Aplicación y ajuste de las válvulas de expansión termostática

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La válvula de expansión termostática es un dispositivo que mide el flujo de refrigerante para que abastezca al evaporador con la cantidad de líquido correcta. Conoce su clasificación, anatomía, funcionamiento y ajuste, así como la interpretación del concepto de sobrecalentamiento y su especial relación con el dispositivo de expansión

Alonso Amor Garay / Imágenes: cortesía de Emerson Climate Technologies

La válvula de expansión, al ser uno de los cuatro componentes principales del ciclo de refrigeración (en conjunto con el compresor, el condensador y el evaporador) juega un papel primordial en el funcionamiento y la seguridad del sistema. Su selección y ajuste deben realizarse correctamente para brindar una adecuada alimentación de refrigerante al evaporador y tener una buena eficiencia, además de proteger al compresor de posibles daños, como retorno de líquido o calentamiento excesivo.

Definición

La válvula de expansión termostática (o válvula de termoexpansión) es un dispositivo de medición de flujo de líquido refrigerante instalado a la entrada del evaporador, cuya función es abastecer al evaporador con la cantidad de líquido correcta que garantice que a la salida de éste sólo exista vapor.

Este componente, también conocido como TXV, genera una caída de presión del fluido refrigerante al ser una división entre el lado de alta y baja presión del sistema de refrigeración. A la entrada, la válvula recibe el refrigerante ciento por ciento en estado líquido, mientras que a la salida entregará una mezcla de líquido y gas (también conocida como líquido saturado) que se convertirá en gas en su paso por el evaporador.

La válvula de expansión termostática tiene como objetivo garantizar que exista sobrecalentamiento constante, es decir, que el fluido se encuentre en forma gaseosa con el mismo sobrecalentamiento cuando el sistema está trabajando en el punto de operación para el cual fue diseñado.

Existen algunos conceptos equivocados respecto de las funciones de la válvula de expansión termostática; por ejemplo, el hecho de que puede ser utilizada para controlar variables como la temperatura del cuarto, capacidad del sistema o presión de condensación resultan ser conceptos incorrectos y no deben de tomarse en cuenta. La válvula de expansión termostática es un elemento que sólo reacciona ante la presión y la temperatura y su función se basa en el correcto ajuste del flujo de líquido que ingresa al evaporador para poder garantizar un sobrecalentamiento adecuado a la salida del evaporador.

Sobrecalentamiento

El sobrecalentamiento se define como la diferencia de temperatura existente entre la temperatura del gas a la salida del evaporador y la temperatura correspondiente a la presión de evaporación.

Su valor representa el número de grados que el gas se encuentra por arriba del punto en el que dejó de ser una mezcla de líquido y gas y pasa a ser ciento por ciento gas. Por ejemplo, para una aplicación en donde se tiene R-404A, a una presión de 15 psig, en la ya conocida Tabla Presión / Temperatura se observa que su temperatura de saturación es de -30 grados centígrados (°C), y si la temperatura medida es de -25 °C, el sobrecalentamiento de ese refrigerante es de 5 grados.

Cabe mencionar que debido a que el sobrecalentamiento es un diferencial, lo correcto es expresarlo en grados Kelvin (K); sin embargo, debido a que el tamaño de un grado Kelvin es igual al de un grado centígrado, es comúnmente expresado en grados centígrados.

Existen dos puntos en donde puede ser medido el sobrecalentamiento: a la salida del evaporador (también llamado sobrecalentamiento útil) o a la entrada al compresor (conocido también como sobrecalentamiento total). En ambos casos debe de verificarse que los valores encontrados concuerdan con las recomendaciones del fabricante del equipo.

Anatomía

En una válvula de expansión se pueden identificar seis principales componentes: el cuerpo; las conexiones de entrada y salida; el orificio de expansión, aguja y asiento; el elemento termostático o elemento de poder; el resorte y el vástago de ajuste de sobrecalentamiento, y el conducto de igualación.

  1. Cuerpo. Generalmente fabricado en latón, esta parte de la válvula es la que le da soporte a todos los componentes internos. Su diseño debe permitir que, ya ensamblada la válvula, sea completamente hermética. Además, según la forma del cuerpo, existen dos clasificaciones de válvulas de expansión: las rectas, en donde la conexión de entrada y salida están en la misma línea, y las angulares, en donde la entrada y la salida forman un ángulo de 90 grados
  2. Conexiones de entrada y salida. Como su nombre lo indica, son el medio de conexión entre el sistema de refrigeración y la válvula. Comúnmente, la conexión de salida es de una medida mayor que la de entrada, aunque no es regla, y dependiendo del diseño, algunas válvulas tienen una malla (cedazo*) para filtración de partículas sólidas, la cual se instala en la conexión de entrada, cuyo componente evitará el ingreso de partículas no deseadas que pueden llegar a tapar los conductos internos de la válvula. Cabe mencionar que las conexiones pueden ser en terminación soldar o roscada. Para bajas capacidades, de entre 5 o menos toneladas, comúnmente se utiliza la conexión roscada y para tonelajes mayores la conexión siempre será soldar
  3. Orificio de expansión, aguja y asiento. En este punto se realiza la expansión. El líquido refrigerante entra en alta presión y, debido a la reducción del canal de flujo, se lleva a cabo este proceso. En las válvulas de expansión termostáticas este conducto se ajusta a la necesidad actual del sistema, permitiendo un mayor flujo de refrigerante ante situaciones de alto sobrecalentamiento y menor flujo ante bajo sobrecalentamiento
  4. Elemento termostático o elemento de poder. Está compuesto por el diafragma y el bulbo sensor. A diferencia de los componentes anteriores, el elemento de poder está en función del gas refrigerante que esté siendo utilizado en el sistema, es decir, existen diferentes elementos para distintos gases y aplicaciones. Esto es debido a que el bulbo sensor posee una carga termostática que reacciona ante la diferencia de temperatura en el tubo de succión; y si ésta incrementa hace que las partículas de la carga se exciten y generen una fuerza. Esta fuerza ocasiona la deformación del diafragma en sentido descendente, lo que resulta en la apertura de la válvula para permitir un mayor flujo de refrigerante. Por el contrario, si existe señal de baja temperatura de succión (indicación de bajo sobrecalentamiento), las partículas contenidas en el bulbo sensor tendrán una presión menor sobre el diafragma, permitiendo una deformación en sentido ascendente que limita el flujo de refrigerante. Además, existen diferentes sustancias que se pueden utilizar como cargas termostáticas, las cuales pueden ser líquidas o gaseosas; para algunas aplicaciones, el fluido contenido en el bulbo sensor es exactamente el mismo que está circulando en el sistema
  5. Ajuste del sobrecalentamiento. En la parte inferior del orificio de expansión se encuentra un resorte que ejerce una fuerza en sentido contrario a la del bulbo sensor. La mayoría de las válvulas cuenta con un vástago de ajuste, cuya función es regular la presión que ejerce el resorte, y permite realizar ajustes en campo. Al “cerrar” el vástago, el flujo de refrigerante tenderá a ser menor y con ello incrementará el sobrecalentamiento. Cabe destacar que no todas las válvulas de expansión cuentan con vástago de ajuste, ya que existen modelos especialmente diseñados para productos específicos en donde no es posible manipular el ajuste del resorte, lo cual sucede principalmente en aplicaciones de aire acondicionado en donde se trabaja con un volumen de gas conocido
  6. Conducto de igualación (interno o externo). En conjunto con el resorte, la igualación también ejerce una fuerza contraria a la del bulbo sensor. La fuerza del igualador es correspondiente a la propia presión de succión y el igualador puede ser interno o externo. Cuando se habla de una igualación interna, se cuenta con una cavidad que toma presión de la salida de la válvula de expansión; esto se aplica en sistemas de bajo tonelaje sin distribuidor, en donde la presión de la salida de válvula se puede considerar igual a la presión de succión. Para evaporadores de mayor capacidad, en donde el sistema cuenta con un distribuidor (evaporador con múltiples circuitos), es necesario utilizar una válvula con igualador externo, lo que se logra por medio de una conexión (generalmente de ¼ ”) que se lleva al cabezal de succión del evaporador; con ello, se mide la presión real después de todas las pérdidas de carga inherentes al distribuidor, esprea y serpentín del evaporador.

Funcionamiento

La TXV cumple su objetivo de elemento de medición por medio de un equilibrio de fuerzas, entre las que están actuando el bulbo sensor, el resorte y la ecualización.

