaporador es de 34 psig. La suma de estas dos presiones ejercen una fuerza de 45 psig, la cual tiende a cerrar la válvula. Si el bulbo está cargado con el mismo refrigerante del sistema, para que las presiones en ambos lados del diafragma se equilibren, se requerirá una presión de 45 psig en el bulbo.
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Para que el bulbo tenga una presión de 45 psig, debe de estar a una temperatura de 10 °C, si la temperatura de saturación del refrigerante en el evaporador es de 4 °C, es necesario tener un sobrecalentamiento de 6 °C. Las temperaturas y presiones de saturación correspondientes se pueden consultar en la tabla 12.9 del capítulo de refrigerantes. Al arrancar el compresor después de un período prolongado de estar parado, disminuye rápidamente la presión del evaporador y la presión del bulbo es mayor que la del resorte, la válvula abre y permite el paso de refrigerante líquido al evaporador.
FIG 40: PRESIONES Y TEMPERATURAS TÍPICAS EN UN SISTEMA CON R-134A.
Si todo este líquido se evapora y se sobrecalienta antes de salir del evaporador, esto aumenta la presión del bulbo y hace que la válvula se mantenga abierta. El equipo seguirá enfriando hasta que la temperatura del espacio refrigerado baje lo suficiente, disminuyendo la carga térmica y haciendo que el refrigerante líquido dentro del evaporador no alcance a evaporarse y llegue líquido hasta el punto donde se encuentra ubicado el bulbo. Al no haber sobrecalentamiento, la presión del bulbo disminuye y el resorte cierra la válvula parcial o totalmente. Así permanecerá hasta que aumente el sobrecalentamiento de nuevo y la presión del bulbo abra la válvula, aumentando el flujo de refrigerante líquido hacia el evaporador. 3.3 CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DEL EVAPORADOR. Para simplificar la explicación de los principios de operación de las válvulas de termo expansión, hasta ahora hemos supuesto que no hay caída de presión a través del evaporador; es decir, que la presión de evaporación es constante y que es igual a la entrada y a la salida del evaporador. Sin embargo, con evaporadores grandes en la operación real, existe una caída de presión a través de éstos, siendo un factor que debe considerarse, ya que es una de las presiones que actúan por debajo del diafragma. Cuando el evaporador del sistema es pequeño, la caída de presión es nula o mínima, por lo que es ignorada. En esta situación, la presión que se utiliza para que actúe por debajo del diafragma es la de la entrada, puesto que es la misma que la de la salida. En evaporadores grandes sí existe caída de presión. 64
Esta caída de presión es medible y puede ser causada por varios factores, tales como el diámetro y longitud de los tubos, el número de vueltas, restricciones en los retornos, el número de circuitos, algunos tipos de distribuidores de refrigerante, la cantidad de flujo de refrigerante, la fricción, etc. Cuando la caída de presión alcanza proporciones problemáticas, la presión que se debe de aplicar por debajo del diafragma, es la más baja; es decir, la de la salida del evaporador. 3.3.1. IGUALADOR INTERNO
Como ya se mencionó, en sistemas pequeños donde no se considera caída de presión a través del evaporador, la presión del evaporador que se usa para que actúe debajo del diafragma es la de la entrada. Para esto, las válvulas empleadas, tienen maquinado un conducto interno que comunica el lado de baja presión de la válvula con la parte inferior del diafragma. A este conducto se le conoce como «igualador interno». En la figura 41 se muestra un dibujo de una válvula con igualador interno. En algunos tipos de válvulas, la presión del evaporador también se aplica bajo el diafragma, a través de los conductos de las varillas de empuje, además del igualador interno.
FIG 41: VÁLVULA CON IGUALADOR INTERNO.
3.3.2. IGUALADO EXTERNO
Tal como se mencionó antes, cuando existe caída de presión a través del evaporador, la presión que debe actuar bajo el diafragma es la de la salida del evaporador; por lo que una válvula con igualador interno no operaría satisfactoriamente, como se explicará más adelante. Las válvulas que se utilizan en estos casos, son válvulas con «igualador externo». Como se puede apreciar en la figura 42, en este tipo de válvulas el igualador no 65
comunica al diafragma con la entrada del evaporador, sino que este conducto se saca del cuerpo de la válvula mediante una conexión, la cual generalmente es de ¼". Además, es necesario colocar empaques alrededor de las varillas de empuje, para aislar completamente la parte inferior del diafragma de la presión a la entrada del evaporador. Una vez instalada la válvula, esta conexión se comunica a la línea de succión mediante un tubo capilar, para que la presión que actúe debajo del diafragma, sea la de la salida del evaporador.
FIG 42: VÁLVULA DE TERMO EXPANSIÓN CON IGUALADOR EXTERNO.
Una caída de presión se traduce en una caída de temperatura. Si la caída de presión provoca en el evaporador una caída de temperatura mayor de 2 °C en el rango de aire acondicionado, de 1 °C en temperatura media y de 0.5 °C en baja temperatura, cuando se está utilizando una válvula con igualador interno, esto mantendrá a la válvula en una posición restringida, reduciendo la capacidad del sistema. En estos casos se debe de utilizar una válvula con igualador externo. El evaporador deberá estar diseñado o seleccionado conforme a las condiciones de operación; la válvula de termo expansión debe ser seleccionada y aplicada de acuerdo a lo que se ha visto. Para explicar lo anterior, veamos qué sucede realmente en un evaporador alimentado por una válvula de termo expansión con igualador interno, donde existe una caída de presión medible de 10 psig, como se muestra en la figura 43. La presión en el punto "C" es 33 psig o sea, 10 psi menos que en la salida de la válvula, punto "A"; sin embargo, la presión de 43 psig en el punto "A" es la presión que está actuando en la parte inferior del diafragma en la dirección de cierre. Con el resorte de la válvula ajustado a una compresión equivalente a un sobrecalentamiento de 6°C o a una presión de 10 psig, la presión requerida arriba del diafragma para igualar las fuerzas es de (43 + 10) ó 53 psig. 66
Esta presión corresponde a una temperatura de saturación de -2°C. Es evidente que la temperatura del refrigerante en el punto "C" debe ser -2°C, si es que la válvula ha de estar en equilibrio. Puesto que la presión en este punto es de sólo 33 psig y la temperatura de saturación correspondiente es de -12°C, se requiere un sobrecalentamiento de (-2) - (-12) o sea, de 10°C para abrir la válvula. Este alto sobrecalentamiento de 10°C requerido para abrir la válvula, hace necesario utilizar más superficie del evaporador para producir este gas refrigerante sobrecalentado. Por lo tanto, se reduce la cantidad de superficie del evaporador, disponible para la absorción de calor latente de evaporación del refrigerante; produciéndose una insuficiencia de refrigerante, antes de alcanzar el sobrecalentamiento requerido.
FIG 43: VÁLVULA DE TERMO EXPANSIÓN CON INGUALADOR INTERNO EN UN EVAPORADOR CON UNA CAÍDA DE PRESIÓN DE 10 PSI. R-22.
Puesto que la caída de presión a través del evaporador, la cual causó esta condición de sobrecalentamiento elevado, aumenta con la carga debido a la fricción, este efecto de "restricción" o "insuficiencia" aumenta cuando la demanda sobre la capacidad de la termo válvula es mayor. 3.3.3. USOS DEL IGUALADOR EXTERNO
A fin de compensar una caída de presión excesiva a través del evaporador, la válvula de termo expansión tiene que ser del tipo con igualador externo, con la línea del igualador conectada ya sea en el evaporador en un punto más allá de la mayor caída de presión, o en la línea de succión, junto al bulbo remoto del lado del compresor. En general, y como un método práctico, la línea del igualador deberá conectarse a la línea de succión a la salida del evaporador. Si se usa una válvula de termo expansión del tipo con igualador externo, con la línea del igualador conectada a la línea de succión, se ejercerá la verdadera presión de la salida del evaporador debajo del diafragma de la termo válvula. Las presiones de 67
operación sobre el diafragma de la válvula, ahora están libres de cualquier efecto de caída de presión a través del evaporador, y la termo válvula responderá al sobrecalentamiento del gas refrigerante que sale del evaporador. Cuando existen las mismas condiciones de caída de presión en un sistema con una válvula de termo expansión, la cual tiene la característica de igualador externo (ver figura 44), existe la misma caída de presión a través del evaporador; sin embargo, la presión abajo del diafragma es ahora la misma que a la salida del evaporador, punto "C", es decir, 33 psig. La presión requerida arriba del diafragma para el equilibrio es de 33 + 10, o sea 43 psig. Esta presión de 43 psig, corresponde a una temperatura de saturación de -7°C y el sobrecalentamiento requerido ahora es de (-7) - (-12) = 5°. El uso de un igualador externo ha reducido el sobrecalentamiento de 10° a 5°. Por lo tanto, la capacidad de un sistema con un evaporador que presenta una caída de presión considerable, se incrementará mediante el uso de una válvula de termo expansión con igualador externo, en comparación con el uso de una válvula igualada internamente.
FIG 44: VÁLVULA DE TERMO EXPANSIÓN CON IGUALADOR EXTERNO EN UN EVAPORADOR CON UNA CAÍDA DE PRESIÓN DE 10 PSI CON R-22.
Cuando la caída de presión a través de un evaporador excede los límites previamente definidos, o cuando se utiliza un distribuidor de refrigerante a la entrada del evaporador, la válvula de termo expansión deberá tener la característica con igualador externo, para un mejor desempeño. Hasta este momento, los diagramas utilizados en esta sección han mostrado la válvula de termo expansión del tipo de una sola salida. Aunque un evaporador de circuitos múltiples en sí, puede no tener una caída de presión excesiva, el dispositivo usado para obtener la distribución del líquido, introducirá una caída de presión que limitará la acción de la termo válvula sin igualador externo, porque el distribuidor está instalado entre la salida de la válvula y la entrada del evaporador, figura 45. 68
FIG 45: VÁLVULA DE TERMO EXPANSIÓN CON DISTRIBUIDOR DE REFRIGERANTE USADO CON R-12.
3.3.4. APLICACIÓN DEL IGUALADOR EXTERNO
La temperatura del evaporador y el refrigerante utilizado determinan el nivel de caída de presión, con el que una válvula con igualador interno puede funcionar sin problemas. Debido a que existe un desacuerdo general sobre este punto, las siguientes recomendaciones pueden usarse como una guía: 1. Se requiere una válvula de termo expansión con igualador externo, cuando un evaporador está sujeto a una caída de presión mayor de 3 psi en aplicaciones de alta temperatura, 2 psi en aplicaciones de temperatura media y 1 psi en aplicaciones de baja temperatura. 2. Cuando se use un distribuidor de refrigerante, siempre utilice una válvula con igualador externo. Dependiendo de la marca, tamaño y número de salidas, la caída de presión a través del distribuidor sólo puede estar en el rango de 5 a 30 psi. 3. En general, se debe instalar una válvula con igualador externo, cuando la caída de presión entre la entrada del evaporador y la línea de succión, donde está ubicado el bulbo, exceda los valores máximos mostrados en la tabla 3.1. En esta tabla, se puede observar que al disminuir la temperatura de evaporación, también disminuye la máxima caída de presión que se tolera entre la salida de la válvula y la ubicación del bulbo, sin una pérdida de capacidad seria para la válvula con igualador interno. Por supuesto que existen aplicaciones que empleen satisfactoriamente el igualador interno cuando haya presente una caída de presión alta, pero esto tendría que ser verificado por pruebas de laboratorio. Los requerimientos generales para la mayoría de los sistemas instalados en el campo se, cubren adecuadamente con las recomendaciones de la tabla 3.1. 69
TABLA 3.1 - MÁXIMAS CAÍDAS DE PRESIÓN PARA VÁLVULA DE TERMOEXPANSIÓN CON IGUALADOR INTERNO.
