DISPOSITIVOS DE EXPANSIÓN

El propósito de un dispositivo de expansión en un sistema de refrigeración, es

mantener la diferencia de presiones entre el lado de la presión más baja

(evaporador) y el lado de la presión más alta (condensador) para un proceso de

refrigeración accionado por un compresor.

Otro propósito de este componente, es el de regular el flujo de refrigerante en

combinación con la transferencia de calor en el evaporador. Si la transferencia de

calor se incrementa en el evaporador, el flujo másico a través del evaporador deberá

incrementar también.

Los dispositivos de expansión (dosificadores), tienen dos funciones

principales:

1. Regular el flujo del refrigerante líquido que alimenta al evaporador, según

sea la demanda.

2. Debe crear una caída de presión, desde el lado de alta al lado de baja del

sistema. Esta caída de presión da por resultado la expansión del refrigerante

que fluye, haciendo que una pequeña cantidad del mismo se evapore, de

manera que se enfríe hasta obtener una temperatura capaz de extraer el

calor de una sustancia o producto.

La misma cantidad de flujo que bombea el compresor al sistema debe ser la

que el dispositivo de control de flujo suministre al evaporador. Esto es, el evaporador

no debe sobrealimentarse, los dispositivos de control de flujo deben reaccionar ante

un cambio de condiciones, cuando aumenta la carga térmica en el evaporador, el

dispositivo debe reaccionar y alimentar más refrigerante y debe reducirlo cuando

disminuye la carga.

Como cada dispositivo de expansión es diferente, su funcionamiento varía de

acuerdo a la aplicación que se esté usando. Estos no son controladores de presión,

por tal motivo es conveniente controlar la presión del evaporador, manteniéndola fija

en un cierto valor, o limitar a un valor elevado o bajo, cuando es necesario controlar

la presión, pueden requerirse dispositivos adicionales o la modificación del

dispositivos de control de flujo.

TIPOS DE DISPOSITIVOS DE EXPANSIÓN

Los más comunes son:

Válvulas de expansión termostáticas

Válvulas de expansión manuales

Válvulas de expansión automáticas

Tubo capilar

Válvulas de flotador

• Flotador de baja presión

• Flotador de alta presión

Válvulas de expansión electrónicas

Válvulas de expansión termostáticas

Debido a sus grandes ventajas y a su fácil instalación, esta válvula es quizás la más

utilizada en sistemas frigoríficos. La válvula asegura que el vapor que se va

formando en el evaporador se recaliente hasta un cierto valor predeterminado. Esto

permite mantener el evaporador completamente lleno de refrigerante bajo las

condiciones de carga del sistema, sin peligro de paso de líquido a la tubería de

aspiración.

Gracias a su habilidad para porporcionar un uso total y efectivo de la superficie

del evaporador bajo cualquier condición de carga, este tipo de válvula es

particularmente útil para controlar sistemas de refrigeración sujetos a frecuentes y

grandes variaciones de carga. Mientras la operación de un válvula de expansión

automática está basada en el mantenimiento de la presión constante en el

evaporador, la operación de la válvula de expansión termostática está basada en el

mantenimiento de un grado de recalentamiento constante en el evaporador, evitando

de esta forma los peligros de golpes de líquido al compresor y manteniendo el

evaporador completamente lleno de refrigerante bajo cualquier condición de carga

del sistema.

La válvula asegura que el vapor que se va formando en el evaporador se

recaliente hasta un cierto valor predeterminado. Esto permite mantener el evaporador

completamente lleno de refrigerante bajo las condiciones de carga del sistema, sin

peligro de paso de líquido a la tubería de aspiración. A la entrada de la válvula, el

fluido debe estar en estado de líquido 100% a la temperatura de condensación o

mejor aún subenfriado, con lo que al sufrir la expansión, a la salida estará en estado

de mezcla de líquido y vapor; pero en ésta, la proporción deberá ser mucho mayor en

líquido que en vapor para que tenga un buen rendimiento.

Una válvula de expansión termostática consta de:

Aguja y asiento.

Diafragma.

Bulbo remoto cargado con fluido, el cual está abierto en el lado del diafragma

a través de un tubo capilar.

Un muelle, cuya tensión es ajustada mediante el uso de un tornillo.

Deben montarse lo más cerca de los evaporadores, pues de lo contrario, cuanto más

lejos se monte, hay que compensar la pérdida de rendimiento, como aislando el

tramo que los une, o replanteando diámetros.

Su funcionamiento queda determinado por tres presiones fundamentales que actúan

sobre la membrana interior.

Pb = Presión del bulbo, actúa sobre la parte superior y tiende a abrir la válvula. El

bulbo está unido a la parte superior de la válvula, mediante un tubo capilar soldado

entre ambos.

