¿Te has preguntado alguna vez cómo hace un refrigerador para enfriar los alimentos? Detrás de este proceso aparentemente simple se esconde toda una maravilla de la ingeniería moderna conocida como el ciclo de refrigeración. Y en el corazón de este ciclo se encuentra un componente crucial pero poco conocido: la válvula de expansión termostática.
Esta pequeña pieza es la encargada de regular con precisión el flujo de refrigerante que entra al evaporador. De su correcto funcionamiento depende que el sistema complete eficientemente el proceso de absorber calor para poder enfriar.
En este artículo ahondaremos en los intrincados detalles de la válvula de expansión: cómo está compuesta, cómo funciona su mecanismo de control automático, cómo se debe instalar y calibrar, conceptos claves como el “sobrecalentamiento”, y nuevas tecnologías que están redefiniendo su diseño.
¿Qué Es La Válvula De Expansión Termostática?
La válvula de expansión termostática es un dispositivo de control de flujo de líquido refrigerante instalado a la entrada del evaporador. Su función principal es regular la cantidad de refrigerante que ingresa al evaporador para garantizar su correcto funcionamiento.
Específicamente, la válvula de expansión termostática busca que a la salida del evaporador solo exista vapor, sin presencia de líquido, mediante un proceso conocido como “sobrecalentamiento”.
Al estar ubicada entre el condensador de alta presión y el evaporador de baja presión, la válvula de expansión genera una caída de presión del fluido refrigerante. Recibe el refrigerante 100 % en estado líquido a la entrada y entrega una mezcla de líquido y gas a la salida, la cual se convertirá completamente en gas al pasar por el evaporador.
El objetivo de la válvula de expansión termostática es abastecer al evaporador con la cantidad precisa de mezcla de refrigerante para garantizar un sobrecalentamiento constante a la salida. Esto permite un funcionamiento eficiente y seguro del sistema de refrigeración.
¿Qué es el sobrecalentamiento?
El sobrecalentamiento se define como la diferencia de temperatura entre la temperatura del gas a la salida del evaporador y la temperatura correspondiente a la presión de evaporación.
Su valor representa los grados que el gas refrigerante se encuentra por encima del punto en que dejó de ser una mezcla líquido-gas y pasó a ser 100 % gas. Por ejemplo, si para una presión de evaporación de 15 psig la temperatura de saturación es de -10 °C, y la temperatura medida a la salida es de -4 °C, el sobrecalentamiento es de 6 grados.
El sobrecalentamiento confirmará si existe presencia de líquido sin evaporar. Valores muy bajos pueden indicar retorno de líquido al compresor. Valores muy altos reducen la eficiencia. La válvula de expansión busca mantener un sobrecalentamiento constante en el punto óptimo.
Partes De Una Válvula De Expansión Termostática
Las partes principales de la válvula de expansión termostática son:
- Cuerpo: Es el que sostiene los componentes internos. En algunos lugares lo llaman carcasa, aunque realmente el cuerpo implica más que una carcasa. El cuerpo debe garantizar la hermeticidad de la válvula
- Orificio de expansión: Es donde se produce la caída de presión en el interior de la válvula. Estos orificios son calibrados y en algunas válvulas se pueden intercambiar para ajustar el componente a las presiones necesarias del sistema.
- Elemento termostático: Este elemento regula el flujo según las condiciones detectadas en el sistema. Esta regulación se hace de forma automática y dependerá de la calibración de la propia válvula. Esta calibración dependerá del tipo de refrigerante que se use. Por ello, las válvulas termostáticas vienen calibradas para gases específicos. En la sección de “Funcionamiento” explicaremos mejor este elemento.
- Resorte y vástago de ajuste: Calibra la posición de la válvula y actúa en contraposición al elemento termostático. Este conjunto regula el sobrecalentamiento del sistema y por lo general no se puede ajustar de forma manual, aunque existen modelos en los que sí se puede hacer.
- Conexiones: Las conexiones de la válvula son para conectar al sistema de refrigeración. Por lo general están identificadas para que no haya errores de montaje.
- Conducto de igualación: Este conducto hace referencia a la presión de evaporación y puede estar en el diseño interno de la válvula cuando el sistema es pequeño, o por fuera de la válvula cuando el sistema es considerable en tamaño.
Funcionamiento De La Válvula De Expansión Termostática
La válvula de expansión termostática regula el flujo de refrigerante mediante un equilibrio de fuerzas entre sus componentes internos:
- Fuerza del bulbo sensor (P1): Busca abrir más la válvula ante más calor, indicando alto sobrecalentamiento.
- Fuerza del conducto de igualación (P2): Se opone a P1. Representa la presión de evaporación de referencia.
- Fuerza del resorte (P3): Ofrece resistencia calibrada adicional. Esta fuerza está en la misma dirección de P2 y opuesta a P1.
Cuando P1 supera la suma de P2 + P3 es porque se requiere más flujo de refrigerante, entonces hace que la válvula se abra más. Este equilibrio dinámico de fuerzas antagónicas permite que la válvula responda constantemente a las condiciones variables del sistema para mantener el sobrecalentamiento deseado.