3.3.5. UBICACIÓN DEL IGUALADOR EXTERNO
Como se mencionó anteriormente, la línea del igualador externo deberá instalarse en la línea de succión, más allá del punto de mayor caída de presión. Puesto que puede ser difícil determinar este punto, como regla general, es más seguro conectar la línea del igualador externo en la línea de succión a la salida del evaporador, junto al bulbo remoto, del lado del compresor (ver figuras 44 y 45). De esta forma, la temperatura del bulbo no se verá afectada por la pequeña cantidad de refrigerante que pueda estar presente en la línea del igualador, en caso de una pequeña fuga por el empaque de las varillas de empuje. Cuando se instala en este punto, se evitará cualquier efecto de caída de presión entre la salida de la válvula y la línea de succión. Cuando se conecte el igualador externo a una línea de succión horizontal, siempre se debe hacer en la parte superior, para evitar acumulación de aceite en la línea del igualador. Cuando se sabe que la caída de presión a través del evaporador, está dentro de los límites definidos en la tabla 3.1, se permite instalar la conexión del igualador externo en uno de los dobleces de retorno, a la mitad del evaporador. Tal ubicación del igualador, proporcionará un control más suave de la válvula, particularmente cuando la válvula de termo expansión se usa en conjunto con un regulador de presión del evaporador. Sin embargo, en todos los casos donde se instale cualquier tipo de válvula de control en la línea de succión, la conexión del igualador externo NUNCA deberá ubicarse después de tal dispositivo, sino que deberá conectarse del lado del evaporador de esa válvula o control. Una conexión ubicada incorrectamente, interferirá seriamente con la operación eficiente de la válvula de termo expansión. Una válvula de tipo con igualador externo, no operará correctamente, si no va conectada a la línea del igualador. Cuando se instale una válvula con igualador externo conecte la línea, NUNCA coloque un tapón en la conexión del igualador. En sistemas de evaporadores múltiples, donde cada evaporador es alimentado individualmente por una válvula de termo expansión, los igualadores externos de esas válvulas, NUNCA se deben unir en una línea común y conectarse a la línea de succión 70
principal. La línea del igualador externo de cada válvula, deberá instalarse en un punto donde los cambios de presión no afecten el funcionamiento de esa válvula, como se muestra en la figura 46. Si las líneas de succión desde la salida de cada evaporador hasta la succión principal, son muy cortas, entonces se recomienda conectar las líneas del igualador al cabezal de succión de su respectivo evaporador.
FIG 46: UBICACIÓN CORRECTA DE LOS IGUALADORES EXTERNOS EN UN SISTEMA DE MÚLTIPLES EVAPORADORES.
Si en la situación anterior, el compresor cuenta con control de capacidad, entonces puede hacerse una excepción y las líneas de los igualadores de cada válvula pueden unirse en una línea común, y conectarse a la succión principal, como se muestra en la figura 47. Las válvulas de solenoide instaladas antes de las válvulas de expansión, están conectadas eléctricamente al sistema de control de capacidad del compresor, de tal manera que conforme se va reduciendo la capacidad del compresor, estas se van desenergizando, quedando en operación únicamente las necesarias de acuerdo al porcentaje de capacidad a que esté operando el compresor. Al incrementarse la capacidad del compresor, se van energizando las válvulas de solenoide, permitiendo el paso de refrigerante a los otros evaporadores, como se muestra en la figura 47. Dependiendo de los porcentajes de reducción de capacidad y del número de evaporadores, se pueden hacer muchos arreglos y combinaciones a este sistema.
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FIG 47: INSTALACIÓN RECOMENDADA EN SISTEMAS DE EVAPORADORES MÚLTIPLES, CUANDO EL COMPRESOR CUENTA CON CONTROL DE CAPACIDAD.
En la figura 48, se muestra otra variante de este método. Dos válvulas de termo expansión con sus respectivos distribuidores, alimentan un solo evaporador. Cada circuito del evaporador está alimentado por dos circuitos de los distribuidores (uno de cada distribuidor). Las válvulas de solenoide están conectadas al sistema de modulación de capacidad del compresor, y son accionadas eléctricamente al variar éste. Habrá algunos casos en que la línea del igualador externo, esté conectada en alguna de las vueltas del centro del serpentín o en la entrada del evaporador. Esto lo determinará el fabricante del evaporador o de la unidad, y es solamente el resultado de pruebas operacionales, buscando una posición donde la válvula tenga un mejor control y que sea más eficiente. No deberá intentarse hacer esto al ensamblar un sistema en el campo.
FIG 48: UN SOLO EVAPORADOR ALIMENTADO POR DOS VTE CUANDO EL COMPRESOR CUENTA CON CONTROL DE CAPACIDAD.
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3.3.6. UBICACIÓN DEL BULBO REMOTO
Puesto que el funcionamiento del evaporador depende grandemente del buen control de la válvula de termo expansión, y este buen control de la válvula depende de la respuesta a los cambios de temperatura del gas que sale del evaporador, se debe tener mucho cuidado con los tipos de bulbos remotos y su colocación. La buena retroalimentación de la temperatura del gas de succión es vital, para que la válvula de termo expansión mantenga ese control. La ubicación del bulbo remoto es tan importante como la selección de la válvula adecuada; de otra forma, afectará de manera adversa la operación de la válvula. Existen dos formas de instalar los bulbos remotos: mediante abrazaderas o en termopozos, siendo más común la primera. A continuación se dan algunas recomendaciones de instalación del bulbo remoto mediante abrazaderas. El bulbo debe sujetarse firmemente a la línea de succión, lo más cerca posible de la salida del evaporador, en un tramo horizontal. Si se usa más de una termo válvula en evaporadores adyacentes o secciones de evaporadores, asegúrese que el bulbo remoto de cada válvula esté aplicado a la línea de succión del evaporador alimentado por esa válvula. (Ver figura 43).
FIG 49: UBICACIÓN DEL BULBO REMOTO EN LÍNEAS DE SUCCIÓN Y MENORES DE 7/8" DE DIÁMETRO.
La línea de succión debe limpiarse completamente, antes de sujetar el bulbo en su lugar. Cuando la línea de succión es de fierro, es aconsejable pintarla con pintura de aluminio, para reducir cualquier corrosión futura o contacto deficiente con la línea. En tuberías de succión menores de 7/8" de diámetro, hay relativamente poca diferencia en donde se monte el bulbo alrededor de la circunferencia, puesto que la temperatura en cualquier posición es casi la misma. Generalmente, la posición preferida en líneas pequeñas, es la parte superior como se muestra en la figura 49; o sea, en el 12 del reloj. En líneas de succión de 7/8" a 1-5/8" 73
de diámetro, puede haber ocasionalmente alguna variación en la temperatura alrededor de la circunferencia, por lo que por resultados experimentales, el bulbo deberá instalarse en la posición cercana al 10 o al 2 del reloj, tal como se ilustra en la figura 50. En líneas de succión mayores de 2" de diámetro, se recomienda instalar el bulbo en una posición aproximada al 4 ó al 8 del reloj, tal como se muestra en la figura 51.
FIG 50: UBICACIÓN DEL BULBO REMOTO EN LÍNEAS DE SUCCIÓN DE 7/8" A 1-5/8" DE DIÁMETRO.
En realidad, más importante que la ubicación física del bulbo alrededor de la tubería es el contacto térmico entre el bulbo y la línea de succión; así como el diseño de la tubería de succión.
FIG 51: UBICACIÓN DEL BULBO REMOTO EN LÍNEAS DE SUCCIÓN MAYORES DE 2" DE DIÁMETRO.
Asegúrese de fijar bien las abrazaderas, de modo que el bulbo remoto haga buen contacto con la línea de succión, sin apretar en exceso para no dañar el bulbo. Nunca se debe instalar el bulbo en la parte inferior de la línea de succión; es decir, a las 6 en 74
punto del reloj, porque en esta ubicación puede sentir la temperatura del aceite, el cual fluye por el fondo de la línea horizontal y su temperatura puede ser diferente que la del gas, lo que ocasionará que la válvula opere erráticamente. Si el bulbo se coloca fuera del espacio refrigerado, se requiere protección adicional de la temperatura ambiente. Si es necesario proteger al bulbo remoto del efecto de una corriente de aire, después de fijarlo con las abrazaderas en la línea, utilice un material aislante que no absorba agua con temperaturas del evaporador arriba de 0°C. Para temperaturas menores de 0°C, se sugiere emplear corcho o algún material similar sellante contra la humedad, para prevenir la acumulación del hielo en la ubicación del bulbo. No se recomienda el uso de fieltro. Cuando el bulbo se vaya a ubicar bajo el nivel de agua o salmuera en un serpentín sumergido, utilice un material a prueba de agua que no requiera calentarse arriba de 50°C al aplicarlo, esto para proteger el bulbo remoto y el tubo del bulbo. Nunca aplique calor cerca de la ubicación del bulbo sin antes retirarlo. Debe asegurarse también que el tramo de la línea de succión donde va ubicado el bulbo, tenga una ligera pendiente para que haya un libre drenaje. De la misma manera, el bulbo no debe ubicarse donde exista una trampa en la línea de succión. Si el evaporador o varios evaporadores están instalados en un nivel más alto que el compresor, existen dos maneras de hacer el arreglo de la tubería, como se muestra en la figura 52.
FIG 52: UBICACIÓN CORRECTA DEL BULBO Y ARREGLO DE LA TUBERÍA CUANDO EL EVAPORADORE ESTÁ POR ENCIMA DEL NIVEL DEL COMPRESOR.
Si el sistema cuenta con un control de vaciado del evaporador por medio del uso de una válvula solenoide (pump down), se puede conectar la línea de succión directamente abajo del compresor, sin la trampa. Si no se cuenta con el control de vaciado, la línea de succión deberá tener una trampa después del bulbo, antes de subir verticalmente a otra trampa invertida, aproximadamente a la misma altura del evaporador. 75
Esto es con el objeto de evitar que el refrigerante o el aceite drenen hacia el compresor por gravedad durante los ciclos de paro. Esto no evita que durante los ciclos de paro el refrigerante abandone el evaporador y se condense en el compresor, si éste o la línea de succión están a más baja temperatura. Cuando los evaporadores están por abajo del nivel del compresor, deberá hacerse una trampa antes de subir verticalmente, y la conexión a la línea de succión principal deberá ser por la parte de arriba, como se muestra en la figura 48. Cuando hay evaporadores arriba y abajo del compresor, el arreglo de la tubería deberá hacerse, de tal manera que el flujo de una válvula no afecte al bulbo de otra válvula, como se indica en la figura 53.
FIG 53: UBICACIÓN CORRECTA DE LOS BULBOS Y ARREGLO DE LA TUBERÍA CUANDO HAY EVAPORADORES ARRIBA Y ABAJO DEL NIVEL DEL COMPRESOR.
3.3.7. TERMOPOZO PARA BULBO REMOTO
Cuando se quiera incrementar la sensibilidad del bulbo remoto a un cambio en la temperatura del gas refrigerante proveniente del evaporador, puede ser necesario utilizar un termopozo para el bulbo remoto. Esto es particularmente cierto para instalaciones compactas e instalaciones con líneas de succión grandes (2-1/8" diámetro ext. o más grandes).
FIG 54: UBICACIÓN DEL BULBO REMOTO EN UN TERMOPOZO.
