6.1 Válvulas de Expansão

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Refrigeração Industrial e Comercial
6.1 - VÁLVULAS DE EXPANSÃO
Historial
Em meados do século XIX o homem descobriu a propriedade criogénica dos gases e a capacidade de retirar calor de um sistema quando submetido à expansão e começou a fabricar gelo industrialmente em grande escala.
Função do dispositivo de expansão
É um órgão que tem como finalidade o seguinte:
Regular o fluxo do líquido refrigerante injectado no evaporador, de acordo com a carga térmica;
Restringir esse mesmo fluxo de modo a permitir uma queda de pressão do refrigerante líquido, para que este atinja o seu ponto de ebulição.
Operação
São uma espécie de dispositivos de restrição de caudal que provocam uma elevada perda de pressão no fluido refrigerante em escoamento.
Considerando a equação de energia em regime estacionário (1º Princípio da termodinâmica) com a seguinte forma:
O processo é adiabático em que Q = 0;
Não há trabalho pelo que W = 0; 
Não há variação de energia potencial g.Δz = 0. 
A variação da energia cinética é despre-zável
 Δv2 /2g  0. 
Pelo que a equação se reduz a: 
Δh = 0
Estes dispositivos são considerados isentálpicos.
Por definição: h = U + PV;
Pelo que considerando hE = hS temos:
UE + PEVE = US + PSVS
Como durante a laminagem em dispositivos de refrigeração 
PSVS > PEVE
Resulta que a energia interna à saída do expansor é inferior à da entrada. 
Como a energia interna é função da temperatura, conclui-se que:
Ts < Te
A temperatura à saída do dispositivo é inferior à temperatura da entrada. 
O valor da queda de temperatura é regulado pelo efeito de Joules Thompson
Tipos de Dispositivos Expansores
Tubo capilar
Válvulas de expansão:	
- Manual
	- Automática ou Pressostática
	- Flutuador
	- Termoeléctrica
	- Termostática
Tubo capilar
 O tubo capilar é um tubo de 1 a 6 m de comprimento e diâmetro interno que varia de 0,5 a 2 mm
 Os tubos capilares são utilizados nos sistemas mais simples com capacidades da ordem de 10 kW.
Nomeadamente nos:
Frigoríficos domésticos. 
Aparelhos individuais de ar condicionado. 
Quando se usam compressores herméticos 
Pelas seguintes razões:
Simplicidade de instalação
Baixo custo
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Equilíbrio de pressão
Não têm, peças móveis
Vantagens
É barato.
Não possui partes móveis, portanto, não requer manutenção
O tubo capilar fornece uma ligação aberta entre o condensador e o evaporador, portanto, durante o período de paragem, ocorre uma equalização de pressão entre estes órgãos. 
Ideal para sistemas baseados em compressores herméticos, que são carregados e montados na fábrica.
Desvantagens:
Não pode ajustar-se a novas condições de caudal; 
O COP é geralmente baixo fora das condições de projecto;
É susceptível a entupimentos devido ao reduzido diâmetro do tubo capilar; 
Durante a paragem o refrigerante líquido flui para o evaporador por causa da diferença de pressões entre o condensador e evaporador; 
O evaporador pode ficar inundado e o refrigerante líquido pode ser aspirado pelo compressor e danificá-lo durante o arranque.
Recomendações:
É necessário ter-se muito cuidado no momento da montagem;
Um secador e um filtro devem ser utilizados a montante do capilar para evitar a entrada de humidade ou de quaisquer partículas sólidas;
É utilizado apenas com compressores herméticos aonde não há fuga de fluido refrigerante assim pode ser usada uma carga crítica; 
Normalmente, um acumulador deverá ser instalado após o evaporador para evitar aspiração de líquido pelo compressor.
Válvulas de Expansão Manuais (VEM)
São válvulas de agulha accionadas a mão. 
A quantidade de refrigerante que passa através do orifício da válvula depende da abertura da válvula que é ajustável manualmente.
As suas maiores vantagens são:
Simplicidade 
Baixo preço 
A sua maior desvantagem é:
Inflexibilidade. 
É utilizada em grandes sistemas, paralelamente às válvulas automáticas e termostáticas como válvula de desvio (“bypass”). 
Para assegurar o funcionamento do sistema em caso de falha destas, ou durante os períodos de manutenção ou reparação.
Válvulas de Expansão Automática (VEA)
Este tipo de válvulas também são designadas como pressostáticas.
Destinam-se a manter uma pressão de evaporação constante, independente-mente das variações de carga térmica.
