INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA Trabajo de investigación
Capítulo 2 Elementos del sistema de refrigeración por compresión PRESENTA: ¿???
PROFESOR: ¿????
MORELIA, MICHOACÁN
(Abril 2018 )
Tabla de contenido Objetivo ................................................... ............................................................................. .................................................... ...................................... ............ 3 Introducción ................................................. ........................................................................... .................................................... .................................. ........ 3 2.1Clasificación y Funcionamiento de compresores ............................................... ............................................... 4 Clasificación de compresores ........................................ .................................................................. ...................................... ............ 5 Funcionamiento de compresores................................................... ......................................................................... ...................... 5 Compresor Desplazamiento positivo................................................... ................................................................ ............. 5 Los compresores dinámicos................................................... ........................................................................... ........................ 11 2.2 Clasificación y funcionamiento de condensadores con densadores .......................................... .......................................... 13 Clasificación de condensadores ............................................................. ........................................................................ ........... 13 funcionamiento de condensadores ................................................ .................................................................... .................... 13 condensador enfriado por aire ................................................................. ....................................................................... ...... 14 Condensadores Por Agua ............................ ...................................................... .................................................. ........................ 15 Condensadores Evaporativos ............................................................. ........................................................................ ........... 16 2.3 Clasificación y funcionamiento de los dispositivos de expansión e xpansión .................... 17 Dispositivo de expansión ................................................... ............................................................................ ................................ ....... 17 funcionamiento de los dispositivos de expansión .............................................. .............................................. 18 Válvula de expansión termostática ................................................. ................................................................. ................ 18 Tubo capilar ................................................. ........................................................................... .................................................. ........................ 19 Restrictor .................................................. ............................................................................ .................................................... ............................ .. 20 2.4 Clasificación y funcionamiento de evaporadores e vaporadores ............................................ ............................................ 21 Tipos de evaporadores ...................................................... ............................................................................... ................................ ....... 22 funcionamiento de evaporadores ................................................... ....................................................................... .................... 22 Evaporadores de tubos desnudos (circulación (circu lación natural )................................. 22 Evaporador de placas ................................................................ .................................................................................... .................... 23 2
Evaporadores estáticos de tubo y aletas (circulación natural ) ...................... 23 Evaporadores con tiro de aire forzado ........................................................... 23 Evaporadores para el enfriamiento de líquidos .............................................. 24 Conclusión............................................................................................................. 27 Bibliografía ............................................................................................................ 28
Objetivo Conocer el funcionamiento y la clasificación de los dispositivos del sistema de refrigeración por compresión de vapor.
Introducción El compresor constituye la parte principal de los sistemas de refrigeración. Es el encargado de reducir el volumen y por consecuencia incrementar la presión del refrigerante. Además, bombea el refrigerante a través del sistema. Comenzando con el lado de baja del evaporador, el vapor que se encuentra a temperatura y presión bajas fluye por la línea de succión hacia el compresor, que comprime el as, con lo cual se aumenta su temperatura y presión. El gas caliente y de alta presión pasa luego al condensador, en donde cede calor y se condensa para formar líquido
3
2.1Clasificación y Funcionamiento de compresores Los compresores son máquinas que tienen por finalidad aportar una energía a los fluidos compresibles (gases y vapores) sobre los que operan, para hacerlos fluir aumentando al mismo tiempo su presión. En esta última característica precisamente, se distinguen de las soplantes y ventiladores que manejan grandes cantidades de fluidos compresibles (aire, por ejemplo) sin modificar sensiblemente su presión, con funciones similares a las bombas de fluidos incompresibles. Un compresor admite gas o vapor a una presión p1 dada, de scargándolo a una presión p2 superior.[1] Los compresores pueden ser usados para aumentar la presión o flujo de un gas (aire, amoniaco, GNC, nitrógeno, CO2, etc.). A veces esto es intermitente (un taller, gomería, restaurante, planta procesadora pequeña, etc.) a veces continuo (bomb eo de gasoductos, embotelladoras de gaseosas o cerveza, sopladores de bolsas y envases plásticos, etc.). El uso para aumentar presión puede ser para uso directo como inflar neumáticos (llantas), limpiar piezas, desempolvar, etc. o para accionar algún equipo como sistema de lubricación neumática, equipos de perforación, válvulas de control, etc. Cada tipo de compresor tiene ventajas para aplicaciones específicas, y los materiales utilizados en su construcción son compatibles con ciertos gases y/o aceites, limitando su ínter cambiabilidad. Los compresores en general son similares a bombas que utilizamos para bombear líquidos. Por lo que en general los líquidos no pueden ser comprimidos utilizando un equipo similar al compresor La bomba aumenta presión o flujo en una relación directa.[2]
4
Clasificación de compresores Compresores de desplasamiento positivo [3] • Rotativo
De lobulos
De tornillo
De paletas
• Alternativo
Dinamico • Centrifugo •
Flujo axial
Figura 1:Tipos de compresores
Funcionamiento de compresores Compresor Desplazamiento positivo Estos compresores son los más conocidos y comunes. Para verlos aquí y observar sus diferencias los dividimos en dos tipos diferentes. Los Rotativos (lóbulos, tornillo o paletas) y los Alternativos (pistones). Compresores rotativos de Lóbulos
•
Los compresores de lóbulos tienen dos rotores simétricos en paralelo sincronizados por engranajes.
