BOLETIN No. 2 ABRIL 1998
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El Estándar del Frío
BOLETIN DE INGENIERIA DE APLICACION
PRINCIPIOS DE REFRIGERACIO REFRIGERACION N
TEMA
PAG.
• Sobrecalentamiento
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• ¿Qué es el Sobrecalentamiento?
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E
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• Ajuste del Sobrecalentamiento R
G I S • El Sobrecalentamiento y el Compresor
F T E R E D
• Evolución de las Aletas y Beneficios
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GRUPO FRIGUS THERME5, 6 del Diseño de Punta REGISTRO ISO 9001 No. DE ARCHIVO: A5405
REIMPRESO EN FEBRERO 2002
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Principios de Refrigeración Sobrecalentamiento El sobrecalentamiento continua siendo un tema importante en la industria de la refrigeración. Este artículo discute el sobrecalentamiento desde la perspectiva del técnico de refrigeración. Antes de abordar el sobrecalentamiento, se debe conocer que dispositivo es usado en la refrigeración comercial para controlar el calor de sobrecalentamiento: la válvula de expansión termostática. Esta válvula regula el porcentaje de flujo líquido dentro del evaporador en la proporción exacta al porcentaje de evaporación del líquido refrigerante en el evaporador. La cantidad del gas refrigerante saliendo del evaporador puede ser regulado desde la respuesta de la válvula hasta: (1) la temperatura del gas refrigerante saliendo del evaporador; (2) la presión del evaporador. Mediante el control de flujo de refrigerante dentro del evaporador, el compresor puede ser protegido mediante la prevención del flujo del líquido refrigerante hacia éste. Las tres fuerzas son gobernadas mediante la operación de la válvula de expansión: (1) el bulbo remoto de presión; (2) la presión en el evaporador; y (3) el resorte de presión de sobrecalentamiento. El resorte correspondiente al sobrecalentamiento es la parte ajustable de la válvula de expansión. Esto permite a la válvula expansión ser ajustada para un uso particular del evaporador en la cámara. La localización del bulbo remoto es también muy importante para la operación adecuada de la válvula de expansión. El bulbo remoto debe ser sujetado a la línea de succión tan cerca del evaporador como sea posible. El bulbo remoto debe estar sobre una línea horizontal corriente arriba de la conexión externa del igualador posicionado en los cuartos de hora similar a la posición de las manecillas del reloj (15 min. y 45 min.) y antes de la trampa de la línea de succión. La posición actual del bulbo remoto puede variar desde
esta posición, pero nunca debe ser ubicada en la parte baja o superior de la tubería. El bulbo debe ser aislado a lo largo con la línea de succión en el punto de contacto usando una cinta adhesiva de aislamiento térmico. Si el bulbo no es aislado la temperatura ambiente influirá la operación.
¿Qué es el Sobrecalentamiento? Después de que el líquido refrigerante ha sido cambiado a vapor cualquier calor adicional agregado al vapor incrementa su temperatura mientras su presión permanece constante. El vapor sobrecalentado describe un gas con una temperatura mayor a su temperatura de saturación correspondiente a esta presión. Ejemplo: Un evaporador de refrigeración esta
funcionando con R-22 a 69 psig. La temperatura de o saturación del R-22 es 40 F de acuerdo a la carta (P-T). Mientras como cualquier líquido refrigerante R-22 exista a esta presión, la temperatura del refrigerante o permanecerá a 40 F hirviendo dentro del evaporador. Conforme el refrigerante se mueve a través del interior del serpentín, el líquido hirviendo cambia a vapor, ocasionando que una cantidad de líquido presente disminuya. Cuando todo el líquido refrigerante se ha evaporado, este ha absorbido el calor suficiente desde la atmósfera de los alrededores para cambiar de líquido a vapor. Conforme el vapor refrigerante va terminando su recorrido a través del evaporador este continua absorbiendo calor de la atmósfera de los alrededores. Esta cantidad de calor es la denominada
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sobrecalentamiento y puede ser calculado por la medición de la temperat ura d el vapor. Si l a o temperatura del vapor en el serpentín es de 50 F y la presión se mantiene constante, la cantidad de o sobrecalentamiento es 10 F.
Presión = 69 psig o
Temperatura de Saturación = 40 F. o
Temperatura real del vapor = 50 F
Para encontrar el sobrecalentamiento, siempre se resta la temperatura de saturación de la temperatura . real. o o o 50 F - 40 F = 10 F.
