SISTEMA DE EXPANSIÓN

En las máquinas frigoríficas se pueden utilizar diferentes sistemas de expansión como capilares, válvulas manuales, automáticas, termostáticas, electrónicas, etc., pero en esta ocasión vamos a hacer referencia a las más ampliamente utilizadas que son las válvulas termostáticas.

La válvula de expansión debe darnos el caudal de refrigerante (Cm) adecuado a la potencia frigorífica que debe desarrollar el evaporador en las condiciones de funcionamiento previstas, es decir, con las presiones de condensación Pk y de evaporación Po.

La válvula de expansión termostática dispone de un orificio de tamaño fijo a través del cual pasa el refrigerante desde la línea de líquido al evaporador. 

La potencia frigorífica que proporciona una válvula va a depender fundamentalmente de tres factores:

1. Tamaño del orificio: a mayor tamaño más caudal de refrigerante deja pasar y por lo tanto mayor potencia frigorífica. Algunas válvulas termostáticas son de orificio intercambiable, lo que hace posible que pueda trabajar en diversos rangos de potencia simplemente con el cambio de orificio.
2. Subenfriamiento del líquido: podríamos definir este fenómeno como el enfriamiento que sufre el refrigerante líquido en el condensador, recipiente de líquido y línea de líquido antes de llegar al sistema de expansión. Con él conseguimos por un lado evitar que se formen burbujas de vapor en el refrigerante que alimenta la válvula de expansión y por otro aumentar el rendimiento de la instalación ya que el refrigerante que llega al evaporador tiene menor título de vapor. Es un dato imprescindible para el cálculo del sistema de expansión.
3. Diferencia de presiones entre alta y baja: es un factor esencial a tener en cuenta. Imaginemos un orificio circular de superficie 1 mm2. El caudal de refrigerante que pasará por este orificio será mayor a medida que la presión de alta aumente y disminuirá cuando esta baje. Es preciso tener en cuenta este fenómeno a la hora de diseñar la instalación ya que en verano la presión de alta será elevada por las altas temperaturas exteriores y no tendremos falta de caudal de refrigerante. El problema viene en invierno cuando la temperatura exterior es baja, pudiendo ocasionar una bajada excesiva de la presión de condensación y con ello del caudal de refrigerante que inyecta la válvula de expansión. La mejor solución es tratar de mantener la presión de condensación constante durante todas las estaciones del año, esto se consigue utilizando sistemas de control de condensación (válvulas KVR de Danfoss).

SELECCIÓN DEL SISTEMA DE EXPANSIÓN

La selección se va a hacer de los catálogos de los fabricantes (Danfoss y Sporlan, entre otros, tienen tablas y ábacos de selección muy completos). La selección correcta de una válvula de expansión requiere:

• Determinar el tipo de válvula, es decir, el tipo de cuerpo de válvula, las conexiones y si va a ser de orificio fijo o de orificio intercambiable. Las de orificio intercambiable son muy versátiles, con el mismo cuerpo cambiando simplemente el orificio obtendremos potencias diferentes.
• Determinar si va a ser de ecualización externa o interna, las primeras se utilizan para evaporadores con pérdidas de carga importantes.
• Determinar el tipo de carga del bulbo termostático. Normalmente las válvulas de expansión termostáticas que se utilizan en instalaciones con temperaturas de evaporación media – alta, llevan, en su elemento termostático, el mismo fluido de la instalación donde van colocadas. Sin embargo a bajas temperaturas el elemento termostático lleva un fluido diferente, que permita evitar errores en el funcionamiento de la válvula. También existen válvulas con límite de presión máxima de operación, que permiten limitar la presión de baja hasta un máximo para evitar sobrecargas del compresor.
• Para compensar la diferencia de presiones en evaporadores grandes, donde el circuito de tuberías es demasiado largo y aumenta la caída de presión, se suelen colocar VET con compensador externo de presión. 
• Determinar el modelo que nos da la potencia frigorífica necesaria. El fabricante nos facilitará el valor de la potencia que proporciona la válvula con el orifico elegido. La potencia que nos da el fabricante suele ser en unas condiciones de funcionamiento que no coinciden con las de nuestra instalación, por eso es necesario corregirla utilizando los coeficientes que suelen acompañar a las tablas de selección.

Puedes ver un ejemplo de selección en este enlace.

DETERMINACIÓN DEL CONDENSADOR

El condensador es el elemento de la instalación cuya misión es que el fluido refrigerante pierda calor por intercambio térmico con un fluido refrigerador exterior y gracias a esto se produzca su condensación. Su misión consiste en condensar o licuar (convertir en líquido) el gas que le llega procedente del compresor. También en las últimas vueltas del condensador, el líquido ya condensado se subenfría.

El gas que entra en el condensador a alta presión y alta temperatura, procedente del compresor, llega a este con el calor tomado en el evaporador, más el calor debido a la compresión. Mediante una CORRIENTE DE AIRE O DE AGUA (medio condensante), se le quita este calor total y lo convertimos en líquido (LO CONDENSAMOS) de ahí el nombre de este aparato.

La transformación del vapor en líquido (condensación), se hace dentro del condensador en tres tiempos:

1. Se enfría el vapor recalentado por el compresor. Por ejemplo de 55ºC a 25ºC (calor sensible).
2. Se condensa el líquido (calor latente).
3. Se subenfría el líquido condensado (calor sensible).

Clasificación

• Según el medio condensante:
  • Aire: de tiro natural o forzado
  • Agua: de contracorriente o de serpentín y cubierta o multitubulares
  • Aire-Agua: evaporativos

Puedes ampliar información en esta entrada.

Dimensionado

Debe tener el tamaño adecuado para ser capaz de eliminar el calor que capta el refrigerante en el evaporador así como el proceso de compresión. La potencia del condensador, por tanto será la suma de la potencia frigorífica evaporador o de la instalación y la potencia del motor del compresor. A veces es preciso tener en cuenta también la potencia necesaria para subenfriar el líquido en el condensador.

Pcond =Pf + P + Ps

Pf: potencia frigorífica del compresor

P: potencia consumida por el compresor

Ps: potencia necesaria para el subenfriamiento en el condensador.

La selección del condensador se debe hacer mediante los catálogos de los fabricantes, considerando, como en los otros elementos de la instalación, los factores de corrección de la potencia en función de las condiciones de funcionamiento.

Los factores a tener en cuenta a la hora de seleccionar el condensador son:

• El salto térmico: es la diferencia entre la temperatura de condensación y la de entrada del agua o aire de refrigeración. Cuanto mayor sea este salto térmico más pequeño será el condensador.
• Disponibilidad de agua a precio bajo.
• El tipo de refrigerante.
• El tipo de ventilador: que debe ser centrífugo en condensadores en los que el aire circula por conductos y helicoidal en las aplicaciones no conducidas.
• Altitud.
• Generación de ruido y proximidad de viviendas y lugares sensibles a ruidos.

Puedes ver un ejemplo de selección en este enlace.