En la mayoría de las aplicaciones de refrigeración es necesario abrir o detener el flujo, en un circuito de refrigerante, para poder controlar automáticamente el flujo de fluidos en el sistema. Para este propósito, generalmente se utiliza una válvula de solenoide operada eléctricamente. Su función básica es la misma que una válvula de paso operada manualmente; pero, siendo accionada eléctricamente, se puede instalar en lugares remotos y puede ser controlada convenientemente por interruptores eléctricos simples. Son dispositivos diseñados para permitir el paso de aire o líquido a través de una cámara y gobernar la fuerza de su flujo. Estos dispositivos son diferentes de las válvulas normales en que tienen un menor número de partes de trabajo y actúan con la recepción de una corriente eléctrica. Actualmente, se utilizan en la mayoría de los automóviles, así como cualquier sistema hidráulico o sistema cerrado basado en gas que dependa de la regulación del gas o del paso de fluido. Las válvulas de solenoide pueden ser operadas por interruptores termostáticos, de flotador, de baja presión, de alta presión, por reloj, o cualquier otro dispositivo que abra o cierre un circuito eléctrico, siendo el interruptor termostático el dispositivo más común utilizado en sistemas de refrigeración.
La válvula de solenoide es un dispositivo operado eléctricamente, y es utilizado para controlar el flujo de líquidos o gases en posición completamente abierta o completamente cerrada. A diferencia de las válvulas motorizadas, las cuales son diseñadas para operar en posición moduladora, la válvula de solenoide no regula el flujo aunque puede estar siempre completamente abierta o completamente cerrada. La válvula de solenoide puede usarse para controlar el flujo de muchos fluidos diferentes, dándole la debida consideración a las presiones y temperaturas involucradas, la viscosidad del fluido y la adaptabilidad de los materiales usados en la construcción de la válvula. La válvula de solenoide es una válvula que se cierra por gravedad, por presión o por la acción de un resorte; y es abierta por el movimiento de un émbolo operado por la acción magnética de una bobina energizada eléctricamente, o viceversa. Una válvula de solenoide consiste de dos partes accionantes distintas, pero integrales: un solenoide (bobina eléctrica) y el cuerpo de la válvula.
La estructura propuesta teórica de una válvula de solenoide es simple. Se comienza con una cámara hueca en forma de T. La parte inferior de la T es la entrada, a través de la cual fluye el fluido. En la tapa de la T hay un diafragma elástico, que cubre la entrada, impidiendo que el líquido pase a través del brazo izquierdo de la T. En el brazo derecho se aloja la bobina del solenoide; el otro extremo se conecta a una fuente eléctrica y el extremo que entraría en contacto con el fluido está cubierto con un tapón o pistón delgado.
Figura : Solenoide para controlar el flujo de gas natural a un horno de aire caliente.
Figura. Disyuntor magnético.Cuando fluye una corriente excesiva en el circuito, "salta" el disyuntor
Un electroimán es un imán en el cual las líneas de fuerza
son producidas por una corriente eléctrica. Este tipo de
imanes es importante para el diseño de controles automáticos,
porque el campo magnético puede ser creado o
eliminado al activar o desactivar una corriente eléctrica.
El término "solenoide" no se refiere a la válvula misma,
sino a la bobina montada sobre la válvula, con frecuencia
llamada "el operador". La palabra "solenoide" se deriva de
las palabras griegas "solen", que significa canal, y "oide"
que significa forma. La bobina proporciona un canal, en el
cual se crea una fuerte fuerza magnética al energizar la
bobina.
El solenoide es una forma simple de electroimán que
consiste de una bobina de alambre de cobre aislado, o de
otro conductor apropiado, el cual está enrollado en espiral
alrededor de la superficie de un cuerpo cilíndrico, generalmente
de sección transversal circular (carrete). Cuando se
envía corriente eléctrica a través de estos devanados,
actúan como electroimán, tal como se ilustra en la figura
1. El campo magnético que se crea, es la fuerza motriz
para abrir la válvula. Este campo atrae materiales
magnéticos, tales como el hierro y muchas de sus aleaciones.
