Cómo Seleccionar una Válvula de Termo expansión
Supongamos que en un sistema se va a reemplazar la válvula de termo expansión porque falló, y no se conoce su capacidad. ¿Qué se debe hacer? Si se instala una válvula de mayor tamaño, va a funcionar erráticamente o a inundar el evaporador. Si la válvula es muy pequeña, no alimentará suficiente, lo cual también puede causar daño al compresor.
Los fabricantes de válvulas de termo expansión las clasifican en base a un conjunto específico de condiciones y normas, determinadas por el Instituto de Refrigeración y Aire Acondicionado (ARI), o por la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE). Esta clasificación es nominal, y es la que viene grabada en la placa y en la caja de la válvula. De acuerdo a la norma 750 de ARI, la capacidad nominal se determina a una temperatura en el evaporador de 40°F (4.4°C), y a una caída de presión a través de la válvula de 60 psi (414 kPa) para el R-12, el R-134a y el R-500, y 100 psi (690 kPa) para el R-22 y el R-502. Además, el refrigerante que llega a la entrada de la válvula debe ser completamente líquido, estar libre de vapor y debe estar a una temperatura de 100°F (37.8°C).
Todos los fabricantes de válvulas de termo expansión clasifican sus válvulas de acuerdo a esta norma, y publican sus valores en forma de tablas en sus respectivos catálogos, para diferentes refrigerantes y a varias temperaturas de evaporación. Si la temperatura del refrigerante que llega a la válvula es diferente a 100°F (37.8°C), se proporciona una tabla con factores para hacer la corrección. Esta clasificación o capacidad nominal, puede ser muy diferente a la que realmente se requiere en el trabajo. Si se confía en la etiqueta o en la placa y se sigue ciegamente, puede resultar caro por las vueltas que haya que dar para revisar el equipo.
Cada fabricante de válvulas tiene una herramienta para ayudarle al técnico a determinar exactamente cuál válvula va en cada aplicación. Esta se llama Carta de Capacidad Extendida, y muestra lo que cada válvula puede hacer en cada situación. Estas cartas o tablas, generalmente se publican en el catálogo.
Para usar estas cartas, es necesario determinar cuatro datos básicos, además del refrigerante usado en el sistema:
-La capacidad del sistema de refrigeración.
-La temperatura del líquido que entra a la válvula.
-La temperatura de saturación del evaporador.
-La caída de presión a través de la válvula.
Para obtener esta información, se recomienda lo siguiente:
1. La Capacidad del Sistema de Refrigeración. Debe determinarse el tamaño del sistema en kcal/h o toneladas de refrigeración (1 T.R. = 3,024 kcal/h). Si se tiene disponible, debe revisarse la literatura del fabricante del sistema; si no se tiene disponible ningún tipo de literatura del fabricante, deberá encontrarse la clasificación del compresor en su placa. No debe tratarse de igualar la válvula a esa clasificación, porque puede variar dependiendo de la temperatura deseada en el espacio refrigerado. La temperatura promedio de un evaporador de aire acondicionado es de 5°C; para refrigeración, es de 3° a 8°C abajo de la temperatura del producto más frío almacenado.
Así pues, la capacidad del compresor en refrigeración, puede ser considerablemente menor que su capacidad nominal en la placa. Sirve solamente como una guía para la verdadera clasificación de la válvula.
2. Temperatura del Líquido que Ingresa a la Válvula . Para que la lectura sea lo más precisa posible, esta temperatura se determina con un termómetro de los que se fijan a la tubería con una correa, o con uno similar. Como ya se mencionó antes, las capacidades nominales de las válvulas, se establecen a una temperatura del refrigerante líquido, libre de vapor, en la entrada de la válvula de 100°F (37.8°C). Si la temperatura del líquido medida a la entrada de la válvula, es mayor o menor de 100°F, en las cartas de capacidad extendidas se muestran unos factores de corrección que servirán para hacer la compensación.
Puesto que la capacidad y rendimiento de la válvula de termo expansión está basada en el refrigerante líquido que entra, se deberá prestar especial cuidado a la caída de presión total en la línea de líquido. Si esta caída de presión es muy grande, el refrigerante líquido se evaporará antes de llegar a la válvula, formando lo que se conoce como "Flash Gas". En este caso, se le deberá proporcionar un subenfriamiento al refrigerante líquido a la salida del condensador (ver capítulo de Indicadores de Líquido y Humedad), para asegurar que el refrigerante entre a la válvula totalmente líquido, todo el tiempo.
3. Temperatura de Saturación del Evaporador. Si no se conoce esta temperatura, se puede estimar siguiendo la guía del punto 1. Debe ser menor que la temperatura requerida en el espacio refrigerado; si no, no se llevaría a cabo la transmisión de calor.