Es vital que llegue líquido subenfriado a la entrada de la válvula. Si hay presencia de mezcla líquido-gas puede afectar su funcionamiento estable. Esto puede ocurrir si los filtros están sucios o las tuberías son muy pequeñas. La regulación de la válvula de expansión mediante este juego de fuerzas opuestas es lo que permite controlar correctamente el ingreso de refrigerante al evaporador.
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Tipos De Válvulas De Expansión Termostáticas
Las válvulas de expansión termostáticas basan su funcionamiento en responder a cambios de temperatura del refrigerante a la salida del evaporador, de manera que se mantenga un correcto nivel de líquido y un adecuado sobrecalentamiento del gas.
Existen diversos tipos de válvulas termostáticas, que se diferencian principalmente en su método de accionamiento y control. Cada una presenta características específicas en cuanto a funcionamiento, prestaciones, modo de regulación y campos de aplicación.
Válvula de expansión manual
La válvula de expansión manual consiste en una aguja o varilla metálica que termina en punta cónica, la cual se introduce en un orificio para controlar el flujo de refrigerante. La varilla se acciona manualmente por medio de un tornillo o volante que permite acercar o alejar la punta cónica del orificio de paso. Cuanto más cerca esté la punta del orificio, menor será el paso de refrigerante.
Este tipo de válvulas requiere un ajuste completamente manual por parte de un operador. La regulación dependerá exclusivamente del criterio y pericia de quien la opere. Una desventaja es que no responde de forma automática a cambios en las condiciones del sistema, por lo que necesita supervisión y ajustes frecuentes para mantener un funcionamiento óptimo.
Las válvulas manuales resultan apropiadas para instalaciones pequeñas y con cargas térmicas bastante constantes. No son recomendables cuando se necesita una regulación muy fina o ante variaciones significativas en la demanda frigorífica, ya que no poseen la capacidad de autorregularse. Su principal ventaja es el bajo costo en comparación con otros tipos de válvulas termostáticas.
Válvula de expansión electrónica
La válvula de expansión electrónica utiliza un motor paso a paso controlado por un microprocesador, que permite una regulación muy precisa del flujo de refrigerante, con hasta 480 pasos de ajuste en una carrera total de 15 mm.
Esta característica posibilita un control ideal del funcionamiento del evaporador, manteniéndolo lleno en su justa medida de líquido y gas refrigerante, permitiendo la salida únicamente de gas sobrecalentado para no dañar el compresor. El control electrónico ofrece ventajas como máxima utilización de la superficie del evaporador y un considerable ahorro energético.
El software de regulación implementado permite que el equipo de refrigeración o aire acondicionado donde se instale esta válvula funcione en condiciones óptimas, aún ante variaciones significativas en las presiones de trabajo del sistema. Por ello resulta muy recomendable en aplicaciones donde la demanda frigorífica cambia frecuentemente.
Válvula de expansión de bulbo y diafragma
La válvula de expansión de bulbo y diafragma es la común que vemos en la mayoría de equipos de refrigeración medianos y grandes. Es con la que hemos explicado la mayor parte de este post. Funciona en base a un bulbo sensor lleno con refrigerante, que mide constantemente la temperatura de salida del evaporador. Este bulbo está conectado a un diafragma dentro de la válvula.
Cuando el gas refrigerante sale más caliente debido a un exceso de sobrecalentamiento, la presión en el bulbo aumenta, empujando el diafragma para abrir más la válvula y dejar pasar más liquido. Por el contrario, si la temperatura del gas es más baja, disminuye la presión sobre el diafragma permitiendo que la válvula se cierre parcialmente.
De esta manera la válvula es capaz de autorregularse en respuesta a cambios en la temperatura del evaporador, manteniendo estable el grado de sobrecalentamiento deseado a la salida. Requiere una correcta selección y dimensionamiento del evaporador y la válvula para el sistema en cuestión.
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Válvula de expansión automática
La válvula de expansión automática funciona en base a la presión del lado de baja del sistema. Cuenta con un orificio calibrado que se abre cuando disminuye la presión en el evaporador, al arrancar el compresor.
Al parar el compresor, la presión del evaporador aumenta, provocando el cierre de la válvula. Suele tener un tornillo de ajuste que permite regular la apertura de acuerdo a la presión atmosférica del lugar y al tipo de refrigerante utilizado.
Durante el ciclo de apagado, esta válvula sella herméticamente el orificio para equilibrar la presión entre ambos lados. Sin embargo, tiene una pequeña ranura o bypass que permite igualar lentamente la presión sin afectar su funcionamiento cuando está abierta. Es importante una carga adecuada de refrigerante para evitar el paso de líquido y daños.
Ubicación De La Válvula De Expansión Termostática
La válvula de expansión termostática se ubica en una posición fija entre el condensador y el evaporador en sistemas donde no tienes la opción de cambiarla de posición. En los sistemas de diseño a solicitud debe instalarse lo más cerca posible a la entrada del evaporador, protegiéndola para evitar golpes.
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El bulbo sensor debe fijarse lo más cerca posible a la salida del evaporador. Sólo debe instalarse en tramos horizontales de la tubería y aislarlo correctamente una vez fijado.
