Princípios de funcionamento e diferenças entre válvulas de expansão com equalização interna e com equalização externa

O papel das válvulas de expansão em sistemas de refrigeração

Embora a válvula de expansão seja um componente relativamente pequeno em todo um sistema de refrigeração para armazenamento a frio, sua importância é extremamente alta. A válvula de expansão afeta diretamente a estabilidade do fornecimento de líquido ao evaporador e o funcionamento normal da refrigeração.

A principal função de uma válvula de expansão é controlar o fluxo de refrigerante que entra no evaporador e regular automaticamente o fornecimento de refrigerante para que o evaporador permaneça sempre em condições operacionais adequadas. Simplificando, funciona como uma "torneira com regulagem automática de fluxo de água". Quando a carga térmica do armazenamento refrigerado aumenta, ela se abre automaticamente. Quando a temperatura do armazenamento refrigerado diminui, ela se fecha automaticamente.

Se a válvula de expansão abrir excessivamente, grandes quantidades de fluido refrigerante podem não evaporar completamente antes de retornar diretamente ao compressor, causando o retorno do líquido. Em casos graves, isso pode até danificar o compressor. Se a válvula de expansão abrir muito pouco, o suprimento de líquido para o evaporador torna-se insuficiente, impedindo que a parte final do evaporador participe plenamente da troca de calor, causando a diminuição da velocidade de resfriamento. Portanto, a condição de operação da válvula de expansão afeta diretamente a estabilidade de todo o sistema de refrigeração.

Em aplicações práticas, as válvulas de expansão termostáticas são divididas em dois tipos: válvulas de expansão com equalização interna e válvulas de expansão com equalização externa. Embora essas duas válvulas pareçam semelhantes externamente, seus métodos de operação interna são completamente diferentes.

Princípio de funcionamento das válvulas de expansão com equalização interna

A característica mais óbvia de uma válvula de expansão equalizada interna é que ela possui apenas duas conexões principais. Estruturalmente, ela parece relativamente simples, razão pela qual muitas unidades de refrigeração de pequeno porte e sistemas de ar condicionado padrão utilizam esse projeto.

Para entender as válvulas de expansão equalizadas internas, é preciso primeiro compreender como elas "detectam as mudanças de temperatura".

Na parte superior da válvula de expansão, um tubo capilar fino conecta-se ao bulbo sensor. O bulbo sensor geralmente é fixado ao tubo de saída do evaporador e contém uma pequena quantidade de fluido refrigerante. Quando a temperatura de saída do evaporador aumenta, o fluido refrigerante dentro do bulbo sensor começa a evaporar e gera pressão. Essa pressão é transmitida através do tubo capilar para a parte superior do diafragma dentro da válvula de expansão.

À medida que a pressão acima do diafragma aumenta, o diafragma é empurrado para baixo, acionando a agulha da válvula também para baixo. Com o movimento da agulha, a passagem da válvula, que estava fechada, abre-se gradualmente, permitindo a entrada de mais refrigerante no evaporador. Conforme o fluxo de líquido aumenta, a capacidade de absorção de calor do evaporador aumenta e a temperatura de armazenamento a frio diminui gradualmente.

Quando a temperatura de armazenamento a frio diminui, a temperatura de saída do evaporador também diminui. Nesse momento, o fluido refrigerante dentro do bulbo sensor condensa novamente, reduzindo a pressão. A força descendente que atua sobre o diafragma enfraquece e a válvula de expansão fecha gradualmente.

Contudo, o fechamento da válvula não depende apenas da força da mola. Outra força que participa do equilíbrio é a própria pressão do evaporador. Dentro da válvula de expansão equalizada interna, existe uma passagem muito pequena. A pressão próxima à entrada do evaporador entra no espaço abaixo do diafragma através dessa pequena passagem, criando uma força ascendente sobre o diafragma. Enquanto isso, a mola dentro da válvula de expansão também exerce uma força ascendente contra o diafragma.

Portanto, toda a válvula opera, na verdade, sob o equilíbrio de três forças:

• A pressão do bulbo sensor empurra para baixo.

• A pressão do evaporador empurra para cima.

• A força da mola também empurra para cima.

Quando essas três forças atingem o equilíbrio, a válvula se estabiliza em uma determinada posição de abertura.

O nome "equalização interna" se deve ao fato de a pressão do evaporador ser obtida diretamente por meio de uma passagem interna no corpo da válvula, sem a necessidade de tubos adicionais. Portanto, a aquisição de pressão ocorre internamente.

Princípio de funcionamento da válvula de expansão termostática (TXV)

Problemas associados às válvulas de expansão com equalização interna

As válvulas de expansão equalizadas internas possuem estruturas simples, custo relativamente baixo e fácil instalação, o que as torna amplamente utilizadas. No entanto, elas apresentam um problema evidente: a pressão que medem não é a pressão real de saída do evaporador, mas sim a pressão próxima à entrada do evaporador.

Muitos iniciantes em sistemas de refrigeração frequentemente negligenciam as perdas de pressão dentro dos evaporadores. Na realidade, após entrar no evaporador, o fluido refrigerante precisa percorrer longos circuitos de serpentina. Durante esse processo, a pressão diminui continuamente devido à resistência ao atrito e aos efeitos da evaporação.

Isso significa que a pressão de entrada e a pressão de saída do evaporador são frequentemente diferentes.

Se as serpentinas do evaporador forem relativamente curtas, essa diferença de pressão pode não ser significativa, permitindo que as válvulas de expansão equalizadas internas funcionem normalmente. No entanto, se os evaporadores forem longos ou pertencerem a sistemas de baixa temperatura, as quedas de pressão internas tornam-se muito mais significativas.