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Los termopozos para bulbo remoto deberán usarse: (1) cuando se desean sobrecalentamientos muy bajos y (2) cuando el calor por convección de un cuarto caliente puede influenciar el bulbo remoto. (Ver figura 54). 3.3.8. FLUCTUACIÓN (OSCILACIÓN O CICLEO)
En muchas instalaciones existe la posibilidad de una condición llamada FLUCTUACION, que es una variación continua en la cantidad de refrigerante alimentado por la válvula. Primero no alimenta suficiente, y después, alimenta demasiado. Cuando existe un solo compresor y un solo evaporador en el sistema, la fluctuación provoca una variación tanto en la presión de succión como en el sobrecalentamiento. Cuando en un sistema con un solo compresor y varios evaporadores, si el compresor tiene control de capacidad, puede resultar una fluctuación que se detecta a través de la variación en la temperatura del bulbo. Normalmente, sólo hay un ligero cambio en la presión de succión o ninguno. La fluctuación puede resultar de uno o varios factores relacionados con el diseño del sistema, la instalación o el equipo. Algunas de las causas que pueden inducir una condición de fluctuación son: grandes variaciones en la presión de descarga, cambios rápidos en la carga del evaporador, humedad o ceras suficientes para tapar la válvula o una deficiente distribución de refrigerante. Una razón para que se presente una fluctuación, y quizás la más importante, es que todos los evaporadores tienen un tiempo de retardo. El diseño básico del serpentín hace que algunos evaporadores sean más susceptibles que otros a este problema. Algunos evaporadores tienen un trayecto muy corto y el refrigerante fluye a través de ellos en unos cuantos segundos. Otros tienen una trayectoria muy larga, requiriéndose varios minutos para que el refrigerante fluya a través de ellos. Durante este intervalo, la válvula de termo expansión teóricamente está fuera de control, porque está alimentando en la entrada del evaporador, pero controlando de la temperatura del bulbo a la salida. Es casi como decir que está tratando de controlar algo que ya ha sucedido (figura 55). Desafortunadamente, se ha vuelto una práctica común decir que la válvula de termo expansión es la que fluctúa u oscila. Deberíamos decir que es el sistema el que está fluctuando y oscilando, puesto que la causa no es la válvula de termo expansión sola, sino una combinación de muchos factores en el sistema. Con la fluctuación, cada vez que la válvula abre, baja el sobrecalentamiento, aumenta el flujo en la succión y se puede regresar líquido al compresor.
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FIG 55: UNA DE LAS CAUSAS MÁS COMUNES DE LA FLUCTUACIÓN: EL TIEMPO DE RETARDO.
Cuando la válvula modula y cierra, aumenta el sobrecalentamiento, baja la presión de succión y no se alimenta suficiente refrigerante al evaporador. Es obvio que la fluctuación continua en la presión de succión, reduce la eficiencia del sistema. La magnitud de la fluctuación está influenciada por: 1. Longitud y diámetro de los circuitos. 2. Carga por circuito. 3. Velocidad del refrigerante. 4. Distribución de aire sobre el evaporador. 5. Ubicación de la válvula y el bulbo. 6. Capacidad de la válvula vs la carga. 7. El tipo de carga del elemento de poder. La fluctuación u oscilación puede eliminarse o reducirse, si se toman las siguientes precauciones: 1. Diseñe o seleccione el evaporador con un paso de refrigerante tan corto como sea posible, consistente con buena transferencia de calor. 2. Seleccione la ubicación de la válvula y el bulbo que sean más favorables. 3. Seleccione las válvulas que tengan la capacidad más favorable con relación a la carga. 4. Seleccione la carga adecuada del elemento de poder. 3.3.9. OPERACIÓN A LA CAPACIDAD REDUCIDA
La válvula de termo expansión convencional es un regulador de operación directa auto contenido, el cual no tiene integrados ningunos factores de anticipación o compensación. 78
Como tal, es susceptible a la fluctuación, por causas que son peculiares tanto al diseño de la válvula, como al diseño de los sistemas a los cuales se aplica. La relación de flujo ideal de una válvula de termo expansión, requeriría de una válvula con un balance dinámico perfecto, capaz de respuesta instantánea a cualquier cambio en la proporción de la evaporación (anticipación), y con un medio de evitar que la válvula sobrepase el punto de control debido a la inercia (compensación). Con estas características, una termo válvula estaría en fase con la demanda del sistema todo el tiempo, y no ocurriría la fluctuación. Supongamos que hay un aumento en la carga, causando que incremente el sobrecalentamiento del gas de succión. El intervalo de tiempo entre el instante en que el bulbo siente este aumento de sobrecalentamiento, provocando que se mueva la aguja de la válvula en la dirección de abrir, permite que el sobrecalentamiento del gas de succión aumente aún más. En respuesta a lo anterior, la válvula sobrepasa el punto de control y alimenta más refrigerante hacia el evaporador del que puede ser evaporado por la carga, con lo que disminuye el sobrecalentamiento y llega refrigerante líquido a la línea de succión, con el riesgo de pasar al compresor. Nuevamente, hay un tiempo de retardo entre el instante en que el bulbo detecta el refrigerante líquido y que la válvula responde, moviéndose en la dirección de cierre. Durante este tiempo, la válvula continúa sobrealimentando al evaporador. Así pues, cuando la válvula se mueve en la dirección de cierre, nuevamente sobrepasará el punto de control y permanecerá en una posición casi cerrada, hasta que la mayoría del refrigerante líquido haya dejado el evaporador. El siguiente tiempo de retardo antes que la válvula abra, permite que el sobrecalentamiento del gas de succión aumente de nuevo más allá del punto de control. Este ciclo, que es auto propagante, continúa repitiéndose. La experiencia ha demostrado que una termo válvula está más expuesta a fluctuar en condiciones de baja carga, cuando la aguja de la válvula está cerca del asiento. Generalmente, se piensa que esto se debe a un desbalance entre las fuerzas que operan la válvula. Adicional a las tres fuerzas principales que operan una válvula de termo expansión, la diferencia de presión a través del puerto de la válvula, actúa contra el área del puerto y, dependiendo de la construcción de la válvula, tiende a forzarla a que abra o a que cierre. Cuando opera con la aguja cerca del asiento, ocurrirá lo siguiente. Con la válvula cerrada, tenemos presión de líquido sobre el lado de entrada de la aguja y presión del evaporador sobre la salida. Cuando la válvula comienza a abrir, permitiendo que se lleve a cabo el flujo, la velocidad a través de la garganta de la válvula, provocará un punto de más baja presión en la misma, aumentando la diferencia de presión a través de la aguja y del asiento. 79
Este repentino incremento en el diferencial de presión que actúa sobre el área del puerto, tenderá a forzar la aguja de la válvula hacia el asiento. Cuando la válvula abre de nuevo, ocurre el mismo tipo de acción y la aguja golpetea contra el asiento a una frecuencia muy rápida. Este tipo de fenómeno es más frecuente con válvulas más grandes; ya que la fuerza debida al diferencial de presión, se ve incrementada con áreas de puertos más grandes. Hemos visto que una válvula de termo expansión puede fluctuar, debido a la falta de las características de anticipación y compensación, y a un desbalance en las fuerzas de equilibrio, en el extremo inferior de la carrera de la aguja. Sabemos por experiencia, que una válvula de termo expansión, cuando se selecciona y aplica inteligentemente, contrarresta estos factores y opera virtualmente sin fluctuar, sobre un rango bastante amplio de cargas. Generalmente, una válvula de termo expansión operará satisfactoriamente hasta algo así como abajo del 50% de su capacidad nominal; pero, nuevamente, esto depende del diseño del evaporador y de la tubería, diámetro y longitud de los circuitos del evaporador, la velocidad del refrigerante, el flujo del aire sobre el evaporador y los cambios rápidos en la carga. Nada causará que una termo válvula fluctúe tan rápidamente, que una alimentación desigual de los circuitos paralelos por el distribuidor, o una carga desigual de aire a través del evaporador. 3.4 TIPOS DE CARGAS DEL BULBO REMOTO. 3.4.1. TIPOS DE CARGAS DEL BULBO REMOTO
Habrá ocasiones en que el técnico de servicio en refrigeración, tenga que enfrentarse a situaciones donde la válvula de termo expansión no opere adecuadamente porque haya sido mal seleccionada, y haya que reemplazarla por el modelo correcto. ¿Cómo se debe proceder? Es de primordial importancia que los técnicos sepan escoger el reemplazo correcto, y un punto importante, es el tipo de carga del bulbo. Para esto, es necesario estar familiarizado con los diferentes tipos de cargas en el elemento de poder. (El elemento de poder consta de: el bulbo, el tubo capilar y la parte superior del diafragma). Como se mencionó anteriormente, la función principal de una válvula de termo expansión, es controlar el sobrecalentamiento del gas refrigerante a la salida del evaporador. Pero hay varios tipos de válvulas y varios tipos de cargas, cada una con su propio uso específico. Entender la carga del elemento de poder y cómo afecta la presión en el diafragma, es básico para un buen servicio. Existen varios tipos básicos de cargas de uso común en la actualidad, las cuales pueden resumirse en cuatro tipos generales: 80
1. La carga líquida. Aquí, el elemento de poder está cargado con el mismo tipo de refrigerante que contiene el sistema donde se está usando la válvula. 2. La carga gaseosa. Es una carga líquida limitada. El elemento de poder contiene el mismo tipo de refrigerante que el sistema, pero en una cantidad menor que la carga líquida. 3. La carga cruzada. El elemento de poder está cargado con un refrigerante diferente al que contiene el sistema donde está instalada la válvula. Puede ser líquida o gaseosa. 4. La carga de adsorción. El elemento de poder contiene una carga cruzada gaseosa, y además, se utiliza algún tipo de adsorbente. 3.4.2. LA CARGA LÍQUIDA
En este tipo de carga, el elemento de poder contiene el mismo refrigerante que el sistema en el cual se está usando la válvula. Cuando se fabrica la válvula, el refrigerante se introduce al bulbo en forma líquida. El bulbo debe tener un volumen interno mayor, que el volumen combinado de la cámara del diafragma y el tubo capilar. El elemento de poder con carga líquida convencional, ilustrado en la figura 56, incluye un bulbo de tamaño suficiente, que contiene bastante líquido para asegurar que el punto de control esté siempre en el bulbo. Con este tipo de carga, siempre habrá algo de refrigerante en forma líquida en el bulbo, independientemente de su temperatura y de que el capilar y la caja del diafragma estén llenos de líquido. Si esto no se da, y por alguna razón el bulbo se quedara sin líquido, sólo contendría vapor y cuando cambiara la temperatura, la presión de ese vapor cambiaría muy levemente. Sin líquido, el bulbo pierde control.
FIG 56: EN LA TERMO VÁLVULA CON CARGA LÍQUIDA EL BULBO MANTIENE EL CONTROL DEL ELEMENTO DE PODER.
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Si la temperatura del capilar o de la caja del diafragma se vuelve más fría que la del bulbo, y algo de vapor se condensa en cualquiera de los dos, siempre habrá suficiente refrigerante líquido en el bulbo para asegurar el control en ese punto. De esta manera, la presión del elemento de poder es siempre la presión de saturación correspondiente a la temperatura del bulbo. Este factor es extremadamente importante en aplicaciones de baja temperatura. Si graficamos los valores de presión vs temperatura, puesto que el refrigerante es el mismo en el bulbo que en el evaporador, las curvas serían idénticas y quedarían una sobre otra, como se muestra en la figura 57. Estas curvas cuando se aplican a un sistema en operación, indican que siempre habrá una relación directa a través del diafragma en los cambios de presión del bulbo y los cambios de presión del evaporador. Cuando el compresor se detiene, la presión del evaporador sube inmediatamente, antes que la del bulbo y la válvula se cierra, puesto que la presión del evaporador vence a la presión del bulbo.
FIG 57: CURVAS DE SATURACIÓN TÍPICAS DE UNA CARGA LÍQUIDA.
Durante el ciclo de paro, cuando el evaporador y el bulbo tienen la misma temperatura, sus presiones también son iguales y entonces la fuerza del resorte cierra la válvula. Si debido a condiciones adversas del ambiente se eleva la temperatura del bulbo más que la del evaporador, hasta un punto donde se contrarresta la fuerza del resorte, la válvula abrirá y alimentará refrigerante al evaporador. Esto puede sobrecargar el compresor y causar una inundación al arranque. 82
Cuando el compresor arranca, la presión de succión baja rápidamente, desbalanceado las presiones sobre el diafragma. La válvula abre bastante porque la presión del bulbo es alta, ya que no ha bajado la temperatura del gas de succión. El resultado es una condición que tiende a llenar el evaporador, antes que el bulbo se enfríe para regular la válvula y producir una temperatura de sobrecalentamiento al gas de succión. Frecuentemente ocurren regresos de líquido y posible daño al compresor. La sobrealimentación al arranque, también provoca una alta carga de presión al compresor. Las posibilidades de sobrecarga del motor y de una consecuente quemadura, son muy posibles. Las válvulas de termo expansión con cargas líquidas, se usan normalmente cuando prevalece en el evaporador un rango de temperatura extremadamente estrecho o limitado, una condición fuera del alcance de otras cargas de bulbo. 3.4.3. LAS CARGAS LÍQUIDAS TIENEN VENTAJAS Y DESVENTAJAS.
