La Válvula Termostática
Para el entendimiento del funcionamiento de la Válvula
Termostática de Expansión es importante el entendimiento del concepto
de refrigerante sobrecalentado.
La Válvula Termostática de Expansión en el ciclo de refrigeración
es quizás de los componentes menos comprendidos, es por eso trataremos
de repasar su principio de operación. Un ciclo de aire acondicionado y
refrigeración, básicamente consta de seis elementos para que pueda
funcionar (Fig. 1): compresor, válvula termostática (elemento
regulador de la cantidad de refrigerante o tubo capilar), condensador,
evaporador, tubería y refrigerante.
El funcionamiento de un ciclo térmico está gobernado por la
naturaleza o condiciones presión-temperatura ambientales. Cuando estas
variaciones son menores o el ambiente es estable como en el caso de un
refrigerador doméstico ubicado dentro de un lugar de poca variación
ambiental, en paquetes de aire acondicionado pequeños, la utilización de
un tubo capilar es aceptable.
Desafortunadamente como podemos ver en la Fig. 1, el
ciclo está sujeto a continuas variaciones. Por la Válvula Termostática
está el condensador. En un lugar que es caluroso o frío está sujeto a
las variaciones de temperatura ambiente durante cada día, y a la de las
diferentes estaciones durante el año. Todas estas diferentes
temperaturas ocasionan diferentes presiones de condensado.
| Fig. 1 Diagrama básico del sistema o ciclo de refrigeración |
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En el lado opuesto de la válvula está el Evaporador, el cual
también está sujeto a continuos cambios tales como variaciones en carga
térmica, humedad relativa, movimientos del producto, rapidez de
enfriamiento, deshielos, etcétera. Lo que produce también las
variaciones de presión de evaporación correspondiente.
La cantidad o flujo de refrigerante requerido en el ciclo,
depende principalmente de la carga térmica y las condiciones de
temperatura requeridas en el cuarto o cámara fría. El compresor es la
máquina que bombea esta cantidad de refrigerante a las presiones del
condensador y del evaporador.
La presión y temperatura para un condensador están gobernadas por las condiciones del medio ambiente.
El diámetro del orificio de la Válvula Termostática nos
determina la presión del refrigerante en el evaporador que corresponde a
la temperatura de saturación necesaria para la aplicación requerida.
Por lo tanto, la información mínima requerida para la selección de una válvula de expansión es:
1 Presión de descarga del compresor, que corresponde a la
temperatura de saturación del refrigerante en el condensador, y a su
vez directamente proporcional a la temperatura ambiente.
2 Presión del evaporador o de succión del compresor, que
corresponde a la temperatura de saturación del refrigerante en el
evaporador, y a su vez directamente proporcional a la temperatura del
cuarto o cámara fría.
3 Capacidad o carga térmica en Btu/h, toneladas, kcal/h, etcétera en las condiciones de los puntos 1 y 2.
4 Dado que las condiciones 1, 2 y 3 son continuamente
cambiantes, es importante que se disponga de un dispositivo que adapte
el ciclo a esas variaciones. La Válvula de Expansión Termostática, TXV,
es capaz de regular el flujo de refrigerante bajo esas diferentes
condiciones.
Para el
entendimiento del funcionamiento de la Válvula Termostática de Expansión
es importante el entendimiento del concepto de refrigerante
sobrecalentado.
 La
condición en que la temperatura y presión para la cual una sustancia o
refrigerante puede existir simultáneamente en estado líquido y vapor
se denomina punto de “SATURACIÓN”.
Después de que un líquido ha cambiado a vapor, manteniendo su
presión constante, cualquier adición de calor (calor sensible) causa
una elevación en su temperatura. El término vapor “SOBRECALENTADO” es
usado para describir un gas cuya temperatura está arriba de su punto de
saturación o punto de ebullición. Ver Fig. 2.
La Válvula Termostática de Expansión es un dispositivo
diseñado para regular o dosificar el flujo de refrigerante líquido al
evaporador. Lo realiza en la misma proporción en la que el refrigerante
es evaporado.
Esto se logra manteniendo un sobrecalentamiento
predeterminado a la salida del evaporador (en la línea de succión hacia
el compresor).