Dentro del núcleo va un émbolo móvil de acero
magnético, el cual es jalado hacia el centro al ser energizada
la bobina.
Figura 1 - Solenoide energizado.
El cuerpo de la válvula contiene un orificio (puerto), a través del cual fluye el líquido cuando está abierta. La aguja o vástago que abre y cierra el puerto de la válvula, se une directamente a la parte baja del émbolo, en el otro extremo. El vástago o aguja tiene una superficie sellante (asiento). De esta forma, se puede abrir o detener el flujo al energizar o desenergizar la bobina solenoide. Este principio magnético, constituye la base para el diseño de
todas las válvulas solenoide.
Figura : Ejemplo de circuito eléctrico de energizado de una válvula solenoide a partir de una señal digital de control.
Principio de Operación El la figura 2 pueden apreciarse las partes principales ya integradas de una válvula de solenoide típica. La aguja de la válvula está unida mecánicamente a la parte inferior del émbolo. En esta válvula en particular, cuando se energiza la bobina, el émbolo es levantado hacia el centro de la bobina, levantando la aguja del orificio donde está sentada, permitiendo así el flujo. Cuando se desenergiza la bobina, el peso del émbolo hace que caiga por gravedad y cierre el orificio, deteniendo el flujo. En algunos tipos de válvulas, un resorte empuja el émbolo para que cierre la válvula; esto permite que la válvula pueda instalarse en otras
posiciones diferentes a la vertical.
Figura 2 -Válvula de solenoide típica de acción directa, normalmente
cerrada de dos vías.
Tipos de Válvulas de Solenoide
Fig. Válvulas solenoide para refrigeración
Existe una amplia variedad de tipos de válvulas solenoide, los cuales se pueden dividir de acuerdo a su aplicación, su construcción y su forma. Entre los fabricantes de válvulas no existe un concenso para diferenciar los tipos por orden de importancia. Aunque recientemente, la práctica más generalizada es dividirlas primeramente, de acuerdo a su aplicación; es decir, a la capacidad del sistema donde va a ser instalada la válvula. Con base en esto, las válvulas solenoide pueden dividirse de manera general, en dos tipos: 1) De acción directa, y 2) Operadas por piloto. También por su construcción, las válvulas solenoide pueden ser: 1) Normalmente cerradas, 2) Normalmente abiertas y 3) De acción múltiple.
Por su forma, hay tres tipos de válvulas solenoide de uso común: 1) de dos vías, 2) de tres vías y 3) de cuatro vías o reversibles. Puede haber válvulas solenoide con combinaciones de los tipos mencionados arriba. Por ejemplo, hay válvulas operadas por piloto normalmente abiertas y también normalmente cerradas. La válvula que se muestra en la figura 2, es una válvula de acción directa, de dos vías, normalmente cerrada. A continuación, se describe ampliamente cada tipo de válvula y sus aplicaciones respectivas .
Acción Directa
La válvula solenoide de acción directa, se utiliza en válvulas con baja capacidad y puertos de tamaño pequeño. El émbolo está conectado mecánicamente a la aguja de la válvula. Al energizar la bobina, el émbolo se eleva hacia el centro de la misma, levantando la aguja. Puesto que para operar, este tipo de válvula depende únicamente de la potencia del solenoide, para un diferencial de presión determinado, el tamaño de su puerto está limitado por el tamaño del solenoide. No se utiliza en sistemas de grandes capacidades, porque se requeriría una bobina de gran tamaño para contra-actuar el gran diferencial de presión. La bobina requerida sería grande, costosa y no sería factible para circuitos de muy elevada capacidad. Este tipo de válvula opera desde una presión diferencial de cero, hasta su Diferencial Máximo de Presión de Apertura (MOPD por sus siglas en inglés), independientemente de la presión en la línea. Para mantenerla abierta, no se requiere caída de presión a través de la válvula. Las siguientes fuerzas actúan sobre una válvula de solenoide para mantenerla cerrada o abierta y fluyendo. Cuando está cerrada:
a. La presión interna empuja al émbolo hacia abajo al orificio.
b. La gravedad jala al émbolo hacia abajo al orificio. En algunas válvulas, la presión de un resorte también ayuda a mantenerlas cerradas.
c. La diferencia entre la presión alta en la entrada y baja en la salida, mantiene al émbolo sobre el orificio.