Ajuste del Sobrecalentamiento
Depende de la válvula de expansión termostática el control de la cantidad de sobrecalentamiento en la succión del gas que sale del serpentín del evaporador. Usted puede medir acertadamente el sobrecalentamiento del evaporador solo después de que el cuarto opere próximo a la temperatura de diseño. Checar el sobrecalentamiento del evaporador después de un período de deshielo cuando la superficie del aletado del evaporador este relativamente limpia y libre de exceso de hielo y después de que el sistema se ha estabilizado. Después de cada ajuste de la válvula de expansión, usted deberá esperar por lo menos 15 minutos antes de medir la lectura del sobrecalentamiento ó hacer otro ajuste de la válvula. El método para medir el sobrecalentamiento que Frigus-Bohn recomienda es el método de la lectura Presión/Temperatura a la salida del evaporador. Otros
métodos pueden generar un sobrecalentamiento incorrecto que puede ser engañoso cuando es usado para analizar el funcionamiento del sistema. Cuando se mide el sobrecalentamiento, instalar un manómetro de presión calibrado, en una conexión para manómetro a la salida del evaporador. Si no se cuenta con una conexión para manómetro, usted puede usar una tee de derivación con una válvula de servicio instalada en la línea del igualador externo lo cual resulta tan efectivo como el primer método señalado. Asegurar que el bulbo del termómetro se encuentre en la línea de succión en el punto de localización del bulbo sensor remoto y aislarlo contra el aire ambiente. El termómetro dará una lectura promedio de la línea de succión y del ambiente sino se aísla. Considerando un manómetro de precisión y un medidor de temperatura, esto proporcionará suficiente precisión en la lectura del sobrecalentamiento para todos los propósitos prácticos. Este es el método preferido para obtener el sobrecalentamiento del evaporador. Algunas veces se usan otros métodos para medir el sobrecalentamiento. “El método de las dos temperaturas” emplea la diferencia de temperaturas a la entrada y salida del evaporador para obtener el sobrecalentamiento. Este método puede producir una lectura falsa porque la caída de presión del evaporador no ha sido considerada para esto. Cuando la caída de presión entre la entrada y salida del evaporador es de 1 psig o menor, el método de las dos temperaturas producirá justamente los resultados precisos. Sin embargo, la caída de presión es normalmente desconocida y variara con la carga. Por esta razón, el método de las dos temperaturas no puede ser confiable para las lecturas confiables del sobrecalentamiento. Otro método comúnmente usado para checar el sobrecalentamiento involucra tomar la temperatura a la salida del evaporador y usar la presión de succión medida en el compresor como la presión de saturación en el evaporador. Pero si la caída de presión entre el compresor y la salida del evaporador no es
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considerada o si está en un error debido a una caída de presión entre el compresor y la salida del evaporador no considerada o si está en un error debido a una caída de presión excesiva, el sobrecalentamiento leído estará también en error. En instalaciones de longitud corta, la caída de presión y el error resultante son generalmente pequeños. Pero en grandes sistemas o sistemas con grandes longitudes de línea de succión, se tendrán generalmente lecturas inexactas. Desde que las caídas de presión en la línea de succión no son lo suficientemente precisas para medir el sobrecalentamiento exacto, usted no puede confiar o depender de este método para valores confiables. (El error en esta instancia siempre será positivo y el sobrecalentamiento resultante será mayor a su valor real).