Esto asegura que todo el líquido refrigerante ha evaporado dentro
del evaporador, de esta forma todo el refrigerante que regresa al
compresor está en estado gaseoso. Ver Fig. 3, y Fig. 4.
| Fig. 3 Determinación del sobrecalentamiento en el bulbo sensor |
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| Fig. 4 La Válvula Termostática de Expansión nos proporciona: |
Que el sobrecalentamiento en la entrada del compresor sea correcto (58 – 34 = 24ºF (13.3 ºC))
Que la carga y el flujo de refrigerante son correctos
Que el evaporador se use completo, (máxima eficiencia)
La temperatura es la deseada |
La Válvula Termostática se instala en la línea de líquido (ver Fig. 1)
en la entrada del evaporador, y separa los lados de alta y baja presión
del sistema. El bulbo sensor de temperatura es colocado a la salida
del evaporador. La Válvula Termostática se mantiene en su posición de
cerrada hasta que se alcanza el sobrecalentamiento predeterminado.
Subsecuentemente el refrigerante fluye a través del orificio
de la válvula manteniéndose en forma consistente el flujo de
refrigerante requerido para la carga térmica y el de su ajuste de
sobrecalentamiento.
La cantidad en masa de refrigerante que pasa por la VTX es la
misma que debe bombear el compresor, y deben estar perfectamente
hermanados.
El proceso termodinámico en la válvula de expansión es
Isoentálpico, en el que no existe transferencia de calor, ni tampoco
energía o trabajo mecánico. El ciclo de la Fig. 1 es un
sistema cerrado, el trabajo o energía dada al compresor más el calor
absorbido en el evaporador es igual al calor rechazado en el
condensador.
Existen tres fuerzas las cuales gobiernan la operación de la Válvula Termostática la cuales son (ver Fig. 5 y 6):
P1 la correspondiente al elemento de potencia debida a la presión del
bulbo sensor remoto, P2 la correspondiente a la presión del evaporador,
y P3 la correspondiente a la fuerza del resorte equivalente al
sobrecalentamiento.
| Fig. 5 Sobrecalentamiento estático y de operación |
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| Fig. 4 La Válvula Termostática de Expansión nos proporciona: |
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Dentro de los tipos de Válvulas Termostáticas podemos mencionar la
Válvula con Igualador Interno, en la cual la presión P2 del evaporador
o de salida de la válvula, se transmite a la parte inferior del
diafragma a través de un orificio dentro del cuerpo de la válvula (ver Fig. 6).
Estas válvulas son usadas cuando la caída de presión en el evaporador
es menor de 3 psi. El orificio igualador es el pasaje que comunica el
evaporador con la parte inferior del diafragma.
En aplicaciones donde la caída de presión entre la salida de
la válvula y la salida del evaporador es despreciable, las válvulas con
igualador interno son efectivas.
La Válvula con Igualador Externo se usa donde la caída de
presión en el evaporador es mayor de 3 psi. La presión P2 es la de la
salida del evaporador mediante un tubo conector a la válvula.
Como ejemplo en la Fig. 3, se observa una caída de
presión en el evaporador de 10 psi (68.5 – 58.5). Cuando se usa
refrigerante R-22, la presión P2 abajo del diagrama es 58.5 psig
(detectada a través del tubo igualador), la que corresponde a una
temperatura de saturación de 33°F (en la tabla P-T) del refrigerante
R-22, por lo tanto el sobrecalentamiento a la salida del evaporador es
la temperatura medida de salida del evaporador de 40°F menos la
temperatura de saturación de 33°F, e igual a 7°F (40 °F – 33°F).
En este mismo ejemplo Fig. 3, en caso de no usar el
tubo igualador; la presión P2 abajo del diagrama sería 68.5 psig, y se
requeriría una presión en el bulbo sensor de 78.5 psig para el adecuado
balance de las presiones. A esta presión corresponde una temperatura
de saturación del bulbo (igual a la temperatura de salida del
evaporador) de 46.4°F, por lo tanto el sobrecalentamiento a la salida
del evaporador es la temperatura de salida del evaporador de 46.4°F
menos la temperatura de saturación a la salida de 33°F, e igual a
13.4°F (46.4°F – 33°F).
En conclusión si la caída de presión es significativa >3.0
psi, es necesario el uso de válvulas con igualador externo, ya que un
excesivo sobrecalentamiento es indicio de la baja utilización del
evaporador que redunda en una baja eficiencia de transmisión de calor,
con altos costos de operación.