• Características •
Producen altos volúmenes de aire seco a relativamente baja presión. 5
•
Este sistema es muy simple
y
su
funcionamiento es muy parecido a la bomba de aceite del motor de un auto donde se requiere un flujo constante. •
Tienen pocas piezas en movimiento.
•
Son
lubricados
en
Figura 2: ilustración de compresor de lóbulos y sus partes
general en el régimen de lubricación hidrodinámica aunque algunas partes son lubricadas por salpicadura del aceite.
A veces los
rodamientos o cojinetes pueden estar lubricados por grasas. [1]
Compresores rotativos tipo Tornillo
Los compresores a tornillo tienen dos tornillos engranados o entre lazados que rotan paralelamente con un juego o luz mínima, sellado por la mezcla de aire y aceite. Características •
Silencioso, pequeño, bajo costo
•
Flujo continuo de aire
•
Fácil mantenimiento
•
Presiones y volúmenes moderados
Operación Al girar los tornillos, el aire entra por la válvula de admisión con el aceite. El espacio entre los labios es progresivamente reducido al correr por el compresor, comprimiendo el aire atrapado hasta salir por la válvula de salida. En los compresores a tornillo húmedos los engranajes y tornillos son lubricados por el aceite que actúa también como sello. Típicamente tienen filtros coalescentes para eliminar el aceite del aire o gas comprimido. 6
Los compresores a tornillo secos (“oil -free”) requieren lubricación de sus engranajes, rodamientos,
cojinetes pero
los
y/o tornillos
operan en seco. Los tornillos normalmente operan en el régimen de lubricación límite y mixta
mientras
trabajan
los
con
engranajes lubricación
hidrodinámica. Lubricante:
Los
compresores
lubricados con inyección de aceite
Figura 3:partes de compresor tipo tornillo
utilizan aceites R&O (resistente a oxidación por lo que trabaja entre 80° C y 120° C y con aditivos contra la corrosión) y aceites hidráulicos AW (antidesgaste). Los engranajes son lubricados por salpicadura con aceite R&O. Típicamente utilizan viscosidades entre ISO 32 e ISO 68 de acuerdo a la temperatura del ambiente, la velocidad de giro y el tamaño de sus tornillos y luz. El aceite tiene que tener una buena capacidad antiespumante y buenas características de enfriamiento por la alta velocidad y temperatura de operación. •
El índice de viscosidad natural del aceite tiene que ser alto para evitar cizallamiento y sellar los tornillos. Un aceite que utiliza muchos polímeros para mantener su índice de viscosidad sufrirá más cizallamiento y no sellará tanto como uno con un índice natural alto (grupo II, sintetizado o sintético tradicional)
•
Los aceites hidráulicos (AW) formulados con aceite básico API grupo I no deberían ser utilizados sobre 70° C por su oxidación. Caso contrario se tendrá que cambiar aceite con mayor frecuencia y limpiar los residuos de oxidación, resinas y polímeros de las superficies y cojinetes. Estos depósitos son muy difíciles de eliminar de los enfriadores (intercambiadores de calor) del aceite. 7
•
En sistemas que tienen cojinetes de plata no se debe usar aceites AW con aditivos tradicionales de zinc y fósforo por el daño que hace el zinc a la plata.[4]
Compresores rotativos tipo Paletas
En el compresor rotativo a paletas el eje gira a alta velocidad mientras la fuerza centrífuga lleva las paletas hacia la carcasa (estator) de afuera. Por la carcasa ovalada, continuamente entran y salen por canales en su rotor. Este sistema es parecido a la bomba hidráulica a paletas como la bomba utilizada en la dirección hidráulica del auto. Por la excentricidad de la cámara, los compartimientos llenos de aire entre paletas se achican entre el orificio de entrada y el de salida, comprimiendo el aire. El lubricante sella las paletas en el rotor y contra el anillo de la carcasa. Características •
Silencioso y pequeño
•
Flujo continuo de aire
