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CAPITULO III. EL CONDENSADOR Y EL EVAPORADOR
ING ANTONIO OSPINO
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Tabla de contenido del capítulo
CAPITULO III. EL CONDENSADOR Y EL EVAPORADOR ............................................................ 1 3.1. EL CONDENSADOR ............................................................................................................... 4 3.1.1. INFLUENCIA DEL CAMBIO DE PRESIÓN EN LA CONDENSACION .............................. 5 3.1.2. INFLUENCIA DE FACTORES EXTERNOS QUE AFECTAN LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL RENDIMIENTO DEL CONDENSADOR.............................................................. 6 3.1.3. CONTROL DE PRESION DEL CONDENSADOR ............................................................. 7 3.1.3.1. METODO DEL CICLAJE DE VENTILADORES ......................................................... 7 3.1.3.2. METODO INUNDACION DE CONDENSADOR ......................................................... 8 3.1.3.3. METODO DE CONDENSADOR DIVIDO ................................................................... 8 3.1.4. TIPOS DE CONDENSADORES ....................................................................................... 8 3.1.4.1. TIPOS DE CONDENSADORES ENFRIADOS POR AIRE ......................................... 9 3.1.4.2. TIPOS DE CONDENSADORES ENFRIADOS POR AGUA ..................................... 10 3.1.5. CÁLCULOS DEL CONDENSADOR. .............................................................................. 15 3.1.6. SELECCIÓN DEL CONDENSADOR .............................................................................. 16 3.1.6.1 METODO DEL FACTOR DE RECHAZO DE CALOR ............................................... 16 3.1.6.2. METODO EMPIRICO .............................................................................................. 17 3.1.6.3. METODO DE LOS FABRICANTES ......................................................................... 18 3.1.6.4. POR LA SELECCIÓN DE COMPRESORES ........................................................... 18 3.2. EL EVAPORADOR................................................................................................................ 18 3.2.1. RECALENTAMIENTOS.................................................................................................. 20 3.2.1.1. RECALENTAMIENTO UTIL O SOBRECALENTAMIENTO DEL EVAPORADOR ..... 20 3.2.1.2. RECALENTAMIENTO INUTIL, AMBIENTAL O DE SUCCION. ................................ 20 3.2.1.3. RECALENTAMIENTO TOTAL................................................................................. 21 3.2.2. INFLUENCIA DEL CAMBIO DE PRESIÓN DE SUCCION EN LA EVAPORACION......... 22 3.2.3. INFLUENCIA DE FACTORES EXTERNOS QUE AFECTAN LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL RENDIMIENTO DEL EVAPORADOR. ............................................................. 22 3.2.3. TIPOS DE EVAPORADORES SEGÚN LA VENTILACION ............................................. 23 3.2.4. TIPOS DE EVAPORADORES SEGÚN LA CONSTRUCCION ........................................ 24 3.2.4.1. EVAPORADOR DE PLACAS .................................................................................. 24 3.2.4.2. EVAPORADOR DE TUBO ALETEADO Y AIRE FORZADO .................................... 24 3.2.4.3. EVAPORADOR DE EXPANSIÓN INUNDADA ........................................................ 25 3.2.4.4. EVAPORADOR DE CARCASA Y SERPENTIN ....................................................... 26 3.2.4.5. EVAPORADOR DE DOBLE TUBO ......................................................................... 26 3.2.4.6. EVAPORADORES DE CASCO Y TUBO ................................................................. 27 3.2.5. EVAPORADORES SEGÚN LA TEMPERATURA DE SATURACIÓN .......................... 27 3.2.5.1. DE BAJA TEMPERATURA. .................................................................................... 27 3.2.5.2. MEDIA TEMPERATURA ......................................................................................... 27 ING ANTONIO OSPINO
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3.2.5.3. ALTA TEMPERATURA ........................................................................................... 27 3.2.6. SELECCIÓN DE EVAPORADOR ................................................................................... 28
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3.1. EL CONDENSADOR El condensador tiene la función de extraer el calor que trae el refrigerante que ganó en el evaporador, en el compresor y tuberías al ambiente. Para lograrlo, se debe asegurar que el refrigerante que vienen en estado gaseoso, se condense para lo cual se debe tener una presión lo suficientemente alta que garantice que la temperatura de saturación a dicha presión ( TEMPERATURA DE CONDENSACION ), sea mayor que la del ambiente. Una parte de condensador tiene la función de quitar el calor sensible (1/6 parte), cuando llegamos a la temperatura de condensación ya no podemos enfriar más y empezamos a condensar. (4/6).
VER VIDEO: http://youtu.be/fIlAhny-nPA El condensador suele ser de un 35% a un 40% más grande que el evaporador, dependiendo de factores como la temperatura de evaporación del sistema, refrigerantes, etc. Para poder condensar ha de haber de 10ºC a 15ºC de Δ t entre la temperatura de condensación a la presión de alta y la temperatura del medio condensable o en otras palabras, la temperatura de condensación o saturación a la presión dada debe ser mayor de 10º a 15ºC con relación a la temperatura ambiental. Δ t o DT = Temperatura Saturación – Temperatura ambiental Con la temperatura de saturación y conociendo el tipo de refrigerante, se obtiene el valor de la presión de descarga o de alta ya sea en manometros o tablas. La capacidad del condensador se expresa en Watts, BTU/Hr, Kcal/Hr y HP. SUBENFRIAMIENTO: Un buen subenfriamiento, que es la diferencia de temperaturas entre la temperatura de condensación o de saturación a presión alta y la temperatura del refrigerante a la entrada del elemento de expansión, esta alrededor de 6ºC a 8ºC por debajo de la temperatura de condensación. ING ANTONIO OSPINO
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SUBENFRIAMIENTO EXPANSION
=
TEMP
CONDENSACION
–
TEMP
ENTRADA
ELEMENTO
DE
Si el condensador fuera demasiado grande no tendríamos suficiente presión de alta y no podríamos empujar el líquido hacia el evaporador. La presión ideal de condensación es la mínima que podamos mantener todo el año. En el momento que cesa el medio condensable aumentaría la temperatura de condensación y la presión.