3.4.3. a. Las ventajas son: obviamente que el control del flujo siempre estará en el bulbo, sin importar la ubicación o temperatura del cuerpo de la válvula y la caja del diafragma. 3.4.3. b. Las desventajas son: la válvula abre demasiado en el arranque, con las posibles consecuencias ya mencionadas; el sobrecalentamiento durante el arranque es bajo o nulo. Una ubicación inadecuada del bulbo, puede causar que la válvula abra durante el ciclo de paro; el sobrecalentamiento aumente a bajas temperaturas del evaporador y la presión de succión disminuya muy lentamente después del arranque. Las válvulas con carga líquida convencional no tiene características anti fluctuantes. 3.4.4. LA CARGA GASEOSA
En una válvula de termo expansión con carga gaseosa, el elemento de poder contiene el mismo tipo de refrigerante que el sistema donde se utiliza la válvula, sólo que la cantidad de líquido está limitada, de tal manera, que a cierta temperatura del bulbo remoto, la pequeña cantidad de líquido en su interior se habrá evaporado. Cuando esto sucede, toda la carga se convierte en un vapor saturado, y cualquier incremento posterior en la temperatura del bulbo lo convierte en un gas sobrecalentado y, puesto que un gas se comprime, la presión ejercida por éste se verá limitada. Por lo tanto, en una válvula con carga gaseosa, la presión máxima que puede desarrollarse sobre la parte superior del diafragma, está limitada por la cantidad de carga en el bulbo remoto. Mientras la temperatura del bulbo esté debajo del punto de evaporación completa, la presión sigue la curva de saturación igual que en la carga líquida (figura 58). 83
Cuando la temperatura del bulbo alcanza ese punto, el líquido se evapora completamente. Más allá de ese punto, la temperatura del vapor aumenta y se sobrecalienta, limitando la presión ejercida por el bulbo. A esto se le conoce como efecto de Máxima Presión de Operación (MOP, por sus siglas en inglés). Cuando se fabrica la válvula, el punto donde la carga se evapora completamente, puede variar en cualquier lugar a lo largo de la curva de saturación. El punto MOP depende de cómo fue cargado inicialmente el bulbo, y dónde se va a utilizar la válvula.
FIG 58: CURVAS DE SATURACIÓN TÍPICAS DE UNA CARGA GASEOSA.
Durante el ciclo de trabajo normal, la temperatura del bulbo está por debajo del punto limitante, y hay algo de líquido en el bulbo. Por lo tanto, opera igual que un elemento con carga líquida convencional. De acuerdo a la relación de las presiones ejercidas en una válvula de termo expansión, P1 = P2 + P3 (ver figura 6.12), es fácil deducir que, si la presión ejercida por el bulbo (P1) se limita hasta un cierto nivel, y la presión del resorte (P3) permanece constante, entonces la presión del evaporador (P2) también se ve limitada. Si aumentan las presiones y temperaturas de operación del sistema, la presión del bulbo aumentará tan solo hasta ese punto limitante, y la válvula funcionará como una válvula de expansión de presión constante, manteniendo una presión fija en el evaporador. Si la presión del evaporador tiende a ir más allá de ese punto, las fuerzas que cierran y estrangulan la válvula se ven aumentadas. Por el contrario, si disminuye la presión del evaporador, la presión del bulbo excede las fuerzas que cierran y la válvula abre. Cuando a una válvula de termo expansión con carga gaseosa, se le fija el punto limitante muy cercano a la presión de operación del sistema, ésta actúa como una Máxima Presión de Operación, protegiendo al compresor de las altas presiones de succión. En otras palabras, la MOP es la habilidad de la válvula para disminuir el flujo o 84
cerrar completamente, si la presión de succión se aproxima a un límite alto predeterminado, que pudiera representar un peligro para el compresor. En un compresor que usa el gas de la succión como enfriamiento, tal condición pudiera causarle un sobrecalentamiento. Una vez cerrada la válvula a causa de la MOP, el compresor continúa trabajando y tiene la oportunidad de disminuir el exceso de alta presión de succión, hasta llegar a condiciones de operación satisfactorias. En este punto (debajo de la MOP), la válvula reabrirá y alimentará de manera normal, o hasta el momento que haya una sobrecarga de nuevo. Para ilustrar mejor esto, supongamos que en un sistema con R-22 se instaló una válvula con carga gaseosa con una MOP de 100 psig, un ajuste de sobrecalentamiento de 5 °C (lo que equivale a una presión del resorte de 16 psig), y que la válvula está alimentando normalmente como se muestra en la figura 59. Si la presión del evaporador aumenta hasta la MOP de la válvula (100 psig), debajo del diafragma se tendrá una presión total de 100 + 16 = 116 psig. A estas condiciones, el gas de succión tendrá una temperatura de 20 °C (15° de saturación + 5° del sobrecalentamiento) y al pasar por el sitio del bulbo, evaporará todo el líquido en su interior.
FIG 59: VÁLVULA DE TERMO EXPANSIÓN CON CARGA GASEOSA Y UNA MOP DE 100 PSIG EN UN EVAPORADOR CON R-22.
Hasta este punto, dentro del bulbo se tendrá vapor saturado a una temperatura de 20 °C, ejerciendo una presión de 116 psig sobre el diafragma, con lo que se equilibran las presiones a ambos lados de este último, pero la válvula permanece abierta. Si aumenta la presión dentro del evaporador, la temperatura del gas de succión sobrecalentará el gas dentro del bulbo, pero su presión no aumentará, por lo que la presión del evaporador debajo del diafragma es mayor y cierra la válvula. Cuando la presión del evaporador disminuye por debajo de su MOP de 100 psig, se forma nuevamente líquido en el bulbo, su presión es mayor que las presiones abajo del diafragma haciendo que abra la válvula y alimente más refrigerante hacia el evaporador. 85
El punto limitante normalmente se fija arriba de la presión de operación de succión, y sirve primordialmente, como una característica para mantener cerrada la válvula durante los ciclos de paro. Al arrancar, la fuerza que cierra excede la presión del bulbo y se retarda la apertura de la válvula. Conforme el compresor succiona el gas refrigerante del evaporador, la presión de succión disminuye rápidamente, hasta que la fuerza que cierra es menor que la del bulbo. Entonces, abre la válvula y opera igual que la carga de líquido convencional. Este retardo en la apertura durante el arranque, reduce la posibilidad de inundación del compresor, y en algunos sistemas, proporciona inadvertidamente una protección positiva contra sobrecarga del motor. La Máxima Presión de Operación (MOP) de una válvula de termo expansión viene ajustada de fábrica, pero se puede variar de la misma manera que se varía el sobrecalentamiento; es decir, variando la presión del resorte (P3). Puesto que en una válvula con carga gaseosa el contenido de líquido en el elemento de poder es muy limitado (hasta su MOP), la ubicación de la válvula es muy importante. Para mantener el control, el bulbo deberá instalarse siempre en un punto más frío que el capilar y el cuerpo de la válvula. Es muy importante que el líquido permanezca en el bulbo. Según se muestra en la figura 60, si el capilar o la cabeza de la válvula están en contacto con una superficie más fría que el bulbo, el vapor se condensa en ese punto, haciendo que el bulbo pierda el control y que la válvula no funcione correctamente.
FIG 60: EN UNA VTE CON CARGA GASEOSA, EL BULBO DEBE ESTAR SIEMPRE EN UNA UBICACIÓN MÁS FRÍA QUE EL CAPILAR O LA CABEZA.
Las VTE con carga gaseosa pueden utilizarse casi en cualquier aplicación de refrigeración o aire acondicionado, y en cualquier rango de temperaturas. Pero en aplicaciones de baja temperatura y por lo ya expuesto anteriormente deberán tomarse las precauciones del caso.
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Aunque lo más recomendable es en aplicaciones en un rango de temperaturas de entre 0 y 10 °C, como en enfriadores de agua y equipos de aire acondicionado. Resumiendo las características de la válvula con carga gaseosa, encontramos que sus ventajas son: 1. Mantiene la válvula firmemente cerrada durante los ciclos de paro. 2. Hay un retardo en la apertura durante el arranque, lo que permite un rápido abatimiento de la presión: a) Protege al motor del compresor de las sobrecargas. b) Evita la inundación al arranque. 3. Proporciona una Presión de Operación Máxima durante el ciclo de trabajo, para protección del motor del compresor contra las sobrecargas, algo así como una válvula de expansión de presión constante. 4. Tiene características anti fluctuantes, las cuales se explicarán más adelante. Su principal desventaja es que si la caja del diafragma o el capilar se enfrían más que el bulbo, la carga abandonará al bulbo y se perderá el control. Esta desventaja se agudiza en aplicaciones de baja temperatura y comerciales. Normalmente los sistemas de aire acondicionado y temperaturas similares, no son afectados. 3.4.5. LA CARGA CRUZADA
En las válvulas de termo expansión con carga cruzada, el elemento de poder está cargado con un líquido diferente al refrigerante que se está utilizando en el sistema. Este líquido puede ser un refrigerante o algún otro compuesto químico. En una válvula con carga cruzada, al graficar las curvas de saturación (presión-temperatura) del fluido del elemento de poder y del refrigerante que usa el sistema donde está instalada la válvula, estas curvas se cruzan, de allí el nombre de «Carga Cruzada» (ver figura 61). Una carga cruzada puede ser líquida o gaseosa. Este tipo de cargas surgieron cuando se intentaba desarrollar una válvula que eliminara las fluctuaciones (ver sección de fluctuación). Al principio se pensó que si se diseñaba una válvula altamente sensible, esta respondería rápido a los cambios de presión y temperatura del gas de succión, proporcionando, por lo tanto, una mejor modulación.
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FIG 61: CURVAS DE SATURACIÓN TÍPICAS DE UNA CARGA CRUZADA LÍQUIDA.
Pero este no fue el caso, de hecho, una válvula altamente sensible sólo agravó la condición de la fluctuación. Se intentó lo opuesto, es decir, diseñar una válvula que fuera menos sensible, y se encontró que se podían reducir o eliminar las fluctuaciones. En el desarrollo final, se encontró que una válvula menos sensible a los cambios de temperatura del bulbo, pero que responde a los cambios normales en la presión del evaporador, demostró ser la más práctica. Se tomó este principio y se aplicó para producir válvulas con características anti fluctuantes. Cuando una válvula de termo expansión con carga cruzada se instala en un sistema, por las características de la válvula, este sistema arrancará cuando la presión de succión sea alta, y parará, cuando el compresor haya disminuido considerablemente la presión dentro del evaporador, llegando al punto a que está ajustado el control de baja presión. Después de esto, comenzará a subir la temperatura en el evaporador y en el bulbo, aumentando también sus respectivas presiones. Puesto que el fluido dentro del bulbo es diferente al refrigerante del sistema, la presión del evaporador aumenta más rápido que la del bulbo y la válvula se cierra. Al haber una alta presión de succión, se requiere un alto sobrecalentamiento para que la presión del bulbo pueda vencer la presión dentro del evaporador. Esta es una situación conveniente, ya que evita el regreso de líquido al compresor y ayuda a limitar la carga en el motor. Para ilustrar mejor el funcionamiento de una válvula de termo expansión con carga cruzada, supongamos un sistema que trabaja con R-134a, en el cual se instala una válvula con carga cruzada.