•
Buen funcionamiento en frío
•
Sensibles a partículas y tierra
•
Fácil mantenimiento
•
Presiones y volúmenes moderados
Los cojinetes del rotor trabajan en un régimen de lubricación hidrodinámica mientras las paletas frotan sobre el anillo de la carcasa en lubricación hidrodinámica y límite. Por lo que mucho del régimen de lubricación es límite, se requiere aceite con aditivos AW (antidesgaste) inyectado o pasado por conductos con el aire. Típicamente se usa aceite hidráulico ISO (VG) 32, 46 o 68; aceite hidráulico SAE 10W; o aceite de motor. Los aceites de motor tienen la ventaja que absorben la humedad y condensado para llevarla con el aire, (evitando chupar agua decantada en el fondo) pero la desventaja que un exceso de humedad puede causar la precipitación de sus aditivos o corrosión si el compresor queda parado mucho tiempo con aceite contaminado. 8
Adicionalmente a la necesidad de aditivos antidesgaste, se requiere un aceite de buena resistencia a la oxidación a altas temperaturas, ya que estos compresores pueden llegar a 200° C.
Estas
temperaturas requieren un índice de viscosidad natural muy alto para mantener su viscosidad y evitar cizallamiento. Cualquier depósito de barniz que resulta de la oxidación del aceite puede llenar las ranuras del rotor, evitando el suave y seguro movimiento de las Figura 4: compresor tipo paletas
paletas.
Por lo que la fuerza centrífuga gira las partículas de tierra hacia la carcasa y el anillo (pista) de la carcasa, la vida útil depende mucho del filtro de aire, el grosor de la película de aceite y la cantidad de aditivos AW. La lubricación es a pérdida. Este aceite va con el aire y por ende es ideal para sistemas de lubricación a goteo, lubricación neumática, etc.[2][1]
Compresores de movimiento alternativo tipo pistón
El compresor a pistón es semejante al motor de combustión del auto y puede ser de efecto simple para baja presión o doble para alta presión. Los pistones, cojinetes y válvulas requieren lubricación. Características •
Ruidoso y pesado
•
Fluido de aire intermitente
•
Funciona en caliente (hasta 220° C)
•
Necesita mantenimiento costoso periódico
•
Alta presión con moderado volumen 9
Son divididos en dos clases •
Los de efecto simple:
Baja presión,
normalmente usado en talleres para pintar, soplar, inflar neumáticos, operar herramientas neumáticas, etc. •
Los de efecto doble (Duplex): Usados para altas presiones en sistemas de compresión de gases a licuados, etc
Figura 5.Compresores de movimiento alternativo tipo pistón
Los cojinetes trabajan en el régimen de lubricación hidrodinámica, mientras los pistones y las válvulas trabajan en el régimen de lubricación límite y mixta. Los compresores a pistón de efecto simple típicamente son lubricados por salpicadura del cárter con aceites R&O o aceites hidráulicos con aditivos AW. Estos aceites no deben tener detergentes/dispersantes (como tienen los aceites de motor) por lo que estos aditivos absorban la humedad condensada y causan herrumbre. Los aceites R&O e hidráulicos contienen aditivos demulsificadores que decantan el agua en el fondo del cárter para poder ser drenado. Los compresores a pistón de doble efecto (Duplex) típicamente tienen un sistema doble de lubricación, utilizando aceites R&O para los cojinetes y aceites hidráulicos AW sin cenizas para los pistones. Esto reduce la fricción en los cilindros donde ocurre más de 75% de la fricción, mientras la larga vida del aceite R&O es aprovechado en la lubricación hidrodinámica de los cojinetes. •
El uso de aceites de baja calidad en los cilindros causa depósitos de barniz y carbonilla en las válvulas y ranuras de pistones, aumentando el mantenimiento.
•
Por las temperaturas en estos cilindros que pueden llegar hasta 120° C, los aceites utilizados deben tener alta resistencia contra la oxidación.