Entre las ventajas de un buen subenfriamiento estan: • Incremento en la eficiencia del sistema por la ganancia en efecto refrigerante en el evaporador. • Incremento en la eficiencia del elemento de expansión al disminuir el flash gas a la entrada del mismo. Para mejorar el subenfriamiento en el sistema pude ejecutar las siguientes acciones: • • • • •
Mantener limpios los condensadores. Eliminar obstrucciones en el condensador. Ubicar el elemento de expansión dentro del recinto. Mantener en sus niveles normales el recalentamiento del sistema. Usar intercambiadores de calor en el sistema.
VER VIDEO: http://youtu.be/dvyagVYRKG8
3.1.1. INFLUENCIA DEL CAMBIO DE PRESIÓN EN LA CONDENSACION En la figura se muestran tres presiones diferentes de operación en su orden de mayor a menor, P1, P2 y P3. La capacidad del condensador es la cantidad de calor que el condensador es capaz de ING ANTONIO OSPINO
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extraer al refrigerante. Si disminuimos la temperatura de condensación el condensador podrá ser más pequeño. También nos modifica la capacidad del condensador la relación de compresión, o la diferencia de presión entre la baja y la alta. Cuando más alta sea la temperatura de condensación más grande deberá ser el condensador para la misma potencia frigorífica. Por ejemplo si tenemos dos cámaras de la misma potencia frigorífica pero de diferentes temperaturas aumentaría la capacidad del condensador al aumentar la relación de compresión.
3.1.2. INFLUENCIA DE FACTORES EXTERNOS QUE AFECTAN LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL RENDIMIENTO DEL CONDENSADOR. El problema de todos los condensadores es la suciedad que se acumula que hace de aislante impidiendo que salga el calor. En un ciclo normal, el liquido del condensador sale del mismo con un subenfriamiento, tal cual como se observa en el punto 4 del diagrama, después de ello pasa al elemento de expansión hasta llegar al punto 1. La absorción de calor en el evaporador ocurre del punto 1 al punto 2. Ahora si hay elementos que impiden la transferencia de calor al ambiente, el punto 4 se traslada al punto A, reduciendo la transferencia de calor al medio y por ende ya no hay subenfriamiento del liquido condensado. Del punto A pasa al elemento de expansión, donde a la salida existen burbujas lo cual hace que la válvula no opere bien, además , la absorción de calor ahora se reduce del punto B al punto 2, cayendo la eficiencia del sistema y su COP. Veamos el efecto de la suciedad u objetos que impiden la transferencia de calor en el siguiente diagrama:
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3.1.3. CONTROL DE PRESION DEL CONDENSADOR Uno de los retos en nuestros días es la reducción del consumo de energía de los sistemas de refrigeración. Los sistemas de refrigeración a diferencia de los de aire acondicionado, trabajan mucho mas tiempos y por tanto consumen mucho mas energía. Uno de los métodos para ahorrar energía consiste en reducir el consumo del compresor disminuyendo su presión de descarga. En los días más calurosos, la presión ene le condensador aumenta y por ende el amperaje del compresor; esto se debe a que se requiere de mayor trabajo para comprimir un gas refrigerante a una presión mayor. Cuando la presión de descarga disminuye, disminuye el consumo de corriente del compresor. Las capacidades de los condensadores dependen en parte del DT o diferencial de temperatura entre la temperatura de condensación y la temperatura ambiental del fluido que enfría el condensador. Si la temperatura del ambiente disminuye, se incrementa la capacidad el condensador, esto se traduce en una presión menor y un consumo menor del compresor. En cuanto a los sistemas de expansión, la mucha caída de presión en el condensador afecta negativamente su rendimiento de los mismos, reduciendo la capacidad el evaporados incrementándose el recalentamiento. Esta caída de presión también puede afectar el retorno de lubricante por las tuberías del sistema afectando la vida útil del mismo. Se puede concluir entonces que el factor a tener en cuenta para determinar la presión mínima aceptable de trabajo de un condensador es la máxima caída de presión permitida en el elemento de expansión. Una vez determinado, se ajustan los controles de presión del condensador para mantener la presión del mismo en los rangos establecidos. Existen tres métodos comunes para controlar la presión en el condensador: 3.1.3.1. METODO DEL CICLAJE DE VENTILADORES En los días donde la temperatura ambiente es muy baja, la presión en el condensador comienza a disminuir, para no dejar caer mucho la presión se apagan ventiladores para disminuir la transferencia de calor y por ende se incrementa la presión en el condensador.
