Tipos de Cargas del Bulbo Remoto
Habrá ocasiones en que el técnico de servicio en refrigeración, tenga que enfrentarse a situaciones donde la válvula de termo expansión no opere adecuadamente porque haya sido mal seleccionada, y haya que reemplazarla por el modelo correcto. ¿Cómo se debe proceder? Es de primordial importancia que los técnicos sepan escoger el reemplazo correcto, y un punto importante, es el tipo de carga del bulbo. Para esto, es necesario estar familiarizado con los diferentes tipos de cargas en el elemento de poder. (El elemento de poder consta de: el bulbo, el tubo capilar y la parte superior del diafragma).
Como se mencionó anteriormente, la función principal de una válvula de termo expansión, es controlar el sobrecalentamiento del gas refrigerante a la salida del evaporador. Pero hay varios tipos de válvulas y varios tipos de cargas, cada una con su propio uso específico. Entender la carga del elemento de poder y cómo afecta la presión en el diafragma, es básico para un buen servicio. Existen varios tipos básicos de cargas de uso común en la actualidad, las cuales pueden resumirse en cuatro tipos generales:
1. La Carga Líquida. Aquí, el elemento de poder está cargado con el mismo tipo de refrigerante que contiene el sistema donde se está usando la válvula.
2. La Carga Gaseosa. Es una carga líquida limitada. El elemento de poder contiene el mismo tipo de refrigerante que el sistema, pero en una cantidad menor que la carga líquida.
3. La Carga Cruzada. El elemento de poder está cargado con un refrigerante diferente al que contiene el sistema donde está instalada la válvula. Puede ser líquida o gaseosa.
4. La Carga de Adsorción. El elemento de poder contiene una carga cruzada gaseosa, y además, se utiliza algún tipo de adsorbente.
La Carga Líquida
En este tipo de carga, el elemento de poder contiene el mismo refrigerante que el sistema en el cual se está usando la válvula. Cuando se fabrica la válvula, el refrigerante se introduce al bulbo en forma líquida. El bulbo debe tener un volumen interno mayor, que el volumen combinado de la cámara del diafragma y el tubo capilar. El elemento de poder con carga líquida convencional, ilustrado en la figura 6.30, incluye un bulbo de tamaño suficiente, que contiene bastante líquido para asegurar que el punto de control esté siempre en el bulbo. Con este tipo de carga, siempre habrá algo de refrigerante en forma líquida en el bulbo, independientemente de su temperatura y de que el capilar y la caja del diafragma estén llenos de líquido. Si esto no se da, y por alguna razón el bulbo se quedara sin líquido, sólo contendría vapor y cuando cambiara la temperatura, la presión de ese vapor cambiaría muy levemente. Sin líquido, el bulbo pierde control.
Si la temperatura del capilar o de la caja del diafragma se vuelve más fría que la del bulbo, y algo de vapor se condensa en cualquiera de los dos, siempre habrá suficiente refrigerante líquido en el bulbo para asegurar el control en ese punto. De esta manera, la presión del elemento de poder es siempre la presión de saturación correspondiente a la temperatura del bulbo. Este factor es extremadamente importante en aplicaciones de baja temperatura.
Si graficamos los valores de presión vs. la temperatura, puesto que el refrigerante es el mismo en el bulbo que en el evaporador, las curvas serían idénticas y quedarían una sobre otra, como se muestra en la figura 6.31. Estas curvas cuando se aplican a un sistema en operación, indican que siempre habrá una relación directa a través del diafragma en los cambios de presión del bulbo y los cambios de presión del evaporador. Cuando el compresor se detiene, la presión del evaporador sube inmediatamente, antes que la del bulbo y la válvula se cierra, puesto que la presión del evaporador vence a la presión del bulbo. Durante el ciclo de paro, cuando el evaporador y el bulbo tienen la misma temperatura, sus presiones también son iguales y entonces la fuerza del resorte cierra la válvula.
