Reguladores de Presión

Un regulador de Presión es una válvula que controla una característica específica de un sistema. Existen los Reguladores Mecánicos que usan la presión de trabajo en contra de un resorte para controlar la presión de entrada o de salida. Los Reguladores con Actuación Eléctrica que requieren para controlar los parámetros de un sistema de un controlador, o de un sensor.

Ing. Javier Ortega

“La potencia de los motores de los compresores está diseñada para operar en el rango de temperaturas para la cual son aplicados”

El ciclo térmico de refrigeración consta básicamente de un compresor, un evaporador, un condensador, y un dispositivo de dosificación o regulación del refrigerante, tuberías, refrigerante o sustancia de trabajo. En teoría estos componentes deberían de trabajar dentro de un balance perfecto sin embargo, es sabido que los ciclos termodinámicos funcionan de acuerdo a su medio ambiente, que en alguna forma tienen que rechazar calor a este (por medio del condensador), y dado que estas condiciones ambientales son continuamente variables (durante cada día, durante la noche, durante el año) la operación del condensador es diferente dependiendo de esas condiciones. Por otro lado, el evaporador está sujeto a las cargas del producto (su temperatura de entrada y salida, su cantidad, frecuencia de movimientos de esta, deshielos, humedad, etc.) Dadas estas situaciones la operación del compresor y la masa de refrigerante circulando serán también variables, se tendrá que ajustar a la demanda del ciclo. Además, la selección de las componentes principales del ciclo para un diseño específico con un balance perfecto es muy difícil de lograr. Por lo anterior es necesario añadir al ciclo elementos auxiliares de control y regulación que lo puedan hacer funcionar correctamente y eficientemente bajo todas estas variaciones.

Existen cuatro tipos de Reguladores de Presión:
•    Para el Control de Presión del Evaporador (Evaporator Pressure Regulator EPR). En la línea de succión.
•    Para el Control de Presión del Cárter (Crankcase Pressure Regulator CPR). En la línea de succión.
•    Para el Control de  Derivación de Gas Caliente (Hot Gas ByPass).
•    Para el Control de Presión de Descarga (Head Pressure Control).

Los reguladores en la línea de succión (1 y 2) son usados para una gran variedad de funciones en el control de la refrigeración. Su propósito principal es balancear la capacidad del sistema de refrigeración a los requerimientos de la carga térmica.

Controlando la presión de operación del evaporador (o la presión de succión del compresor), se puede lograr o permitir que el sistema opere correctamente bajo un amplio rango de condiciones de carga y ambientales, manteniendo una eficiencia máxima del sistema. Su utilización es muy buena en sistemas centrales grandes de refrigeración comerciales. Por lo general, pero no siempre, se requiere instalar reguladores en sistemas pequeños de unidades auto contenidos, sistemas de refrigeración distribuidos en supermercados, sistemas compactos, etc.

Existen dos tipos principales de reguladores en la línea de succión: de flujo ascendente (Upstream) Regulador de Presión del Evaporador (EPR), y el regulador de presión con flujo descendente, y dado que regula la presión del compresor es llamado Regulador de Presión del Carter (CPR).

Ambos tipos se encuentran a la salida del evaporador, entre este y el compresor (ver Fig. 1). En operación la EPR mantiene la presión del gas arriba o en el valor preestablecido (cuando se desea una mínima presión en el evaporador) la válvula CPR mantiene la presión del gas abajo o en el valor preestablecido (que la presión del cárter del compresor no suba de un valor establecido, por ejemplo después de un descongelamiento o cuando ha estado parado mucho tiempo).

“El ciclo térmico de refrigeración consta básicamente de un compresor, un evaporador, un condensador, y un dispositivo de dosificación o regulación del refrigerante, tuberías, refrigerante o sustancia de trabajo.”

Control de Presión del Evaporador EPR
La presión límite de operación en su entrada de una válvula EPR, se ajusta por medio del tornillo colocado en su parte superior, este mueve un resorte ajustable (ver cada modelo de válvula los detalles para sus ajustes). El ajuste de las válvulas EPR consiste en controlar la presión en su entrada,  toma varios días, sobre todo cuando se tienen sistemas de evacuación (Pump Down).

Las EPR se especifican por su capacidad en Ton o kW, su rango de presión de ajuste, su tipo y tamaño de conexión, el modelo de la válvula. Flow Controls de Emerson Climate Technologies ofrece varios tipos modelos, entre los más usuales son las IPR (Inlet Pressure Regulator), y la EPRB es una válvula eficiente de energía, reguladora de presión del evaporador con operación piloto. Se suministra con conexiones de cobre para su fácil instalación en el sistema, es normalmente abierta, se puede suministrar con su válvula solenoide. La EPRB (S), la S para aplicaciones con descongelamientos.