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Este método es sencillo de controlar, pero presenta fluctuaciones de presión en el recibidor de liquido y por tanto variará la presión que le llega al elemento de expansión fluctuando también su rendimiento. 3.1.3.2. METODO INUNDACION DE CONDENSADOR Para este método se emplean válvulas reguladoras de presión, estas válvulas crean un diferencial de presión entre el condensador y el recibidor de líquido; la válvula no permite el paso de refrigerante hacia el recibidor hasta cuando no haya llegado a un valor determinado, con esta acción el condensador se ira inundando de liquido refrigerante incrementando la presión en el mismo. Para compensar la caída de presión en el recibidor de liquido, se emplea una válvula adicional conectada entre la descarga del compresor y el recibidor, que al detectar la diferencia de presión, hace que gas de la tubería de descarga paso directamente al recibidor incrementando su presión. Este método tiene la ventaja que se provee de un presión de liquido estable en el recibidor y por ende una operación estable del elemento de expansión, pero se requieren una carga adicional de refrigerante. Este refrigerante adicional, debe almacenarse en el recibidor de liquido en los días calurosos. 3.1.3.3. METODO DE CONDENSADOR DIVIDO Para eliminar el inconveniente de la adición de refrigerante extra al sistema, se establecen dos circuitos de condensadores ( en serie o paralelo ) para el funcionamiento en verano e invierno. El condensador de verano se apaga según sea necesario en los días de frio. Para lograr esto se emplea una válvula de tres vías que se le denomina válvula recuperadora de calor. Esta válvula tiene una entrada común que viene de la descarga del compresor y dos salidas que van a cada condensador. En verano, se desenergiza la válvula permitiendo que el gas refrigerante pase en cantidades iguales a ambos condensadores alimentando las mitades de los mismos. En invierno, se energiza la válvula cerrando el flujo de refrigerante hacia el condensador de verano y ahora todo el refrigerante pasa por el condensador de invierno. Para evitar que el condensador de verano acumule refrigerante liquido remanente durante el periodo de invierno, una válvula cheque se instala a su salida, para evitar el retorno de refrigerante. El refrigerante atrapado se devuelve al sistema mediante la conexión de una solenoide a la salida del condenador y la tubería de succión, y entre ellos una restricción para disminuir la presión a su paso evitando golpes de presión en la línea de succión.
3.1.4. TIPOS DE CONDENSADORES Los condensadores se dividen teniendo en cuenta el sistema de enfriamiento CONVECCION NATURAL ENFRIADOS POR AIRE CONVECCION FORZADA
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SISTEMAS PEQUEÑOS, SENCILLOS, OCUPAN AREA DE TRANSFERENCIA DE CALOR SISTEMAS PEQUEÑOS, MEDIANOS Y GRANDES, REQUIEREN VENTILADORES
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CONVECCION FORZADA ENFRIADOS POR AIRE Y AGUA O EVAPORATIVOS CONVECCION FORZADA ENFRIADOS POR AGUA
SISTEMAS MEDIANOS Y GRANDES, REQUIEREN VENTILADORES Y SISTEMAS DE CIRCULACION Y ENFRIAMIENTO DE AGUA SISTEMAS MEDIANOS Y GRANDES, REQUIEREN SISTEMAS DE CIRCULACION Y ENFRIAMIENTO DE AGUA
3.1.4.1. TIPOS DE CONDENSADORES ENFRIADOS POR AIRE Los condensadores que tienen como medio enfriador el aire ambiente pueden ser estáticos o de tiro forzado: Estáticos o de convección natural Suelen ser de tubo liso, como la velocidad del aire es lenta se acumula mucha suciedad. Suelen ser bastante largos y se usa sólo en el entorno doméstico como neveras.
Tiro forzado de convección forzada Utilizan ventiladores para aumentar la velocidad del aire, por lo tanto reducimos superficie de tubo; puede emplear o no aletas o disipadores de calor. Exteriormente es bastante parecido a un evaporador.
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Cuando está instalado junto con el compresor el condensador ha de tomar el aire en el lado contrario de este para evitar tomar el aire ya caliente. El paquete compresor-condensadorventiladores se le denomina Unidad Condensadora. Para los condensadores enfriados por aire con convección forzada, cumplen la siguiente regla: Temperatura de condensación = Temperatura ambiente + 15ºC Para condensadores enfriados por aire remotos, se cumple que: Temperatura de condensación = Temperatura ambiente + 10ºC 3.1.4.2. TIPOS DE CONDENSADORES ENFRIADOS POR AGUA Son aquellos que usan el agua como medio condensable. Para asegurar un buen funcionamiento y limitar el consumo de agua, las temperaturas idóneas del agua a la salida del condensador con respecto a la temperatura de entrada han de ser: • • •
Temperatura de entrada hasta 15ºC, la salida ha de ser 10ºC más que la entrada. Temperatura de entrada a partir de 16ºC, la salida ha de ser 9ºC más que la entrada. Temperatura de entrada a partir de 21ºC, la salida ha de ser 8ºC más que la entrada.
Se deben instalar torres de recuperación de agua a partir de las siguientes potencias frigoríficas: En sistemas de refrigeración, a partir de 18.000frg/h. En aire acondicionado, a partir de 6.000frg/h. Estas torres de recuperación deben de recuperar hasta el 75 % del agua. 3.1.4.2.1. CONDENSADOR DE DOBLE TUBO O COAXIALES
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Es un sepertin formado por dos tubos concéntricos, por el tubo interior circula el agua y por el exterior el refrigerante, se hace circular a contracorriente para robar mejor el calor al refrigerante. Se instala junto con el serpentín una válvula presostática para controlar la presión del agua según la presión de alta de la instalación de manera que cuando la instalación está parada no circule agua. Son condensadores pequeños y se usa como refuerzo.
3.1.4.2.2. CONDENSADOR MULTITUBULAR O DE CARZASA Y TUBO Se utiliza como bancada del compresor y hace de recipiente en los equipos medianos. Circula agua por los tubos interiores y condensa el refrigerante contenido en el recipiente. Llevan un tapón fusible de seguridad y una válvula de purga para extraer los gases incondensables.