Si debido a condiciones adversas del ambiente se eleva la temperatura del bulbo más que la del evaporador, hasta un punto donde se contrarresta la fuerza del resorte, la válvula abrirá y alimentará refrigerante al evaporador. Esto puede sobrecargar el compresor y causar una inundación al arranque.
Cuando el compresor arranca, la presión de succión baja rápidamente, desbalanceado las presiones sobre el diafragma. La válvula abre bastante porque la presión del bulbo es alta, ya que no ha bajado la temperatura del gas de succión. El resultado es una condición que tiende a llenar el evaporador, antes que el bulbo se enfríe para regular la válvula y producir una temperatura de sobrecalentamiento al gas de succión. Frecuentemente ocurren regresos de líquido y posible daño al compresor. La sobrealimentación al arranque, también provoca una alta carga de presión al compresor. Las posibilidades de sobrecarga del motor y de una consecuente quemadura, son muy posibles .
Las válvulas de termo expansión con cargas líquidas, se usan normalmente cuando prevalece en el evaporador un rango de temperatura extremadamente estrecho o limitado, una condición fuera del alcance de otras cargas de bulbo.
Las cargas líquidas tienen ventajas y desventajas.
Las ventajas son: obviamente que el control del flujo siempre estará en el bulbo, sin importar la ubicación o temperatura del cuerpo de la válvula y la caja del diafragma.
Las desventajas son: la válvula abre demasiado en el arranque, con las posibles consecuencias ya mencionadas; el sobrecalentamiento durante el arranque es bajo o nulo. Una ubicación inadecuada del bulbo, puede causar que la válvula abra durante el ciclo de paro; el sobrecalentamiento aumente a bajas temperaturas del evaporador y la presión de succión disminuya muy lentamente después del arranque. Las válvulas con carga líquida convencional no tiene características anti fluctuantes.
La Carga Gaseosa
En una válvula de termo expansión con carga gaseosa, el elemento de poder contiene el mismo tipo de refrigerante que el sistema donde se utiliza la válvula, sólo que la cantidad de líquido está limitada, de tal manera, que a cierta temperatura del bulbo remoto, la pequeña cantidad de líquido en su interior se habrá evaporado. Cuando esto sucede, toda la carga se convierte en un vapor saturado, y cualquier incremento posterior en la temperatura del bulbo lo convierte en un gas sobrecalentado y, puesto que un gas se comprime, la presión ejercida por éste se verá limitada.
Por lo tanto, en una válvula con carga gaseosa, la presión máxima que puede desarrollarse sobre la parte superior del diafragma, está limitada por la cantidad de carga en el bulbo remoto.
Mientras la temperatura del bulbo esté debajo del punto de evaporación completa, la presión sigue la curva de saturación igual que en la carga líquida (figura 6.32). Cuando la temperatura del bulbo alcanza ese punto, el líquido se evapora completamente. Más allá de ese punto, la temperatura del vapor aumenta y se sobrecalienta, limitando la presión ejercida por el bulbo. A esto se le conoce como efecto de Máxima Presión de Operación (MOP, por sus siglas en inglés). Cuando se fabrica la válvula, el punto donde la carga se evapora completamente, puede variar en cualquier lugar a lo largo de la curva de saturación. El punto MOP depende de cómo fue cargado inicialmente el bulbo, y dónde se va a utilizar la válvula.
Durante el ciclo de trabajo normal, la temperatura del bulbo está por debajo del punto limitante, y hay algo de líquido en el bulbo. Por lo tanto, opera igual que un elemento con carga líquida convencional.