En sistemas centrales o múltiplex, con compresores y evaporadores en paralelo, existen dos posibilidades en la forma de utilizarlas Fig. 2, y 3

La válvula EPR tiene una modulación totalmente abierta o totalmente cerrada, se cierra cuando la presión de entrada disminuye, su única función consiste en evitar que la presión del evaporador disminuya de un valor previamente especificado y para el que se ajustó el regulador.

Control de Presión del Cárter CPR.
Esta válvula llamada válvula restrictora, es del tipo OPR, limita la presión de succión en el cárter de un compresor a un valor límite preestablecido, con el fin de evitar que el motor de compresor se sobrecargue. Su ajuste se efectúa mediante un tornillo y un resorte. Es normalmente abierta, y cierra cuando la presión del compresor se eleva arriba del valor máximo  preestablecido forzando la válvula a su asiento, cuando la presión de succión cae, la válvula empieza a abrirse manteniendo así su balance.

La válvula reguladora de la presión del cárter se sitúa entre el evaporador y el compresor en la línea de succión.

Existen los rangos de temperatura de operación de los compresores comerciales:
•  Aire Acondicionado y Ref. Alta Temperatura  -18 C (0 °F) –> 12.8 C (55 °F)
•..Ref.  Media Temperatura  -20.5 C (-5 °F) –> -3.8 C (25 °F)
•..Ref.  Baja Temperatura  -40 C (-40 °F) –> -18 C (0 °F)
•..Ref.  Extra Baja Temperatura  -40 C (-40 °F) –> -31.7C (-25°F)

La potencia de los motores de los compresores está diseñada para operar en el rango de temperaturas para la cual son aplicados, arriba de esos rangos implicará una mayor demanda de potencia, y por otro lado la demanda de energía del motor del compresor baja con la reducción de la presión de succión. La válvula CPR se utiliza principalmente para evitar la sobrecarga del motor en unidades de baja temperatura, durante las condiciones de arranque, de enfriamiento inicial en el abatimiento de temperatura (pull/down), periodos de descongelamiento, etc. La utilización de la válvula CPR permite el uso de un compresor con mayor desplazamiento con un motor de menor potencia, traduciéndose en un ahorro y una mayor eficiencia, evitando la sobrecarga. Es necesario evitar la caída excesiva de presión a través de la válvula CPR, ya que podría producir una pérdida inaceptable de capacidad del sistema, por lo que es importante seleccionar la válvula adecuadamente. La Fig. 4 nos muestra el rango de funcionamiento de un compresor de extra baja temperatura, el cual requiere una válvula CPR.

Este compresor con motor para extra baja temperatura rango de -40 C (-40 °F) –> -31.7C (-25°F) tiene un valor eficiencia de energía EER de 4.4 Btu/h-W, comparado con un compresor idéntico para baja temperatura rango de -40 C (-40 °F) –> -18 C (0 °F) con motor para baja temperatura tiene un valor de eficiencia de energía EER de 4.0 Btu/h-W, representaría un ahorro en su consumo eléctrico del 10%.

Flow Controls de Emerson Climate Technologies ofrece varios tipos de válvulas CPR, las más usuales son las OPR. Esta serie de válvulas son del tipo de flujo descendente mantienen la presión de salida que se fija, diseñada para prevenir la sobrecarga del motor del compresor. Se solicitan de acuerdo a su serie (OPR), su tamaño de puertos, conexiones (SAE, ODF) tamaño y tipo, y su rango de operación (psig), El tipo de refrigerante, temperatura de evaporación, tonelaje requerido (al respecto para más detalles ver el catálogo de selección correspondiente).

“A una temperatura ambiente normal, y alta temperatura de evaporación no es necesario inundar el condensador”

Válvula de Derivación de Gas Caliente

Como se mencionó inicialmente, en una gran mayoría de los sistemas de refrigeración y aire acondicionado la carga térmica puede variar bastante, se puede deber a las entradas y salidas de las cargas de producto, ocupación, iluminación, cambios ambientales del clima, entre otros aspectos. En estos casos es necesario para un funcionamiento adecuado del sistema, un control de la capacidad del compresor. La forma más simple de control de la capacidad, es arrancar y parar el compresor, durante bajas cargas esto resultaría en ciclados cortos del compresor, lo que conduciría sin lugar a duda a su falla.