•
Notamos que los aceites baratos vendidos aquí normalmente pasan las pruebas de oxidación con solamente 2000 a 2500 horas, mientras los sintetizados pasan con más de 5000 horas y los sintéticos con más de 8000 10
horas. Esto no solo representa más que el doble de vida útil para el aceite, si no mayor limpieza, menos barniz, mayor lubricación, menor temperatura y menos consumo de energía.[4] Los compresores dinámicos Los compresores dinámicos pueden ser Radiales (centrífugos) o de Flujo Axial. Una de las ventajas que tienen ambas es que su flujo es continuo. Estos compresores tienen pocas piezas en movimiento, reduciendo la pérdida de energía con fricción y calentamiento Compresores Radiales (Centrífugos)
Una serie de paletas o aspas en un solo eje que gira, chupando el aire/gas por una entrada amplia y acelerándolo por fuerza centrifuga para botarlo por el otro lado. Funciona en seco. La única lubricación es de sus cojinetes o rodamientos. Características •
El gas o aire sale libre de aceite
•
Un flujo constante de aire
•
Caudal de flujo es variable con una presión fija
•
El caudal es alto a presiones moderadas y bajas
Régimen
de
lubricación
es
Figura 6.Compresor Radial (Centrífugo)
hidrodinámico. La lubricación es por aceite de alta calidad R&O o Grasa. Compresores de Flujo Axial
El compresor de flujo axial consta de múltiples rotores a los que están fijados los álabes cuyo perfil es aerodinámico. El rotor gira accionado por la turbina, de manera que el aire es aspirado continuamente hacia el compresor, dónde es acelerado por los álabes rotativos y barrido hacia la hilera adyacente del álabe del estator. 11
Este movimiento, por tratarse los álabes de perfiles aerodinámicos, crea una baja presión en el lado convexo (extrados o lado de succión) y una zona de alta presión en el lado cóncavo (intrados o lado de presión). El aire, al pasar por los álabes, sufre un aumento de velocidad sobre la parte convexa inicial del perfil, para reducirse luego cuando prosigue el movimiento hacia el borde de salida. Ocurre por lo tanto un proceso de difusión. Este proceso se desarrolla a lo largo de todas las etapas que componen el compreso[5] Contiene una serie de aspas rotativas en forma de abanico que aceleran el gas de un lado al otro, comprimiéndolo. Esta acción es muy similar a una turbina. Funciona en seco. Solo los cojinetes requieren lubricación.
Figura 7.Compresor de Flujo Axial
Características •
Gas/Aire libre de aceite
•
Flujo de aire continuo
•
Presiones variables a caudal de flujo fijo
•
Alto caudal de flujo. Presiones moderadas y bajas
Régimen de lubricación de cojinetes y engranajes es hidrodinámica. Requiere aceite R&O de alta calidad para soportar los ejes en régimen hidrodinámica sin formar depósitos ni cizallar. [4]
12
2.2 Clasificación y funcionamiento de condensadores El condensador utilizado en refrigeración doméstica es del tipo de placas y está colocado en la parte posterior del gabinete, enfriándose el vapor refrigerante por la circulación natural del aire entre las placas las cuales tienen ondulaciones que forman
canales
o
tubos
como
se
muestra
en
la
figura
Clasificación de condensadores Los tipos de condensadores más corrientes, según la forma de disipación del calor y del medio utilizado, son: •
Condensador por Aire, de circulación natural o forzada, en el que es disipado directamente al aire por transferencia del calor sensible.
•
Condensador por Agua de Doble Tubo a Contracorriente, o Multitubulares, en los que el calor sensible es transferido por agua. Esta agua puede ser recuperada y recirculada al condensador después de ser enfriada mediante cesión de calor sensible y latente en una torre de enfriamiento.
•
Condensadores Evaporativos, con la utilización de serpentines de rociado simple o a contracorriente para disipar el calor en el aire por transferencia sensible y latente.