Pe = Presión de evaporación, actúa sobre la parte inferior de la membrana y tiende a

cerrarla. La presión del evaporador se comunica con la parte inferior de la

membrana, por medio de un orificio realizado a tal fin en el interior del cuerpo de la

válvula. Por ello, estas válvulas se llaman “válvulas de expansión termostáticas con

igualador interno”

Pr = Presión del resorte, también actúa sobre la parte inferior de la membrana y

tiende a cerrarla. Es la fuerza que actúa directamente sobre el vástago de la válvula.

Presiones que actúan en la válvula de expansión termostática.

Por lo que, en su funcionamiento, la presión del bulbo es equilibrada por la suma de

la presión del resorte más la presión de evaporación:

Pb = Pr + Pe

Cuando Pb > Pr + Pe, la válvula se abre

Cuando Pb < Pr + Pe, la válvula se cierra

La igualdad de presiones Pb=Pr+Pe, se verá afectada por la variación de la

temperatura del refrigerante a la salida del evaporador medida en el bulbo, puesto

que es la temperatura que actúa sobre el fluido que contiene el bulbo:

Si es alta, también lo serán la temperatura y la presión del fluido en el bulbo,

con lo cual se abrirá hasta restablecer nuevamente el equilibrio de las presiones.

Como regla general, las válvulas de expansión termostáticas son ajustadas por el

fabricante para un grado de recalentamiento entre 7 y 10°C. Dado que este grado de

recalentamiento es ordinariamente satisfactorio para la mayoría de las aplicaciones

no debe ser cambiado a no ser que sea absolutamente necesario.

Una vez que la válvula se ajusta para un cierto recalentamiento, la válvula lo

mantendrá independientemente de la temperatura y de la presión del evaporador.

Desafortunadamente, la válvula de expansión termostática no puede ser ajustada

para mantener una cierta temperatura y presión en el evaporador, sólo un

recalentamiento constante.

EJEMPLO DE APLICACIÓN

Una válvula termostática se instala en un evaporador originando una caída de

presión de 0.3 Kg/cm^2. Como se demuestra en la imagen inferior. La presión del

evaporador (Pe), que actúa para cerrar la válvula es de 0.9 kg/cm^2, que sumada a

la presión del resorte (Pr) cuyo valor es de 0.5 Kg/cm^2 da una presión total de

cierre:

Pr + Pe = Pb

0.5 Kg/cm^2 + 0.9 Kg/cm^2 = 1.4 Kg/cm^2 “Presión necesaria en el bulbo

para abrirla”

VÁLVULAS DE EXPANSIÓN MANUALES

Las válvulas de expansión manuales son válvulas de aguja operadas

manualmente. El flujo de líquido a través de la válvula depende de la diferencia de

presiones a través del orificio de la válvula y del grado de apertura de la misma,

operación ésta última que se realiza de forma manual. Asumiendo que la diferencia

de presiones en la válvula permanece constante, el flujo de líquido refrigerante a

través de una válvula de expansión manual permanecerá constante todo el tiempo,

sin tener en cuenta la presión de evaporación o la carga del evaporador.

El inconveniente es que no tiene respuesta a los cambios de carga del sistema

y debe ser reajustada manualmente cada vez que la carga del sistema varíe para

prevenir la deficiente alimentación o el exceso de carga del evaporador. También, la

válvula debe ser abierta y cerrada manualmente cada vez que el compresor entra en

un ciclo arranque-paro.

Obviamente, las válvulas de expansión manuales son apropiadas sólo para su

utilización en grandes sistemas donde existe un operador que está encargado de su

funcionamiento y donde la carga del sistema permanece relativamente constante. En

la actualidad, el uso principal de la válvula de expansión manual se restringe a su

empleo como elemento auxiliar de control, instalada en la tubería de by-pass.

También es frecuente usarlas para controlar el flujo a través de las tuberías de

purgado de aceite.

VÁLVULA DE EXPANSIÓN AUTOMÁTICAS

Mantiene la presión constante en el evaporador, inundando más o menos la

superficie del mismo en respuesta a los cambios de carga del sistema. La presión

constante característica de la válvula de expansión automática resulta de la

interacción de dos fuerzas opuestas:

Presión del evaporador.

Presión del muelle.

La presión del evaporador ejercida en un lado del diafragma actúa para mover

la válvula en la dirección de cierre, mientras que la presión del muelle en el lado

opuesto del diafragma actúa moviendo la válvula en la dirección de apertura.