De acuerdo a la relación de las presiones ejercidas en una válvula de termo expansión, P1 = P2 + P3 (ver figura 6.12), es fácil deducir que, si la presión ejercida por el bulbo (P1) se limita hasta un cierto nivel, y la presión del resorte (P3) permanece constante, entonces la presión del evaporador (P2) también se ve limitada. Si aumentan las presiones y temperaturas de operación del sistema, la presión del bulbo aumentará tan solo hasta ese punto limitante, y la válvula funcionará como una válvula de expansión de presión constante, manteniendo una presión fija en el evaporador. Si la presión del evaporador tiende a ir más allá de ese punto, las fuerzas que cierran y estrangulan la válvula se ven aumentadas. Por el contrario, si disminuye la presión del evaporador, la presión del bulbo excede las fuerzas que cierran y la válvula abre.
Cuando a una válvula de termo expansión con carga gaseosa, se le fija el punto limitante muy cercano a la presión de operación del sistema, ésta actúa como una Máxima Presión de Operación, protegiendo al compresor de las altas presiones de succión. En otras palabras, la MOP es la habilidad de la válvula para disminuir el flujo o cerrar completamente, si la presión de succión se aproxima a un límite alto predeterminado, que pudiera representar un peligro para el compresor. En un compresor que usa el gas de la succión como enfriamiento, tal condición pudiera causarle un sobrecalentamiento. Una vez cerrada la válvula a causa de la MOP, el compresor continúa trabajando y tiene la oportunidad de disminuir el exceso de alta presión de succión, hasta llegar a condiciones de operación satisfactorias. En este punto (debajo de la MOP), la válvula reabrirá y alimentará de manera normal, o hasta el momento que haya una sobrecarga de nuevo.
Hasta este punto, dentro del bulbo se tendrá vapor saturado a una temperatura de 20 °C, ejerciendo una presión de 116 psig sobre el diafragma, con lo que se equilibran las presiones a ambos lados de este último, pero la válvula permanece abierta. Si aumenta la presión dentro del evaporador, la temperatura del gas de succión sobrecalentará el gas dentro del bulbo, pero su presión no aumentará, por lo que la presión del evaporador debajo del diafragma es mayor y cierra la válvula. Cuando la presión del evaporador disminuye por debajo de su MOP de 100 psig, se forma nuevamente líquido en el bulbo, su presión es mayor que las presiones abajo del diafragma haciendo que abra la válvula y alimente más refrigerante hacia el evaporador.
El punto limitante normalmente se fija arriba de la presión de operación de succión, y sirve primordialmente, como una característica para mantener cerrada la válvula durante los ciclos de paro. Al arrancar, la fuerza que cierra excede la presión del bulbo y se retarda la apertura de la válvula. Conforme el compresor succiona el gas refrigerante del evaporador, la presión de succión disminuye rápidamente, hasta que la fuerza que cierra es menor que la del bulbo. Entonces, abre la válvula y opera igual que la carga de líquido convencional. Este retardo en la apertura durante el arranque, reduce la posibilidad de inundación del compresor, y en algunos sistemas, proporciona inadvertidamente una protección positiva contra sobrecarga del motor.
La Máxima Presión de Operación (MOP) de una válvula de termo expansión viene ajustada de fábrica, pero se puede variar de la misma manera que se varía el sobrecalentamiento; es decir, variando la presión del resorte (P3). Consulte la sección de Medición y Ajuste del Sobrecalentamiento.
Puesto que en una válvula con carga gaseosa el contenido de líquido en el elemento de poder es muy limitado (hasta su MOP), la ubicación de la válvula es muy importante. Para mantener el control, el bulbo deberá instalarse siempre en un punto mas frío que el capilar y el cuerpo de la válvula. Es muy importante que el líquido permanezca en el bulbo. Según se muestra en la figura 6.34, si el capilar o la cabeza de la válvula están en contacto con una superficie más fría que el bulbo, el vapor se condensa en ese punto, haciendo que el bulbo pierda el control y que la válvula no funcione correctamente.