Nota: Mientras más grande es el diferencial de presión entre la entrada y la salida, más difícil es abrir la válvula.
Cuando está abierta:
a. El flujo interno que pasa a través del orificio, ayuda a mantener al émbolo abierto.
b. La atracción magnética sostiene arriba al émbolo.
Diferencial Máximo de Presión de Apertura (MOPD)
Mientras más grande sea la presión interna, o mientras más grande sea la diferencia entre las presiones de entrada y salida, más firme se mantiene el émbolo sobre el orificio. Mientras más grande el orificio, más grande es el área afectada por el diferencial de presión, manteniendo cerrado al émbolo. Por lo tanto, un orificio pequeño con bajo diferencial de presión, es fácil de abrir magnéticamente. Si aumenta el tamaño del orificio o el diferencial de presión, más difícil se vuelve para jalar al émbolo. Si tanto el área del émbolo, como el diferencial de presión son grandes, es posible que se exceda la capacidad del imán para jalar al émbolo y abrir o cerrar el orificio de la válvula. Cuando esta capacidad del imán es vencida por las fuerzas que mantienen abajo al émbolo, se dice que se ha excedido el MOPD.
Cuando el MOPD es bajo (el área del orificio es chica y la diferencia entre las presiones de entrada y salida es pequeña), la bobina solenoide no requiere de mucho esfuerzo para levantar al émbolo. Al hacerse más grande el orificio y más grande la caída de presión, se requiere una bobina magnética de mayor tamaño, para crear la fuerza magnética que se requiere para accionar el émbolo.
El MOPD se determina por qué tanta atracción magnética se requiere para contrarrestar la fuerza que mantiene abajo el émbolo. Cuando el diferencial de presión está por abajo de la clasificación de MOPD, la válvula de solenoide abrirá o cerrará rápida y fácilmente al ser energizada. Cuando se exceda el MOPD, la válvula no abrirá o cerrará al ser energizada, y podrá sobrecalentarse ocasionando riesgos de peligro, a menos que sea desenergizada rápidamente .
La válvula de acción directa se usa solamente en circuitos de pequeña capacidad. Para grandes capacidades se utilizan válvulas de solenoide operadas por piloto.
Operadas por Piloto
Las válvulas de solenoide operadas por piloto, utilizan una combinación de la bobina solenoide y la presión de la línea.
En estas válvulas, el émbolo está unido a un vástago de
Figura 3 - Válvula de solenoide operada por piloto, normalmente
cerrada, de dos vías con pistón flotante.
aguja que cubre un orificio piloto en lugar del puerto principal, tal como se ilustra en la figura 3. La presión de la línea mantiene cerrado un pistón flotante o independiente contra el puerto principal, aunque en algunos modelos de válvulas puede ser un diafragma. Hay tres tipos básicos de válvulas operadas por piloto; de pistón flotante, de diafragma flotante y de diafragma capturado. Cuando la bobina es energizada, el émbolo es accionado hacia el centro de la bobina, abriendo el orificio piloto. Cuando este orificio se abre, la presión atrapada arriba del pistón se libera a través del orificio piloto, creando así un desbalance de presión a través del pistón; la presión abajo ahora es mayor que la presión arriba, forzándolo a subir y abrir el puerto principal. Cuando se desenergiza la bobina solenoide, el émbolo cae y la aguja cierra el orificio piloto, luego, las presiones de arriba y abajo del pistón se igualan nuevamente, y el pistón cae cerrando el puerto principal. En algunos diseños de válvulas de solenoide operadas por piloto, se usa un diafragma en lugar de pistón, para cerrar el puerto principal, tal como se muestra en la figura 4. Ordinariamente, en válvulas de tamaño mediano, el orificio piloto se localiza encima del pistón o del diafragma. En válvulas grandes, donde es mayor el movimiento del pistón o diafragma, con frecuencia es necesario ubicar el
Figura 4 - Válvula de solenoide de dos vías, normalmente cerrada,
operada por piloto con diafragma flotante.