El Sobrecalentamiento y el Compresor
La primera función del sobrecalentamiento es proteger el compresor; mejorar la eficiencia del evaporador es secundario. La mayoría de los fabricantes de compresores tienen un mínimo de recomendaciones para el sobrecalentamiento en el compresor. El sobrecalentamiento en el compresor es medido en la misma forma como éste es medido en el evaporador. Para la mayoría de las aplicaciones, medir la temperatura de la línea de succión a una distancia de 8” o 12” de la válvula de servicio de succión y cerca del fondo de la línea. Asegurese de sujetar y aislar correctamente el bulbo del termómetro de la línea de succión. Medir la presión de succión en la válvula de servicio de succión y convertir esta a la temperatura de saturación de succión correspondiente. o
Un sobrecalentamiento de 30 F es deseable para asegurar el retorno de gas seco hacia la cámara de succión del compresor. Un sobrecalentamiento menor puede resultar como regreso de líquido refrigerante,
inundando el compresor durante las variaciones de alimentación del evaporador, con posibles daños al compresor como resultado. Vapor de refrigerante excesivamente húmedo regresando continuamente al compresor puede reducir las cualidades de lubricación del aceite lo cual puede resultar en fallas del compresor. Las fallas resultantes de esta consideración no son instántaneas ni generalmente asociadas con el bajo sobrecalentamiento. Dependiendo de la severidad del problema, el sistema aparenta un funcionamiento normal que puede ser por meses y hasta años, hasta que el compresor falle por una razón no obvia. El sobrecalentamiento real medido en el compresor puede variar debido a muchos factores: el tamaño y tipo de válvula de expansión usada; ajuste de la válvula de expansión; el aire ambiente alrededor de la tubería; la cantidad y tipo de aislamiento sobre la línea de succión; el desgaste del aislamiento de tubería; aislamiento húmedo de la tubería; presión de descarga; temperaturas del líquido refrigerante; temperaturas de la cámara; carga del producto; y accesorios en la línea de succión como son filtros de succión, acumuladores, válvulas EPR, válvulas CPR, etc. En sistemas de longitud corta, se espera una ganancia mínima de calor en la línea de succión y un sobrecalentamiento menor en el compresor. Un sobreo calentamiento en el rango de 20 F debe ser normal. En sistemas con grandes líneas de succión, se espera más ganancia de calor, resultando un sobrecao o lentamiento en el rango de 30 a 70 F que debe ser normal. Mientras el gas de retorno al compresor este dentro de las recomendaciones de los fabricantes para mantener el compresor frío, no será un problema. Un ejemplo de un sobrecalentamiento excesivo en el compresor y un sistema operando normal, es: Refrigerante 502 sistema a baja temperatura; presión o de succión de 6 psig la cual es = -36 F temperatura de saturación de succión. La temperatura real de la línea o de succión = 24 F. Recordando la formula; la temperatura real de succión menos la temperatura de saturación de succión es igual al sobrecalentamiento:
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o
24 - (-36) = 60 F de sobrecalentamiento. o
Los 24 F de temperatura del gas de succión son correctos abajo de la temperatura recomendada por los fabricantes para asegurar que regrese gas frío, y el sobrecalentamiento es correcto arriba del mínimo o recomendado de 30 F. Este compresor está operando propiamente bajo las condiciones adecuadas. Algo de hielo puede acumularse sobre la línea de succión expuesta a la válvula de servicio del compresor, pero esto solo quiere decir que la línea de succión esta abajo del punto de congelación y la mezcla en la atmósfera se ha condensado y congelado para este propósito. La acumulación de hielo sobre la línea de succión no es una situación anormal para las aplicaciones de refrigeración comercial y no debe ser una causa para alarmarse. En estos casos recuerde “checar el sobrecalentamiento”. Las temperaturas y presiones no pueden darse por si solas siempre son un reflejo verdadero del control real del refrigerante líquido en el sistema. U n pequeño factor conocido que puede afectar las mediciones del sobrecalentamiento es el exceso de aceite circulando en el sistema. El exceso de aceite en circulación incrementa la temperatura de evaporación del refrigerante. La respuesta de la válvula de expansión está basada en la presión de saturación y temperatura del refrigerante puro. En un sistema operando, las características presión-temperatura del aceite-rico en refrigerante que han sido cambiadas dará a la válvula de expansión una
lectura falsa del sobrecalentamiento real y puede resultar un poco menor al sobrecalentamiento real que aparentemente existe. Como un resultado, del exceso de líquido refrigerante es que puede retornar al compresor. La solución para esta condición es minimizar la circulación de aceite. Refrigerante excesivo o limitado en circulación puede influir en la circulación del aceite en un sistema. El exceso de aceite en el evaporador puede ser resultado de una carga excedida de aceite en el sistema o de otros factores los cuales pueden ocasionar el exceso de circulación de aceite. Las bajas velocidades en el evaporador crean una condición conocida como “transporte de aceite” lo cual puede resultar en una lectura falsa del sobrecalentamiento. Existen muchos factores los cuales pueden influir en la operación total del sistema. Por planeación apresurada, instalación del sistema de acuerdo con las recomendaciones del fabricante y seguimiento de los estándares y guías ASHRAE, muchas situaciones de problemas pueden ser abordadas. Conociendo los principios de sobrecalentamiento y como medir correctamente e interpretar esto puede ayudarlo para diagnosticar los problemas del sistema cuando estos se incrementan. Fuente de Información: ASHRAE Handbook, 1988 “Equipment”, Copeland Refrigeration Manual, “ S y st e m D e si g n ” S p o r la n V a l ve C o m p a ny, “Thermostatic Expansion Valves”, Bulletin 10-11 Alco Control, “Operating Principles and Application of the Thermostatic Expansion Valve”
EVOLUCION DE LAS ALETAS Y BENEFICIOS DEL DISEÑO DE PUNTA El ac ie rt o e n c ua lq ui er pr oc es o d e a ir e acondicionado o refrigeración es transferir calor entre los medios como del aire de un espacio al aire o fluido de otro espacio, a través de un medio intermedio sin mezclar directamente los dos medios separados. Esto es mejor acompañado por el uso de una superficie de transferencia de calor, comúnmente llamada
serpentín de superficie aletada. Estos serpentines son construidos con una primera superficie de tubo de cobre y una secundaria o extendida, la superficie de placa de aluminio aletada. El aletado es relativamente delgado (comúnmente en el rango de 0.0045” 0.0060”) y adherido a la primera superficie para asegurar la mínima pérdida de calor por transferencia en este punto.