Las VTE con carga gaseosa pueden utilizarse casi en cualquier aplicación de refrigeración o aire acondicionado, y en cualquier rango de temperaturas. Pero en aplicaciones de baja temperatura y por lo ya expuesto anteriormente deberán tomarse las precauciones del caso. Aunque lo más recomendable es en aplicaciones en un rango de temperaturas de entre 0 y 10 °C, como en enfriadores de agua y equipos de aire acondicionado.
Resumiendo las características de la válvula con carga gaseosa, encontramos que sus ventajas son:
1. Mantiene la válvula firmemente cerrada durante los ciclos de paro.
2. Hay un retardo en la apertura durante el arranque, lo que permite un rápido abatimiento de la presión:
a) Protege al motor del compresor de las sobrecargas.
b) Evita la inundación al arranque.
3. Proporciona una Presión de Operación Máxima durante el ciclo de trabajo, para protección del motor del compresor contra las sobrecargas, algo así como una válvula de expansión de presión constante.
4. Tiene características anti fluctuantes, las cuales se explicarán más adelante.
Su principal desventaja es que si la caja del diafragma o el capilar se enfrían más que el bulbo, la carga abandonará al bulbo y se perderá el control. Esta desventaja se agudiza en aplicaciones de baja temperatura y comerciales. Normalmente los sistemas de aire acondicionado y temperaturas similares, no son afectados.
La Carga Cruzada
En las válvulas de termo expansión con carga cruzada, el elemento de poder está cargado con un líquido diferente al refrigerante que se está utilizando en el sistema. Este líquido puede ser un refrigerante o algún otro compuesto químico. En una válvula con carga cruzada, al graficar las curvas de saturación (presión-temperatura) del fluido del elemento de poder y del refrigerante que usa el sistema donde está instalada la válvula, estas curvas se cruzan, de allí el nombre de «Carga Cruzada» (ver figura 6.35). Una carga cruzada puede ser líquida o gaseosa.
Este tipo de cargas surgieron cuando se intentaba desarrollar una válvula que eliminara las fluctuaciones (ver sección de fluctuación). Al principio se pensó que si se diseñaba una válvula altamente sensible, esta respondería rápido a los cambios de presión y temperatura del gas de succión, proporcionando, por lo tanto, una mejor modulación. Pero este no fue el caso, de hecho, una válvula altamente sensible sólo agravó la condición de la fluctuación. Se intentó lo opuesto, es decir, diseñar una válvula que fuera menos sensible, y se encontró que se podían reducir o eliminar las fluctuaciones. En el desarrollo final, se encontró que una válvula menos sensible a los cambios de temperatura del bulbo, pero que responde a los cambios normales en la presión del evaporador, demostró ser la más práctica. Se tomó este principio y se aplicó para producir válvulas con características antifluctuantes.
Cuando una válvula de termo expansión con carga cruzada se instala en un sistema, por las características de la válvula, este sistema arrancará cuando la presión de succión sea alta, y parará, cuando el compresor haya disminuido considerablemente la presión dentro del evaporador, llegando al punto a que está ajustado el control de baja presión.
Después de esto, comenzará a subir la temperatura en el evaporador y en el bulbo, aumentando también sus respectivas presiones. Puesto que el fluido dentro del bulbo es diferente al refrigerante del sistema, la presión del evaporador aumenta más rápido que la del bulbo y la válvula se cierra. Al haber una alta presión de succión, se requiere un alto sobrecalentamiento para que la presión del bulbo pueda vencer la presión dentro del evaporador. Esta es una situación conveniente, ya que evita el regreso de líquido al compresor y ayuda a limitar la carga en el motor.