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Si graficamos las presiones y temperaturas de saturación para los dos fluidos, resultarán las curvas de saturación que se muestran en la figura 61. La curva «A», corresponde al R-134a y representa las condiciones dentro del evaporador. Es la fuerza que cierra la válvula. La curva punteada «B», corresponde al fluido del elemento de poder, el cual es un refrigerante diferente o algún otro compuesto químico. Como se puede ver en la gráfica, las curvas aproximadamente se cruzan a 6 °C. A temperaturas mayores, el fluido del bulbo tiene una presión de saturación más baja que la del R-134a; pero a temperaturas menores a ese punto, el fluido del bulbo puede desarrollar presiones más altas que el refrigerante dentro del evaporador. Por lo anterior, la válvula es menos sensible a los cambios de presión en el bulbo, que a los cambios de presión en el evaporador. Cuando hay una variación en la temperatura del bulbo, su presión varía menos de lo que variaría si estuviera cargado con el mismo refrigerante del sistema. Esto abate la fluctuación. Durante la operación, podremos notar que la presión disminuye hasta un punto donde las curvas están más cercanas. Esto significa que el sobrecalentamiento necesario para abrir la válvula, también disminuye en la misma proporción; lo que permite que se utilice más superficie del evaporador para el efecto de refrigeración, aumentando la capacidad del sistema. Una vez que el sistema está operando normalmente, las características de presión y de temperatura en el evaporador y el bulbo son muy similares, y la válvula controlará de manera efectiva con un sobrecalentamiento normal a la salida del evaporador. La curva punteada «C», representa las temperaturas a las cuales debe aumentar el fluido del elemento de poder, para que su presión pueda vencer las presiones abajo del diafragma y que la válvula abra completamente. La diferencia de temperaturas entre la curva «A» (evaporador) y la curva «C» (bulbo), son los sobrecalentamientos de operación de la válvula. Por lo anterior, es evidente que cuando se instale en un sistema una válvula de termo expansión con carga cruzada, su sobrecalentamiento deberá ajustarse a la temperatura de evaporación más baja que alcance el sistema cuando esté en operación. Esto evita la inundación del compresor con refrigerante líquido. 3.4.6. LA CARGA CRUZADA LÍQUIDA.
Generalmente, se utilizan donde es necesario un elemento de poder con carga líquida, para evitar que la carga se condense fuera del bulbo. Estas cargas tienen las mismas ventajas que las cargas líquidas normales, y aun más: la disminución de la presión de succión se hace lenta y moderadamente; reducen la carga en el compresor durante el arranque; reducen casi por completo la fluctuación. Las características del sobrecalentamiento para aplicaciones especiales, pueden hacerse a la medida. 89
Aunque las hay disponibles para aplicaciones en tres diferentes rangos de temperaturas, comúnmente se utilizan en aplicaciones comerciales y de baja temperatura, digamos de 4 °C para abajo. 3.4.7. LA CARGA CRUZADA GASEOSA. Este tipo de cargas tienen las características de todos los otros tipos juntos, y por lo tanto,
una válvula con carga cruzada gaseosa puede servir como reemplazo de cualquier otra válvula en el rango de temperaturas entre 10 y -40 °C. Estas válvulas pueden aplicarse en un rango muy amplio de temperaturas, y pueden usarse con cualquier tipo de sistema de refrigeración o aire acondicionado. Sin embargo, comercialmente su uso principal es en bombas de calor. En general, las ventajas de las válvulas de termo expansión con cargas cruzadas son: cierran rápidamente cuando el compresor para; eliminan la «fluctuación»; mantienen un sobrecalentamiento casi constante; evitan el regreso de líquido al compresor; permiten una rápida disminución de la presión de succión (pull down); protegen al compresor contra sobrecargas (MOP) y pueden instalarse sin considerar la temperatura ambiente, ya que no pierden el control si la válvula está más fría que el bulbo. 3.4.8. LA CARGA DE ADSORCIÓN.
Finalmente, mencionaremos el tipo de carga de adsorción. En realidad, esta es una variante de la carga gaseosa cruzada. Los elementos de poder con cargas de adsorción dependen de un principio diferente. En estas válvulas de termo expansión, el elemento de poder contiene dos sustancias. Una es un gas no condensable, tal como el bióxido de carbono, el cual proporciona la presión. La otra, es un sólido; como el carbón, la sílica gel o la alúmina activada. Estas sustancias tienen la habilidad de adsorber gas, dependiendo de su temperatura. Las sustancias adsorben gas con más facilidad a bajas temperaturas. Adsorción significa la adhesión de una capa de gas del grueso de una molécula, sobre la superficie de una sustancia sólida. No hay combinación química entre el gas y la sustancia sólida (adsorbente). Al calentarse el bulbo sensor, la presión en su interior aumentará debido a la liberación del gas adsorbido. Al enfriarse el bulbo, su presión disminuye debido a que la sustancia adsorbe de nuevo al gas. Este cambio de presión se usa para controlar la apertura de la aguja de la válvula, en una válvula de termo expansión. La apariencia y construcción general de estas válvulas, es la misma que con las de carga gaseosa cruzada. La única diferencia está en el gas y las sustancias contenidas en el elemento de poder para controlar sus presiones. 90
Estas válvulas de termo expansión tienen la ventaja de un retardo presión-temperatura en su operación. Tienen amplias aplicaciones de temperaturas, y se pueden usar en cualquier tipo de sistema de refrigeración o aire acondicionado. Su rango es suficiente para cubrir casi cualquier aplicación de refrigeración. El gas en el elemento de poder es un gas no condensable, mismo que permanece como tal, durante el rango de operación de la válvula. Cada una de las diferentes cargas de bulbos mencionadas, tienen sus propias características individuales de sobrecalentamiento. Las diferentes curvas ilustradas en la figura 62, muestran las limitantes de operación de cada tipo. Estas curvas, no deben considerarse como valores verdaderos, sino solamente para ilustrar las ventajas y desventajas de cada una. El paréntesis horizontal indica el rango óptimo de mejor operación.
FIG 62: COMPARACIÓN DE LOS RANGOS DE OPERACIÓN DE LAS DIFERENTES CARGAS.
De la información proporcionada por las curvas de la figura 62, sobresale el hecho que la carga gaseosa cruzada W con MOP, es considerada como el mejor desarrollo. Esta carga mantiene casi constante el sobrecalentamiento, en un rango de 10 hasta 40°C de evaporación; lo que hace posible obtener un efecto de refrigeración máximo. Es de esperarse que los ajustes de sobrecalentamiento, sean consistentes para el 91
rango completo de operación del evaporador, eliminando la preocupación de la fluctuación en los extremos de rangos de temperaturas. 3.4.9. BULBOS CON BALASTO.
En sistemas de aire acondicionado y temperaturas similares, se requiere un sobrecalentamiento constante. Aunque la carga gaseosa cruzada proporciona un sobrecalentamiento casi constante, no elimina en su totalidad la fluctuación. Investigaciones exhaustivas demostraron que la mejor aproximación seguía siendo una válvula menos sensible a los cambios de temperatura del bulbo, y que sí respondiera a la presión normal del evaporador. Siguiendo este principio, algunos fabricantes de válvulas cambiaron el método, colocando un balasto dentro del bulbo de una válvula con carga gaseosa cruzada. Este balasto no es otra cosa que una barra cuadrada de acero, aunque se pueden utilizar otros materiales. El aumento de sobrecalentamiento se retarda con los cambios de temperatura y presión del bulbo, puesto que la masa de la barra de acero proporciona un retardo térmico. Este balasto, actúa como dispositivo de seguridad en caso de que una oleada de líquido, llegara hasta la línea de succión. El líquido enfriaría la pared del bulbo en contacto con la línea de succión. La pequeña cantidad de carga dentro del bulbo, pasaría de la superficie menos fría de la barra de acero, y se asentaría sobre la pared interna más fría del bulbo adyacente a la línea de succión. Esto produciría una disminución inmediata de la temperatura y presión del bulbo, y cerraría la válvula rápidamente. Así pues, el principio anti fluctuante tiene dos características. La válvula abre lentamente a la persistente demanda de más flujo de refrigerante, pero cierra rápidamente para evitar el regreso de líquido. En la figura 63, se ilustra la operación de una carga de bulbo sin balasto. Puesto que responderá rápidamente en una forma de abrir y cerrar, la válvula puede sobrealimentar y alimentar de menos, causando la indeseable fluctuación en el sistema.
FIG 63: VARIACIÓN DEL SOBRECALENTAMIENTO CON RESPECTO AL TIEMPO EN UN BULBO SIN BALASTO.
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En la figura 64, se ilustra la variación del sobrecalentamiento de operación de un sistema de refrigeración típico con bulbo con balasto. Cuando disminuye la carga del sistema, la temperatura y el flujo en la línea de succión también disminuyen, y el sobrecalentamiento de operación aumenta rápidamente. Conforme aumenta la temperatura de la línea de succión, la presión del bulbo aumenta lentamente y el sobrecalentamiento de operación disminuye de la misma forma, hasta un nivel predeterminado. Después de varios ciclos en que se va abatiendo la amplitud, el sistema operará al sobrecalentamiento predeterminado, con un mínimo de fluctuaciones en la línea de succión.
FIG 64: VARIACIÓN DEL SOBRECALENTAMIENTO CON RESPECTO AL TIEMPO EN UN BULBO CON BALASTO.
3.4.10. ¿CUÁL CARGA UTILIZAR?
Para ayudarle a comparar la carga correcta con su aplicación específica, consulte el código selector de cargas de válvulas de termo expansión de la tabla 3.2. Esta tabla corresponde a las cargas utilizadas por ALCO CONTROLS. Es importante señalar que cada fabricante de válvulas de termo expansión utiliza su propia nomenclatura, para clasificar los diferentes tipos de cargas y los diferentes tipos de refrigerantes. Las letras que utiliza ALCO CONTROLS para asignar las diferentes cargas del elemento de poder, son como sigue: L G C, Z CA W – MOP W
Carga líquida Carga gaseosa Cargas cruzadas líquidas Carga cruzada gaseosa Carga cruzada gaseosa con MOP Carga de adsorción
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TABLA 3.2 - SELECTOR DE CARGAS PARA VÁLVULAS DE TERMO EXPANSIÓN DE ALCO CONTROLS.
3.5 VÁLVULAS DE TERMO EXPANSIÓN DE PUERTO BALANCEADO. Vimos en el tema de "Fluctuación", que el patrón de flujo de una válvula de termo expansión de un sólo puerto, puede causar dificultades en condiciones de baja carga. Mientras más grande el área del puerto (tonelajes más grandes), más propensa está la válvula a fluctuar u oscilar. En años pasados, cuando la energía no era tan costosa, los técnicos en refrigeración especulaban con sus sistemas. Con frecuencia, las temperaturas de condensación andaban cerca de los 40°C y utilizaban mucha más energía; pero lo que hacían era derramar más agua sobre el condensador, para compensar por el amplio rango de condiciones ambientales cambiantes, y todos se sentían satisfechos con los resultados. Pero los tiempos cambian. Muchos de los sistemas en la actualidad emplean temperaturas de condensación bases en el rango de 16° a 21°C. Son más eficientes, 94
proporcionan mayor capacidad y duran más. Pero también pueden desbalancearse con mayor facilidad, cambiando el sobre-calentamiento, la capacidad y la eficiencia, y quizás aún, inundando el compresor. Una solución útil al problema del desbalance, es una idea que surgió hace más de 30 años: las válvulas de puerto balanceado (algunas veces llamadas: "válvulas de doble puerto"). En efecto, las válvulas de puerto balanceado "balancean" el sistema, operando a un sobrecalentamiento constante, sobre un rango muy amplio de presión hidrostática y de variaciones de carga. En una válvula de termo expansión convencional, como la de la figura 38, con la dirección del flujo de tal forma que la presión de entrada está aplicada debajo de la aguja, al aumentar la presión, la válvula tiende a moverse en la dirección de abrir. Inversamente, cuando la presión de entrada baja, la válvula tiende a moverse en la dirección de cerrar. Este cambio en la posición de la aguja de la válvula, con un cambio en la presión de entrada, se conoce como desbalance. El resultado, una operación errática y una variación en el ajuste original del sobrecalentamiento. El mismo fenómeno ocurre cuando la presión de salida (evaporador) varía al cambiar las condiciones de carga, con los mismos resultados. La diferencia en construcción de los dos tipos de válvulas hace toda la diferencia. En la válvula de puerto balanceado, como la mostrada en la figura 65, una pequeña flecha conecta la aguja de la válvula a la varilla ajustada arriba de la línea de apertura. Esta área es igual al área efectiva del puerto.