Figura 5 - Válvula de solenoide operada por piloto.
orificio piloto en un punto remoto del pistón o diafragma, por cuestión de diseño práctico, como la mostrada en la figura 5. Cuando la válvula solenoide piloto está desenergizada, se acumula la presión alta en la cámara piloto, forzando a que cierre el pistón. Cuando se energiza la solenoide piloto, como se muestra en la figura 5, se libera la presión de la cámara piloto y el resorte levanta el pistón del asiento, abriendo la válvula. Las válvulas de solenoide operadas por piloto, requieren un diferencial mínimo de presión de apertura entre la entrada y la salida (aproximadamente 0.5 psi o más), para abrir el puerto principal y mantener al pistón o al diafragma
en posición abierta.
Diferencial Mínimo de Presión de Apertura (MinOPD)
Tal como se explicó anteriormente, la válvula de solenoide de acción directa no debe exceder su MOPD, o no abrirá al ser energizada. Si el diferencial de presión es muy grande, o los orificios son de diámetro grande, se necesitaría una bobina demasiado grande y costosa para contrarrestar el MOPD. Por lo tanto, la válvula operada por piloto se usa en tamaños grandes. La idea principal es abrir el orificio piloto con tan poco esfuerzo como sea posible. Sin embargo, se requiere una cierta cantidad de diferencial de presión para levantar al pistón o diafragma del puerto principal, después que el orificio piloto ha permitido que se igualen las presiones de entrada y salida. Esta pequeña cantidad de presión requerida se conoce como el Mínimo Diferencial de Presión de Apertura (Min OPD). Una válvula de solenoide operada por piloto, requiere de un Min OPD para levantar al pistón o diafragma del puerto principal. Las solenoides de acción directa no lo requieren, pero ambas tienen que evitar exceder su MOPD para que haya un flujo adecuado. Aunque se pueden encontrar ciertas variantes mecánicas en su construcción, los principios básicos de operación anteriores, aplican a todas las válvulas de solenoide de refrigeración, Algunos ejemplos de estas variantes son:
1. Émbolos de carrera corta, los cuales están rígidamente conectados a la aguja (éstos siempre serán del tipo de "acción directa").
2. Émbolos de carrera larga, los cuales durante la apertura imparten un "golpe de martillo" a la válvula.
3. Construcción interconectada mecánicamente de pistón a émbolo, la cual se usa donde no hay disponible diferencial de presión para flotar el pistón. Esta construcción, permite que una válvula de solenoide grande abra y permanezca en posición abierta, con una mínima caída de presión a través de la válvula. Se usa principalmente para trabajos en líneas de succión.
4. Válvulas operadas por piloto y cargadas con resorte, utilizadas en puertos de diámetros grandes.
5. Válvulas de paso para condensador con la fuerza de la presión, las cuales utilizan una conexión piloto de alta presión. Estas válvulas se describen con mayor detalle
en el tema "Aplicación de válvulas de solenoide".
Las válvulas de solenoide que tienen un émbolo cargado con resorte, pueden instalarse y operarse en cualquier posición. En la actualidad, la mayoría de las válvulas de solenoide para refrigeración son de este tipo.
Válvulas de Dos Vías
Hasta ahora, hemos explicado de manera general cómo opera una válvula de solenoide. En seguida, discutiremos los diferentes tipos de válvulas y sus aplicaciones respectivas. Los tres tipos principales de válvulas son: de dos vías, de tres vías y de cuatro vías.