Téngase presente que el calor de evaporación medio del agua (calor latente de evaporación) es de unas 600 kcal/ kg, es decir, cada kg de agua evaporada absorbe 600 kcal. Con lo cual el consumo de agua se reduce muchísimo en relación a otros condensadores que sólo usen calor sensible. El aire, por ejemplo, tiene un valor medio de calor específico de 0,24 kcal/ (kg. °C) seco, es decir, absorbe solamente 0,24 kcal por cada kg y variación de 1 °C funcionamiento de condensadores La función del condensador es transformar en su interior el gas refrigerante comprimido en el compresor en líquido refrigerante. En el interior del condensador el gas refrigerante pierde el calor que absorbió durante el proceso de su evaporación 13
desde el espacio a enfriar, así como también hace entrega del calor absorbido durante su circulación a través de la línea de retorno al compresor y el calor absorbido durante el fenómeno de compresión en el interior del compresor. Debido a esta entrega o pérdida de calor y a la elevada pres ión a que se lo somete, el gas se condensa y constituye una fuente de agente refrigerante en estado líquido en condiciones de ser entregado repetidamente en el interior de un equipo de refrigeración, produciendo en consecuencia el efecto de enfriamiento buscado. [6] condensador enfriado por aire Los condensadores enfriados por aire son banco de tubos (simples o aletados), encerrados dentro de un armario metálico, con rejillas para el ingreso de aire, las que regulan el caudal de aire y su dirección, de modo que lo atraviesen en flujo cruzado. El condensador típico es el tubo con aletas en
Figura 8::condensador enfriado por aire
su exterior, las cuales disipan el calor al medio ambiente. La transferencia se logra forzando
grandes
cantidades de aire fresco a través
del
serpentín
mediante el uso de un ventilador, por lo general de tipo axial. El aire al ser forzado
a
través
del
condensador absorbe calor
Figura 9: proceso de condensado
y eleva su temperatura. Los condensadores pueden fabricarse con una sola hilera de tubería y se construyen con un área frontal relativamente pequeñas y varias hileras superpuestas a lo ancho como se ilustra en la figura anterior. 14
Un diseño típico común usado por muchos fabricantes son los que se ilustran a continuación; variando en forma, materiales, acabados, y capacidades. Tienen como característica su fácil instalación, bajos costos de mantenimiento.[7] Condensadores Por Agua El agua se utiliza para la refrigeración de los condensadores. Un método para la refrigeración de los condensadores con el agua de la tubería de agua municipal, y entonces el agua de escape, alcantarillado, después de que ha sido utilizado para el refrigerante de refrigeración. Este método puede s er costoso y, en algunos casos, no está permitido por la ley. Cuando hay un problema de alcantarillado, la limitadacapacidad de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales, o la equía, es napropiado utilizar este método de enfriamiento.
Figura 10:condensador con agua
La recirculación de agua de refrigeración para su reutilización es más práctico. Sin embargo, en el reciclaje, la energía necesaria para bombear el agua para la refrigeración de la ubicación del coste de funcionamiento del dispositivo. Inicialmente era clásica la utilización del condensador de doble tubo a contracorriente, consistente en dos tubos de distinto diámetro colocados concéntricos; el refrigerante circula por el espacio que definen los dos tubos, y el agua por el conducto interior en sentido contrario. Pueden conseguirse valores
15
globales de coeficiente de transmisión de calor relativamente altos, del orden de 600-700 kcal/ (h. m2. °C), o más. Se instalan también como intercambiadores de calor para conseguir un subenfriamiento adecuado. Una manera perfeccionada, basada en el mismo principio, es la utilización de varios tubos colocados vertical u horizontalmente. Los diámetros y la colocación de los tubos varían entre unos valores que en la actualidad son prácticamente estandarizados. Conviene aumentar al máximo la superficie de intercambio, cosa que se consigue incorporando aletas de refrigeración a los tubos, con lo cual se logra disminuir el tamaño total. El consumo de agua suele ser mayor en los condensadores verticales que en los horizontales y, por lo general, también suelen ser de mayor costo, hay que tener cuidado con los tipos de agua (dureza) que se utilizan para evitar posibles incrustaciones.[8]
Figura 12: condensador de casco y serpentin
Figura 11:condensador de tubos concéntricos
Condensadores Evaporativos Los condensadores evaporativos se utilizan para eliminar el calor sobrante de un sistema de refrigeración en los casos en los que este calor no se pueda utilizar para otros propósitos. El exceso de calor se elimina evaporando el agua. Los condensadores evaporativos disponen de un armario con un condensador con rociador de agua y, normalmente, disponen de uno o más ventiladores. El exceso de calor se elimina evaporando el agua. En un condensador evaporativo se enfría 16
el refrigerante principal del sistema de refrigeración, al contrario de lo que ocurre con una torre de refrigeración. Los condensadores evaporativos son más caros que los refrigeradores en seco y se utilizan principalmente en grandes sistemas de refrigeración o en sistemas en los que la temperatura exterior es elevada. En numerosos lugares del mundo, la normativa limita el tamaño físico de los sistemas de refrigeración y estos tamaños, a su vez, limitan el uso de los condensadores evaporativos. Al rociar un condensador con agua se saca partido al hecho de que la temperatura del punto de rocío es inferior a la temperatura del aire y al hecho de que las superficies húmedas transfieren calor de manera más eficaz.[9]
Figura 13; etapas de condensador evaporador
2.3 Clasificación y funcionamiento de los dispositivos de expansión Dispositivo de expansión. Un dispositivo de expansión es un elemento que disminuye la presión de un fluido pasando de un estado de más alta presión y temperatura a uno de menor presión y temperatura. Al producirse la expansión del líquido en un ambiente de menor presión, se evapora parcialmente reduciéndose la temperatura al absorber calor 17
latente de él mismo. A su salida se pretende tener un aerosol, pequeñas gotas de refrigerante en suspensión, que facilite la posterior evaporación. Entre los distintos Tipos de dispositivos de expansión encontramos: •
El tubo capilar (en losrefrigeradoresdomésticos y pequeños sistemas climatizadores.)