FIG 65: FUERZAS BALANCEADAS EN UNA VÁLVULA DE DOBLE PUERTO O PUERTO BALANCEADO.
FIG 66: ENSAMBLES DE LA CAJA DE AGUJA Y ASIENTO PARA UNA VÁLVULA DE PUERTO BALANCEADO Y UNA VÁLVULA ORDINARIA.
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Cuando se aplica una presión aumentada, ésta empuja sobre las dos, la aguja y la varilla. Debido a que está actuando sobre dos áreas iguales, pero en direcciones opuestas, el cambio de presión se cancela y la válvula permanece en su posición moduladora original. La válvula está diseñada de tal manera que crea un "contra-flujo" en contra las válvulas, y por lo tanto, elimina cualquier desequilibro a través de los dos puertos. (Ver figura 66.) El flujo a través del puerto superior, entra en los orificios radiales superiores de la caja del ensamble del asiento, se mueve hacia arriba a través del asiento superior, luego hacia abajo, a través del pasaje interno del carrete, y sale de los orificios que se encuentran en la parte inferior del carrete. La caída de presión a través de este puerto, ejerce una fuerza en la dirección de cerrar (hacia arriba). El flujo a través del puerto inferior, entra en los orificios radiales inferiores de la caja del ensamble del asiento y se mueve hacia abajo, a través del puerto formado por el asiento de la caja y el carrete de la válvula. El líquido a alta presión actúa hacia abajo sobre el carrete y la caída de presión a través del carrete, y el asiento ejerce una fuerza en dirección de abrir. Puesto que el área de puerto efectiva, tanto de los puertos de la caja superior e inferior, es casi la misma, la fuerza neta desbalanceada a través de estos es insignificante. Esta característica hace posible que las nuevas cajas de ensamble de doble puerto, modulen sobre un rango de cargas mucho más amplio de lo que era posible con el estilo tradicional de válvulas de un solo puerto. Las válvulas de flujo reversible, proporcionan un control satisfactorio a cargas menores del 15% de la capacidad nominal de la válvula. Su funcionamiento es superior a cualquier producto competitivo disponible. El funcionamiento real en el campo, ha demostrado la superioridad de las válvulas de termo expansión de doble puerto, así como su habilidad para reducir la fluctuación a un mínimo. Parecería entonces, que una válvula de termo expansión de puerto balanceado es el "cura todo" del sistema. Pero, aunque las válvulas de termo expansión permitirían que un sistema opere en un rango ligeramente más amplio de presión hidrostática y condiciones de carga, deberán seleccionarse adecuadamente, para asegurar un funcionamiento adecuado del sistema. Normalmente, una válvula de termo expansión con la conexión adecuada, trabajará bien en el sistema para el cual fue diseñada. Cuando se selecciona el tamaño adecuado, esta mantendrá operando el sistema a una eficiencia alta, con buena economía.
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3.6 SELECCIÓN DE VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA. Supongamos que en un sistema se va a reemplazar la válvula de termo expansión porque falló, y no se conoce su capacidad. ¿Qué se debe hacer? Si se instala una válvula de mayor tamaño, va a funcionar erráticamente o a inundar el evaporador. Si la válvula es muy pequeña, no alimentará suficiente, lo cual también puede causar daño al compresor. Los fabricantes de válvulas de termo expansión las clasifican en base a un conjunto específico de condiciones y normas, determinadas por el Instituto de Refrigeración y Aire Acondicionado (ARI), o por la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE). Esta clasificación es nominal, y es la que viene grabada en la placa y en la caja de la válvula. De acuerdo a la norma 750 de ARI, la capacidad nominal se determina a una temperatura en el evaporador de 40°F (4.4°C), y a una caída de presión a través de la válvula de 60 psi (414 kPa) para el R12, el R-134a y el R-500, y 100 psi (690 kPa) para el R-22 y el R-502. Además, el refrigerante que llega a la entrada de la válvula debe ser completamente líquido, estar libre de vapor y debe estar a una temperatura de 100°F (37.8°C). Todos los fabricantes de válvulas de termo expansión clasifican sus válvulas de acuerdo a esta norma, y publican sus valores en forma de tablas en sus respectivos catálogos, para diferentes refrigerantes y a varias temperaturas de evaporación. Si la temperatura del refrigerante que llega a la válvula es diferente a 100°F (37.8°C), se proporciona una tabla con factores para hacer la corrección. Esta clasificación o capacidad nominal, puede ser muy diferente a la que realmente se requiere en el trabajo. Si se confía en la etiqueta o en la placa y se sigue ciegamente, puede resultar caro por las vueltas que haya que dar para revisar el equipo. Cada fabricante de válvulas tiene una herramienta para ayudarle al técnico a determinar exactamente cuál válvula va en cada aplicación. Esta se llama Carta de Capacidad Extendida, y muestra lo que cada válvula puede hacer en cada situación. Estas cartas o tablas, generalmente se publican en el catálogo. Para usar estas cartas, es necesario determinar cuatro datos básicos, además del refrigerante usado en el sistema: - La capacidad del sistema de refrigeración. - La temperatura del líquido que entra a la válvula. - La temperatura de saturación del evaporador. - La caída de presión a través de la válvula. Para obtener esta información, se recomienda lo siguiente: 3.6.1. LA CAPACIDAD DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN.
Debe determinarse el tamaño del sistema en kcal/hr o toneladas de refrigeración (1 T.R. = 3,024 kcal/hr). Si se tiene disponible, debe revisarse la literatura del fabricante del sistema; si no se tiene disponible ningún tipo de literatura del fabricante, deberá 97
encontrarse la clasificación del compresor en su placa. No debe tratarse de igualar la válvula a esa clasificación, porque puede variar dependiendo de la temperatura deseada en el espacio refrigerado. La temperatura promedio de un evaporador de aire acondicionado es de 5°C; para refrigeración, es de 3° a 8°C abajo de la temperatura del producto más frío almacenado. Así pues, la capacidad del compresor en refrigeración, puede ser considerablemente menor que su capacidad nominal en la placa. Sirve solamente como una guía para la verdadera clasificación de la válvula. 3.6.2. TEMPERATURA DEL LÍQUIDO QUE INGRESA A LA VÁLVULA.
Para que la lectura sea lo más precisa posible, esta temperatura se determina con un termómetro de los que se fijan a la tubería con una correa, o con uno similar. Como ya se mencionó antes, las capacidades nominales de las válvulas, se establecen a una temperatura del refrigerante líquido, libre de vapor, en la entrada de la válvula de 100°F (37.8°C). Si la temperatura del líquido medida a la entrada de la válvula, es mayor o menor de 100°F, en las cartas de capacidad extendidas se muestran unos factores de corrección que servirán para hacer la compensación. Puesto que la capacidad y rendimiento de la válvula de termo expansión está basada en el refrigerante líquido que entra, se deberá prestar especial cuidado a la caída de presión total en la línea de líquido. Si esta caída de presión es muy grande, el refrigerante líquido se evaporará antes de llegar a la válvula, formando lo que se conoce como "Flash Gas". En este caso, se le deberá proporcionar un sub-enfriamiento al refrigerante líquido a la salida del condensador (ver capítulo de Indicadores de Líquido y Humedad), para asegurar que el refrigerante entre a la válvula totalmente líquido, todo el tiempo. 3.6.3. TEMPERATURA DE SATURACIÓN DEL EVAPORADOR.
Si no se conoce esta temperatura, se puede estimar siguiendo la guía del punto 1. Debe ser menor que la temperatura requerida en el espacio refrigerado; si no, no se llevaría a cabo la transmisión de calor. Si se observa detenidamente la tabla de capacidades, se notará que la capacidad de una válvula de termo expansión disminuye al bajar la temperatura del evaporador. Esto se debe a que a menor temperatura de evaporación, se reduce el calor latente absorbido por kg de refrigerante líquido. Como resultado, se reduce el efecto global de refrigeración. La temperatura deseada en el evaporador, es importante, cuando se desea seleccionar correctamente el tamaño de una válvula de termo expansión. 3.6.4. CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE LA VÁLVULA.
Aquí, cabe aclarar, que lo que se debe determinar es la diferencia entre la presión del lado de entrada de la válvula y la presión del lado de la salida. No debe caerse en el 98
error común, de simplemente sacar la diferencia entre las presiones de descarga y de succión del compresor. Puede que también sea necesario estimar la caída de presión debida a longitudes de tubería o a conexiones y accesorios, tales como válvulas de paso, solenoides, filtros, distribuidores, etc. La presión a la salida de la válvula será más alta que la presión de succión indicada en el compresor, debido a pérdidas por fricción a través del distribuidor, de los tubos del evaporador, conexiones, válvulas y filtros. La presión a la entrada de la válvula será más baja que la presión de descarga indicada en el compresor, debido a pérdidas por fricción creadas por la longitud de la línea de líquido, tubería del condensador, válvulas, conexiones, filtros y otros accesorios y, posiblemente, por alguna tubería vertical con flujo ascendente. La única excepción a esto es cuando la válvula está ubicada considerablemente abajo del recibidor, y la presión estática que se acumula es más que suficiente para contrarrestar las pérdidas por fricción. El diámetro de la línea de líquido deberá seleccionarse adecuadamente, dando la debida consideración a su longitud, además de la longitud equivalente adicional por el uso de conexiones y válvulas. Cuando sea necesario un levantamiento vertical en la línea de líquido, deberá incluirse una caída de presión adicional por la pérdida de presión estática. En resumen, la caída de presión a través de la válvula de termo expansión, será la diferencia entre las presiones de descarga y succión en el compresor, menos las caídas de presión en la línea de líquido y la de succión. Algunas veces habrá que consultar tablas para determinar las caídas de presión, tanto en tubería como en conexiones, válvulas y accesorios. Así que, cuando no se conozca el tamaño exacto de la válvula, tómese unos cuantos minutos para seguir los pasos recomendados y podrá hacer la selección más adecuada. Vale la pena invertir este tiempo por la satisfacción que deja el haber hecho la mejor elección, y también, para ahorrarse las molestias y costosas llamadas para regresar a hacer reparaciones. A continuación ponemos algunos ejemplos de selección. 3.6.5. EJEMPLO 1.
Reemplazo de una válvula de termo expansión en un sistema de refrigeración comercial con R-134a, como el que se muestra en la figura 67. La capacidad del sistema es de 2.5 TR (7,560 kcal/hr) y es para conservación de productos lácteos. Siguiendo los pasos mencionados anteriormente, los valores que nos falta determinar son la temperatura del líquido, la temperatura de evaporación y la caída de presión a través de la válvula.
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FIGURA 67: DIAGRAMA DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN TÍPICO CON R-134a.
Generalmente, en la conservación de productos lácteos, la temperatura de estos debe ser de 4°C (40°F); por lo que la temperatura de evaporación es menor que la del producto, digamos -2°C (28°F). Tal como se mencionó anteriormente, la temperatura del líquido a la entrada de la válvula, se determina midiendo directamente en la tubería con un termómetro. Si el sistema no está operando y no hay manera de medir la temperatura directamente, podemos estimarla a partir de los datos de diseño, es decir, si la temperatura de condensación es de 35°C, el líquido llegará a la válvula a una temperatura menor, dependiendo de la caída de presión que haya en la línea de líquido. Digamos que para este ejemplo la temperatura es de 32°C (90°F). Para determinar la caída de presión a través de la válvula, tomamos como referencia las presiones de descarga y de succión medidas en el compresor. Digamos que éstas son de 115 y 20 psig, respectivamente. Refiriéndonos a la figura 67, podemos determinar las caídas de presión en la línea de líquido y en la línea de succión. Existen tablas donde viene la longitud equivalente para conexiones, válvulas y accesorios. Deben considerarse, además, las pérdidas por fricción en el condensador, el evaporador y las tuberías. Para este ejemplo, digamos que la caída de presión en la línea de líquido es de 10 psi, por lo que la presión del refrigerante a la entrada de la válvula, es de 115 - 10 = 105 psi. 100
Haciendo las mismas consideraciones en la línea de succión, la caída de presión a través del evaporador, del filtro de succión y por la tubería, es de 5 psi; por lo que la presión a la salida de la válvula es 20 + 5 = 25 psig. La caída de presión a través de la válvula es de 105 - 25 = 80 psig. En la tabla 3.3 se muestra un segmento de la carta de capacidad extendida para R134a.
