Principios de funcionamiento y diferencias entre las válvulas de expansión con compensación interna y externa.

El papel de las válvulas de expansión en los sistemas de refrigeración

Aunque la válvula de expansión es un componente relativamente pequeño dentro de un sistema de refrigeración para cámaras frigoríficas, su importancia es fundamental. La válvula de expansión influye directamente en la estabilidad del suministro de líquido al evaporador y en el correcto funcionamiento de la refrigeración.

La función principal de una válvula de expansión es controlar el flujo de refrigerante que ingresa al evaporador y regular automáticamente el suministro de refrigerante para que este se mantenga siempre en condiciones de funcionamiento adecuadas. En pocas palabras, funciona como un grifo regulador automático del flujo de agua. Cuando aumenta la carga térmica de la cámara frigorífica, se abre automáticamente. Cuando disminuye la temperatura de la cámara frigorífica, se reduce automáticamente su apertura.

Si la válvula de expansión se abre excesivamente, es posible que grandes cantidades de refrigerante líquido no se evaporen por completo antes de regresar directamente al compresor, provocando el retorno del líquido. En casos graves, esto incluso puede dañar el compresor. Si la válvula de expansión se abre demasiado poco, el suministro de líquido al evaporador resulta insuficiente, impidiendo que la parte final del evaporador participe plenamente en el intercambio de calor y provocando una disminución de la velocidad de enfriamiento. Por lo tanto, el estado de funcionamiento de la válvula de expansión afecta directamente la estabilidad de todo el sistema de refrigeración.

En la práctica, las válvulas de expansión termostáticas se dividen en dos tipos: válvulas de expansión con compensación interna y válvulas de expansión con compensación externa. Si bien estas dos válvulas tienen un aspecto similar externamente, sus métodos de funcionamiento internos son completamente diferentes.

Principio de funcionamiento de las válvulas de expansión internas ecualizadas

La característica más evidente de una válvula de expansión interna con compensación de presión es que solo tiene dos conexiones principales. Estructuralmente, parece relativamente simple, razón por la cual muchas unidades de refrigeración pequeñas y sistemas de aire acondicionado estándar utilizan este diseño.

Para comprender las válvulas de expansión internas ecualizadas, primero es necesario comprender cómo "detectan los cambios de temperatura".

En la parte superior de la válvula de expansión, un tubo capilar delgado se conecta al bulbo sensor. Este bulbo sensor suele estar conectado al tubo de salida del evaporador y contiene una pequeña cantidad de refrigerante. Cuando la temperatura de salida del evaporador aumenta, el refrigerante dentro del bulbo sensor comienza a evaporarse y genera presión. Esta presión se transmite a través del tubo capilar a la parte superior del diafragma dentro de la válvula de expansión.

A medida que aumenta la presión sobre el diafragma, este se desplaza hacia abajo e impulsa la aguja de la válvula hacia abajo. Una vez que la aguja se mueve, el orificio de la válvula, que antes estaba cerrado, se abre gradualmente, permitiendo la entrada de más refrigerante al evaporador. Conforme aumenta el suministro de líquido, aumenta la capacidad de absorción de calor del evaporador y disminuye gradualmente la temperatura de almacenamiento en frío.

Cuando la temperatura de almacenamiento en frío disminuye, la temperatura de salida del evaporador también disminuye. En ese momento, el refrigerante dentro del bulbo sensor se condensa nuevamente, reduciendo la presión. La fuerza descendente que actúa sobre el diafragma se debilita y la válvula de expansión se cierra gradualmente.

Sin embargo, el cierre de la válvula no depende únicamente de la fuerza del resorte. Otra fuerza que interviene en el equilibrio es la propia presión del evaporador. Dentro de la válvula de expansión interna, existe un pequeño conducto. La presión cerca de la entrada del evaporador penetra en el espacio bajo el diafragma a través de este conducto, generando una fuerza ascendente sobre el diafragma. Al mismo tiempo, el resorte dentro de la válvula de expansión también ejerce una fuerza ascendente sobre el diafragma.

Por lo tanto, toda la válvula funciona en realidad bajo el equilibrio de tres fuerzas:

• Al detectar la presión del bulbo, empuja hacia abajo.

• La presión del evaporador empuja hacia arriba.

• La fuerza del resorte también empuja hacia arriba.

Cuando estas tres fuerzas alcanzan el equilibrio, la válvula se estabiliza en una determinada posición de apertura.

Se denomina “ecualización interna” porque la presión del evaporador se obtiene directamente a través de un conducto interno dentro del cuerpo de la válvula, sin necesidad de tuberías adicionales. Por lo tanto, la adquisición de presión se produce internamente.

Principio de funcionamiento de la válvula de expansión termostática (TXV)

Problemas asociados con las válvulas de expansión internas ecualizadas

Las válvulas de expansión internas con compensación de presión tienen estructuras sencillas, un costo relativamente bajo y una fácil instalación, lo que las hace muy utilizadas. Sin embargo, presentan un problema evidente: la presión que miden no es la presión real de salida del evaporador, sino la presión cerca de la entrada del mismo.

Muchos principiantes en sistemas de refrigeración suelen pasar por alto las pérdidas de presión dentro de los evaporadores. En realidad, después de que el refrigerante entra en el evaporador, debe circular por largos circuitos de serpentines. Durante este proceso, la presión disminuye continuamente debido a la resistencia por fricción y a los efectos de la evaporación.

Esto significa que la presión de entrada y la presión de salida del evaporador suelen ser diferentes.