•
La válvula de expansión (manual, termostática, electromecánica y automática.)
•
El restrictor
funcionamiento de los dispositivos de expansión La principal función del dispositivo de expansión es la de proporcionar refrigerante al evaporador en condiciones ideales para favorecer la absorción de calor. Para cumplir con este objetivo, este dispositivo de control debe ser capaz de transformar el refrigerante en estado líquido en pequeñas gotas a la entrada del evaporador, para que de esta manera se evapore más fácilmente. Debido a la acción de bombeo del compresor, el refrigerante en estado líquido es impulsado a atravesar un pequeño orificio, produciéndose una súbita caída de presión debido al estrangulamiento producido. La principal función del dispositivo de expansión es la de proporcionar refrigerante al evaporador en condiciones ideales para favorecer la absorción de calor.[10] Válvula de expansión termostática Con el propósito de controlar de manera más eficiente la carga de refrigerante adecuada para el evaporador, se emplea la válvula de expansión termostática (VET). Su diseño es tal, que permite ajustar por sí sola el suministro de refrigerante al evaporador, de tal manera que a la salida del evaporador sólo se encuentre en estado gaseoso, evitando de esta manera la peligrosa entrada de refrigerante en estado líquido al compresor. Por otro lado, gracias al elemento termostático, la VET modifica la carga de refrigerante en el evaporador de acuerdo a las variaciones en la carga. La válvula de expansión termostática se usa principalmente en aplicaciones de refrigeración comercial. Entre las ventajas de la válvula de expansión termostática podemos mencionar: 18
•
Posee un excelente control de la capacidad frigorífica del evaporador al cumplir con la demanda que exige el evaporador.
•
Promueve el funcionamiento correcto del evaporador previniendo la falta de refrigerante en el mismo, ante condiciones de cargas más altas.
•
Previene la entrada de líquido al compresor, asegurando un mínimo recalentamiento bajo todas las condiciones de carga, si es que está correctamente configurado.
Desventaja de la válvula de expansión termostática: •
Comparado con el tubo capilar, la VET es mucho más cara y deben tomarse ciertas precauciones al realizar su instalación.[11]
Tubo capilar Otro dispositivo de expansión, es el tubo capilar. Aunque su función es similar a la válvula de expansión termostática, su principal diferencia es que el refrigerante atraviesa un orificio fijo. El tubo capilar no puede regular ni controlar la cantidad de refrigerante que ingresa al evaporador, ya que no posee la habilidad de la válvula de expansión termostática. Es por ello, que la carga de refrigerante en un idades que llevan este tipo de control, es muy crítica. El tubo capilar posee un orificio fijo de pequeño diámetro que varía de 0.5 mm a 3 mm y su longitud puede variar de 1.0 m a 6.0 m, dependiendo de la capacidad frigorífica de la unidad. La caída de presión obtenida dependerá del diámetro y longitud del tubo capilar. La reducción en la presión, provocada por el tubo capilar ocurre debido a los siguientes factores: •
El refrigerante tiene que vencer la resistencia a la fricción provocada por las paredes del tubo. Esto conlleva a una caída de presión.