TABLA 3.3 - SEGMENTO DE LA TABLA DE CAPACIDAD EXTENDIDA.
El siguiente paso es seleccionar la válvula. Primero, entramos con la temperatura de evaporación, que en nuestro caso, es de -2°C (28°F). Como este valor cae entre las columnas de 40° y 20°F, interpolamos a un valor intermedio. Enseguida, como la caída de presión a través de la válvula es de 80 psi y la capacidad del sistema es de 2.5 TR, tomamos los valores en la columna de 80, donde cruzan con la capacidad nominal de 2.5 TR, correspondiente al modelo HF 2-1/2 M. En la columna de 40°F, tenemos un valor de 2.74 y en la de 20°F un valor de 2.62. El valor promedio entre estos dos es de 2.68 TR, lo que nos indica que la selección es adecuada, ya que el valor resultante debe ser igual o ligeramente mayor que el tonelaje del sistema. Pero además, hay que corregir este valor, utilizando los factores de la tabla 3.4, ya que la temperatura del líquido es menor de 37.8°C (100°F).
TABLA 3.4 - TABLA DE FACTORES DE CORRECCIÓN DE LA CAPACIDAD REAL DE UNA VÁLVULA CUANDO LA TEMPERATURA DEL LÍQUIDO ES DIFERENTE DE 100°F (37.8°C).
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La temperatura del líquido a la entrada de la válvula para este ejemplo es de 32°C (90°F); por lo que el factor de corrección en la tabla 6.44, es el correspondiente a la intercepción de R-134a y 90°F, o sea, 1.07. La capacidad real de la válvula de expansión seleccionada, una vez instalada en nuestro sistema, será de: 2.68 x 1.07 = 2.86 TR. 3.6.6. EJEMPLO 2
Se tienen los siguientes datos: Refrigerante del sistema = R-502 (baja temperatura). Capacidad del evaporador = 12 TR (36,288 kcal/h). Temperatura de evaporación = -25°C (-13°F). Temperatura de condensación = 49°C (120°F). Caída de presión en tuberías, conexiones y accesorios = 10 psi. Para el R-502 a una temperatura de condensación de 49°C (120°F), corresponde una presión de 283 psig, y a una temperatura de evaporación de -25°C (-13°F), corresponde una presión de 20 psig. La presión de condensación, menos la presión de evaporación es 283 - 20 = 263 psi. A este valor se le resta la caída de presión en las líneas, y tenemos que la caída de presión a través de la válvula es de 263 - 10 = 253. Con estos datos, nos vamos a las cartas de capacidad extendida en el catálogo, y vemos que para R-502, la válvula que anda en el rango de 12 TR, es el modelo TRAE12R. Nuevamente, como la temperatura de evaporación cae en un valor intermedio de los que vienen en la carta, interpolamos entre las temperaturas de -10° y -20°F, entrando con una caída de presión de 250 psi. Los valores de la tabla son 15.7 TR a -10°F y 13.1 TR a -20°F, por lo que el valor interpolado es de 14.19 TR. Como la temperatura del líquido es diferente a los 100°F, tenemos que hacer la corrección correspondiente. De la tabla de factores de corrección, vemos que a 43°C (110°F) para R-502, es 0.91; por lo que la capacidad real de la válvula será 14.9 x 0.91 = 13.5 TR. En este ejemplo, la caída de presión de 10 psi, es la diferencia entre la presión de la línea de líquido y la de la línea de succión, por lo que simplemente se resta de la diferencia entre las presiones de descarga y de succión. El factor de corrección se selecciona a la temperatura de 43°C, y no a la de condensación (49°C), ya que se considera que hay una caída de temperatura entre la descarga del compresor y la entrada a la válvula de termo expansión. También, está válvula deberá ser con igualador externo debido a la caída de presión en el evaporador. La conexión es soldable.
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3.6.7. EJEMPLO 3
Se tienen los siguientes datos: Refrigerante = R-22 (sistema de aire acondicionado). Capacidad del evaporador = 7.5 TR (22,680 kcal/h). Temperatura de evaporación = 5°C (41°F). Temperatura de condensación = 35°C (95°F). Caída de presión en tuberías, conexiones y accesorios = 12 psi. Para el R-22 a una temperatura de 5°C, corresponde una presión de 70 psig, y a 35°C, corresponde una presión de 182 psig. La diferencia entre estas presiones es de 182 70 = 112 psi. Si restamos a este valor la caída de presión en tuberías, conexiones y accesorios, tenemos que la caída de presión a través de la válvula es de 112 - 12 = 100 psi. De la carta de capacidad extendida en el catálogo, tenemos que el modelo seleccionado es la válvula TCL7-1/2H, la cual a una temperatura de evaporación de 40°F da un valor de 7.4 TR. Nuevamente, tenemos que corregir este valor, ya que la temperatura del líquido entra a menos de 100°F. De la tabla de factores de corrección a 90°F, el factor es 1.06, por lo que la capacidad real de la válvula seleccionada a las condiciones de operación, es de 7.4 x 1.06 = 7.84 TR. 3.6.8. MEDICIÓN Y AJUSTE DEL SOBRECALENTAMIENTO
A menos que se especifique lo contrario, todos los fabricantes de válvulas de termo expansión, ajustan las válvulas a un sobrecalentamiento estándar, el cual es suficiente para que la válvula funcione a su capacidad nominal. Generalmente, este ajuste es suficiente para que la válvula opere adecuadamente y no es necesario cambiarlo. Algunos fabricantes ajustan el sobrecalentamiento a una "temperatura de baño", la cual es codificada alfabéticamente sobre la placa como se muestra en la tabla 3.5. Así pues, una válvula con un "10A" estampado en la placa, ha sido ajustada a un sobrecalentamiento estático de 10°F (5.6°C) con un baño de 32°F (0°C). De manera similar una válvula estampada con "10C", ha sido ajustada a un sobrecalentamiento estático de 10°F (5.6°C) con un baño de 0°F (-18°C). Con frecuencia se refiere al sobrecalentamiento como el "pulso" de la válvula de termo expansión. El sobrecalentamiento es importante para evaluar el funcionamiento de una válvula, sobre todo, para hacer un buen diagnóstico cuando se sospecha que la válvula es la que está fallando. Para conocer el sobrecalentamiento que está manteniendo una válvula de termo expansión en un sistema de refrigeración, se necesita determinar los valores que son:
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La presión y la temperatura del gas de succión, justo en el sitio donde está ubicado el bulbo de la válvula. Con un termómetro de precisión adecuado, se puede medir la temperatura directamente sobre la línea de succión. Se puede utilizar un termómetro de bolsillo para refrigeración, con abrazadera apropiada para el bulbo; o bien, se puede ser aun más preciso, utilizando un potenciómetro (termómetro eléctrico) con termopares (cables y sondas).
TABLA 3.5 - DIFERENTES "TEMPERATURAS DE BAÑO" A LAS QUE SE AJUSTA EL SOBRECALENTAMIENTO DE FÁBRICA.
El elemento sensor de su termómetro deberá ser fijado con cinta en la línea de succión, en el punto donde está ubicado el bulbo, y deberá aislarse contra el medio ambiente. Los elementos de temperatura de este tipo, así como los termómetros, si no se aíslan, darán una lectura promedio de la línea de succión y el ambiente. La presión se puede medir por dos métodos: 1) Si la válvula cuenta con igualador externo, se puede instalar una conexión "T" en la línea del igualador externo, y medir allí directamente la presión con un manómetro calibrado. Suponiendo que se cuenta con un manómetro y medidor de temperatura exactos, este método proporcionará lecturas de sobrecalentamiento lo suficientemente exactas para todo fin práctico. 2) Si la válvula no cuenta con igualador externo, la presión se mide en la válvula de servicio de succión del compresor. Con este segundo método se pueden hacer dos consideraciones: a) Estimar la caída de presión en la línea de succión por las conexiones, accesorios y tuberías, y sumar éste valor a la presión leída en el compresor. El resultado será la presión que se tiene en el sitio donde está ubicado el bulbo. b) Si el equipo es muy compacto, donde no se considera caída de presión en la línea de succión, la presión será entonces la misma que 104
la leída en la válvula de servicio del compresor. Puesto que las estimaciones de caída de presión en la línea de succión, generalmente, no son lo suficientemente precisas para proporcionar una perspectiva real de sobrecalentamiento, no se puede confiar en este método para obtener valores absolutos. Cabe hacer notar que el error en este caso siempre será positivo, y que el sobrecalentamiento resultante, será mayor que el valor real. Volviendo a expresar lo anterior, el único método de verificar el sobrecalentamiento que arrojará un valor absoluto, es en el que se obtienen las lecturas de presión y temperatura a la salida del evaporador. Otros métodos empleados arrojarán un sobrecalentamiento ficticio, el cual puede resultar engañoso, cuando se utiliza para analizar el funcionamiento de una válvula de termo expansión. Al darse cuenta de las limitaciones de estos métodos aproximados y de la dirección del error, con frecuencia es posible determinar que la causa de una aparente avería en la válvula, se debe al uso de métodos inadecuados de instrumentación, más que a un mal funcionamiento. Otro error más que se presentará al detectar fallas en áreas montañosas o lugares muy altos sobre el nivel del mar, es la baja presión manométrica, comparadas con las lecturas al nivel del mar. Utilice una tabla de presión temperatura que tenga lecturas corregidas a 1500 o a 2000 m. 3.6.9. EJEMPLOS DE CÓMO MEDIR EL SOBRECALENTAMIENTO
Enseguida, veremos un ejemplo de cada uno de los métodos descritos anteriormente, acerca de la medición del sobrecalentamiento. 3.6.9. a. Ejemplo 1 Cuando la válvula cuenta con igualador externo, en un sistema con R-22. Refiriéndonos a la figura 68, primero determinamos la temperatura del vapor sobrecalentado a la salida del evaporador, justo en el sitio donde está ubicado el bulbo. Para hacer esto, se necesita primero limpiar el área del tubo de succión donde se va a hacer la medición, y fijar el termopar con cinta aislante. Digamos que la temperatura obtenida sea de 11°C. Enseguida, se determina la presión de succión con un manómetro calibrado. Este manómetro se conecta a una "T", previamente instalada en la línea del igualador externo. Dependiendo de la facilidad de acceso que se tenga, la conexión "T" puede instalarse en cualquiera de los dos extremos de la línea del igualador, como se muestra en la figura 68. 105
FIG 68: EJEMPLO DE MEDICIÓN DEL SOBRECALENTAMIENTO PARA UNA VÁLVULA CON IGUALADOR EXTERNO Y R-22.
También se puede hacer una desviación, utilizando las mangueras del múltiple de servicio. Supongamos que la presión leída sea de 70 psig. De la tabla de presióntemperatura, se determina la temperatura de saturación para el R-22, correspondiente a la presión leída, que en este caso es de 5°C. El sobrecalentamiento va a ser el valor que resulte de restar la temperatura de saturación (5°C) de la tempera tura sensible medida en el primer paso (11°C); es decir: Sobrecalentamiento = 11°C - 5°C = 6°C. 3.6.9. b. Ejemplo 2 Cuando la válvula no cuenta con igualador externo, en un sistema con R-134a. Refiriéndonos a la figura 69, el método alterno para determinar el sobrecalentamiento cuando la válvula no cuenta con igualador externo, o en instalaciones estrechamente unidas, es el siguiente: primero, determinamos la temperatura del vapor sobrecalentado a la salida del evaporador, de la misma manera que el ejemplo anterior. Digamos que la temperatura es de 2°C. Medimos la presión de succión con un manómetro calibrado, directamente en la válvula de servicio de succión del compresor; en este caso, la presión es de 22 psig. Enseguida, estimamos la pérdida de presión por conexiones y accesorios en la línea de succión. Para nuestro ejemplo, consideramos esta caída de presión de 2 psi. Sumamos este valor a la presión obtenida en la válvula de servicio del compresor, para obtener la presión de succión a la salida del evaporador, que es la que necesitamos: Presión de succión = 22 psig + 2.0 psi = 24 psig. De la tabla de presión - temperatura para R-134a, determinamos la temperatura de saturación correspondiente a esta presión, que para este ejemplo es de -3°C.