La válvula de dos vías es el tipo de válvula de solenoide más común, tiene una conexión de entrada y una de salida, y controla el flujo del fluido en una sola línea. Puede ser de acción directa u operada por piloto, dependiendo de la capacidad del sistema. Cada una de éstas puede ser "normalmente cerrada" o "normalmente abierta".
En la figura 6, se muestra una válvula de dos vías de acción directa, normalmente cerrada. Cuando la bobina está desenergizada, el peso del émbolo y la acción del resorte mantienen cerrada la válvula. Cuando se energiza la bobina, se forma el campo magnético, el cual atrae al émbolo hacia el centro y la aguja se levanta del asiento, abriendo el orificio del puerto y permitiendo el flujo a través de la válvula. Cuando nuevamente se desenergiza la bobina, la fuerza que retiene al émbolo es liberada, haciéndolo que caiga por su propio peso y por la acción del resorte, cubriendo el orificio del puerto y deteniendo el flujo
a través de la válvula.
Figura 6 - Válvula de solenoide de dos vías, de acción directa,
normalmente cerrada.
Las válvulas de solenoide de dos vías operadas por piloto y normalmente cerradas, como la que se muestra en la figura 7, operan de la siguiente manera: estas válvulas tienen un orificio igualador que comunica la presión de la entrada con la parte superior del diafragma (o pistón), empujándolo contra el asiento y manteniendo de esta manera cerrada la válvula. El orificio piloto es más grande que el orificio igualador. Cuando se energiza la bobina, el émbolo es atraído por el campo magnético y levanta la aguja del orificio piloto. La presión arriba del diafragma se reduce y se iguala con la de salida. El diferencial de presión resultante a través del diafragma, crea una fuerza que lo levanta del puerto principal haciendo que se abra la válvula. Al desenergizar la bobina se cierra el orificio piloto, y la presión de entrada se va por el orificio igualador e iguala las presiones, arriba y abajo del diafragma, permitiéndole
que se vuelva a sentar y cierre la válvula.
Figura 7 - Válvula de solenoide de dos vías operada por piloto,
normalmente cerrada, con diafragma flotante.
Aunque las válvulas normalmente cerradas son las que más se usan, también se fabrican válvulas de dos vías "normalmente abiertas", tanto de acción directa como operadas por piloto. En este tipo de válvulas, la secuencia es a la inversa de las normalmente cerradas. En las válvulas de dos vías, de acción directa normalmente abiertas, como la que se muestra en la figura 8, cuando
la bobina está desenergizada, el puerto principal está
Figura 8 - Válvula de solenoide de dos vías, de acción directa, normalmente abierta.
abierto, ya que el émbolo está liberado de la fuerza de la bobina solenoide y está siendo levantado del asiento, lo que permite el flujo a través de la válvula. Cuando la solenoide se energiza, atrae al émbolo hacia el centro de la bobina y cubre el puerto principal, deteniendo el flujo a través de la válvula. Este tipo de válvulas es para aplicaciones donde se requiere que la válvula permanezca abierta la mayor parte del tiempo, o donde se requiere que la válvula abra en caso de una falla eléctrica. Además de ahorrar energía, dichas válvulas son a prueba de falla durante los "apagones", permaneciendo en la posición abierta.
En la figura 9, se muestra una válvula de solenoide de dos vías operada por piloto y normalmente abierta. Cuando la bobina está desenergizada, libera la fuerza sobre el émbolo y el orificio piloto permanece abierto. Al reducirse la presión del sistema sobre la parte superior del diafragma, la presión total del sistema actúa sobre el lado opuesto del diafragma para levantarlo del puerto principal, permitiendo así un flujo completo a través de la válvula. Cuando el solenoide es energizado, atrae el émbolo hacia el centro de la bobina y la aguja cubre el orificio piloto. Entonces se acumula la presión del sistema sobre el diafragma, a través del orificio igualador, forzando al diafragma hacia abajo, hasta que cubre el puerto principal y detiene el flujo a través de la válvula.
Figura 9 - Válvula de solenoide de dos vías, operada por piloto,
normalmente abierta, con diafragma flotante.