Para ilustrar mejor el funcionamiento de una válvula de termo expansión con carga cruzada, supongamos un sistema que trabaja con R-134a, en el cual se instala una válvula con carga cruzada. Si graficamos las presiones y temperaturas de saturación para los dos fluidos, resultarán las curvas de saturación que se muestran en la figura 6.35. La curva «A», corresponde al R-134a y representa las condiciones dentro del evaporador. Es la fuerza que cierra la válvula. La curva punteada «B», corresponde al fluido del elemento de poder, el cual es un refrigerante diferente o algún otro compuesto químico. Como se puede ver en la gráfica, las curvas aproximadamente se cruzan a 6 °C. A temperaturas mayores, el fluido del bulbo tiene una presión de saturación más baja que la del R-134a; pero a temperaturas menores a ese punto, el fluido del bulbo puede desarrollar presiones más altas que el refrigerante dentro del evaporador.
Por lo anterior, la válvula es menos sensible a los cambios de presión en el bulbo, que a los cambios de presión en el evaporador. Cuando hay una variación en la temperatura del bulbo, su presión varía menos de lo que variaría si estuviera cargado con el mismo refrigerante del sistema. Esto abate la fluctuación.
Durante la operación, podremos notar que la presión disminuye hasta un punto donde las curvas están más cercanas. Esto significa que el sobrecalentamiento necesario para abrir la válvula, también disminuye en la misma proporción; lo que permite que se utilice más superficie del evaporador para el efecto de refrigeración, aumentando la capacidad del sistema. Una vez que el sistema está operando normalmente, las características de presión y de temperatura en el evaporador y el bulbo son muy similares, y la válvula controlará de manera efectiva con un sobrecalentamiento normal a la salida del evaporador.
La curva punteada «C», representa las temperaturas a las cuales debe aumentar el fluido del elemento de poder, para que su presión pueda vencer las presiones abajo del diafragma y que la válvula abra completamente. La diferencia de temperaturas entre la curva «A» (evaporador) y la curva «C» (bulbo), son los sobrecalentamientos de operación de la válvula.
Por lo anterior, es evidente que cuando se instale en un sistema una válvula de termo expansión con carga cruzada, su sobrecalentamiento deberá ajustarse a la temperatura de evaporación más baja que alcance el sistema cuando esté en operación. Esto evita la inundación del compresor con refrigerante líquido.
La Carga Cruzada Líquida. Generalmente, se utilizan donde es necesario un elemento de poder con carga líquida, para evitar que la carga se condense fuera del bulbo. Estas cargas tienen las mismas ventajas que las cargas líquidas normales, y aun más: la disminución de la presión de succión se hace lenta y moderadamente; reducen la carga en el compresor durante el arranque; reducen casi por completo la fluctuación. Las características del sobrecalentamiento para aplicaciones especiales, pueden hacerse a la medida.
Aunque las hay disponibles para aplicaciones en tres diferentes rangos de temperaturas, comúnmente se utilizan en aplicaciones comerciales y de baja temperatura, digamos de 4 °C para abajo.
La Carga Cruzada Gaseosa. Este tipo de cargas tienen las características de todos los otros tipos juntos, y por lo tanto, una válvula con carga cruzada gaseosa puede servir como reemplazo de cualquier otra válvula en el rango de temperaturas entre 10 y -40 °C.
Estas válvulas pueden aplicarse en un rango muy amplio de temperaturas, y pueden usarse con cualquier tipo de sistema de refrigeración o aire acondicionado. Sin embargo, comercialmente su uso principal es en bombas de calor.
En general, las ventajas de las válvulas de termo expansión con cargas cruzadas son: cierran rápidamente cuando el compresor para; eliminan la «fluctuación»; mantienen un sobrecalentamiento casi constante; evitan el regreso de líquido al compresor; permiten una rápida disminución de la presión de succión (pull down); protegen al compresor contra sobrecargas (MOP) y pueden instalarse sin considerar la temperatura ambiente, ya que no pierden el control si la válvula está más fría que el bulbo.
La Carga de Adsorción
Finalmente, mencionaremos el tipo de carga de adsorción. En realidad, esta es una variante de la carga gaseosa cruzada.