El bulbo sensor (P1) es la fuerza que busca abrir la válvula para permitir un mayor paso de fluido refrigerante, pues una mayor temperatura puede ser sinónimo de alto sobrecalentamiento. Con la intención de que la válvula se abra sólo cuando la temperatura alta sea por alto sobrecalentamiento y no por altas presiones, la fuerza (P2) proveniente de la ecualización actúa en sentido contrario a P1. P2 representa la presión de evaporación, la cual debe ser medida en un punto con la misma temperatura y presión que el punto de instalación del bulbo sensor. Si la presión ejercida por el bulbo es lo suficientemente alta para requerir más flujo de refrigerante, será capaz también de vencer a la presión (P3) –presión del resorte– que actúa como una resistencia adicional de calibración de la válvula. De lo anterior se establece que la posición de la válvula de expansión se dará en el punto en donde se encuentre el equilibrio de las presiones, o sea P1= P2 + P3.

Como se ha explicado, las válvulas de expansión termostática son dispositivos que regulan la entrada de líquido refrigerante al evaporador; por tal motivo, siempre debe garantizarse que a la entrada exista ciento por ciento líquido, es decir, fluido subenfriado.

Por otro lado, en ocasiones lo que se encuentra a la entrada de la válvula es una mezcla de líquido y gas (también conocida como flash gas), la cual, por tener una composición diferente, provocará que la alimentación de refrigerante sea inestable. Esta mezcla puede presentarse principalmente ante dos situaciones: cuando los filtros deshidratadores de la línea de líquido estén tapados (o subdimensionados) o cuando las tuberías de la línea de líquido cuentan con un diámetro menor al necesario, principalmente en tramos ascendentes. En ambos casos se generará una pérdida de presión, que tendrá como resultado una evaporación prematura de líquido.

Instalación

Para su correcto funcionamiento, la válvula de expansión termostática debe de instalarse lo más próxima posible a la entrada del evaporador, intentando siempre protegerla con el gabinete para evitar que pueda ser golpeada; si se trata de una válvula con conexiones soldables, debe de estar protegida con un trapo mojado durante el proceso de soldadura para evitar dañar las uniones y los componentes internos. Es también necesario verificar que se esté utilizando la soldadura correcta para evitar calentamiento excesivo.

El bulbo sensor deberá fijarse firmemente en una posición correspondiente a las 12 horas (con respecto a las manecillas del reloj), para tubos de 7/8” o menores, y a las 8 o las 4 para tubos mayores de 7/8”; esto es con la intención de que el bulbo siempre esté midiendo la temperatura del refrigerante en estado gaseoso y no exista la posibilidad de estar midiendo algún remanente de aceite en la tubería. Adicionalmente, el bulbo sólo deberá instalarse en tramos horizontales de tubería, además de estar debidamente aislado. También es importante que sepas que el bulbo debe ser instalado lo más cercano posible a la salida del evaporador.

Por su parte, el ecualizador debe instalarse inmediatamente después de la válvula, ya que el conjunto bulbo y ecualizador debe quedar antes de la trampa de succión. Es importante que el tubo de ecualización sólo quede superficialmente en el tubo de succión, pues, de ser instalado en el fondo, puede no estar succionando gas, lo que ocasionará que la válvula trabaje más abierta de lo que debería.

Ajuste

Es muy común que se realicen ajustes en situaciones en las que existe otro problema y se recurra a abrir o cerrar la válvula por ser la solución más inmediata. Pero una válvula de expansión bien seleccionada y que esté trabajando en un sistema balanceado nunca debería de ser manipulada, pues el ajuste de fábrica es adecuado para el correcto control del flujo. La válvula de expansión sólo se debe ajustar cuando se hayan revisado todos los demás componentes del sistema, cuando éste trabaje a la temperatura deseada y cuando se haya realizado previamente una lectura de sobrecalentamiento.

Cabe resaltar que debe verificarse también el sobrecalentamiento total del sistema y cerciorarse que se encuentre dentro de los parámetros establecidos por el fabricante. La diferencia entre el sobrecalentamiento útil y total estará en función de la longitud y la calidad del aislamiento de la línea de succión.