El refrigerante en estado líquido se evapora instantáneamente en una mezcla de líquido y vapor y su presión se reduce. La densidad del vapor es menor que la del 19
líquido. De allí que, la densidad promedio del refrigerante disminuye a medida que circula por el tubo.[10] Otras desventajas: •
Es muy susceptible a taparse debido al reducido orificio que posee.
•
Durante el ciclo de parada de la unidad frigorífica, el refrigerante líquido se dirige al evaporador debido a la diferencia de presión entre el evaporador y el condensador. El evaporador podría inundarse y el refrigerante en estado líquido podría dirigirse hacia el compresor y dañarlo cuando este arranque. Por lo tanto, la carga de refrigerante es muy crítica en sistemas con tubo capilar.
•
No puede controlar ni regular por sí mismo la cantidad de refrigerante que ingresa al evaporador, cuando existen variaciones en la temperatura durante el día o provocadas por los cambios de estación o variaciones en la carga.
Entre las ventajas del tubo capilar podemos mencionar: •
Bajo costo de fabricación.
•
No posee parte móviles.
•
No requiere mantenimiento
•
Durante el tiempo de parada de la unidad, dado que el tubo es un orificio que queda siempre abierto, permite el equilibrio de las presiones entre los lados de alta y baja presión. Esto reduce el torque de arranque necesario del motor, dado que este debe arrancar con la misma presión tanto en el lado de baja como de alta presión. De allí que se puede usar un motor del tipo jaula de ardilla en este tipo de sistemas.
•
Es ideal para el uso con sistemas equipados con compresores herméticos fraccionarios.[11]
Restrictor El tipo más simple de válvula de control ideado con el objeto de controlar la entrada de líquido refrigerante al interior del evaporador, lo constituye el estrangulador o restrictor. Este dispositivo no es otra cosa que un orificio de restricción, cuyo 20
diámetro es mucho más pequeño que el de las tuberías o conductos que posee el evaporador. El restrictor permite la entrada del líquido refrigerante al interior del evaporador, en cantidad proporcional a la diferencia de presión existente entre la presión de succión y la de compresión o en otras palabras, el líquido agente refrigerante en estado líquido, es obligado a pasar a través del restrictor, en la cantidad exigida por la diferencia de presión que existe entre el condensador y el evaporador.
Figura 14: partes de un restrictor
La presión que por acción del compresor se manifiesta en el condensador, forza al agente refrigerante a pasar a través de un filtro por la línea líquida y de esta al restrictor, desde donde el refrigerante en estado líquido pasa al evaporador a baja presión, evaporándose casi instantáneamente y absorbiendo el calor circundante. La necesidad del filtro en la línea líquida es el hecho de que debido a la pequeñez del orificio del restrictor, cualquier partícula de materia extraña arrastrada por el refrigerante podría obstruir el restrictor provocando la falla del sistema.[12]
2.4 Clasificación y funcionamiento de evaporadores El evaporador es la parte del sistema frigorífico en el que el refrigerante alcanza su temperatura de saturación y se vaporiza, es decir el refrigerante entra en estado líquido en el evaporador a baja presión, y en consecuencia también a baja temperatura.
21
Como el medio que le rodea está a una temperatura superior, existe una cesión de calor que proviene del ambiente, la cual será absorbida por el fluido refrigerante para poder así llevar a cabo su cambio de estado de líquido a vapor. En una instalación frigorífica, una parte del calor absorbido por el evaporizador, es utilizado para bajar la temperatura del aire (calor sensible), otra parte para condensar y transformar en escarcha el vapor de agua del aire (calor latente). Este vapor de agua proviene de la evaporación de los géneros almacenados y de la humedad del aire exterior entrado por filtración y abertura de puertas.[13]
Tipos de evaporadores Los evaporadores se pueden clasificar en función del cometido que se le asigne, es decir: •
Evaporadores para enfriamiento de aire.
