Con el testimonio de un atleta excepcional: Carl Lewis. La ironía de retratarlo en los tacos de salida de una carrera de 100 metros en la pista donde solía entrenar, en Houston, pero con un detalle único, con zapatos de tacón alto, enviaba un mensaje muy claro: es posible que tengas el coche más potente del mundo, pero con los neumáticos equivocados siempre será lento e inseguro. Fue un éxito inmediato.

Podríamos aplicar el mismo eslogan a las válvulas de expansión electrónica: la potencia (la parte mecánica) sin control no sirve de nada (la parte electrónica).

¿Sabes realmente cómo funciona una válvula de expansión electrónica? ¿Por qué cada vez se prefiere más esta solución frente a la clásica válvula de expansión termostática? En este artículo responderemos a estas y otras preguntas, examinando el principio de funcionamiento, los fundamentos del sistema de control y las razones por las que las VEE (válvulas de expansión electrónicas) se utilizan cada vez más en el sector HVAC/R, reemplazando a las válvulas termostáticas (TEV), menos eficientes y precisas.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS VEE

Un sistema de refrigeración consta de varios componentes, que tradicionalmente son el evaporador, el compresor, el condensador y la válvula de expansión, como se muestra en el siguiente diagrama.

Las funciones de cada uno de estos componentes son:

• Evaporador: transfiere el calor del ambiente al refrigerante, haciendo que se evapore y cambie de estado líquido a gaseoso. Por lo tanto, el refrigerante a baja presión y temperatura fluye hacia el compresor.

• Compresor: crea la diferencia de presión que es la base del ciclo termodinámico; toma el refrigerante que sale del evaporador, lo comprime y lo entrega al condensador.

• Condensador: el fluido en la entrada está a alta presión y temperatura. En el condensador, el refrigerante libera calor y se condensa a alta presión. El fluido cambia así de estado, de gas en la entrada a líquido en la salida, todavía a alta presión, pero a una temperatura más baja que a la entrada.

• Válvula de expansión: después del condensador, el fluido pasa a la válvula de expansión, donde vuelve a ser una mezcla de fluido en estado líquido y gaseoso, a menor presión y temperatura, según lo solicite el evaporador. Posteriormente el fluido vuelve a entrar en el evaporador y se reinicia el ciclo.

El caudal de refrigerante en el interior de un circuito termodinámico juega un papel fundamental en el correcto funcionamiento del sistema, influyendo considerablemente en su eficiencia. La analogía del flujo de agua en un río se puede utilizar para describir los dos riesgos de operar en los extremos. Si el caudal de fluido es demasiado bajo, el sistema estará por debajo de su capacidad y no se garantizará el rendimiento requerido por el sistema, como en una sequía. Por otro lado, cuando un río se crece, el caudal de agua es demasiado alto y se desborda: en un circuito termodinámico, un caudal de fluido demasiado alto significa tanto trabajo desperdiciado por el compresor como daños potenciales debido al retorno del líquido.

A diferencia del caudal de agua en un río, donde los límites dependen con mayor frecuencia de las condiciones impuestas por la naturaleza, el flujo de refrigerante se puede controlar mediante la válvula de expansión electrónica, como una especie de compuerta. Sin embargo, el control no se implementa en función del caudal, sino de la temperatura.

Así que desempolvemos nuestros libros de texto. Aguas abajo del evaporador suele haber un sensor de presión y un sensor de temperatura: el controlador mide la presión y la convierte en temperatura, en función de los datos relativos a cada refrigerante específico, para calcular la temperatura de saturación (punto 1). Esta temperatura óptima se compara con el valor “nominal”, medido por el sensor de temperatura (punto 1): la diferencia entre estas dos temperaturas se conoce como sobrecalentamiento. El controlador ajusta la apertura de la válvula y, en consecuencia, el caudal de refrigerante, para mantener el valor de sobrecalentamiento deseado.

Desde un punto de vista energético, el sobrecalentamiento no tiene ningún beneficio y, si fuera posible, debería evitarse en la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, la necesidad de proteger el compresor contra la entrada de líquido lo hace imprescindible. Por tanto, el control del sistema debe tener en cuenta estas dos necesidades opuestas: garantizar que el fluido que sale del evaporador sea vapor sobrecalentado, pero también que el valor de sobrecalentamiento se mantenga lo más bajo posible para garantizar que el trabajo del evaporador provoque un desperdicio de capacidad frigorífica.

La válvula de expansión electrónica se gestiona en base a las señales enviadas por un controlador electrónico. Estas señales gestionan el funcionamiento de un motor paso a paso electrónico, que se puede imaginar como una especie de destornillador. 

De hecho, el movimiento de este motor está directamente acoplado al mecanismo de la válvula por un tornillo, que transforma el movimiento de rotación (motor) en desplazamiento lineal (tornillo). 

Este tornillo abre o cierra un orificio, variando así el caudal de fluido. Cuando la válvula recibe la señal de apertura, la apertura del orificio por el que fluye el refrigerante aumenta de tamaño, mientras que, al contrario, cuando recibe la señal de cierre, la apertura del orificio se restringe. Cuando aumenta la carga de enfriamiento, el refrigerante dentro del evaporador se evapora mucho más rápido y aumentan la presión y la temperatura en la línea de aspiración; el controlador mide estos cambios y envía una señal a la válvula para abrir el orificio. 

Cuando la carga de enfriamiento disminuye, el refrigerante se evapora más lentamente y la presión y la temperatura en la línea de aspiración disminuyen, la válvula de expansión comienza a cerrarse para permitir que entre menos refrigerante al evaporador y así mantener el valor de sobrecalentamiento deseado.

PASOS FINALES

Las válvulas de expansión electrónica representan tanto una evolución tecnológica respecto a los sistemas tradicionales, como una forma de reducir el consumo energético y los costes de mantenimiento. Los beneficios más importantes, tanto en términos técnicos como económicos, son los siguientes²: 

Aspectos técnicos:

• Regulación y control muy rápidos, en un amplio rango.

• Control del recalentamiento preciso y estable.

• Compatibilidad con múltiples refrigerantes.

• Sello hermético.

Aspectos económicos:

• Considerable ahorro de electricidad (15%-35%).

• Reducción de los costes de mantenimiento (no precisan calibración periódica).

• Reducción de los costes de mantenimiento (reduce el riesgo de entrada de líquido en el compresor).

• Menor número de componentes para el fabricante.

En conclusión, el funcionamiento de las válvulas de expansión electrónica tiene un efecto directo sobre los demás dispositivos, controlando y gestionando su comportamiento de la forma más eficiente posible, en base a las señales enviadas por los sensores. 

Espero que este artículo haya aclarado el papel que juegan las válvulas de expansión electrónica como el corazón del circuito termodinámico, controlando e influyendo en el funcionamiento de cada componente individual. 

Referencia:

¹. www.pirelli.com/global/it-it/life/power-is-nothing-without-control-compie-25-anni

². International Journal of Refrigeration, “Experimental comparison of electronic and thermostatic expansion valves performances in an air conditioning plant”