En caso de que la válvula requiera de un ajuste, se deberá abrir para reducir el sobrecalentamiento y cerrarse para aumentarlo. No olvides que es importante no hacer ajustes mayores a media vuelta por evento y esperar, por lo menos, 20 minutos para realizar una nueva medición y verificar si es necesario realizar un nuevo ajuste.

Valores típicos del sobrecalentamiento útil, dependiendo de la aplicación

  • Alta temperatura 6 (°K)
  • Media temperatura 4 (°K)
  • Baja temperatura 2 (°K)

Otros conceptos

  • Puerto balanceado. A diferencia de las válvulas de puerto convencional, las válvulas de puerto balanceado ofrecen significativas ventajas en el control del sobrecalentamiento, sobre todo cuando se cuenta con variaciones importantes en la temperatura ambiente. Al contar con una geometría simétrica y con un vínculo directo con el diafragma, este tipo de válvulas ofrece una alimentación correcta del evaporador en condiciones de bajo ambiente, lo que evita la sobrealimentación de líquido que comúnmente ocurre con válvulas de puerto convencional.
  • Máxima presión de operación (MOP). Es una característica especial de algunas válvulas de expansión, cuya función es proteger al compresor de sobrecargas; esto se logra estableciendo una máxima presión de operación (MOP, por sus siglas en inglés). En este tipo de válvulas existe una carga reducida del bulbo sensor; ante una alta demanda de flujo, la válvula no es capaz de continuar abriendo, limitando la presión de succión. Esto es útil principalmente en aplicaciones de congelación o enfriamiento rápido, en donde se limita la presión de succión ante situaciones de producto caliente dentro de la cámara o salidas de deshielo en donde se ha introducido una cantidad importante de calor al sistema.
  • Sangrado. Existen aplicaciones de aire acondicionado en donde se utilizan compresores de bajo torque; por ello, se necesita que las presiones de alta y baja se encuentren en un valor cercano entre ellas al momento de la partida del compresor, lo cual se resuelve por medio de la utilización de válvulas de expansión con sangrado. En este tipo de válvulas se cuenta con un pequeño conducto de ecualización (normalmente de 15 por ciento del total del flujo) que mantiene un bypass entre el lado de alta y el lado de baja, permitiendo la ecualización mientras el compresor se encuentra apagado.
  • figura 5Válvula check interna. En aplicaciones de bomba de calor en donde se requiere de flujo reversible, una de las posibles configuraciones es la utilización de válvulas de expansión termostáticas con válvula check interna. Como se muestra en el esquema, durante la operación en flujo normal (o modo enfriamiento), la válvula check es empujada contra el asiento, manteniendo todo el flujo a través del puerto de la válvula; cuando el flujo es reversible (modo calentamiento), la presión de entrada empuja verticalmente la válvula check, permitiendo el flujo reversible con sólo una pequeña caída de presión. Para lograr esta función, antes eran instaladas válvulas check de manera externa a la válvula de expansión, generando puntos adicionales de soldadura además de un costo mayor para el usuario.

Nuevas tecnologías: válvulas de expansión electrónicas

Las válvulas de expansión electrónicas han sido desarrolladas como resultado de la constante búsqueda de componentes más eficientes. Al igual que las termostáticas, las válvulas de expansión electrónicas buscan controlar un sobrecalentamiento constante, lo cual se hace por medio de un transductor de presión, un sensor de temperatura y un controlador electrónico que está midiendo el sobrecalentamiento en todo momento y ajusta la válvula a la necesidad actual del sistema.

Este tipo de válvulas no posee carga termostática, por lo que son aplicables a cualquier tipo de refrigerante. Debido a que es posible ajustar el sobrecalentamiento a valores más exactos y continuos, esta tecnología ofrece grandes beneficios en términos de ahorro energético, además de ser la principal solución para nuevos gases refrigerantes, como en el caso del CO2.

Alonso Amor Garay es ingeniero mecánico eléctrico egresado del ITESM, Campus Estado de México. Cuenta con 9 años de experiencia en la industria de la refrigeración y aire acondicionado, trabajando principalmente en el área de Ingeniería de Aplicación, con posiciones en México y Brasil. Actualmente, se desempeña como gerente Técnico para América Latina de la línea de Flow Controls en la división White Rodgers en Emerson Climate Technologies.