El bulbo sensor remoto y la presión del elemento de poder P1 que
corresponde a la presión de saturación del gas refrigerante saliendo del
evaporador, mueve la aguja o perno de la válvula en la dirección de
abrir, (ver Fig. 5).
Opuesta a esta fuerza de apertura en la parte de abajo del
diafragma y actuando en sentido de cierre se encuentran dos fuerzas, la
debida a la presión del evaporador P2 y la debida a la acción del
resorte de sobrecalentamiento P3. La primera situación sucede cuando la
válvula se encuentra en una posición de control estable, y las tres
fuerzas están balanceadas, (ver Fig. 6 o sea P1 = P2 + P3).
La siguiente situación se debe a un aumento de carga térmica
en el evaporador. El sobrecalentamiento del gas saliendo del evaporador
(lugar del bulbo sensor remoto) también se aumenta arriba de la
temperatura de saturación correspondiente a la presión de evaporación.
La presión generada dentro del bulbo sensor P1, debido al aumento de
temperatura, se aumenta arriba de las dos fuerzas combinadas (del
evaporador P2, y del resorte de sobrecalentamiento P3), causando que la
aguja de la válvula se mueva en dirección de abrir.
Inversamente debido a una disminución de carga térmica en el
evaporador, el sobrecalentamiento del gas saliendo del evaporador
(lugar del bulbo sensor remoto) también se reduce abajo de la
temperatura de saturación correspondiente a la presión de evaporación.
La presión generada dentro del bulbo sensor P1, debido al aumento de
temperatura, se disminuye abajo de las dos fuerzas combinadas (del
evaporador P2, y del resorte de sobrecalentamiento P3), causando que la
aguja de la válvula se mueva en dirección de cerrarse.
En ambas situaciones al aumentar o disminuir el flujo de
refrigerante la válvula retoma el equilibrio de sus presiones,
manteniendo siempre el sobrecalentamiento necesario para una eficiente y
segura operación del evaporador y del compresor.
Los ajustes de fábrica de las Válvulas Termostáticas de Expansión
se hacen justo cuando su aguja empieza a dejar de tocar su asiento (ver
Fig. 5) aproximadamente 0.002 pg. El aumento del sobrecalentamiento
justo cuando la aguja se empieza a mover se refiere en la Fig. 5, como Sobrecalentamiento Estático (SS) o de Apertura Inicial.
Las válvulas por lo general funcionan en tal forma que un
aumento del sobrecalentamiento del gas saliendo del evaporador,
normalmente sea arriba de 4 a 6°F del valor del ajuste de su valor
estático, esto es necesario para que la aguja de la válvula abra a su
posición nominal de funcionamiento. Este sobrecalentamiento adicional
se conoce como Gradiente (OS). Si una válvula de fábrica viene con un
ajuste de 6°F de sobrecalentamiento operará en su valor nominal cuando
su aguja se encuentre en su posición correspondiente, siendo del orden
de 10 a 12 grados de sobrecalentamiento.
| Los ajustes recomendables de operación de sobrecalentamiento de las válvulas son: |
| • Para Alta Temperatura (Arriba de
30 °F de Evaporación), de 10 a 12 °F.• Para Media Temperatura (de 0 a
30 °F de Evaporación), de 5 a 10 °F.• Para Baja Temperatura (Abajo de
0 °F de Evaporación), de 2 a 5 °F. |
Se recomienda un sobrecalentamiento total a la entrada del
compresor de 20 °F. El bulbo sensor debe montarse firmemente en una
sección limpia del tubo y en forma horizontal, y tan cerca como sea
posible de la salida del evaporador. Su localización recomendada es
entre la posición de las tres y cuatro de las manecillas del reloj.
Aislarlo de las temperaturas ambientales y corrientes de aire que lo
rodean, para prevenir lecturas erróneas de la temperatura de línea de
succión.
No debe instalarse donde exista atropamiento de refrigerante
líquido o en la parte inferior de la línea de succión, ya que enviará
una señal incorrecta con una falsa respuesta de la válvula.
Una instalación adecuada del bulbo sensor asegura un buen
funcionamiento de la Válvula Termostática, y una buena respuesta a los
cambios de temperatura del gas que sale del evaporador. |
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