Si se observa detenidamente la tabla de capacidades del catálogo de Valycontrol, S.A. de C.V., se notará que la capacidad de una válvula de termo expansión disminuye al bajar la temperatura del evaporador. Esto se debe a que a menor temperatura de evaporación, se reduce el calor latente absorbido por kg. de refrigerante líquido. Como resultado, se reduce el efecto global de refrigeración. La temperatura deseada en el evaporador, es importante, cuando se desea seleccionar correctamente el tamaño de una válvula de termo expansión.
4. Caída de Presión a Través de la Válvula. Aquí, cabe aclarar, que lo que se debe determinar es la diferencia entre la presión del lado de entrada de la válvula y la presión del lado de la salida. No debe caerse en el error común, de simplemente sacar la diferencia entre las presiones de descarga y de succión del compresor. Puede que también sea necesario estimar la caída de presión debida a longitudes de tubería o a conexiones y accesorios, tales como válvulas de paso, solenoides, filtros, distribuidores, etc...
La presión a la salida de la válvula será más alta que la presión de succión indicada en el compresor, debido a pérdidas por fricción a través del distribuidor, de los tubos del evaporador, conexiones, válvulas y filtros.
La presión a la entrada de la válvula será más baja que la presión de descarga indicada en el compresor, debido a pérdidas por fricción creadas por la longitud de la línea de líquido, tubería del condensador, válvulas, conexiones, filtros y otros accesorios y, posiblemente, por alguna tubería vertical con flujo ascendente. La única excepción a esto es cuando la válvula está ubicada considerablemente abajo del recibidor, y la presión estática que se acumula es más que suficiente para contrarrestar las pérdidas por fricción. El diámetro de la línea de líquido deberá seleccionarse adecuadamente, dando la debida consideración a su longitud, además de la longitud equivalente adicional por el uso de conexiones y válvulas. Cuando sea necesario un levantamiento vertical en la línea de líquido, deberá incluirse una caída de presión adicional por la pérdida de presión estática.
En resumen, la caída de presión a través de la válvula de termo expansión, será la diferencia entre las presiones de descarga y succión en el compresor, menos las caídas de presión en la línea de líquido y la de succión. Algunas veces habrá que consultar tablas para determinar las caídas de presión, tanto en tubería como en conexiones, válvulas y accesorios. (Ver tabla 15.28, capítulo "Información Técnica").
Así que, cuando no se conozca el tamaño exacto de la válvula, tómese unos cuantos minutos para seguir los pasos recomendados y podrá hacer la selección más adecuada. Vale la pena invertir este tiempo por la satisfacción que deja el haber hecho la mejor elección, y también, para ahorrarse las molestias y costosas llamadas para regresar a hacer reparaciones.
A continuación ponemos algunos ejemplos de selección.
Ejemplo 1 Reemplazo de una válvula de termo expansión en un sistema de refrigeración comercial con R-134a, como el que se muestra en la figura 6.42. La capacidad del sistema es de 2.5 TR (7,560 kcal/h) y es para conservación de productos lácteos.
Siguiendo los pasos mencionados anteriormente, los valores que nos falta determinar son la temperatura del líquido, la temperatura de evaporación y la caída de presión a través de la válvula.
Generalmente, en la conservación de productos lácteos, la temperatura de estos debe ser de 4°C (40°F); por lo que la temperatura de evaporación es menor que la del producto, digamos -2°C (28°F).
Tal como se mencionó anteriormente, la temperatura del líquido a la entrada de la válvula, se determina midiendo directamente en la tubería con un termómetro. Si el sistema no está operando y no hay manera de medir la temperatura directamente, podemos estimarla a partir de los datos de diseño, es decir, si la temperatura de condensación es de 35°C, el líquido llegará a la válvula a una temperatura menor, dependiendo de la caída de presión que haya en la línea de líquido. Digamos que para este ejemplo la temperatura es de 32°C (90°F).
Para determinar la caída de presión a través de la válvula, tomamos como referencia las presiones de descarga y de succión medidas en el compresor. Digamos que éstas son de 115 y 20 psig, respectivamente. Refiriéndonos a la figura 6.42, podemos determinar las caídas de presión en la línea de líquido y en la línea de succión. Existen tablas donde viene la longitud equivalente para conexiones, válvulas y accesorios. Deben considerarse, además, las pérdidas por fricción en el condensador, el evaporador y las tuberías. Para este ejemplo, digamos que la caída de presión en la línea de líquido es de 10 psi, por lo que la presión del refrigerante a la entrada de la válvula, es de 115 10 = 105 psi. Haciendo las mismas consideraciones en la línea de succión, la caída de presión a través del evaporador, del filtro de succión y por la tubería, es de 5 psi; por lo que la presión a la salida de la válvula es 20 + 5 = 25 psig. La caída de presión a través de la válvula es de 105 25 = 80 psig.