É uma válvula de funcionamento muito preciso. 
Uma vez bem regulada mantém praticamente constante a tempera-tura no evaporador.
Daí ser utilizada quando se deseja um controlo exacto de temperatura. 
É controlada pela pressão existente no lado de baixa pressão do sistema.
São aplicadas exclusivamente em instalações com um só circuito.
É controlada pela pressão existente no lado de baixa pressão do sistema.
São aplicadas exclusivamente em instalações com um só circuito.
Principalmente para pequenas capacidades.
Com este tipo de válvulas a instalação NÃO pode ser comandada por um pressostato, mas por um termostato.
Aplicações
São utilizadas em sistemas em que se pretende manter uma temperatura constante.
Por exemplo em unidades de arrefe-cimento de leite e arrefecedores de água em que o congelamento é desastroso.
No ar condicionado aplica-se quando o controlo da humidade é efectuado por baterias de expansão directa.
Têm um desenho simples e são de baixo custo. 
São também utilizadas em frigoríficos domésticos e pequenos sistemas de refrigeração comercial em que se aplicam compressores herméticos. 
Normalmente a sua aplicação está limitada a sistemas com potências até 35 kW, com carga crítica.
Válvulas de expansão de Flutuador ou bóia (VEB)
São normalmente utilizadas com evaporadores inundados em sistemas de refrigeração de grande capacidade.
Válvula de expansão de bóia de baixa pressão (VEBBP)
O nome é devido ao facto da bóia do flutuador estar em contacto com o lado de baixa pressão do sistema.
Este tipo de controlo é sempre usado com um evaporador tipo inundado. 
Podem ser utilizadas com qualquer fluido refrigerante
VS – Válvula de solenóide
A válvula de bóia de baixa pressão é considerada um dos melhores dispositivos expansores que existem para "Sistemas Inundados". 
Conseguem um excelente controlo e a sua simplicidade torna-as quase livres de avarias. 
Podem ser aplicadas em qualquer sistema inundado, quer ele seja pequeno ou grande.
Válvula de expansão de bóia de alta pressão (VEBAP)
A válvula de bóia de alta pressão é colocada no lado de alta pressão do sistema e imersa no líquido a alta pressão, o qual é o seu principal controlo. 
VRP – Válvula redutora de pressão
Este tipo de dispositivo expansor implica uma carga crítica de refrigerante no sistema. 
Frequentemente são usados acumu-ladores na aspiração, a fim de tornar a carga de refrigerante menos crítica, particularmente em sistemas de amoníaco. 
Características
Estas válvulas de expansão oferecem um controle muito bom.
Mantêm o nível adequado de refrigerante independentemente das variações de carga, dos períodos sem carga, condições da carga e outras variáveis de operação.
Vários evaporadores podem funcionar num mesmo sistema, pois a cada válvula flui apenas a quantidade de refrigerante necessária para o seu próprio evaporador.
As válvulas de bóia devem ser escolhidas em função do refrigerante específico que vai ser usado, devido à diferença de densidade entre os diversos refrigerantes.
Válvula Expansora Termoeléctrica ou Electrónica (VEE)
Estas válvulas VEE são relativamente recentes e só com o avanço tecnológico dos semicondutores foi possível utilizar este tipo de comando para as válvulas expansoras.
Utilizam um termístor para detectar a temperatura do gás refrigerante à saída do evaporador.
A válvula em face à elevação de temperatura abre-se progressivamente, permitindo um maior fluxo do fluido refrigerante. 
O processo de abertura da válvula continua até o vapor tornar-se saturado e surgirem algumas gotas de fluido refrigerante líquido. 
Na presença de gotículas o refrige-rante líquido irá arrefecer o termístor e aumentar a sua resistência. 
VEE esquema de princípio com controlo
de sobreaquecimento
O controlo da válvula é indepen-dente do fluido refrigerante e da sua pressão, daí ela funcionar com o fluxo também no sentido inverso.
Vsob – Vapor sobreaquecido
LA – Linha de aspiração
AE – Accionador electrónico
Válvula Expansora Impulsos (VEE-I)
Estas válvulas (Danfoss KVA) são operadas por modulação de impulsos. 
O que significa que a válvula esta sempre completamente aberta ou fechada.
APLICAÇÕES
・ Refrigeração comercial e industrial;
・ Câmaras frigoríficas;
・ Arrefecedores de liquido;
・ Refrigeração de supermercados;
・ Lojas de conveniência.