Para este tipo de condensador enfriado por agua se cumple que: Temperatura de condensación = Temperatura agua + 7ºC 3.1.4.2.3. CONDENSADOR DE TANQUE Y SERPENTIN
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El refrigerante se mueve dentro del tanque donde circula agua por unos tubos en espiral en vez de tubos rectos. Recuerde que el agua es 15 veces mas eficiente que el aire para intercambiar calor.
3.1.4.3. CONDENSADORES ENFRIADOS POR AGUA Y AIRE O EVAPORATIVO Está formado por un serpentín por el cual circula el refrigerante, este serpentín es mojado por unas duchas de agua de manera que al hacer circular una corriente de aire el agua que moja los tubos se evapora extrayendo calor. Tiene un rendimiento muy bueno.
Para este tipo de condensador enfriado por agua se cumple que: Temperatura de condensación = Temperatura ambiente + 5ºC
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3.1.4.3.2. TORRE DE ENFRIAMIENTO. La torre de enfriamiento tiene la misión de mantener el agua caliente el mayor tiempo posible en contacto con el aire para enfriarla. El calor que se acumula se saca mediante una turbina. El eliminador evita que se arrastren gotas al exterior.
En una torre de enfriamiento hay que tener en cuenta: •
La cantidad de calor.
•
Caudal de agua.
•
Temperatura entrada del agua.
•
Temperatura de salida.
•
Temperatura de bulbo húmedo.
El margen de la torre es: Tentrada – Tsalida El acercamiento de la torre es la diferencia entre la temperatura de salida y la temperatura de bulbo húmedo el aire. acercamiento = Tsalida – TBHA El rendimiento de la torre depende de la humedad relativa, si el aire es muy húmedo no se podrá llevar mucho vapor de agua. Para conseguir un buen rendimiento el acercamiento ha de ser de 5 6 ºC, el margen de 6 – 7C. El caudal de aire que tenemos que mover es de 175-225m³/h por cada 1000frig/h. Se evapora 1 litro de agua por cada 538 kcal/h de calor extraído al agua, aproximadamente el 5% de agua que hacemos circular. (2% cada 5ºC de margen). Las torres suelen llevar una resistencia dentro de la cubeta del agua con un termostato para que el agua nunca llegue a 0ºC. Algunas llevan una válvula de 3 vías para evitar quedarse sin presión en invierno si la temperatura de entrada es menor de 20ºC. ING ANTONIO OSPINO
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Si esto ocurre el agua vuelve a circular por el condensador hasta que alcance una temperatura elevada. TRATAMIENTO DEL AGUA: Los problemas que puede crear el agua como elemento refrigerante son muchos, los más habituales son: • La formación de incrustaciones. • Los cultivos orgánicos. • La corrosión de los metales empleados en la instalación. • Las aguas pueden clasificarse como duras o blandas o también ácidas o alcalinas. • Las aguas duras son aquellas que contienen un elevado contenido en sales de calcio y magnesio. • Las blandas son aquellas que contienen pequeñas cantidades de estas sales. • La acidez o alcalinidad del agua se refleja principalmente por su P.H. • El agua utilizada en refrigeración generalmente procede de; • • • •
Aguas subterráneas. Aguas superficiales. Aguas de mar. Aguas de la red urbana.
Las aguas subterráneas o de pozos profundos son muy estimadas para procesos de enfriamiento debido a su temperatura. Pero usualmente estas aguas son muy duras y tienen un alto contenido de sólidos disueltos por lo que si no son debidamente tratadas presentan problemas de incrustaciones. Las aguas superficiales generalmente están sujetas a grandes variaciones de temperatura y por el contrario contienen poca cantidad de sólidos disueltos. El agua de mar puede ser empleada siempre que la instalación esté construida con materiales resistentes a la corrosión. Las aguas de la red urbana no son adecuadas para muchos procesos de refrigeración. Antes de realizar un tratamiento del agua debemos conocer su P.H. siendo por debajo de P.H. 7 ácida y por encima alcalina. Existen varios procedimientos para evitar la formación de incrustaciones o el ensuciamiento del circuito de refrigeración, los más destacados son: •
Filtración.
•
Descalcificación.
•
Acidificación.
La filtración del agua es empleada para evitar el ensuciamiento de las instalaciones. Los filtros están formados por elementos filtrantes como pueden ser tejidos metálicos o sintéticos. La descalcificación se emplea para evitar la formación de incrustaciones. ING ANTONIO OSPINO
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Consiste en pasar el agua a una determinada velocidad a través de una resina que está alojada en un depósito. La resina cede los iones de sodio al agua modificando la dureza de ésta. Cuando todos los iones del agua han sido cedidos el intercambiador está gastado y hay que regenerarlo. El agua, una vez descalcificada, tiene tendencia a producir fenómenos de corrosión, por lo que es conveniente complementar este tratamiento con otro para la corrosión. La acidificación consiste en la adición de un ácido, normalmente el sulfûrico, que evita las incrustaciones.
VER VIDEO: http://youtu.be/ZajRGQWdNcc
3.1.5. CÁLCULOS DEL CONDENSADOR. En los condensadores de aire debemos conocer el volumen de aire que es capaz de mover el condensador para asegurar el intercambio de calor. Para conocer el volumen primero debemos conocer la velocidad del aire, este valor nos lo da el anemómetro. Las medidas se han de hacer dentro de la superficie del condensador, se suman todas y se divide por el número de lecturas. Después debemos conocer la superficie del condensador. Por ejemplo si el condensador hace 40 cm x 25 cm = 1m² y si la velocidad obtenida es de 10m/s el resultado será: 10 m/s x 1m² = 10m³/s = 3600m³/h Ejemplo 1: Tenemos un condensador que mueve 500m³/h, la temperatura del aire que entra es de 30ºC y del que sale 38ºC. ING ANTONIO OSPINO
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El calor específico del aire seco es 0,24 y el del aire húmedo 0,29. La cantidad de calor que roba el condensador al refrigerante es de: Q=m x
t c Ce
Q= 500m3/h x 8 x 0,29= 1160 kcal/h. Ejemplo 2: Tenemos un condensador de agua que mueve 500 l/h de agua. La temperatura de entrada es de 18ºC y la de salida de 25ºC. El calor especifico del agua es 1. La potencia del condensador es de: Q= 500l/h x (25-18) x 1 = 3500kcal/h Ejemplo 3: Hallar la longitud de un condensador a contra corriente para ayudar a un condensador de aire, la ayuda es de 1.500 kcal/h, empleando un tubo exterior circulación del agua de 7/8" y 5/8" para la circulación del gas. K= 600 D t= de entre 10 a 12ºC 1 metro lineal de 5/8" tiene 0,05m2 Q= 600 x 0,05 x 12= 360kcal/h./m Longitud del tubo = 1500: 360 = 4,16m de tubo de 5/8".
3.1.6. SELECCIÓN DEL CONDENSADOR 3.1.6.1 METODO DEL FACTOR DE RECHAZO DE CALOR El calor total rechazado en el condensador incluye tanto el calor absorbido en el evaporador, como la energía equivalente del trabajo del compresor, así cualquier tipo de calor que el sistema adquiera en su ciclo. Algunos fabricantes de compresores publican o suministran datos referentes al rechazo total de calor como una parte de las especificaciones del compresor ( columna o dato designado como THR ), cuando se dispone de estos datos, deben usarse como una referencia para la selección del condensador. Capacidad condensador = THR * [ 1 + ( % factor seguridad /100 ) ] Cuando no se dispone de estos datos, la carga del condensador puede estimarse multiplicado la capacidad de enfriamiento del compresor ( que es la misma del evaporador ) por un factor de rechazo de calor que se obtiene en tablas: CUADRO 3.1. FACTORES DE RECHAZO DE CALOR PARA COMPRESORES ABIERTOS.
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TEMPERATURA EVAPORADOR EN ºF -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
90 1.37 1.33 1.28 1.24 1.21 1.17 1.14 1.12 1.09
TEMPERATURA DEL CONDENSANTE EN ºF 100 110 120 130 1.42 1.37 1.32 1.28 1.24 1.20 1.17 1.15 1.12
1.47 1.42 1.37 1.32 1.28 1.24 1.20 1.17 1.14
1.47 1.42 1.37 1.32 1.28 1.24 1.20 1.17
1.47 1.41 1.36 1.32 1.27 1.23 1.20
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1.47 1.42 1.37 1.32 1.28 1.24
CUADRO 3.2. FACTORES DE RECHAZO DE CALOR PARA COMPRESORES HERMETICOS DE ENFRIAMIENTO EN SUCCION TEMPERATURA EVAPORADOR EN ºF -40 -30 -20 -10 0 5 10 15 20 25 30 40 50
90 1.66 1.57 1.49 1.42 1.36 1.33 1.31 1.28 1.26 1.24 1.22 1.18 1.14
TEMPERATURA DEL CONDENSANTE EN ºF 100 110 120 130 1.73 1.62 1.53 1.46 1.40 1.37 1.34 1.32 1.29 1.27 1.25 1.21 1.17
1.80 1.68 1.58 1.50 1.44 1.41 1.38 1.35 1.33 1.31 1.28 1.24 1.20
2.00 1.80 1.65 1.57 1.50 1.46 1.43 1.40 1.37 1.35 1.32 1.27 1.23
1.64 1.56 1.52 1.49 1.46 1.43 1.40 1.37 1.31 1.26
140
1.62 1.59 1.55 1.52 1.49 1.45 1.42 1.35 1.29
Capacidad Condensador = Capacidad enfriamiento compresor * Factor rechazo de calor. 3.1.6.2. METODO EMPIRICO Se sabe que la capacidad del condensador debe ser mayor que la del evaporador. A medida que disminuye la presión de baja en el evaporador, la capacidad del condensador disminuye, entonces en sistemas de lata temperatura de evaporación, es donde el condensador debe incrementar su capacidad. Para estos sistemas, se ha experimentado que el condensador debe ser de un 30% a un 35% mas grande que la capacidad del evaporador, por tanto: RANGO TEMPERATURA DE EVAPORACION 10º A - 0º -1ºC A -10ºC -11ºC A -20ºC -21ºC A -30ºC
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CAPACIDAD CONDENSADOR CAPACIDAD CONDENSADOR = 1.35 * CAPACIDAD EVAPORADOR CAPACIDAD CONDENSADOR = 1.40 * CAPACIDAD EVAPORADOR CAPACIDAD CONDENSADOR = 1.45 * CAPACIDAD EVAPORADOR CAPACIDAD CONDENSADOR = 1.50 * CAPACIDAD EVAPORADOR
DEL DEL DEL DEL
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3.1.6.3. METODO DE LOS FABRICANTES Los fabricantes ofrecen diferentes formulas para calcular la potencia frigorífica de los condensadores; estos varian de fabricante a fabricante, pero en general, la formula tiene que ver con los siguientes aspectos: • • • • • • • • •
El número de toberas para los ventiladores. El tipo de refrigerante. La capacidad del evaporador La temperatura ambiente. La temperatura de saturación o condensación del refrigerante. Temperatura de entrada del aire. Altitud de la instalación. Material de las aletas. Tiro del aire.
3.1.6.4. POR LA SELECCIÓN DE COMPRESORES En la mayoría de los programas de selección de compresores, determinan la capacidad del condensador requerida por los mismos.
3.2. EL EVAPORADOR El evaporador es el lugar de la instalación donde se produce el intercambio térmico entre el refrigerante y el medio a enfriar; en otras palabras, es el encargado de absorber el calor de los alimentos, aire u otros fluidos para después pasárselo al refrigerante que entra en estado liquido evaporándose en el proceso debido a la absorción de calor. Para que esto pueda ocurrir, se debe asegurar que la temperatura del refrigerante , en especial la de saturación o evaporación en este caso, este por debajo o inferior de la temperatura del recinto, esto con el fin que el refrigerante pueda absorver el calor del recinto. Para poder evaporar, ha de haber de 7ºC a 10ºC de Δ t entre la temperatura de evaporación a la presión de baja y la temperatura del recinto a refrigerar o en otras palabras, la temperatura de evaporación o saturación a la presión dada debe ser menor de 7º a 10ºC con relación a la temperatura del recinto o espacio refrigerado. Δ t o DT = Temperatura Recinto/espacio refrigerado – Temperatura saturación a presión de baja o de evaporación Con la temperatura de saturación y conociendo el tipo de refrigerante, se obtiene el valor de la presión de succion, de retorno o de baja.
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VER VIDEO: http://youtu.be/EJhJ2e997cE En los evaporadores inundados la transmisión de calor es uniforme, en los secos es una mezcla de gas y líquido pulverizado. La cantidad de calor que absorbe el evaporador depende de la superficie, la diferencia de temperatura (entre el exterior y la temperatura de evaporación) y el coeficiente de transmisión de calor (K) que es el material que empleamos.
S= Superficie (m²) ∆ t= Diferencia de temperatura K= Coeficiente de transmisión de calor (Kcal/m²/Cº; W/m²/Cº) Q= Cantidad de calor (W, Kcal) La superficie es siempre constante, puede variar el DT (ventiladores) o la K (hielo en el evaporador, exceso de aceite, etc.). Cuando el líquido entra en el evaporador a través del elemento de expansión una parte se evapora (30%) para enfriarse a si mismo, el resto va robando calor al exterior y va evaporándose a medida que atraviesa el evaporador. La presión y la temperatura se mantienen constantes siempre que por el evaporador circule líquido, en el momento que se halla evaporado todo, si el refrigerante sigue robando calor del exterior obtendremos gas recalentado o recalentamiento.
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Lo ideal sería que el recalentamiento empezara en la llave de aspiración del compresor, de esta manera disminuimos la temperatura de descarga del gas e incrementamos capacidad frigorífica, pero resulta complicado ya que corremos el riesgo de que nos llegue líquido al compresor. Una vez el refrigerante sale del evaporador se aísla la tubería de aspiración para evitar más recalentamiento. La cantidad de calor que puede absorber el evaporador viene expresado en BTU/Hr, Kcal/h, W o Toneladas de refrigeración.
3.2.1. RECALENTAMIENTOS En refrigeración ocurren dos tipos de recalentamiento muy especiales: 3.2.1.1. RECALENTAMIENTO UTIL O SOBRECALENTAMIENTO DEL EVAPORADOR Es el que se da en el evaporador, se le llama útil, debido a que después que se ha evaporado completamente el refrigerante, el recinto le agrega calor a este refrigerante en vapor saturado recalentándolo e incrementado su temperatura. Un recalentamiento útil se considera bueno cuando está entre los 5ºC y los 8ºC RECALENTAMIENTO UTIL = Temperatura a la salida del evaporador – Temperatura de evaporación. En los casos en que este recalentamiento sea alto es debido a: • • •
Demasiada carga térmica en el recinto. Evaporador pequeño. Poco flujo de refrigerante por el sistema.
3.2.1.2. RECALENTAMIENTO INUTIL, AMBIENTAL O DE SUCCION. Cuando el refrigerante sale del recinto por las tuberías de succión, este mismo aun esta a temperaturas bajas, al salir el ambiente le agrega un calor extra, lo que influye en un aumento de su temperatura, que además de incrementar su volumen especifico, disminuye la eficiencia volumétrica del compresor. Por esta razón, estas tuberías se aíslan térmicamente. Un recalentamiento inútil se considera bueno cuando está entre los 5ºC y los 12ºC RECALENTAMIENTO INUTIL = Temperatura a la entrada del compresor – Temperatura salida del evaporador
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En los casos en que este recalentamiento sea alto es debido a: • •
Tubería de succión sin aislamientos. Tubería de succión ubicada cerca de fuentes de calor
3.2.1.3. RECALENTAMIENTO TOTAL RECALENTAMIENTO TOTAL = RECALENTAMIENTO UTIL + RECALENTAMIENTO INUTIL RECALENTAMIENTO TOTAL = Temperatura a la entrada del compresor – Temperatura de evaporación Un recalentamiento total se considera bueno cuando está entre los 8ºC y los 20ºC.
Entre las ventajas de un buen recalentamiento están: •
Elimina la posibilidad de la llegada de refrigerante liquido al compresor
Entre las desventajas de un alto recalentamiento están: • • • • • •
Incrementa la temperatura de descarga del compresor. Reduce la eficiencia volumétrica del compresor. Reduce el subenfriamiento del sistema. Puede incrementar la presión de alta del sistema. Puede incrementar el consumo eléctrico del compresor. Puede afectar las condiciones del lubricante del compresor.
VER VIDEO: http://youtu.be/bHKRD_FPpjM
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3.2.2. INFLUENCIA DEL CAMBIO DE PRESIÓN DE SUCCION EN LA EVAPORACION En la figura se muestran tres presiones diferentes de operación de baja, en su orden de mayor a menor, P1, P2 y P3. La capacidad del evaporador es la cantidad de calor que el mismo es capaz de absorver del medio y pasárselo al refrigerante. Si aumentamos la temperatura de evaporación, el evaporador deberá ser mas grande y si disminuimos la temperatura de evaporación, podrá ser mas pequeño. También nos modifica la capacidad del compresor, cuando más alta sea la temperatura de evaporación, más pequeño deberá ser el compresor y mientras mas baja sea la temperatura de evaporación, mas grande deberá ser la potencia frigorífica del compresor.
3.2.3. INFLUENCIA DE FACTORES EXTERNOS QUE AFECTAN LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL RENDIMIENTO DEL EVAPORADOR. El problema de todos los evaporadores, al igual que los condensadores, es la suciedad que se acumula que hace de aislante impidiendo que absorva el calor, hay que agregar también cuando se congela que tiene también un efecto parecido al de la suciedad, afectando la transferencia de calor. En un ciclo normal, el vapor del evaporador sale del mismo con un recalentamiento ( del orden de los 3ºC a los 7ºC ) tal cual como se observa en el punto 2 del diagrama, después de ello pasa al compresor hasta llegar al punto 3. La absorción de calor en el evaporador ocurre del punto 1 al punto 2. Ahora si hay elementos que impiden la transferencia de calor al evaporador tales como sucio o hielo, el punto 2 se traslada al punto A, reduciendo la transferencia de calor del recinto al evaporador, su COP y por ende ya no hay recalentamiento del vapor refrigerante a la salida del evaporador. Si del punto A pasa al compresor, habrá gotas que afecten el mecanismo del mismo, al mismo tiempo la salida a la descarga del compresor posee menor temperatura. Veamos el efecto de la suciedad u objetos que impiden la transferencia de calor en el siguiente diagrama:
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3.2.3. TIPOS DE EVAPORADORES SEGÚN LA VENTILACION Los evaporadores pueden ser estáticos o de tiro forzado, según el Δ t que quedamos conseguir. El aire al tocar el tubo del evaporador enfría el aire y lo pone a 5ºC, al pasar por el segundo tubo lo enfriamos más y lo ponemos a 0ºC. El segundo tubo roba menos calor ya que hay menos Δ t. ( o DT ). Si pusiéramos una sola fila de tubos para conseguir la misma temperatura necesitaríamos más espacio, pero obtendríamos mejor rendimiento. En evaporadores estáticos no es recomendable poner más de dos filas de tubos, para ello necesitaremos un ventilador para que el aire circule por todos los tubos. (a más tubos mayor velocidad de aire debemos conseguir).
La presión en el evaporador no se mantiene constante a causa de las pérdidas de carga. Para evitar estas pérdidas de carga en evaporadores grandes se divide en secciones. Cada parte del evaporador ha de ser de igual longitud y van a parar a un colector. La humedad afecta negativamente en el rendimiento del evaporador, al enfriar el aire de 2ºC (70% de humedad relativa) a –30ºC la humedad pasa a ser del 100% y pasamos de 10 gr de agua por m³ de aire a 3 gr/m³. Los 7 gr/m³ restantes se quedan en el evaporador en forma de escarcha. Al tocar el aire con el producto robamos calor al producto, como al aire le falta agua también robamos humedad del producto. La humedad relativa necesaria depende del producto que ING ANTONIO OSPINO
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tenemos que almacenar para no deshidratar el producto. Para evitar la deshidratación del producto, se debe envasar o acortar el Δ t. A mayor velocidad de aire mayor Δ t conseguimos y enfriamos más rápido, para conservar alimentos sin envasar necesitamos poco Δ t para no deshidratarlo (utilizando evap estáticos P.E.). Con la temperatura de saturación y conociendo el tipo de refrigerante, se obtiene el valor de la presión de succión o de baja. Un buen sobrecalentamiento es de 6ºC a 10ºC por encima de la temperatura de evaporación. NOTA: La temperatura de succión o de evaporación o de saturación a presión de succión , para método de conveniencia, debe estar de 7ºC a 10ºC por debajo de la temperatura del cuarto o del ambiente que se desea enfriar.
3.2.4. TIPOS DE EVAPORADORES SEGÚN LA CONSTRUCCION 3.2.4.1. EVAPORADOR DE PLACAS • Empleado en congelamiento por contacto colocando tubos pegados a las placas o dentro de estas. • Pueden armarse en grupos o en bancos para instalaciones de cuartos fríos de almacenamiento. • Sistema simple de construcción. • Construidos generalmente en aluminio. • La circulación de aire se hace diferencia de densidades entre el aire frío y el aire caliente.
3.2.4.2. EVAPORADOR DE TUBO ALETEADO Y AIRE FORZADO • • • • •
Los tubos pueden tener o no aletas de transferencia de calor. Se utilizan ventiladores para forzar el aire ya sea impulsándolo y o succionándolo. La transferencia de calor es mejor que en los de placa. El enfriamiento se realiza por el aire frío que pasa por el evaporador. Empleado en sistema de neveras no-frost, cuartos frios, acondicionadores de aire.
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Para estos tipos de evaporadores aleteados se cumple que: Temperatura de evaporación = Temperatura recinto - 6ºC a 10ºC 3.2.4.3. EVAPORADOR DE EXPANSIÓN INUNDADA • Se encuentra lleno de refrigerante líquido. • El nivel del refrigerante líquido se mantiene por un flotador o boya que esta en un acumulador y fuera del serpentín evaporador. • Al evaporarse el refrigerante, desciende su nivel, baja el flotador y hace que pase mas refrigerante líquido al acumulador, manteniendo el nivel constante. • Parte del refrigerante líquido se evapora en el serpentín ese vapor pasa al acumulador de succión y de allí al compresor. • Poseen problemas con retorno de aceite. • Se les adiciona una bomba para convertir el sistema en recirculado.
VER VIDEO: http://youtu.be/QcuY5AUoZRE
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REFRIGERANTE GASEOSO
REFRIGERANTE LIQUIDO
BOYA
AGUA
AGUA
3.2.4.4. EVAPORADOR DE CARCASA Y SERPENTIN • El refrigerante circula por el interior del serpentín y el agua u otro líquido por el lado de la carcasa a una temperatura superior a la de congelación del liquido circundante por el serpentín. • Empleado en bebederos y enfriadores de agua. • De fácil construcción. • De uso en sistemas tipo chiller. AGUA
REFRIGERANTE LIQUIDO
REFRIGERANTE GASEOSO
AGUA
3.2.4.5. EVAPORADOR DE DOBLE TUBO • • •
Semejante en construcción al condensador de doble tubo. Se emplea para enfriar un líquido de enfriamiento secundario. Para aplicaciones comerciales y acondicionamiento de aire
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3.2.4.6. EVAPORADORES DE CASCO Y TUBO • •
Para aplicaciones comerciales e industriales de refrigeración y aire acondicionado. Se enfría un líquido secundario a grandes escalas.
Para estos tipos de evaporadores se cumple que: Temperatura de evaporación = Temperatura fluido - 5ºC VER VIDEO: http://youtu.be/bLpzXUh3lWA 3.2.5. EVAPORADORES SEGÚN LA TEMPERATURA DE SATURACIÓN Se dividen en: 3.2.5.1. DE BAJA TEMPERATURA. Para bajas temperaturas de saturación -15º C para abajo. Se distinguen porque la separación de las aletas es mayor que los evaporadores de media y alta temperatura. Esto debido a que entre mayor sea la separación de aletas, menor es la probabilidad de una obstrucción de aire debido al proceso de escarchado. Generalmente traen sistemas de descongelación de tipo eléctrico, pero se pueden adaptar para descongelación por gas caliente. 3.2.5.2. MEDIA TEMPERATURA Para temperaturas de saturación entre los -15º C y 0ºC. la separación entre aletas es menor que el los evaporadores de baja temperatura. Traen descongelación por sistema eléctrico por lo general. 3.2.5.3. ALTA TEMPERATURA Para temperatura de saturación de 0ºC a 15ºC; estos evaporadores son los que tienen la mayor separación de aletas entre si. La descongelación de estos equipos es por aire. ING ANTONIO OSPINO
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3.2.6. SELECCIÓN DE EVAPORADOR La carga del evaporador es la misma carga necesaria calculada para la necesidad que se tiene o requiere. Es importante encontrar la potencia frigorífica del mismo, teniendo en cuenta que el recalentamiento útil se da dentro del mismo, por tanto se deduce que: Potencia frigorífica Evaporador = Calor latente de Evaporacion + Recalentamento útil ( calor sensible )
Otros factores importantes a tener en cuenta a la hora de seleccionar un evaporador es la DT del mismo. La DT del evaporador está definido como la diferencia de temperatura entre la temperatura del aire que llega al evaporador, tomada generalmente como la temperatura de diseño del espacio refrigerado y la temperatura de saturación del refrigerante correspondiente a la presión a la salida del evaporador. DT = TAMBIENTE - TSATURACION REFRIGERANTE A medida que el DT es mayor, mayor será la capacidad del evaporador para retirar calor, para condiciones normales de diseño, en los manuales se tienen DT= 7ºC y DT = 10ºC. Es evidente entonces que un evaporador con un área superficial pequeña trabajando con una DT grande, podrá tener la misma capacidad que otro evaporador que tenga un área superficial más grande pero que tenga una DT más pequeña. El DT también tiene efectos en la humedad del espacio refrigerado, mientras menor sea la DT, mayor será la humedad del espacio refrigerado, así mismo, a mayor DT, se tendrá menor humedad en el espacio refrigerado. Como conclusión de lo expresado anteriormente se deduce que: • La temperatura de saturación del refrigerante debe estar mínimo 7ºC a 10º C por debajo de la temperatura del espacio refrigerado, para evaporadores con convección forzada. • A mayor DT mayor será la absorción de calor del evaporador. • Sabiendo la temperatura de saturación del refrigerante en el evaporador, se determina la presión de succión a la que debe operar el sistema.
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Los otros factores a tener en cuenta en la selección de un evaporador son: • La capacidad del evaporador en BTU/Hr, Kcal/Hr, Watt, etc. • La temperatura de evaporación del refrigerante. Existen evaporadores de baja, media y alta temperatura de evaporación. • La temperatura del recinto o cámara. • El tipo de refrigerante. • El espaciado entre aletas. A menor temperatura de evaporación, mayor es la separación entre aletas. • El caudal de aire que debe pasar por el mismo para obtener el rendimiento indicado por el fabricante. • El numero de toberas para los ventiladores. • El tipo de deshielo. • El tiro o proyección que viene siendo la distancia desde la salida del evaporador hasta donde la velocidad del viento es de todavía los 0,5 mts/seg. • Las dimensiones del mismo.
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