En la figura 6.43 se muestra un segmento de la carta de capacidad extendida para R-134a, tomado del catálogo de Valycontrol, S.A. de C.V.
El siguiente paso es seleccionar la válvula. Primero, entramos con la temperatura de evaporación, que en nuestro caso, es de -2°C (28°F). Como este valor cae entre las columnas de 40° y 20°F, interpolamos a un valor intermedio. Enseguida, como la caída de presión a través de la válvula es de 80 psi y la capacidad del sistema es de 2.5 TR, tomamos los valores en la columna de 80, donde cruzan con la capacidad nominal de 2.5 TR, correspondiente al modelo HF 2-1/2 M. En la columna de 40°F, tenemos un valor de 2.74 y en la de 20°F un valor de 2.62. El valor promedio entre estos dos es de 2.68 TR, lo que nos indica que la selección es adecuada, ya que el valor resultante debe ser igual o ligeramente mayor que el tonelaje del sistema. Pero además, hay que corregir este valor, utilizando los factores de la tabla 6.44, ya que la temperatura del líquido es menor de 37.8°C (100°F). La temperatura del líquido a la entrada de la válvula para este ejemplo es de 32°C (90°F); por lo que el factor de corrección en la tabla 6.44, es el correspondiente a la intercepción de R-134a y 90°F, o sea, 1.07.
La capacidad real de la válvula de expansión seleccionada, una vez instalada en nuestro sistema, será de: 2.68 x 1.07 = 2.86 TR.
Ejemplo 2 Se tienen los siguientes datos: Refrigerante del sistema = R-502 (baja temperatura). Capacidad del evaporador = 12 TR (36,288 kcal/h). Temperatura de evaporación = -25°C (-13°F). Temperatura de condensación = 49°C (120°F). Caída de presión en tuberías, conexiones y accesorios = 10 psi.
Para el R-502 a una temperatura de condensación de 49°C (120°F), corresponde una presión de 283 psig, y a una temperatura de evaporación de -25°C (-13°F), corresponde una presión de 20 psig. La presión de condensación, menos la presión de evaporación es 283 20 = 263 psi. A este valor se le resta la caída de presión en las líneas, y tenemos que la caída de presión a través de la válvula es de 263 10 = 253.
Con estos datos, nos vamos a las cartas de capacidad extendida en el catálogo, y vemos que para R-502, la válvula que anda en el rango de 12 TR, es el modelo TRAE12R. Nuevamente, como la temperatura de evaporación cae en un valor intermedio de los que vienen en la carta, interpolamos entre las temperaturas de -10° y -20°F, entrando con una caída de presión de 250 psi. Los valores de la tabla son 15.7 TR a -10°F y 13.1 TR a -20°F, por lo que el valor interpolado es de 14.19 TR. Como la temperatura del líquido es diferente a los 100°F, tenemos que hacer la corrección correspondiente. De la tabla de factores de corrección, vemos que a 43°C (110°F) para R-502, es 0.91; por lo que la capacidad real de la válvula será 14.9 x 0.91 = 13.5 TR. En este ejemplo, la caída de presión de 10 psi, es la diferencia entre la presión de la línea de líquido y la de la línea de succión, por lo que simplemente se resta de la diferencia entre las presiones de descarga y de succión.
El factor de corrección se selecciona a la temperatura de 43°C, y no a la de condensación (49°C), ya que se considera que hay una caída de temperatura entre la descarga del compresor y la entrada a la válvula de termo expansión. También, está válvula deberá ser con igualador externo debido a la caída de presión en el evaporador. La conexión es soldable.
Ejemplo 3 Se tienen los siguientes datos: Refrigerante = R-22 (sistema de aire acondicionado). Capacidad del evaporador = 7.5 TR (22,680 kcal/h). Temperatura de evaporación = 5°C (41°F). Temperatura de condensación = 35°C (95°F). Caída de presión en tuberías, conexiones y accesorios = 12 psi.
Para el R-22 a una temperatura de 5°C, corresponde una presión de 70 psig, y a 35°C, corresponde una presión de 182 psig. La diferencia entre estas presiones es de 182 70 = 112 psi. Si restamos a este valor la caída de presión en tuberías, conexiones y accesorios, tenemos que la caída de presión a través de la válvula es de 112 12 = 100 psi.
De la carta de capacidad extendida en el catálogo, tenemos que el modelo seleccionado es la válvula TCL7-1/2H, la cual a una temperatura de evaporación de 40°F da un valor de 7.4 TR. Nuevamente, tenemos que corregir este valor, ya que la temperatura del líquido entra a menos de 100°F. De la tabla de factores de corrección a 90°F, el factor es 1.06, por lo que la capacidad real de la válvula seleccionada a las condiciones de operación, es de 7.4 x 1.06 = 7.84 TR.