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Evolución y situación actual

Sistemas de expansión seca

Félix Sanz (FSE Field Service Engineer), Ibon Vadillo (Key Account Manager for compressors) y Beatriz Torres (Technical support). Danfoss, S.A. Madrid19/03/2013
Los sistemas de expansión seca se utilizan en los circuitos de refrigeración y aire acondicionado de compresión de vapor. Su función es reducir la presión de un fluido condensado a una presión elevada y a una temperatura normalmente superior a la ambiente hasta los niveles necesarios para refrigerar un entorno a menor temperatura que el ambiente. En todos los casos, deben mantener el evaporador lleno de líquido sin que rebose el final del evaporador, ya que de salir líquido irá directamente al comprensor, el cual podría resultar dañado.
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Las válvulas de expansión termostáticas son las más empleadas en refrigeración comercial y aire acondicionado.

Como sistemas de expansión se encuentran los tubos capilares, los orificios perforados, las válvulas de expansión presostáticas, las válvulas de expansión termostáticas y las válvulas de expansión electrónicas.

La siguiente tabla muestra la penalización que supone la utilización de unos sistemas de expansión versus el ahorro de los más avanzados. Si bien todos los sistemas no son comparables, se puede afirmar que de utilizar un simple capilar a utilizar un Ecoflow System se penaliza el consumo de energía en más de un 50%, e instalar una válvula de expansión termostática reduce el consumo incluso un 30%.

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Niveles de ahorro con diferentes sistemas de expansión.

El tubo capilar realiza una inyección constante y fija, y solo se utiliza en sistemas pequeños en los cuales no hay variación de carga térmica en el evaporador. La válvula de expansión presostática mantiene una presión constante en el evaporador, la válvula termostática permite el ajuste de la inundación en unas condiciones de carga fijas, y la válvula electrónica permite un ajuste mas preciso del recalentamiento en la salida del evaporador.

El conocimiento de la dinámica de la ebullición y las analogías con otros fenómenos naturales, permiten establecer estrategias de control que acerquen el nivel de inundación del evaporador al óptimo sin riesgo para el compresor. La curva de la mínima señal estable del recalentamiento MSS que marca este límite, si bien no se sabe definirla, debe ser acotada experimentalmente para el correcto funcionamiento de los sistemas de expansión.

La observación experimental de que el COP óptimo de un sistema de expansión seca con evaporador de tubos aleteados con ventilación forzada se produce en el entorno de un recalentamiento estable de 5K, rompe el tópico de que el recalentamiento debe ser lo mas próximo a 0K que se pueda conseguir.

La causa del ahorro es la mejor utilización del evaporador por el acoplamiento de los sistemas de expansión a la curva MSS (del ingles Minimun Stable Signal Superheat), siendo los algoritmos de control de los reguladores los responsables tanto de los ahorros como de las protecciones del compresor con las válvulas electrónicas. Estos algoritmos son los que marcan las diferencias entre los distintos sistemas electrónicos.

El conocimiento de la dinámica de la ebullición junto a la observación experimental de que el COP óptimo de un sistema de expansión seca con evaporador forzado de tubos aleteados se produce en el entorno de un recalentamiento estable de 5K y las analogías con otros fenómenos naturales, permiten establecer estrategias de control que acerquen el nivel de inundación del evaporador al óptimo sin riesgo para el compresor. La curva de la mínima señal estable del recalentamiento MSS que marca este límite, si bien no se sabe definirla, debe ser acotada experimentalmente para el correcto funcionamiento de los sistemas de expansión.

Evaporación y curva MSS

Para visualizar y aceptar la existencia de la curva MSS, se pueden utilizar los símiles del cazo de leche hirviendo, así como el oleaje en una playa, los cuales indican que a mayor carga térmica con mayor cantidad de vapor producido los arrastres de liquido (espuma) son mayores y se necesitan mayores recalentamientos de operación. La cantidad de líquido (espuma) arrastrado es variable, depende de muchos factores como son la cantidad de calor aportado, la diferencia de temperaturas entre el exterior y el interior, propiedades físicas como la tensión superficial, la viscosidad, el régimen de circulación del fluido, etc. Hay factores que afectan a la naturaleza del líquido, a los fenómenos de transmisión de calor y a la geometría de los recipientes involucrados.