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FIGURA 69 - MEDICIÓN DEL SOBRECALENTAMIENTO EN UNA VÁLVULA SIN IGUALADOR EXTERNO Y R-134A.
Nuevamente, el sobrecalentamiento será el valor que resulte de restar la temperatura de saturación (-3°C) a la temperatura sensible medida en el primer paso (2°C); es decir: Sobrecalentamiento = 2°C - (-3)°C = 5°C. Como regla general, el sobrecalentamiento independientemente del refrigerante que se aproximadamente dentro de los siguientes valores:
a la salida del evaporador, está utilizando, deberá estar
1. Alta temperatura (temp. evap. 0°C o mayor) entre 6° y 7°C. 2. Temperatura media (temp. evap. -18° a 0°C) entre 3° y 6°C. 3. Baja temperatura (temp. evap. abajo de -18°C) entre 1° y 3°C. 3.6.10. CÓMO AJUSTAR EL SOBRECALENTAMIENTO
Normalmente, todas las válvulas de termo expansión tendrán un buen funcionamiento con el ajuste preestablecido de la fábrica, y por lo general, no es necesario modificarlo. Aunque ocasionalmente, en muy pocos sistemas, el ajuste de sobrecalentamiento puede requerir alguna modificación en la instalación, sin importar la marca de la válvula. Antes de ver el procedimiento para variar el sobrecalentamiento, es conveniente conocer cómo se hace el ajuste de fábrica. El sobrecalentamiento en lo que a válvulas de termo expansión se refiere, puede dividirse en tres categorías: 3.6.10. a. Sobrecalentamiento estático. Es el sobrecalentamiento necesario para contrarrestar la fuerza del resorte, de tal manera, que cualquier sobrecalentamiento adicional causará que se abra la válvula.
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3.6.10. b. Sobrecalentamiento de apertura. Cantidad de sobrecalentamiento que se requiere, para levantar de su asiento la aguja de la válvula, a fin de permitir el flujo de refrigerante hasta su capacidad de clasificación. 3.6.10. c. Sobrecalentamiento de operación. calentamiento al cual opera la válvula en un capacidad nominal. El sobrecalentamiento sobrecalentamientos estático y de apertura. sobrecalentamientos.
Bajo condiciones normales, es el sobre sistema de refrigeración; o sea, a su de operación, es la suma de los En la figura 70, se ilustran los tres
La capacidad de reserva es importante, puesto que proporciona la habilidad para compensar los incrementos sustanciales, que ocasionalmente se presentan como carga en el evaporador, "flash gas" intermitente, reducción en la presión de alta debido a condiciones ambientales bajas, falta de refrigerante, etc. El ajuste de fábrica del sobrecalentamiento estático, se hace con la aguja de la válvula comenzando a levantarse del asiento. Las termo válvulas están diseñadas de tal manera, que es necesario un incremento en el sobrecalentamiento del gas refrigerante que sale del evaporador, usualmente de 2° a 3°C por arriba del ajuste estático de fábrica, para que la aguja abra hasta su posición de clasificación. Este sobrecalentamiento adicional se conoce como gradiente.
FIG 70: CURVA DE CAPACIDAD VS. SOBRECALENTAMIENTO, PARA UNA VÁLVULA DE TERMO EXPANSIÓN TÍPICA.
Por ejemplo, si el ajuste estático de fábrica es de 3°C, el sobrecalentamiento de operación en la posición de clasificación, será de 5° a 6°C, a menos que se especifique lo contrario (figura 71.) Generalmente, los fabricantes proporcionan las termo válvulas del tipo ajustable, con un ajuste de sobrecalentamiento estático de fábrica de entre 3° y 6°C. Si el sobrecalentamiento de operación se eleva innecesariamente, disminuye la capacidad del evaporador. 108
FIG 71: SOBRECALENTAMIENTO ESTÁTICO Y GRADIENTE DE UNA TERMO VÁLVULA.
Si el vástago de ajuste se gira en el sentido de las manecillas del reloj, se aumentará la presión del resorte P3, aumentando el sobrecalentamiento estático, y se disminuyendo la capacidad de la válvula. Girando el vástago en el sentido contrario a las manecillas del reloj, se disminuye el sobrecalentamiento estático, y se aumenta la capacidad de la válvula dentro de un rango limitado. Si después de haber hecho la medición correcta del sobrecalentamiento, como se mencionó anteriormente, se determina que hay que hacer un ajuste, el procedimiento más recomendable es el siguiente: Si el sobrecalentamiento está bajo, habrá que girar el vástago aproximadamente media vuelta en sentido de las manecillas del reloj, esperar de 15 a 30 minutos, hasta que se estabilice el sistema a las nuevas condiciones, y luego hacer otra medición del sobrecalentamiento. Si aún está bajo el sobrecalentamiento, se repite el procedimiento. Si el sobrecalentamiento está alto, se tendrá que proceder de la misma manera, sólo que girando el vástago de ajuste en el sentido contrario. Es importante, entre una lectura y otra, esperar de 15 a 30 minutos a que se estabilice el sistema.
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ANÁLISIS CRÍTICOS DE LOS DIFERENTES ENFOQUES Los seis tipos principales de controles de refrigerante que se describen en este trabajo recepcional incluyen los siguientes:
Válvula de aguja operada a mano Válvula de expansión termostática Válvula de expansión automática Flotador en el lado de presión alta Flotador en el lado de presión baja Tubo capilar o de estrangulación
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Estos controles dependen para su operación de uno de los factores siguientes: (1) cambios de presión, (2) cambios de temperatura, (3) cambios de volumen o cantidad, o (4) cualquier combinación de los puntos anteriores. Se usan ejemplos típicos para ilustrar la construcción y principios de operación de los seis tipos de dispositivos de control y para simplificar la descripción de cada uno. Se exponen las ventajas, desventajas y aplicaciones para desarrollar un conocimiento completo de las funciones de los dispositivos de control bajo condiciones variables. Los dispositivos para el control del refrigerante se conocen más comúnmente como dispositivos medidores. Un dispositivo medidor en el trabajo de refrigeración es, principalmente, una restricción que se introduce en el sistema. Esta restricción permite que el compresor, por su acción de bombeo, mantenga una diferencia de presión. El compresor bombea el refrigerante del lado bajo al lado alto. El refrigerante regresa del lado alto al lado bajo a través de la restricción (dispositivo medidor). El compresor debe tener suficiente capacidad para poder bombear el refrigerante tan pronto como regresa por el dispositivo medidor. Cuando el compresor efectúa este trabajo, mantiene la presión baja en el evaporador, lo cual es necesario para que el refrigerante hierva a una temperatura baja. Entonces se puede absorber calor por conducto del evaporador y se lleva a cabo la refrigeración. También, se puede disipar el calor cuando el compresor mantiene un nivel de presión alta y temperatura alta en el condensador. El dispositivo medidor, además de constituir una restricción, controla (mide) la velocidad de flujo del refrigerante del lado alto al lado bajo. Debido a su capacidad para controlar el refrigerante y a su adaptabilidad a las muchas y variadas aplicaciones del ciclo de refrigeración, la válvula de expansión termostática ha jugado un papel importante en el continuo progreso de la industria de refrigeración y aire acondicionado y su tecnología. 110
Como muchos otros componentes del sistema, el desarrollo de la válvula de expansión termostática, ha sido un resultado de la evolución técnica. En los primeros días de la refrigeración mecánica, el control del refrigerante se hacía con una válvula de aguja operada manualmente, la cual se sigue utilizando en la actualidad, sobre todo en sistemas de refrigeración con amoníaco. Mientras que este dispositivo proporcionaba alguna medida de control en aplicaciones donde la carga era constante, no respondía a otras condiciones que afectaban la cantidad de refrigerante que pasa a través de ella, tales como cambios de presión en el líquido causados por variaciones en la presión de descarga del compresor. De conformidad con esto, el uso de la válvula de expansión manual requiere supervisión constante donde una carga variable podría producir condiciones de falta de refrigerante en el evaporador, o una excesiva alimentación de líquido. El subsecuente desarrollo de un medio para superar esta dificultad, produjo lo que se conoció como la válvula de expansión automática. La descripción más precisa de este dispositivo sería: una válvula de control de la presión constante del evaporador, ya que mantenía una presión constante en la salida, a pesar de los cambios en la presión del líquido a la entrada, la carga u otras condiciones. La válvula de expansión automática fue un decidido progreso sobre la válvula de expansión manual. Mantenía la temperatura más constante y controlaba mejor la escarcha en la línea del evaporador. También, cerraba la línea de líquido cuando paraba el compresor, y evitaba el flujo excesivo al arrancar el mismo. Sin embargo, este dispositivo también tenía sus desventajas y limitaciones. Tendía a sobrealimentar refrigerante al evaporador cuando la carga térmica era baja, o a no alimentar suficiente cuando la carga térmica era alta. Por lo tanto, la disminución de la temperatura era lenta; ya que no se aprovechaba el área completa del evaporador ni su capacidad, al arrancar el ciclo de refrigeración.
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CONCLUSIONES Los dispositivos medidores cumplen dos propósitos: (1) restringir el flujo del refrigerante del lado alto al lado bajo. Esto permite que el compresor mantenga las condiciones de presión en el evaporador y el condensador que necesita para su funcionamiento correcto y (2) regular el flujo del refrigerante de acuerdo con las necesidades del sistema. Los dispositivos de medición se pueden agrupar como: Válvulas de expansión termostática. Flotadores para el lado bajo Válvulas automáticas de expansión. Flotadores para el lado alto Válvulas que se operan a mano. Tubos capilares. Las válvulas manuales se usan solamente en las instalaciones grandes donde continuamente se encuentran operadores en servicio y en las que existe una carga casi constante. Los flotadores para el lado bajo mantienen un nivel constante en el evaporador inundado. El flotador se encuentra usualmente dentro de la cámara del evaporador y siempre está ubicado en el lado de presión baja de la válvula de líquido que controla. Los flotadores para el lado alto operan en el lado de presión alta de las válvulas que controlan. La válvula automática de expansión (presión constante) permite el flujo del refrigerante en respuesta a la presión de succión (contrapresión) en el evaporador. Esta varía con la carga por calor, como se refleja en la velocidad a que hierve el refrigerante. Esta válvula funciona para mantener una presión constante en el evaporador. Una válvula de expansión termostática (supercalor constante) controla el flujo en respuesta al supercalor del refrigerante cuando sale del evaporador. Se esfuerza por mantener un supercalor constante en ese punto. El bulbo controlador, sensible a la temperatura, se une a la línea de succión en el extremo que conecta con el evaporador. Los compensadores en las válvulas de expansión termostática vencen las dificultades de control cuando tiene lugar una caída grande de presión en el evaporador. Un control de tubo capilar es una simple restricción que permite la igual acción necesaria del flujo y la presión durante el periodo de reposo del ciclo. Con este sistema se puede usar un motor menos costoso con torque bajo de arranque. 112
BIBLIOGRAFÍA PRINCIPIOS DE LA REFRIGERACIÓN R.W. Marsh; C.T. Olivo Editorial Diana, 2002. FUNDAMENTOS DE AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACIÓN Eduardo Hernández Goribar Noriega Editores, 2007. PRINCIPIOS DE REFRIGERACIÓN Roy J. Dossat CECSA, 2001. INGENIERÍA DEL ÁMBITO TÉRMICO James L. Threlkeld Editorial Prentice Hall Internacional, 1999. MANUAL DE ENTRENAMIENTO PARA REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL Gilbert Copeland Co., 2003. MANUAL DE VÁLVULAS DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA Guía de Capacitación Danffoss Co., 2007. VÁLVULAS DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA Boletín Técnico Sporlan Valves, 2006.
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ANEXOS
GUIA PARA REFERENCIA RAPIDA DE VALVULAS DE EXPANSION TERMOSTATICAS.
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