Fluctuación (Oscilación o Cicleo)
En muchas instalaciones existe la posibilidad de una condición llamada FLUCTUACION, que es una variación continua en la cantidad de refrigerante alimentado por la válvula. Primero no alimenta suficiente, y después, alimenta demasiado.
Cuando existe un solo compresor y un solo evaporador en el sistema, la fluctuación provoca una variación tanto en la presión de succión como en el sobrecalentamiento. Cuando en un sistema con un solo compresor y varios evaporadores, si el compresor tiene control de capacidad, puede resultar una fluctuación que se detecta a través de la variación en la temperatura del bulbo. Normalmente, sólo hay un ligero cambio en la presión de succión o ninguno.
La fluctuación puede resultar de uno o varios factores relacionados con el diseño del sistema, la instalación o el equipo. Algunas de las causas que pueden inducir una condición de fluctuación son: grandes variaciones en la presión de descarga, cambios rápidos en la carga del evaporador, humedad o ceras suficientes para tapar la válvula o una deficiente distribución de refrigerante.
Una razón para que se presente una fluctuación, y quizás la más importante, es que todos los evaporadores tienen un tiempo de retardo. El diseño básico del serpentín hace que algunos evaporadores sean más susceptibles que otros a este problema. Algunos evaporadores tienen un trayecto muy corto y el refrigerante fluye a través de ellos en unos cuantos segundos. Otros tienen una trayectoria muy larga, requiriéndose varios minutos para que el refrigerante fluya a través de ellos. Durante este intervalo, la válvula de termo expansión teóricamente está fuera de control, porque está alimentando en la entrada del evaporador, pero controlando de la temperatura del bulbo a la salida. Es casi como decir que está tratando de controlar algo que ya ha sucedido (figura 6.29).
Desafortunadamente, se ha vuelto una práctica común decir que la válvula de termo expansión es la que fluctúa u oscila. Deberíamos decir que es el sistema el que está fluctuando y oscilando, puesto que la causa no es la válvula de termo expansión sola, sino una combinación de muchos factores en el sistema.
Con la fluctuación, cada vez que la válvula abre, baja el sobrecalentamiento, aumenta el flujo en la succión y se puede regresar líquido al compresor. Cuando la válvula modula y cierra, aumenta el sobrecalentamiento, baja la presión de succión y no se alimenta suficiente refrigerante al evaporador. Es obvio que la fluctuación continua en la presión de succión, reduce la eficiencia del sistema.
La magnitud de la fluctuación está influenciada por:
1. Longitud y diámetro de los circuitos.
2. Carga por circuito.
3. Velocidad del refrigerante.
4. Distribución de aire sobre el evaporador.
5. Ubicación de la válvula y el bulbo.
6. Capacidad de la válvula vs. la carga.
7. El tipo de carga del elemento de poder.
La fluctuación u oscilación puede eliminarse o reducirse, si se toman las siguientes precauciones:
1. Diseñe o seleccione el evaporador con un paso de refrigerante tan corto como sea posible, consistente con buena transferencia de calor.
2. Seleccione la ubicación de la válvula y el bulbo que sean más favorables.
3. Seleccione las válvulas que tengan la capacidad más favorable con relación a la carga.
4. Seleccione la carga adecuada del elemento de poder.
Operación a la Capacidad Reducida
La válvula de termo expansión convencional es un regulador de operación directa auto contenido, el cual no tiene integrados ningunos factores de anticipación o compensación. Como tal, es susceptible a la fluctuación, por causas que son peculiares tanto al diseño de la válvula, como al diseño de los sistemas a los cuales se aplica.
La relación de flujo ideal de una válvula de termo expansión, requeriría de una válvula con un balance dinámico perfecto, capaz de respuesta instantánea a cualquier cambio en la proporción de la evaporación (anticipación), y con un medio de evitar que la válvula sobrepase el punto de control debido a la inercia (compensación). Con estas características, una termo válvula estaría en fase con la demanda del sistema todo el tiempo, y no ocurriría la fluctuación.
Supongamos que hay un aumento en la carga, causando que incremente el sobrecalentamiento del gas de succión. El intervalo de tiempo entre el instante en que el bulbo siente este aumento de sobrecalentamiento, provocando que se mueva la aguja de la válvula en la dirección de abrir, permite que el sobrecalentamiento del gas de succión aumente aún más.
En respuesta a lo anterior, la válvula sobrepasa el punto de control y alimenta más refrigerante hacia el evaporador del que puede ser evaporado por la carga, con lo que disminuye el sobrecalentamiento y llega refrigerante líquido a la línea de succión, con el riesgo de pasar al compresor. Nuevamente, hay un tiempo de retardo entre el instante en que el bulbo detecta el refrigerante líquido y que la válvula responde, moviéndose en la dirección de cierre. Durante este tiempo, la válvula continúa sobrealimentando al evaporador. Así pues, cuando la válvula se mueve en la dirección de cierre, nuevamente sobrepasará el punto de control y permanecerá en una posición casi cerrada, hasta que la mayoría del refrigerante líquido haya dejado el evaporador. El siguiente tiempo de retardo antes que la válvula abra, permite que el sobrecalentamiento del gas de succión aumente de nuevo más allá del punto de control. Este ciclo, que es auto propagante, continúa repitiéndose. La experiencia ha demostrado que una termo válvula está más expuesta a fluctuar en condiciones de baja carga, cuando la aguja de la válvula está cerca del asiento. Generalmente, se piensa que esto se debe a un desbalance entre las fuerzas que operan la válvula.
Adicional a las tres fuerzas principales que operan una válvula de termo expansión, la diferencia de presión a través del puerto de la válvula, actúa contra el área del puerto y, dependiendo de la construcción de la válvula, tiende a forzarla a que abra o a que cierre. Cuando opera con la aguja cerca del asiento, ocurrirá lo siguiente.
Con la válvula cerrada, tenemos presión de líquido sobre el lado de entrada de la aguja y presión del evaporador sobre la salida. Cuando la válvula comienza a abrir, permitiendo que se lleve a cabo el flujo, la velocidad a través de la garganta de la válvula, provocará un punto de más baja presión en la misma, aumentando la diferencia de presión a través de la aguja y del asiento. Este repentino incremento en el diferencial de presión que actúa sobre el área del puerto, tenderá a forzar la aguja de la válvula hacia el asiento. Cuando la válvula abre de nuevo, ocurre el mismo tipo de acción y la aguja golpetea contra el asiento a una frecuencia muy rápida. Este tipo de fenómeno es más frecuente con válvulas más grandes; ya que la fuerza debida al diferencial de presión, se ve incrementada con áreas de puertos más grandes.
Hemos visto que una válvula de termo expansión puede fluctuar, debido a la falta de las características de anticipación y compensación, y a un desbalance en las fuerzas de equilibrio, en el extremo inferior de la carrera de la aguja.
Sabemos por experiencia, que una válvula de termo expansión, cuando se selecciona y aplica inteligentemente, contrarresta estos factores y opera virtualmente sin fluctuar, sobre un rango bastante amplio de cargas.
Generalmente, una válvula de termo expansión operará satisfactoriamente hasta algo así como abajo del 50% de su capacidad nominal; pero, nuevamente, esto depende del diseño del evaporador y de la tubería, diámetro y longitud de los circuitos del evaporador, la velocidad del refrigerante, el flujo del aire sobre el evaporador y los cambios rápidos en la carga. Nada causará que una termo válvula fluctúe tan rápidamente, que una alimentación desigual de los circuitos paralelos por el distribuidor, o una carga desigual de aire a través del evaporador.