Neste ponto, as válvulas de expansão equalizadas internas ainda regulam com base na pressão de entrada, causando erros de avaliação. Essa situação pode ser comparada à de alguém tentando determinar se a pressão da água na extremidade de um cano é suficiente, medindo apenas a pressão na entrada do cano. Como existe resistência ao longo de todo o cano, uma alta pressão de entrada não significa necessariamente uma alta pressão na saída.

Da mesma forma, como as válvulas de expansão equalizadas internas não conseguem detectar a pressão real de saída, elas podem fechar prematuramente. O resultado é um suprimento insuficiente de líquido, fazendo com que a parte final do evaporador participe de forma menos eficaz na troca de calor e, em última análise, reduzindo o desempenho da refrigeração.

Muitos sistemas de armazenamento refrigerado enfrentam situações em que "a seção frontal congela enquanto a seção traseira permanece insuficientemente resfriada". Em muitos casos, isso está diretamente relacionado à distribuição desigual do fluido refrigerante.

Princípio de funcionamento das válvulas de expansão com equalização externa

Para solucionar os erros causados ​​pela queda de pressão no evaporador, foram desenvolvidas válvulas de expansão equalizadas externas.

A principal característica das válvulas de expansão com equalização externa é a presença de uma conexão adicional em comparação com as válvulas com equalização interna. Essa conexão geralmente se liga a um pequeno tubo equalizador conectado diretamente ao tubo de saída do evaporador. Como resultado, a pressão medida sob o diafragma deixa de ser a pressão de entrada do evaporador e passa a ser a pressão real de saída do evaporador.

Embora isso adicione apenas um pequeno tubo, a lógica de funcionamento muda significativamente. Como as válvulas de expansão equalizadas externas coletam diretamente a pressão de saída do evaporador, elas não são afetadas pelas perdas de pressão internas do evaporador. Os dados obtidos tornam-se mais precisos, resultando naturalmente em uma regulação mais exata das válvulas.

Quando a carga do evaporador muda, as válvulas equalizadoras externas podem determinar com mais precisão as condições reais de funcionamento do evaporador e ajustar o fornecimento de líquido de acordo.

A maior vantagem desse método de regulação é o controle mais preciso do superaquecimento. O superaquecimento pode ser entendido, de forma simples, como o aumento adicional da temperatura do refrigerante após sair do evaporador. Superaquecimento excessivo indica suprimento insuficiente de líquido, enquanto superaquecimento insuficiente pode indicar risco de retorno do líquido.

Graças às válvulas de expansão equalizadas externas, que proporcionam um controle mais preciso, os evaporadores podem manter condições de operação mais ideais.

Vantagens das válvulas de expansão com equalização externa em aplicações de armazenamento refrigerado

Os sistemas de armazenamento a frio de baixa temperatura normalmente apresentam evaporadores longos, tubulações complexas e grandes quedas de pressão interna [O armazenamento a frio de baixa temperatura é inerentemente mais difícil de resfriar, exigindo áreas de troca de calor maiores. Áreas de troca de calor maiores inevitavelmente criam maior resistência ao fluxo.]. Nesses sistemas, o uso contínuo de válvulas de expansão equalizadas internas frequentemente resulta em suprimento insuficiente de líquido.

Principalmente em grandes sistemas de armazenamento refrigerado a ar, o comprimento das serpentinas do evaporador pode se tornar extremamente longo. Após a passagem do refrigerante por essas serpentinas, a pressão diminui significativamente. Como as válvulas de expansão equalizadas internas não conseguem detectar a pressão real de saída, elas frequentemente assumem erroneamente que a pressão do evaporador permanece alta e reduzem prematuramente o fornecimento de refrigerante.

O resultado é que a porção final do evaporador não pode ser totalmente utilizada, desperdiçando a área disponível para troca de calor. As válvulas de expansão equalizadas externas, no entanto, leem diretamente a pressão de saída do evaporador, permitindo um ajuste mais preciso da abertura da agulha da válvula, de modo que toda a serpentina do evaporador participe da troca de calor.

Isso não só melhora a eficiência da refrigeração, como também proporciona temperaturas de armazenamento a frio mais estáveis. Portanto, em sistemas de armazenamento a frio de baixa temperatura, instalações de armazenamento a frio de médio a grande porte, serpentinas de evaporador longas e sistemas que exigem alta precisão no controle de temperatura, as válvulas de expansão equalizadas externas já se tornaram a escolha predominante.

A importância de compreender os princípios das válvulas de expansão

Muitas falhas em sistemas de refrigeração estão, na verdade, relacionadas à regulação anormal da válvula de expansão. Problemas como suprimento insuficiente de líquido, formação irregular de gelo no evaporador, temperaturas de sucção excessivamente altas e retorno de líquido do compressor podem estar relacionados ao funcionamento anormal da válvula de expansão.

Os técnicos de refrigeração verdadeiramente profissionais não se limitam a resolver problemas substituindo componentes. Em vez disso, eles conseguem identificar rapidamente anormalidades no sistema através de alterações de pressão, temperatura e formação de gelo.

A base de toda essa análise é a compreensão dos princípios de funcionamento das válvulas de expansão. Somente compreendendo verdadeiramente as diferenças entre válvulas de expansão com equalização interna e externa, os técnicos podem determinar com mais precisão por que os problemas ocorrem em sistemas de refrigeração reais e como os ajustes e reparos devem ser realizados.