Una vez que la tensión del muelle se ajusta para una determinada presión del

evaporador, la válvula operará automáticamente para regular el flujo de líquido

refrigerante en el evaporador de tal forma que la presión de evaporación deseada

sea mantenida independientemente de la carga del evaporador. Cuanto más

superficie del evaporador se convierta en efectiva, el grado de vaporización aumenta

y la presión del evaporador aumenta hasta equilibrar la presión del muelle y

viceversa.

La válvula consiste principalmente en:

Una aguja u obturador.

Un asiento.

Un diafragma.

Un muelle cuya tensión puede ser variada por medio de un tornillo.

El principal inconveniente de la válvula de expansión automática es su baja

eficiencia comparada con otros controles de flujo refrigerante. Analizando la relación

evaporador-compresor, es evidente que para mantener una presión constante en el

evaporador se requiere que el grado de vaporización en dicho equipo se mantenga

constante. En el caso de que la carga del evaporador sea alta y la transferencia de

calor por unidad de superficie de evaporador sea elevada, se necesita una

estrangulación severa del líquido para limpiar la cantidad efectiva de superficie de

evaporación. Cuando la carga del evaporador disminuye y la transferencia de calor

por unidad de superficie del evaporador se reduce, más y más superficie del

evaporador debe ser inundada con líquido al objeto de mantener un grado de

vaporización constante.

Se debe tener en cuenta que si la carga del evaporador cae por debajo de un

cierto nivel, la válvula de expansión automática en un intento de mantener la presión

de evaporación alta, sobrealimentará el evaporador provocando que el líquido entre

en la línea de aspiración del compresor lo que causará ciertos daños. Sin embargo

con un diseño apropiado del sistema, la sobrealimentación no tiene porque ocurrir,

dado que existe un termostato que detiene el funcionamiento del compresor cuando

la temperatura del producto o espacio a refrigerar se reduce a un nivel tal que la

carga en el evaporador cae por debajo de un punto crítico.

A la vista de sus pobres resultados bajo condiciones de carga alta, la válvula

de expansión automática encuentran sus mejores aplicaciones en pequeños equipos,

que tienen cargas relativamente constantes, tales como los refrigeradores

domésticos. Algunas válvulas automáticas de expansión se emplean actualmente

como “válvulas de derivación del condensador”. Como tales, se instalan en la tubería

de derivación entre el condensador y la tubería de aspiración, donde sirven para

regular el flujo de gas caliente que no entra al condensador, pasando directamente a

la tubería de aspiración, para evitar que la presión de condensación sea inferior a un

valor mínimo predeterminado.

TUBO CAPILAR

Es el tipo más sencillo de todas las válvulas de expansión o de regulación de caudal

de refrigerante. Consiste en una tubería de longitud fija, de pequeño diámetro

instalada entre el condensador y el evaporador, en lugar de la línea de líquido

convencional. Se emplea solamente con compresores de tipo hermético, de

capacidad relativamente constante.

Se emplean en pequeñas instalaciones en las que varía poco la carga

frigorífica, principalmente instalaciones domésticas y comerciales de refrigeración,

así como en acondicionamiento de aire. Por ejemplo, en neveras, muebles

enfriadores, botelleros, islas y equipos de aire acondicionado compactos y partidos.

El tubo capilar une el condensador con el evaporador (alta y baja presión), es

un tubo de cobre de pequeño diámetro. El fluido refrigerante al circular por el interior

del tubo, sufre una caída de presión y por tanto de temperatura, lo que origina su

expansión. Para evitar que una parte del fluido se evapore dentro del tubo, éste se

suele meter unos centímetros dentro del tubo de aspiración, que sale del evaporador

hacia el compresor. Lo que produce un intercambio térmico, que retrasa la

evaporación del fluido dentro del tubo capilar.

VÁLVULAS DE FLOTADOR

En los evaporadores de tipo inundado se utilizan normalmente válvulas de regulación

de caudal constante de refrigerante de tipo flotador. La cámara de flotación puede

estar o bien del lado de la alta presión o bien en el de la baja presión de la instalación

frigorífica.

El flotador de baja presión puede instalarse en el evaporador o en el

acumulador de líquido en donde controlará el nivel de líquido o también puede

instalarse en un lugar fuera de estas unidades en una cámara de flotación separada.

La válvula de flotador de alta presión controla indirectamente la cantidad de

líquido en el evaporador, manteniendo constante el nivel de líquido en la cámara de

flotación que se encuentra a alta presión. Cuando para el compresor en una

instalación de este tipo, baja el nivel de líquido en la cámara de flotación, lo que hace

que se cierre la válvula y permanezca cerrada hasta que nuevamente arranque el

compresor. De esta forma el mayor volumen de refrigerante estará en el evaporador,

siendo la carga, crítica para evitar sobrealimentaciones y posible paso de líquido

refrigerante al compresor. La válvula de flotador de presión alta puede ser instalada

en un evaporador de expansión seca o en un evaporador de tipo inundado.