Los elementos de poder con cargas de adsorción dependen de un principio diferente. En estas válvulas de termo expansión, el elemento de poder contiene dos sustancias. Una es un gas no condensable, tal como el bióxido de carbono, el cual proporciona la presión. La otra, es un sólido; como el carbón, la sílica gel o la alúmina activada. Estas sustancias tienen la habilidad de adsorber gas, dependiendo de su temperatura. Las sustancias adsorben gas con más facilidad a bajas temperaturas.
Adsorción significa la adhesión de una capa de gas del grueso de una molécula, sobre la superficie de una sustancia sólida. No hay combinación química entre el gas y la sustancia sólida (adsorbente).
Al calentarse el bulbo sensor, la presión en su interior aumentará debido a la liberación del gas adsorbido. Al enfriarse el bulbo, su presión disminuye debido a que la sustancia adsorbe de nuevo al gas. Este cambio de presión se usa para controlar la apertura de la aguja de la válvula, en una válvula de termo expansión.
La apariencia y construcción general de estas válvulas, es la misma que con las de carga gaseosa cruzada. La única diferencia está en el gas y las sustancias contenidas en el elemento de poder para controlar sus presiones.
Estas válvulas de termo expansión tienen la ventaja de un retardo presión-temperatura en su operación. Tienen amplias aplicaciones de temperaturas, y se pueden usar en cualquier tipo de sistema de refrigeración o aire acondicionado. Su rango es suficiente para cubrir casi cualquier aplicación de refrigeración. El gas en el elemento de poder es un gas no condensable, mismo que permanece como tal, durante el rango de operación de la válvula.
Cada una de las diferentes cargas de bulbos mencionadas, tienen sus propias características individuales de sobrecalentamiento. Las diferentes curvas ilustradas en la figura 6.36, muestran las limitantes de operación de cada tipo. Estas curvas, no deben considerarse como valores verdaderos, sino solamente para ilustrar las ventajas y desventajas de cada una. El paréntesis horizontal indica el rango óptimo de mejor operación.
De la información proporcionada por las curvas de la figura 6.36, sobresale el hecho que la carga gaseosa cruzada W con MOP, es considerada como el mejor desarrollo. Esta carga mantiene casi constante el sobrecalentamiento, en un rango de 10 hasta -40°C de evaporación; lo que hace posible obtener un efecto de refrigeración máximo. Es de esperarse que los ajustes de sobrecalentamiento, sean consistentes para el rango completo de operación del evaporador, eliminando la preocupación de la fluctuación en los extremos de rangos de temperaturas.
Bulbos con Balasto
En la figura 6.37, se ilustra la operación de una carga de bulbo sin balasto. Puesto que responderá rápidamente en una forma de abrir y cerrar, la válvula puede sobrealimentar y alimentar de menos, causando la indeseable fluctuación en el sistema.
En la figura 6.38, se ilustra la variación del sobrecalentamiento de operación de un sistema de refrigeración típico con bulbo con balasto. Cuando disminuye la carga del sistema, la temperatura y el flujo en la línea de succión también disminuyen, y el sobrecalentamiento de operación aumenta rápidamente. Conforme aumenta la temperatura de la línea de succión, la presión del bulbo aumenta lentamente y el sobrecalentamiento de operación disminuye de la misma forma, hasta un nivel predeterminado. Después de varios ciclos en que se va abatiendo la amplitud, el sistema operará al sobrecalentamiento predeterminado, con un mínimo de fluctuaciones en la línea de succión.
¿Cuál Carga Utilizar?
Para ayudarle a comparar la carga correcta con su aplicación específica, consulte el código selector de cargas de válvulas de termo expansión de la figura 6.39. Esta tabla corresponde a las cargas utilizadas por ALCO CONTROLS. Es importante señalar que cada fabricante de válvulas de termo expansión utiliza su propia nomenclatura, para clasificar los diferentes tipos de cargas y los diferentes tipos de refrigerantes.
Las letras que utiliza ALCO CONTROLS para asignar las diferentes cargas del elemento de poder, son como sigue: