Una válvula de expansión térmica o válvula de expansión termostática (a menudo abreviada como TEV , TXV o válvula TX ) es un componente de los sistemas de refrigeración y aire acondicionado por compresión de vapor que controla la cantidad de refrigerante que se libera en el evaporador y tiene como objetivo regular el sobrecalentamiento del refrigerante que sale del evaporador a un valor constante. Aunque a menudo se la describe como una válvula "termostática", una válvula de expansión no puede regular la temperatura del evaporador a un valor preciso. La temperatura del evaporador variará solo con la presión de evaporación, que deberá regularse a través de otros medios (como ajustando la capacidad del compresor).
Las válvulas de expansión térmica a menudo se denominan genéricamente "dispositivos de medición", aunque esto también puede referirse a cualquier otro dispositivo que libera refrigerante líquido en la sección de baja presión pero que no reacciona a la temperatura, como un tubo capilar o una válvula controlada por presión.
Una válvula de expansión térmica es un elemento clave de una bomba de calor ; este es el ciclo que hace posible el acondicionamiento del aire o la refrigeración del aire. Un ciclo básico de refrigeración consta de cuatro elementos principales: un compresor , un condensador , un dispositivo de medición y un evaporador . A medida que un refrigerante pasa a través de un circuito que contiene estos cuatro elementos, se produce el acondicionamiento del aire.
El ciclo comienza cuando el refrigerante ingresa al compresor en forma gaseosa a baja presión y temperatura moderada. El compresor comprime el refrigerante hasta alcanzar un estado gaseoso a alta presión y alta temperatura. Luego, el gas a alta presión y alta temperatura ingresa al condensador. El condensador enfría el gas a alta presión y alta temperatura, lo que le permite condensarse en un líquido a alta presión al transferir calor a un medio de temperatura más baja, generalmente aire ambiente. Para producir un efecto de enfriamiento a partir del líquido a mayor presión, la válvula de expansión restringe el flujo de refrigerante que ingresa al evaporador, lo que reduce la presión y permite que se produzca una expansión isentálpica de regreso a la fase de vapor, que absorbe calor y produce enfriamiento.
Un dispositivo de expansión de tipo TXV tiene un bulbo sensor que está lleno de un líquido cuyas propiedades termodinámicas son similares a las del refrigerante. Este bulbo está conectado térmicamente a la salida del evaporador para que se pueda detectar la temperatura del refrigerante que sale del evaporador. La presión del gas en el bulbo sensor proporciona la fuerza para abrir la TXV y, a medida que la temperatura desciende, esta fuerza disminuirá, ajustando así dinámicamente el flujo de refrigerante hacia el evaporador.
El sobrecalentamiento es el exceso de temperatura del vapor por encima de su punto de ebullición a la presión de evaporación. La ausencia de sobrecalentamiento indica que el refrigerante no se está vaporizando completamente dentro del evaporador y que el líquido puede terminar recirculando hacia el compresor, lo que es ineficiente y puede causar daños. Por otro lado, un sobrecalentamiento excesivo indica que no fluye suficiente refrigerante a través del serpentín del evaporador y, por lo tanto, una parte significativa hacia el final no proporciona refrigeración. Por lo tanto, al regular el sobrecalentamiento a un valor pequeño, normalmente solo unos pocos °C, la transferencia de calor del evaporador será casi óptima, sin que el exceso de refrigerante líquido regrese al compresor. [1]
Para proporcionar un sobrecalentamiento adecuado, a menudo se aplica una fuerza de resorte en la dirección que cerraría la válvula, lo que significa que la válvula se cerrará cuando el bulbo esté a una temperatura inferior a la que se evapora el refrigerante. Las válvulas de tipo resorte pueden ser fijas o ajustables, aunque también existen otros métodos para garantizar un sobrecalentamiento, como que el bulbo sensor tenga una composición de vapor diferente al resto del sistema.
Algunas válvulas de expansión térmica también están diseñadas específicamente para garantizar que un cierto flujo mínimo de refrigerante siempre pueda fluir a través del sistema, mientras que otras también pueden estar diseñadas para controlar la presión del evaporador para que nunca supere un valor máximo.
El control del flujo, o medición, del refrigerante se logra mediante el uso de un bulbo sensor de temperatura, lleno de una carga de gas o líquido similar a la que hay dentro del sistema, que hace que el orificio de la válvula se abra contra la presión del resorte en el cuerpo de la válvula a medida que aumenta la temperatura en el bulbo. A medida que disminuye la temperatura de la línea de succión, también lo hace la presión en el bulbo y, por lo tanto, en el resorte, lo que hace que la válvula se cierre. Un sistema de aire acondicionado con una válvula TX suele ser más eficiente que aquellos con diseños que no la utilizan. [2] Además, los sistemas de aire acondicionado con válvula TX no requieren un acumulador (un tanque de refrigerante colocado aguas abajo de la salida del evaporador), ya que las válvulas reducen el flujo de refrigerante líquido cuando disminuye la carga térmica del evaporador, de modo que todo el refrigerante se evapora completamente dentro del evaporador (en condiciones de funcionamiento normales, como una temperatura y un flujo de aire adecuados en el evaporador). Sin embargo, es necesario colocar un tanque receptor de refrigerante líquido en la línea de líquido antes de la válvula TX para que, en condiciones de baja carga térmica del evaporador, cualquier exceso de refrigerante líquido pueda almacenarse en su interior, evitando que cualquier líquido retrofluya dentro del serpentín del condensador desde la línea de líquido.
En cargas térmicas muy bajas en comparación con la potencia nominal de la válvula, el orificio puede sobredimensionarse para la carga térmica y la válvula puede comenzar a abrirse y cerrarse repetidamente, en un intento de controlar el sobrecalentamiento al valor establecido, haciendo que el sobrecalentamiento oscile. Las cargas cruzadas, es decir, las cargas de bulbo de detección compuestas por una mezcla de diferentes refrigerantes o también gases no refrigerantes como el nitrógeno (a diferencia de una carga compuesta exclusivamente por el mismo refrigerante dentro del sistema, conocida como carga paralela), configuradas de modo que la curva de presión de vapor frente a temperatura de la carga de bulbo "cruce" la curva de presión de vapor frente a temperatura del refrigerante del sistema a un cierto valor de temperatura (es decir, una carga de bulbo configurada de modo que, por debajo de una cierta temperatura del refrigerante, la presión de vapor de la carga de bulbo se vuelva repentinamente más alta que la del refrigerante del sistema, obligando al pasador de medición a permanecer en una posición abierta), ayudan a reducir el fenómeno de búsqueda de sobrecalentamiento al evitar que el orificio de la válvula se cierre por completo durante el funcionamiento del sistema. El mismo resultado se puede lograr mediante diferentes tipos de conductos de purga que generan un flujo mínimo de refrigerante en todo momento. Sin embargo, el costo es determinar un cierto flujo de refrigerante que no llegará a la línea de succión en un estado completamente evaporado mientras la carga de calor sea particularmente baja, y que el compresor debe estar diseñado para manejar. Al seleccionar cuidadosamente la cantidad de una carga de bulbo sensor de líquido, también se puede lograr un efecto llamado MOP (presión máxima de operación); por encima de una temperatura precisa del refrigerante, la carga del bulbo sensor se evaporará por completo, lo que hará que la válvula comience a restringir el flujo independientemente del sobrecalentamiento detectado, en lugar de aumentarlo para reducir el sobrecalentamiento del evaporador al valor objetivo. Por lo tanto, se evitará que la presión del evaporador aumente por encima del valor MOP. Esta característica ayuda a controlar el par de operación máximo del compresor a un valor que sea aceptable para la aplicación, como un motor de automóvil de pequeña cilindrada.
Una condición de baja carga de refrigerante a menudo está acompañada por un fuerte silbido que se escucha desde la válvula de expansión térmica y el evaporador cuando el compresor está en funcionamiento, que es causado por la falta de una carga de líquido justo antes del orificio móvil de la válvula, lo que hace que el orificio intente medir un vapor o una mezcla de vapor y líquido en lugar de un líquido.
Existen dos tipos principales de válvulas de expansión térmica: ecualizadas internamente o externamente. La diferencia entre las válvulas ecualizadas internamente y las externas es cómo la presión del evaporador afecta la posición de la aguja. En las válvulas ecualizadas internamente, la presión del evaporador contra el diafragma es la presión en la entrada del evaporador (normalmente a través de una conexión interna a la salida de la válvula), mientras que en las válvulas ecualizadas externamente, la presión del evaporador contra el diafragma es la presión en la salida del evaporador. Las válvulas de expansión termostáticas ecualizadas externamente compensan cualquier caída de presión a través del evaporador. [3] En el caso de las válvulas ecualizadas internamente, una caída de presión en el evaporador tendrá el efecto de aumentar el sobrecalentamiento.
Las válvulas ecualizadas internamente se pueden utilizar en serpentines de evaporador de circuito único que tienen una baja caída de presión. Si se utiliza un distribuidor de refrigerante para varios evaporadores paralelos (en lugar de una válvula en cada evaporador), se debe utilizar una válvula ecualizada externamente. Las TXV ecualizadas externamente se pueden utilizar en todas las aplicaciones; sin embargo, una TXV ecualizada externamente no se puede reemplazar con una TXV ecualizada internamente. [4] Para aplicaciones automotrices, a menudo se utiliza un tipo de válvula de expansión térmica ecualizada externamente, conocida como válvula de tipo bloque. En este tipo, un bulbo sensor se ubica dentro de la conexión de la línea de succión dentro del cuerpo de la válvula y está en contacto constante con el refrigerante que fluye fuera de la salida del evaporador, o se proporciona un medio de transferencia de calor para que el refrigerante pueda intercambiar calor con la carga de detección contenida en una cámara ubicada sobre el diafragma a medida que fluye hacia la línea de succión.
Aunque el tipo bulbo/diafragma se utiliza en la mayoría de los sistemas que controlan el sobrecalentamiento del refrigerante, las válvulas de expansión electrónicas son cada vez más comunes en sistemas más grandes o sistemas con múltiples evaporadores para permitir que se ajusten de forma independiente. Aunque las válvulas electrónicas pueden proporcionar un mayor rango de control y flexibilidad que los tipos bulbo/diafragma no pueden proporcionar, agregan complejidad y puntos de falla a un sistema ya que requieren sensores de temperatura y presión adicionales y un circuito de control electrónico. La mayoría de las válvulas electrónicas utilizan un motor paso a paso sellado herméticamente dentro de la válvula para accionar una válvula de aguja con un mecanismo de tornillo; en algunas unidades, solo el rotor paso a paso está dentro del cuerpo hermético y es impulsado magnéticamente a través del cuerpo de la válvula sellada por bobinas del estator en el exterior del dispositivo.
