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Una válvula de expansión es un dispositivo en el engranaje de válvulas de las máquinas de vapor que mejora la eficiencia del motor. Funciona cerrando el suministro de vapor antes de que el pistón haya recorrido toda su carrera. Este corte permite que el vapor se expanda dentro del cilindro. [1] Este vapor en expansión sigue siendo suficiente para impulsar el pistón, aunque su presión disminuye a medida que se expande. [i] Como se suministra menos vapor en el menor tiempo que la válvula está abierta, el uso de la válvula de expansión reduce el vapor consumido y, por lo tanto, el combustible requerido. [2] La máquina (en cifras de 1875) puede entregar dos tercios del trabajo, por sólo un tercio del vapor. [2]
Una válvula de expansión es una válvula secundaria dentro de una máquina de vapor. Representan un paso intermedio entre las máquinas de vapor con funcionamiento no expansivo y los engranajes de válvulas posteriores que podrían proporcionar expansión controlando el movimiento de una sola válvula.
Las válvulas de expansión se utilizaban para motores estacionarios y motores marinos . [1] No se utilizaron para locomotoras, aunque se logró un trabajo expansivo mediante el uso de los posteriores engranajes de válvula de expansión variable.
La presión del vapor expandido es menor que la del vapor suministrado directamente desde la caldera. Por tanto, un motor que funciona con una válvula de expansión ajustada a un cierre anticipado es menos potente que con la válvula completamente abierta. En consecuencia, ahora se debe accionar el motor , de modo que la válvula se ajuste manualmente a medida que cambia la carga en el motor. Un motor que funciona con carga ligera puede funcionar de manera eficiente con un corte temprano, un motor con carga pesada puede requerir un corte más prolongado y el costo de un mayor consumo de vapor.
Cuando Trevithick suministró su motor de 1801 [ii] para un laminador en Tredegar Iron Works , [3] el motor era más potente cuando trabajaba sin expansión y Samuel Homfray , el maestro del hierro, prefirió usar la potencia adicional a pesar del ahorro potencial en los costos del carbón. [4]
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La válvula de parrilla [5] fue una de las primeras formas de válvula de expansión. [1] La válvula de parrilla es una disposición de dos placas con láminas superpuestas. Una placa puede moverse de modo que sus lamas se superpongan a las lamas de la otra placa, o a las ranuras entre ellas, para quedar así abiertas o cerradas. Tiene las ventajas de una apertura relativamente grande (hasta la mitad del área total) y una apertura rápida, necesitando moverse solo un ancho de lama para pasar de completamente abierta a completamente cerrada. Su desventaja es que no sellan muy bien. Debido a la corta distancia de actuación de una válvula de parrilla, la sincronización de sus válvulas sería relativamente imprecisa si se usara con una excéntrica o similar. Algunas máquinas de vapor grandes las usaron más tarde como válvulas primarias, ya sea como válvulas de escape para cilindros de LP [6] o como válvulas de entrada junto con el engranaje de válvula de disparo [7] o de leva. [8] [iii]
Cuando se utilizan válvulas de parrilla como válvulas secundarias, comúnmente se montan en el lado de entrada de la cámara de la válvula para la válvula de corredera primaria. Fueron impulsados por un engranaje de válvula separado, generalmente un conjunto excéntrico separado delante de la excéntrica principal. [1] Cuando está en funcionamiento, el avance adicional mueve la válvula de parrilla para aplicar el corte delante de la válvula principal. Para variar la expansión que proporcionan, la carrera de la unidad excéntrica se puede variar mediante un varillaje ajustable. Cuando se ajusta a tiro cero, la válvula de expansión permanece completamente abierta y el motor funciona sin expansión. [1] Aunque el uso de una válvula de parrilla secundaria fue una técnica temprana, también permaneció en servicio con válvulas y accionamientos cada vez más sofisticados a lo largo de la historia de los motores estacionarios. Los motores McIntosh y Seymour usaban uno impulsado por una leva y un dispositivo de palanca que se movía de manera intermitente y se detenía cuando estaba abierto, brindando una sincronización precisa y un ajuste independiente de cada movimiento de la válvula. [9]
También se utilizaron válvulas de parrilla en la parte posterior de las válvulas de corredera, a la manera de la válvula Meyer. [7] Esta fue una patente de John Turnbull de Glasgow en 1869. [10]
El diseño más conocido de válvula de expansión fue la Meyer, invención del ingeniero francés Jean-Jacques Meyer (1804-1877), quien solicitó una patente el 20 de octubre de 1841. James Morris patentó una válvula similar. [11] Una segunda válvula de corredera se monta en la parte posterior de una válvula de corredera principal adaptada y es accionada por una excéntrica adicional. En la válvula Meyer, la longitud efectiva de la válvula de expansión [iv] se puede modificar con un volante mientras el motor está en marcha. La válvula tiene dos cabezales montados en roscas izquierda y derecha en la varilla de la válvula del volante, de modo que al girar la rueda los cabezales se juntan o separan. [12] [13] En esta disposición el corte normalmente se controla manualmente. Aunque se intentó el control automático, su acción era demasiado lenta para ser eficaz.
Los motores que se exhiben en el Snibston Discovery Museum y la estación de bombeo Coleham tienen válvulas de expansión Meyer. [14]
También se instalaron válvulas de expansión en las máquinas de vapor compuestas . Ambas técnicas son un intento de lograr una mayor eficiencia, incluso a costa de una mayor complejidad.
Era habitual que las válvulas de expansión se instalaran únicamente en el cilindro HP (alta presión). El vapor suministrado al siguiente cilindro LP (baja presión) ya ha sido suministrado al motor, por lo que conservarlo tiene pocos beneficios. Cualquier corte anticipado de la entrada de vapor a un cilindro de LP también puede representar una estrangulación del escape del cilindro de HP anterior y una reducción en la eficiencia de ese cilindro.