Un evaporador tiene una familia de curvas de estabilidad MSS a cada temperatura de evaporación, y a su vez también puede desplazarse hacia la derecha por otros factores como un cambio en la forma de transmisión de calor consecuencia de un fallo en algún ventilador, la aparición de hielo o la solidificación brusca de agua que se congela en una enfriadora.

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Familia de curvas MSS a distintas temperaturas de evaporación

El conocimiento de la curva MSS pone de manifiesto que para conseguir una inundación determinada, debemos tener un recalentamiento distinto en función de la carga térmica que recibe el evaporador. Esto hace que el recalentamiento que debe mantenerse sea variable y función del nivel de carga térmica.

En evaporadores con múltiples tubos en el evaporador y distribuidor de líquido, lo indicado anteriormente se aplica al conjunto de todo el evaporador debido a la limitación de analizar individualmente cada tubo como si se tratase del delta de un rio. Es aquí donde el Ecoflow System entra en juego y mediante un sistema de inyección individualizada y un ingenioso análisis de todo el evaporador se acopla a la curva MSS de cada tubo del evaporador.

Acoplamiento de válvulas de expansión a la curva MSS

Aunque las válvulas de expansión termostáticas son sin duda las más empleadas en refrigeración comercial y aire acondicionado, el proceso de electronificación también ha llegado a los sistemas de refrigeración, proceso que se acelera con el tiempo.

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Circuito con VET.
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Circuito con VEE.
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Ecoflow System.

Cada evaporador tiene una curva característica de funcionamiento y cada válvula de expansión tiene otra curva característica. En la práctica cotidiana estos dos elementos trabajan juntos, por lo cual se tiene que dar una compatibilidad entre los dos elementos. Cuando trabajan juntos, las señales que gobiernan la válvula de expansión proceden del evaporador viéndose afectadas por la forma de trabajo y funcionamiento del evaporador, el cual a su vez se ve afectado por la inyección que produce la válvula de expansión y el recalentamiento que indica el nivel de inundación.

La situación ideal con inyección es óptima es la de tangencia de la curva MSS con la curva de la válvula de expansión, donde un cruce representa retorno de liquido y la falta de tangencia poco llenado.

Las TEV buscan la tangencia bien moviendo la recta o bien cambiando de orificio a válvulas con rectas de distinta pendiente en un punto.

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Acoplamiento de válvulas y curva MSS del evaporador.

Las VEE al ser gestionadas por controladores electrónicos con distintos algoritmos de control, la acción de la válvula es más flexible encontrando casos donde se ajusta un recalentamiento único (recta vertical) y otros que por un análisis matemático se acoplan a la curva MSS.

Tanto la VET como las VEE con recalentamiento fijo, al no acoplarse bien a la curva MSS no aprovechan todo el evaporador y tienen dificultades en la gestión de los retornos de líquido, siendo las VEE utilizadas con algoritmos avanzados las que consiguen una inundación óptima protegiendo además al compresor.

Más avanzado es el Ecoflow System, el cual tras conseguir un control adaptado a la curva MSS del evaporador, determina la curva MSS de cada circuito. Para ello tiene un control individualizado de los distintos tubos del evaporador necesitando un analizador del recalentamiento así como la integración del distribuidor junto a la válvula de expansión electrónica.

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Ecoflow System. Evaporadores de cualquier geometría.

Una gran ventaja de este sistema es que el control individual de cada circuito del evaporador permite controlar evaporadores con cualquier geometría, circuitos de distinta longitud y distribución heterogénea del aire exterior. Esto lo convierte en una herramienta muy flexible para el diseñador.

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