VÁLVULA DE FLOTADOR DE BAJA PRESIÓN

Actúa para mantener constante el nivel de líquido en el evaporador regulando el flujo

de líquido refrigerante a la unidad de acuerdo con el grado de vaporización del

mismo. Es responsable sólo del nivel de líquido en el evaporador, y mantendrá el

evaporador con líquido refrigerante hasta un nivel deseado bajo todas las

condiciones de carga sin tener en cuenta la presión y la temperatura del evaporador.

Su operación puede ser continua o intermitente.

-Operación continua, la válvula tiene una acción estranguladora, se modula

hacia la posición de abierta o cerrada para alimentar con más o menos líquido el

evaporador para responder directamente minimizando los cambios en el nivel de

líquido en el evaporador.

-operación de forma intermitente, la válvula esta diseñada para responder

solamente a los niveles máximos y mínimos de líquido; en esos puntos la válvula

estará totalmente abierta o totalmente cerrada como resultado de un dispositivo

construido en el mecanismo de la válvula.

La válvula de flotador recibe el fluido en estado líquido del recipiente. La

expansión se produce a través del orificio.

A la entrada de la válvula el fluido se encuentra en estado líquido,

procedente del recipiente.

Sufre una expansión, con lo cual en el interior de la envolvente de la

válvula, se encuentra en estado de gas y líquido a baja presión.

Al bajar el nivel de líquido en el separador, según sea por a demanda

del evaporador o bien por la aspiración del compresor, también baja en

el recipiente de la válvula y el flotador abre dando entrada al fluido

refrigerante, hasta que alcanza el nivel de regulación y cierra.

VÁLVULAS DE FLOTADOR DE ALTA PRESIÓN

Está localizada en el lado de lata presión del sistema y controla la cantidad de líquido

que entra al evaporador indirectamente manteniendo constante el nivel de líquido en

la cámara de flotación de alta presión.

El refrigerante en forma de vapor procedente del evaporador condensada a

estado líquido en el condensador y pasa a la cámara de flotación aumentando el

nivel de líquido en la misma, causando así el que la válvula de flotador se eleve y

abra el puerto de la misma. Una determinada cantidad de líquido se libera desde la

cámara de flotación para aumentar el nivel de líquido en el evaporador.

Permite que sólo una pequeña y determinada cantidad de refrigerante

permanezca en el lado de la alta presión del sistema, es obvio que la cantidad de

refrigerante de la instalación está centrada en el evaporador y que la carga de

refrigerante es crítica. Un sobrecarga de líquido causará que la válvula de flotador

sobrealimente el evaporador provocando que el refrigerante líquido inunde el

compresor.

Por lo general se usan para alimentar evaporadores de carga constante, ya

que al actuar en la alta presión, dan paso de fluido independientemente de la que

realmente necesite el evaporador. Al cambiar el orificio de la válvula se cambia las

condiciones de expansión del fluido.

VÁLVULAS DE EXPANSIÓN ELECTRÓNICAS

El sistema de la válvula de expansión electrónica consiste en tres componentes:

• Regulador electrónico

• Válvula con accionador

• Sensores

El regulador debe estar conectado a la tensión de la red de alimentación. La

utilización de la tensión de la red de suministro de electricidad facilita la instalación y

simplifica la utilización. Es una válvula de solenoide proporcional con un orificio de

expansión incorporado. La válvula funciona al mismo tiempo como válvula de

expansión y como solenoide. La válvula efectúa la regulación de acuerdo con el

principio de modulación por anchura de impulsos. El período de funcionamiento de la

misma ha sido fijado en 6 segundos, dentro de cada período de 6 segundos la

válvula abre y cierra una vez. Si se necesita una mayor cantidad de frío la válvula

permanece abierta durante la casi totalidad de este período de tiempo.

La válvula de expansión puede funcionar en condiciones más variables que una

válvula de expansión termostática. La válvula de expansión electrónica está

totalmente abierta o totalmente cerrada.

Dirección General de Educación Superior Tecnológica

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALINA CRUZ

TEMA:

Dispositivos de Expansión

INTEGRANTES DEL EQUIPO:

Juan Carlos Fierro Bautista

Diego Eduardo Elias Escobar

Mario Sumuano Villaseca

Pedro Palacios Toledo

Mario Hervin Lavias Barenca

MATERIA:

Refrigeración y Aire Acondicionado

CARRERA:

Ingeniería Mecánica

PROFESOR:

Ing. Lino Rafael Gil Rodriguez

SALINA CRUZ, OAXACA, A 12 DE MARZO DEL 2013