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La cantidad de calor transferido desde un medio a otro - tal como la corriente del aire de un medio, a otro de freón dentro de la tubería, en un condensador o un evaporador - tiene una relación inversa a la resistencia total como el flujo de calor. Esta resistencia total incluye a la resistencia de la capa límite del aire sobre el lado de la aleta, la resistencia del metal de la aleta por si solo, la resistencia del metal del tubo y la resistencia de la capa límite sobre el lado del tubo. La resistencia de la aleta de metal puede ser ajustada variando el espacio y espesor del aletado, y la resistencia de la capa límite lado del tubo puede ser ajustada por medio de circuitos o incrementos de la tubería. La resistencia del tubo metáli co es insignificante. La capa límite lado aire comprende la mayoría de la resistencia total por transferencia de calor. Las mejoras en esta área tendrán los efectos más dramáticos en el total de la transferencia de calor. La capa se desarrolla en el borde del extremo superior de una superficie dada. Esta se incrementa rápidamente hacia un espesor completamente desarrollado - dependiendo de la velocidad del aire y la cantidad de turbulencia - en solo una longitud corta conforme el aire pase sobre la superficie. Los primeros serpentines fueron construidos con aletas planas. Debido a las restricciones de la velocidad del aire ocasionadas por la caída de presiones y/o las consideraciones del ruido, la capa límite resultante de la corriente laminar de aire deberá ser mucho más delgada que la deseada, restringiendo la cantidad de la transferencia de calor. Para mejorar la transferencia de calor en el diseño de los serpentines, se agregaron corrugaciones a la superficie del aletado alrededor de 1950. Esto resulto en tres mejoras por separado, dos de las cuales son el reflejo en el incremento del factor global de transferencia de calor (ho) del aletado. Estas corrugaciones agregaron una ligera cantidad de turbulencia por el giro requerido del aire, alterando la capa límite e incrementando la transferencia de calor.
El claro entre dos aletas adyacentes es reducido cuando ambas son curvadas hacia arriba en el mismo ángulo, incrementando la velocidad intermedia del aire entre los dobleces de la corrugación. Mientras estos dos incrementos son reflejad os en el (ho) la cor rugaci ón del ale tad o ligeramente tambié n extenderá el metal, proporcionando una superficie adicional a través de la cual se transfiere calor. Basado en el uso de un serpentín con tubo de 3/8” de diámetro, de tres hileras de 1” de forma equilátera, el (ho) fué mejorando aproximadamente 15% - 20% para un espaciamiento de aletado idéntico, cuando se comparo la aleta plana, en la cara normal con velocidades del rango de 300 a 600 ppm. Para demostrar el total de la mejora del serpentín incluyendo el área de superficie adicional - las figuras 1 y 2 muestran la reducción del espaciamiento del aletado que se puede hacer para obtener la misma transferencia de calor con un evaporador de 15 APP y un condensador de 20 APP, respectivamente, con aletas planas. La siguiente generación del mejoramiento del diseño agregado a las corrugaciones más profundas, se aproxima a la configuración del seno de una onda. Las mismas tres mejoras mencionadas arriba fueron aumentadas, resultando en un mejoramiento del (ho) del orden de 50% - 90% cuando se comparo con la aleta plana. Otra extensión uniforme a la aleta es realizada y la mejora total puede ser determinada en la comparación de las figuras 1 y 2 (en términos de espacio reducido del aletado). En los años 1980 el incremento de las aletas en punta fue desarrollado para conocer nuevamente el mandato de los estándares de eficiencia sin incrementar substancialmente el tamaño del serpentín. El incremento de las aletas en punta impidió un desarrollo completo de la capa límite, como cada porción incrementada de la aleta en punta es muy reducido: la capa límite comienza a desarrollarse, pero termina bruscamente en el borde de ataque de la porción incrementada de la aleta. Con las aletas en punta a varias alturas, cierta turbulencia adicional es injectada a la corriente de aire,