Los motores compuestos posteriores con engranajes de válvulas sofisticados a menudo instalaban el engranaje complejo en el cilindro HP, conservando una válvula deslizante tradicional más simple para el cilindro LP. Existían ejemplos con cuatro conjuntos diferentes de válvulas: entradas HP con válvula de caída, escapes HP Corliss y una válvula deslizante LP con una válvula de expansión Meyer. [15]
Los desarrollos posteriores a la válvula de expansión separada llevaron a engranajes de válvulas más sofisticados que podrían lograr el mismo objetivo de variar el regazo de entrada con una sola válvula. El primero de ellos fueron los engranajes de válvulas de enlace, en particular el engranaje de válvulas de enlace Stephenson . Para ello se utilizan un par de excéntricas con un mecanismo de enlace deslizante entre ellas que actúa como un dispositivo sumador mecánico. La selección de posiciones intermedias proporciona una actuación de la válvula con el efecto de aumentar el corte. Como estos engranajes de válvulas también proporcionaban marcha atrás y se desarrollaron por primera vez para ello, se utilizaron ampliamente en locomotoras . En teoría, el efecto preciso es el de una reducción del recorrido de la válvula , en lugar de un corte más temprano . Esto tiene el efecto de reducir la apertura general de la válvula, reduciendo el suministro inicial de vapor y, por tanto, teniendo el efecto de trefilado en lugar de pura expansión. [16] A pesar de esto, el engranaje Stephenson se convirtió en uno de los dos engranajes más utilizados para locomotoras.
Los motores 'automáticos' y, a su vez, los motores de alta velocidad , funcionaban a velocidades cada vez mayores y requerían un control más preciso de su velocidad bajo cargas variables. Esto requirió el acoplamiento de su gobernador al engranaje de la válvula de expansión. Los motores anteriores con regulador centrífugo y válvula de mariposa de Watt se vuelven ineficientes cuando funcionan a baja potencia.
El gobernador Richardson [17] se utilizó para motores estacionarios y portátiles producidos por sus empleadores, Robey & Co. [18] Se trata de un engranaje de válvula de enlace simple controlado automáticamente por un gobernador centrífugo . En lugar del control manual de Stephenson de la posición del bloque de matriz dentro del enlace oscilante, el gobernador Richardson lo ajusta según la velocidad del motor. Por lo general, funcionaba de manera similar a una válvula Meyer, con dos válvulas accionadas por dos excéntricas y el gobernador Richardson utilizado en lugar del volante manual de Meyer. [19] Esto evitó el problema del trefilado del recorrido reducido de la válvula de Stephenson y mejoró la eficiencia de los motores estacionarios que podrían funcionar a baja potencia durante largos períodos.
Sin embargo, en las formas completamente desarrolladas del motor de alta velocidad (alrededor de 1900), la expansión se controlaba gobernando la sincronización [v] de una sola válvula, en lugar de una válvula de expansión separada. Esto condujo a tipos de válvulas más complejos, como las válvulas de asiento , a menudo impulsadas por engranajes de válvulas basados en levas en lugar de varillajes. [vii]
El uso cada vez mayor de sobrecalentamiento alentó la sustitución de válvulas de corredera por válvulas de pistón , ya que eran más fáciles de lubricar a temperaturas de funcionamiento elevadas . También hicieron poco práctico el uso de válvulas secundarias como la Meyer, que se ejecutan en la parte posterior de las válvulas primarias. Posiblemente el último diseño nuevo en utilizar una válvula secundaria como válvula de expansión fue la locomotora Midland Railway Paget , que utilizaba manguitos de bronce como válvulas de expansión alrededor de sus válvulas rotativas de hierro fundido . [20] Este diseño no tuvo éxito debido a problemas mecánicos con la expansión térmica diferencial de los dos materiales de la válvula. [21]
El mercado de válvulas de expansión de CA es altamente competitivo y consta de varios actores importantes. Algunos de los actores clave en el mercado incluyen Fujikoki, SANHUA Automotive, Valeo, Denso, Hanon Systems, Mahle, Keihin, Eberspacher, Mitsubishi Heavy Industries, Subros, Sanden Holdings y Calsonic Kansei. [22]
Fujikoki es una empresa destacada que opera en el mercado de válvulas de expansión electrónicas para automóviles (EEV). Desde su fundación en 1953, Fujikoki se ha labrado un nombre como proveedor líder de productos de gestión térmica para automóviles en todo el mundo. La empresa se especializa en la fabricación de válvulas y productos relacionados para diversas aplicaciones, incluido aire acondicionado automotriz, aire acondicionado residencial, aplicaciones comerciales y equipos ecológicos.
Valeo es otro actor importante en el mercado de válvulas de expansión para aire acondicionado. La empresa se especializa en tecnología automotriz y produce una variedad de sistemas de aire acondicionado, incluidas válvulas de expansión. Valeo tiene una fuerte presencia global y una amplia base de clientes.
Denso es una empresa mundial de renombre que proporciona componentes automotrices, incluidas válvulas de expansión de CA. La empresa tiene una larga trayectoria que se remonta a 1949 y se ha convertido en uno de los proveedores líderes en la industria del automóvil.
Hanon Systems es una empresa multinacional especializada en productos de gestión climática y térmica para la industria del automóvil. Proporcionan una amplia gama de válvulas de expansión de CA y tienen una fuerte presencia en el mercado.
Mahle es un proveedor líder mundial de componentes y sistemas de automoción. Ofrecen una variedad de válvulas de expansión de CA y tienen un fuerte enfoque en la investigación y el desarrollo para mejorar continuamente sus productos.