En algunos casos los compresores tienen descargadores o control de capacidad, los cuales pueden proporcionar una adecuada modulación de capacidad, pero frecuentemente se requiere control de capacidad en sistemas sin descargadores, los cuales por lo general están disponibles en compresores grandes lo que añaden un costo sustancial y que no son muy adecuados en operación de baja temperatura. Donde existen ciclados cortos del compresor, donde el uso de descargadores no es satisfactorio, se recomienda la modulación de capacidad de los compresores por medio de derivación de gas caliente.

La Válvula de Derivación de Gas caliente o Válvula de Derivación de Gas de Descarga del compresor se utiliza para modular la capacidad del compresor.

En principio su funcionamiento es a través de una conexión en la línea de succión cerca del compresor, el sistema de derivación de gas caliente censa la presión del lado de baja del sistema, a medida que la temperatura baja, su presión también baja abriendo la válvula aumentando así la presión de succión, si la carga de refrigeración es muy variable debido a cargas de producto, ocupación, iluminación, temperatura ambiente, y sino se forma hielo en el evaporador se puede dejar el compresor operando a muy baja presión de succión, dando por lo tanto muy baja capacidad. Se ajusta el control de baja presión muy bajo para que el compresor no cicle, estas válvulas responden a su presión de salida. Pueden modularse desde totalmente abiertas a totalmente cerradas y se abren en respuesta a una disminución en la presión de salida. Las válvulas de gas caliente se ajustan para mantener una presión mínima deseada mediante la tensión de un resorte y pueden ser accionadas directamente o a través de un piloto.

En el caso de un sólo evaporador, es recomendable que la derivación de gas caliente nos pueda controlar la presión de succión, pero en el caso de varios evaporadores en paralelo es mejor usar EPRs.

En el diagrama de la Fig. 5 en el caso de un sólo evaporador, en sistemas compactos, es frecuentemente posible introducir el gas caliente inmediatamente después de la válvula de expansión antes del evaporador creándose una carga térmica artificial. Dado que en un sistema normal la válvula de expansión opera de acuerdo a su sobrecalentamiento, por lo que el gas que retorna al compresor a una temperatura normal, sin existir problemas de calentamiento del motor. Debido a la mayor velocidad del gas, el retorno del aceite se mejora, y se disminuye el problema de formación de hielo.

Cuando se conectan varios evaporadores en paralelo a un compresor, y donde la unidad condensadora está separada del evaporador, es necesario derivar el gas caliente a la línea de succión del refrigerante al compresor. Con este método la presión de succión se controla en forma satisfactoria, ver Fig. 6. Es necesario el uso de una válvula de expansión de desobrecalentamiento (Desuperheating Expansion Valve) para introducir refrigerante líquido en la línea de succión para mantener la temperatura del gas refrigerante que retorna al compresor dentro de límites permisibles. Una cámara mezcladora se recomienda para este propósito, un acumulador de succión sirve excelentemente bien para este propósito, además de protegerlo del problema de retorno de refrigerante líquido.

Las válvulas de derivación de gas caliente están normalmente equipadas con una conexión externa igualadora (se identifican con la letra “E” en su nomenclatura), que actúa de la misma forma de un igualador externo en una válvula de expansión, para compensar la caída de presión en las líneas. El igualador externo debe conectarse a la línea de succión, en el punto donde se desee controlar la presión.

Emerson Climate Technologies – ofrece una gran gama de Válvulas de Derivación de Gas Caliente (Válvulas: ACP (E), DGR (E), EGR (E), su selección es relativamente sencilla en el catálogo correspondiente, o a través de Internet, de acuerdo a:

Su tipo de serie de válvula ACP (E), DGR (E), EGR (E) Con Igualador Externo “E”, Dimensiones de Puertos, Conexiones de entrada y salida, ODF o SAE, Capacidad Btu/h o Watts, Estilo del cuerpo (angular, recta, etc.)

Control de Presión de Descarga
En la Fig. 1 se muestra la ubicación del Control de Presión de Descarga, la razón es que cualquier sistema de refrigeración o de aire acondicionado que utiliza un condensador enfriado con aire, el cual debe operar durante los meses de primavera, verano, a invierno, sujeto a cambios ambientales, debe ser diseñado para controlar el refrigerante líquido alimentado al evaporador en una gran variación de condiciones ambientales. Dado que las características de flujo de refrigerante es proporcional su presión diferencial a través en los tubos capilares y en las válvulas de expansión. El problema es más crítico en condiciones ambientales de baja temperatura donde la presión de condensación cae a muy bajos niveles sin algún medio de control. Con un dispositivo convencional de control de refrigerante, excesivas bajas presiones de condensación reducirán el flujo de refrigerante a grado donde las presiones de evaporación caen a un nivel peligroso, resultando en congelamiento del evaporador, ciclados cortos del compresor, retorno de refrigerante líquido que conducen a la falla del compresor.