VANTAGENS
As válvulas são em geral fornecidas com um programa de peças, a saber:
Válvula separada incluindo o orifício intercambiável;
Bobina separada;
Programação da operação da válvula flexível;
· Não precisam de ajustes;
· Possuem bobine de solenóide integrada;
· Reduzem o consumo de energia;
· Melhoram o desempenho do compressor.
CARACTERÌSTICAS
Este tipo de válvulas cobre um campo de operação de 0,8 kW a 600 kW (404A/R507) e estão divididas em faixas de capacidade;
Podem ser utilizadas com os refrigerantes HCFC, HFC e R744 (até á máxima pressão de trabalho sinalizada).
Ampla linha de bobinas para CA e CC;
O conjunto do orifício é intercambiável;
Válvula de expansão e válvula solenóide;
Disponível com conexões roscadas e com ligações para soldadura.
Válvulas de expansão electricamente operadas de acção por Pistão (VEE-P)
Nestas válvulas o obturador é do tipo pistão VEE-P (Danfoss ETS).
São próprias para uma injecção de líquido precisa em evaporadores para ar condicionado e aplicações de refrigeração.
O pistão da válvula tem um posicionamento linear e é totalmente equilibrado, proporcionando uma característica de fluxo bidireccional.
Têm incorporado um solenóide que tem a função de fecho em ambos os sentidos de escoamento.
Estas válvulas necessitam de uma unidade periférica com um sinal de corrente ou de tensão como auxiliar para serem operadas.
APLICAÇÕES
Refrigeração tradicional
Unidades de ar condicionado
VANTAGENS
Para operação e serviço manual estas válvulas são operadas por intermédio de um controlador.
Concepção equilibrada que proporciona uma operação de fluxo duplo.
Bem como possui a função de solenóide com fecho hermético.
CARACTERÍSTICAS
Utilizam a posição totalmente fechada como posição de referencia para o controlador.
Concebidas para refrigerantes HFC/HCFC incluindo R410A, ate 45,5 bar (659,9 psig) de pressão de funcionamento.
Função solenóide de fecho hermético
válvulas de expansão electrónica Motorizadas VEE-M
(Danfoss ETS 6) oferecem alta confiabilidade e precisão na expansão e controlo do fluxo em sistemas de ar condicionado e refrigeração. 
Estas válvulas são leves e compactas e podem ser utilizadas com todos os refrigerantes comuns:
(R410A, R407C, R404A, R134a e R22).
APLICAÇÕES 
Ar condicionado;
Bombas de calor;
Sistemas de refrigeração.
VANTAGENS
Permitem a eficiência energética do sistema;
Alta confiabilidade;
Controle preciso do fluxo e do sobreaquecimen-to.
CARACTERÍSTICAS
Compactas e leves;
Podem ser utilizadas com todos os refrigerantes comuns;
Operação com o fluxo nos dois sentidos; 
Com possibilidade em aplicações em bombas de calor e ar condicionado com ciclos de quente e frio.
Válvulas de expansão para CO2
As válvulas de expansão eletrónicas podem ser aplicadas nos trocadores de calor do propileno glicol (com R134a) e também nos evaporadores das ilhas e câmaras frigoríficas que utilizam CO2 garantindo uma estabilidade da temperatura de evaporação.
As válvulas de expansão eletrónicas economizam mais energia por serem mais confiáveis e precisas no controle do fluxo mássico de refrigerante através das condições de carga térmica do evaporador.
Recebem todas as informações relativas à temperatura e pressão à saída do evaporador, a fim de controlar a abertura e o fecho da válvula de acordo com o sobreaquecimento.
Essas válvulas proporcionam:
O monitoramento das temperaturas de ambiente e degelo;
Monitoramento e controle do sobreaquecimento; 
Controle da válvula solenoide; 
Rotinas do ventilador do evaporador (forçador de ar); 
Rotinas de degelo do evaporador em tempo real; algoritmo com PID para o controle da válvula.
Ocontrolador recebe as informações de temperatura e pressão à saída do evaporador e:
Calcula o sobreaquecimento; 
Por sua vez comanda a abertura e fecho de acordo com o sobreaquecimento
Para o efeito utiliza um algoritmo de controle PID que garante a estabilização da temperatura. 
Através de análise gráfica obtida pelo controlador é possível reduzir a quantidade de degelos diários do evaporador. 
Sua conexão pode ser remota via internet, além disso, é possível o envio de alarmes via fax ou SMS.
Válvula Expansora Termostática (VET)
Introdução
É a válvula mais versátil e a de utilização mais comum em sistemas de refrigeração. 