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para desviarse numerosas veces conforme esta pase sobre el ancho de la aleta. El (ho) para ésta aleta incrementa desde un asombroso 140% hasta 180% sobre la aleta plana, y tanto como un 50% a velocidades inferiores sobre el seno de la onda de la aleta. La superficie adicional es creada por el alargamiento del metal cuando se forma el incremento de aletas de punta y la superficie adicional expuesta de los cortes. Una vez más las figuras 1 y 2 ilustran el ahorro en es-pacio del aletado comparado con la aleta plana base. La porción del material de una aleta en relación con el costo total de un serpentín típico es aproximadamente 25%. Esto significa que el costo de ahorro (con solo reducir el espacio del aletado) puede ser estimado multiplicando el porcentaje de aletas por reducción de pulgadas por 0.25 veces el tiempo del total del costo del serpentín. Por ejemplo, un 20% de reducción desde 15 APP equivaldrá a un 5% estimado de la reducción del costo. Mientras la reducción de los requerimientos de aletas por pulgada reduce el costo, ahorros mayores en costos pueden ser obtenidos por la reducción del número de hileras, si es posible. Ciertos diseños pueden ser reducidos por una hilera usando solo incremento de la aleta, pero en ocasiones esto requie-re además incremento adicional en el lado del tubo. Juntos, estos dos incrementos generalmente permiten una reducción en la superficie del serpentín de tres hileras a dos, asumiendo que el seno de la onda de la aleta fue previamente empleada. Esto resulta en una reducción del 33% del volumen total del serpentín, con un ahorro total aproximado del costo del serpentín del 10-15% (después de contemplar el costo adicional del ranurado del tubo), dependiendo del diseño del circuito y de otros factores de uso. Si un diseño en particular continua empleando algunos diseños de práctica más viejos de superficies de aletado, el ahorro del costo será mucho más dramático.
Las superficies de las aletas en punta también permiten a un diseño dado proveer un incremento de funcionamiento bajo las mismas condiciones como el diseño actual. Mientras esto puede ser atractivo donde el funcionamiento es actualmente marginal o insatisfactorio, esto es usualmente más importante para obtener un funcionamiento igual a menor costo. Con la disponibilidad y el funcionamiento probado de las aletas en punta, esto es costo-efectividad para revisar cada diseño-especialmente los diseños más viejos que no han tenido un mejoramiento por muchos años. También todos los nuevos diseños hacen uso de lo más reciente en tecnología y esto es solo lógico para diseños existente en desarrollo. Debido a las caídas de presión, la selección de ventiladores/sopladores y muchas otras variables afectan el coeficiente global de transmisión de calor del diseño de un serpentín, solo generalidades pueden ser discutidas. Al final, cada diseño de serpentín debe ser analizado dentro de sus propios parámetros de operación y limitaciones para obtener un funcionamiento y costo efectividad. Punta
10 11 . 12 g l 13 u P14 / s 15 a16 t e17 l A18 19 20
ió n Co r r ugac
da A u me n ta
Corrugada Plana 300
400
500
600
Velocidad en la Cara (ppm) Figura 1: Espacio Relativo del Aletado, para Evaporador Deshumidificador. Punta
7 8 . g l 9 u10 P / s11 a t 12 e l A13 14 15
da A u me n ta n ió c a g u Co r r Corrugada Plana 300
400
500
600
Velocidad en la Cara (ppm) Figura 2: Espacio Relativo para Condensador de Serpentín.
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FRIGUS BOHN S.A. de C.V. Ventas: Bosques de Alisos No. 47-A 5o. Piso Col. Bosques de las Lomas C.P. 05120 México, D.F. Tel.: (0155) 5261-81-00 Fax: (0155) 5259-55-21 Tel. Sin Costo: 01-800-50-970-00 Planta: Acceso II Calle 2 No. 48 Parque Industrial Benito Juárez Querétaro, Qro. C.P. 76120 Tel.: (01442) 238-45-00 Fax: (01442) 217-06-16 Tel. Sin Costo: 01-800-40-049-00