Existen métodos para mantener la presión de descarga:
•  Ciclado frecuente de los ventiladores del condensador (el problema que la presión de alta sube y baja)
•  Compuertas motorizadas para controlar el flujo de aire en el condensador.
•  Condensadores múltiples (cerrar un condensador con una válvula solenoide)
•  Motores del condensador de velocidad variable, etc.
•  Control por medio de inundación de refrigerante del condensador.

Las razones para controlar y mantener alta la presión de descarga durante las variaciones ambientales son:
•  Mantener el subenfriamiento de líquido para prevenir su evaporación y evitar que llegue gas a la válvula de expansión.
•  Proveer suficiente caída de presión a través de la válvula de expansión.
•  Que los sistemas con descongelamiento por gas caliente, derivación de gas caliente, y reclamos de calor, operen adecuadamente.

“Es muy importante durante la operación normal mantener la presión del condensador lo más baja posible, ya que una alta presión de condensado conduce a un alto consumo de energía del motor del compresor”

NOTA: Por otro lado es muy importante durante la operación normal, mantener la presión del condensador lo más baja posible, ya que una alta presión de condensado conduce a un alto consumo de energía del motor del compresor, y por lo tanto es un sistema ineficiente (cada 10°F de aumento de temperatura de condensado nos ocasiona prácticamente una disminución del 10% de capacidad del compresor y una disminución de su consumo de energía del 6% al 7%). Las presiones son proporcionales a sus temperaturas respectivas, por tanto los aumentos de presión de condensado o de descarga tienen el mismo efecto que la temperatura en las perdidas de capacidad y de potencia.

En el interior del Control de Presión de Descarga existe una válvula, la cual cuando se encuentra cerrada dirige el refrigerante a través del Condensador hacia el Recibidor (Ver Fig. 1), cuando está abierta permite desviar del condensador el gas refrigerante. La válvula es operada mediante una carga presurizada de gas en el domo del control actuando sobre un diafragma.

Cuando la temperatura ambiente aumenta, la presión de descarga en el otro lado del diafragma actúa en contra de la presión de la carga de gas dentro del domo, manteniendo la válvula cerrada haciendo pasar refrigerante a través del condensador. Cuando baja la temperatura ambiente, la presión de la carga supera la baja presión de descarga, abriendo la válvula permitiendo derivar el gas refrigerante hacia el recibidor. Esto crea una presión a la salida del condensador, causando que el condensador se llene de líquido –o inundando el condensador- lo cual reduce en forma efectiva el área de transmisión de calor del condensador, y por lo tanto su capacidad de enfriamiento, aumentando así la presión de descarga.

Cuando la temperatura ambiente es baja, se requiere una cantidad de refrigerante que llene parcialmente el condensador, esta cantidad de refrigerante se tendrá que añadir al sistema. Cuando la temperatura ambiente sea normal, este refrigerante que se añadió al sistema se tendrá que guardar en el recibidor, por lo que este deberá de ser de mayor capacidad. Para que la válvula de control de presión de descarga funcione adecuadamente, se requiere añadir refrigerante adicional al sistema para inundar el condensador. El porcentaje de refrigerante que debe añadirse al sistema es la cantidad que el condensador debe inundarse, y depende de la temperatura ambiente del aire entrando al condensador, siendo mayor porcentaje a menor temperatura ambiente, y de la temperatura de evaporación siendo mayor porcentaje a menor temperatura de evaporación (inundación del orden  97% a -8°C de temperatura ambiente y -35°C de evaporación). A una temperatura ambiente normal, y alta temperatura de evaporación no es necesario inundar el condensador.

Emerson Climate Technologies ofrece las válvulas de tres vías HeadMaster Series HP/HPC que son controladas por la presión de descarga del sistema impuesta por el compresor y por la temperatura ambiente. Son diseñadas específicamente para mantener la presión del condenador enfriado por aire durante los periodos de baja temperatura ambiente. Se seleccionan de acuerdo a:

• Su tipo de serie de válvula HP o HPC
• Dimensiones de Puertos
• Conexiones del recibidor, condensador, ODF o SAE
• Capacidad Btu/h o Watts
• Refrigerante
• Temperatura de condensado.

“Las válvulas de derivación de gas caliente están normalmente equipadas con una conexión externa igualadora (se identifican con la letra “E” en su nomenclatura)”

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