Tem como particularidade manter um grau constante de sobreaquecimento à saída do evaporador. 
Mesmo em sistemas que estão sujeitos a largas e frequentes variações de carga;
É a válvula mais efectiva para evaporadores secos, prevenindo a admissão de líquido ao compressor;
Possui um dispositivo que corrige a quantidade de líquido a ser evaporado na serpentina de modo que esta corresponda à carga no evaporador.
Válvula de expansão termostática corte
Existem dois tipos de válvulas expansoras termostáticas:
Válvula expansora termostática de equilíbrio interno;
Válvula expansora termostática de equilíbrio externo.
VET-I com equilíbrio interno
A operação da válvula resulta da acção recíproca de três pressões indepen-dentes: 
A pressão do refrigerante à entrada do evaporador (Fe);
A pressão da tensão da mola (FM); 
Pressão exercida pela mistura líquido vapor saturado do sensor da válvula FP ( bolbo remoto ).
Tubo capilar
Fole
Agulha
Líquido de
Alta pressão
Mola regulável
Parafuso de ajuste
Evaporador
Linha de
aspiração
Vapor sobreaquecido
Regra geral, as válvulas de expansão termostáticas de equilíbrio interno são ajustadas pelos fabricantes para um sobreaquecimento compreendido entre 5 a 6 º C; 
Valor, geralmente, satisfatório para a maioria das aplicações pelo que não se deve alterar a sua regulação; 
As válvulas têm uma chapa sinalética onde se indica o grau de sobreaque-cimento, para uma regulação média e o número de orifícios determinantes da sua capacidade.
VET de Equilíbrio Externo (VET-E)
Na válvula anterior não se considerou a queda de pressão no evaporador, devido às perdas de carga inevitáveis. 
Contudo, sabe-se que por causa do atrito essa queda de pressão é real.
No caso de um evaporador de grandes dimensões e que possui uma grande perda de pressão, a pressão à saída do evaporador é comunicada directamente à base do fole por um tubo de pequeno diâmetro. 
Esta ligação é designada de equalização de pressão.
Estas válvulas designam-se por válvulas com linha de equalização externa.
Regra geral, as válvulas de expansão termostáticas de equilíbrio externo são ajustadas pelos fabricantes para um sobreaquecimento entre de 3 e 5 º C.
Considerações Sobre as Válvulas Expansoras
O rendimento de uma instalação frigorífica pode ser seriamente comprometido por:
Montagem defeituosa ou;
Alteração da respectiva regulação do seu sobreaquecimento. 
Se esta alimenta o evaporador com refrigerante em excesso, nem todo ele se evapora, pelo que ficaremos com líquido na aspiração do compressor, o que provoca:
Redução do efeito de refrigeração útil por unidade de massa do refrigerante em circulação no sistema;
Possível ruptura das válvulas ou outros danos no compressor. 
Considerações Sobre as Válvulas Expansoras
Se a válvula não distribuir a quantidade de refrigerante suficiente dá-se:
A Câmara não atinge a temperatura desejada;
O evaporador congela apenas parcialmente;
Reduz a pressão de aspiração.
A capacidade máxima e rendimento obtém-se quando:
A superfície do evaporador está completamente congelada e o; 
Refrigerante à saída do evaporador
está completamente evaporado com um ligeiro sobreaquecimento.
Sugestões para montagem 
A Válvula de expansão termostática deve ser montada o mais próximo possível do evaporador (de preferência no interior da câmara ).
O bolbo térmico deve ser colocado:
À saída do evaporador, devendo o encanamento de aspiração prosseguir dentro da Câmara pelo menos um metro;
Sugestões para montagem 
Quando não for possível a sua colocação na horizontal deve instalar-se na vertical mas com o refrigerante no sentido descendente;
Deve ser montado em local onde a corrente de ar não incida directamente;
Quando a direcção é ascendente deve dispor-se de um sifão
Exemplos da Colocação Correcta de um Bolbo
A sua posição deve ser horizontal;
Na parte superior do tubular se o diâmetro é inferior a 22 mm;
A 45º a partir da linha inferior do tubular se o seu diâmetro for igual ou superior a 22 mm;
Regra da DANFOSS
Quando não for possível a sua colocação na horizontal deve instalar-se na vertical mas com o refrigerante no sentido descendente.
Ser montado em contra-corrente com o refrigerante;
Colocação na posição horizontal
Deve ser apertado através de braça-deiras de modo que todo ele fique em contacto com o encanamento;
Colocações incorrectas em curva e com o fluido ascendente
Pormenor de instalação