Si las serpentinas del evaporador son relativamente cortas, esta diferencia de presión puede no ser significativa, lo que permite que las válvulas de expansión internas funcionen con normalidad. Sin embargo, si los evaporadores son largos o pertenecen a sistemas de baja temperatura, las caídas de presión internas se vuelven mucho más importantes.

En este punto, las válvulas de expansión internas ecualizadas aún regulan en función de la presión de entrada, lo que provoca errores de cálculo. Esta situación se puede comparar con la de alguien que intenta determinar si la presión del agua al final de una tubería es suficiente, pero solo mide la presión en la entrada. Dado que existe resistencia a lo largo de toda la tubería, una alta presión de entrada no implica necesariamente una alta presión en la salida.

De igual modo, dado que las válvulas de expansión internas compensadas no pueden detectar la presión de salida real, pueden cerrarse prematuramente. Esto provoca un suministro insuficiente de líquido, lo que hace que la parte final del evaporador participe con menor eficacia en el intercambio de calor y, en última instancia, reduce el rendimiento de la refrigeración.

Muchos sistemas de almacenamiento en frío experimentan situaciones en las que "la sección frontal se congela mientras que la sección posterior permanece insuficientemente refrigerada". En muchos casos, esto está directamente relacionado con una distribución desigual del refrigerante.

Principio de funcionamiento de las válvulas de expansión ecualizadas externas

Para solucionar los errores causados ​​por la caída de presión en el evaporador, se desarrollaron válvulas de expansión externas con compensación de presión.

La principal característica de las válvulas de expansión externas con compensación de presión es que cuentan con una conexión adicional en comparación con las válvulas internas. Esta conexión suele unirse a un pequeño tubo de compensación conectado directamente a la tubería de salida del evaporador. Como resultado, la presión detectada bajo el diafragma ya no corresponde a la presión de entrada del evaporador, sino a la presión real de salida.

Aunque solo se añade un pequeño tubo, la lógica de funcionamiento cambia significativamente. Dado que las válvulas de expansión externas compensadas recogen directamente la presión de salida del evaporador, no se ven afectadas por las pérdidas de presión internas. Los datos obtenidos son más precisos, lo que se traduce en una regulación de válvulas más exacta.

Cuando cambia la carga del evaporador, las válvulas externas de compensación pueden determinar con mayor precisión las condiciones reales de funcionamiento del evaporador y ajustar el suministro de líquido en consecuencia.

La principal ventaja de este método de regulación es un control más preciso del sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento se define simplemente como el aumento de temperatura del refrigerante tras su salida del evaporador. Un sobrecalentamiento excesivo indica un suministro insuficiente de líquido, mientras que un sobrecalentamiento insuficiente puede indicar riesgo de retorno de líquido.

Gracias a que las válvulas de expansión externas compensadas proporcionan un control más preciso, permiten que los evaporadores mantengan unas condiciones de funcionamiento más óptimas.

Ventajas de las válvulas de expansión externas ecualizadas en aplicaciones de almacenamiento en frío

Los sistemas de almacenamiento en frío a baja temperatura suelen presentar evaporadores largos, tuberías complejas y grandes caídas de presión internas. [El almacenamiento en frío a baja temperatura es inherentemente más difícil de enfriar, lo que requiere áreas de intercambio de calor más grandes. Las áreas de intercambio de calor más grandes inevitablemente generan mayor resistencia al flujo]. En estos sistemas, el uso continuo de válvulas de expansión internas ecualizadas a menudo resulta en un suministro insuficiente de líquido.

Especialmente en grandes sistemas de almacenamiento en frío refrigerados por aire, la longitud de las serpentinas del evaporador puede ser extremadamente larga. Tras el paso del refrigerante por estas serpentinas, la presión disminuye considerablemente. Dado que las válvulas de expansión internas con compensación de presión no pueden detectar la presión de salida real, suelen asumir erróneamente que la presión del evaporador se mantiene alta y reducen prematuramente el suministro de refrigerante.

El resultado es que la última parte del evaporador no se puede utilizar por completo, desperdiciando así la superficie de intercambio de calor disponible. Sin embargo, las válvulas de expansión externas con compensación de presión leen directamente la presión de salida del evaporador, lo que permite un ajuste más preciso de la apertura de la aguja de la válvula para que toda la serpentina del evaporador participe en el intercambio de calor.

Esto no solo mejora la eficiencia de la refrigeración, sino que también proporciona temperaturas de almacenamiento en frío más estables. Por lo tanto, en sistemas de almacenamiento en frío de baja temperatura, instalaciones de almacenamiento en frío de tamaño mediano a grande, serpentines de evaporador largos y sistemas que requieren una alta precisión en el control de la temperatura, las válvulas de expansión externas ecualizadas se han convertido en la opción más común.

La importancia de comprender los principios de las válvulas de expansión

Muchas fallas en los sistemas de refrigeración están relacionadas con una regulación anormal de la válvula de expansión. Problemas como el suministro insuficiente de líquido, la formación irregular de escarcha en el evaporador, las temperaturas de succión excesivamente altas y el retorno de líquido del compresor pueden estar relacionados con un funcionamiento anómalo de la válvula de expansión.

Los técnicos de refrigeración verdaderamente profesionales no se limitan a solucionar problemas reemplazando componentes. En cambio, pueden identificar rápidamente anomalías en el sistema mediante cambios de presión, cambios de temperatura y la presencia de escarcha.

La base de todo análisis reside en comprender los principios de funcionamiento de las válvulas de expansión. Solo comprendiendo a fondo las diferencias entre las válvulas de expansión con compensación interna y externa, los técnicos podrán determinar con mayor precisión por qué se producen problemas en los sistemas de refrigeración reales y cómo deben realizarse los ajustes y las reparaciones.