•
Evaporadores para enfriamiento de líquidos.
funcionamiento de evaporadores Evaporadores de tubos desnudos (circulación natural ) Son los tipos más simples y consisten en tubos de cobre de forma recta que conducen el calor a su través: Si el refrigerante es amoniaco como ocurre en los frigoríficos por absorción, se utiliza acero ya que el amoniaco reacciona con el cobre. El acero es normalmente 22
empleado en los evaporadores grandes, como los que se utilizan, por ejemplo, en los almacenes de conservación de congelados[13] Evaporador de placas Consisten en dos placas metálicas acanaladas, unidas mediante soldadura, a las que se da la forma más conveniente para que por las mismas circule el refrigerante, conformando así una estructura interior de tubos en los que se produce la vaporización del refrigerante. También pueden estar formados por una tubería, normalmente en zigzag, embutida entre dos chapas metálicas soldadas entre sí en los extremos. [14] Evaporadores estáticos de tubo y aletas (circulación natural ) Están formados por un serpentín de tubería de cobre la cual se la aplican aletas de aluminio para aumentar así la superficie de transmisión del propio tubo. Estas aletas deben estar separadas entre sí convenientemente, a fin de que entre ellas se establezca una adecuada circulación de aire evitando la formación de escarcha entre las mismas, ya que de lo contrario ésta actuaría como aislante y se impediría la perfecta absorción de calor. Las aletas van soltadas en el tubo o bien se colocan en el tubo y a continuación conseguir la expansión del tubo. Normalmente van instalados en el techo de las cámaras o en las paredes interiores de los muebles, y la circulación del aire en este tipo de evaporadores es por gravedad. Los evaporadores aleteados son más pequeños que los de otro tipo para la misma capacidad frigorífica desarrollada[13] Evaporadores con tiro de aire forzado El aire se puede hacer pasar a través del evaporador mediante convección natural o por convección forzada. La convección natural es la que se presenta en un frigorífico doméstico donde el evaporador y el compartimiento de conge lación están en la parte superior. El aire caliente asciende desde el fondo del compartimiento donde se tienen almacenados los alimentos y entonces se enfría en el evaporador, produciéndose corrientes de convección. En los sistemas de acondicionamiento de aire éste es soplado o insuflado sobre el evaporador por medio de un ventilador. 23
En este caso el evaporador es un tubo en forma de serpentín, con aletas adheridas en igual forma que en el caso anterior, y el conjunto va montado dentro de una caja metálica con uno o varios ventiladores directamente dirigidos, de manera que establecen la circulación de aire forzado, aumentando así considerablemente la absorción de calor y reduciendo en consecuencia, la superficie de evaporador que se necesitaría para el tipo de circulación por gravedad. Con este tipo de evaporador se consiguen temperaturas más uniformes en el interior de la cámara, debido a la rápida circulación del aire.[13]
Evaporadores para el enfriamiento de líquidos
Evaporadores de inmersión
Este tipo de evaporadores se encuentran totalmente sumergidos en el líquido a refrigerar, adoptando la forma de serpentín o parrilla según sea la aplicación y naturaleza del fluido refrigerante. Los evaporadores de tipo serpentín, se emplean con fluidos frigorígenos que sean miscibles con el aceite lubricante y donde se requiere una velocidad de circulación mínima para que éste sea arrastrado y retorne hacia el compresor. Por lo tanto se utilizan solo en potencias inferiores a 20 kW y para los fluidos clorofluorados.
Figura 15:Formas de los evaporadores de inmersión de tipo serpentín
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Están formados por tubos enrollados de diversas formas: horquilla, espiral y rectangular (ver figura ) y debe tenerse en cuenta a la hora de calcular la longitud del tubo, que no origine una pérdida de carga excesiva. Para ello, se divide la longitud total necesaria en varios circuitos en paralelo, de modo que se cumpla la relación:
Este evaporador se alimenta de líquido expansionado que entra por el colector inferior y que viene de un separador, y los vapores son aspirados por el colector superior. Trabajan por tanto en régimen inundado.[15]
Evaporadores de doble tubo a contracorriente
La construcción de estos evaporadores es similar a los de condensadores a contracorriente. Su utilización es muy escasa, ya que implica que para la limpieza del circuito de líquido incongelable ó del agua, el aislamiento de cada codo sea desmontable.[14]
Evaporadores de lluvia ó de cortina
Este tipo de evaporadores se vienen utilizando para el enfriamiento de líquidos alimenticios como leche, cerveza, vino, etc. Sus condiciones de aplicación hacen que este evaporador se divida en dos partes. En la sección primera del aparato el líquido a enfriar baja de la temperatura de entrada (cercana a 100ºC en el caso del mosto procedente de la cuba, ó de 75 ºC en el caso de la leche que sale del pasteurizador), hasta la temperatura cercana a la temperatura del agua de suministro, que circula por el interior de dicha sección de tubos.
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En la segunda sección del evaporador, el líquido se enfría hasta la temperatura deseada de conservación, por la circulación de agua helada obtenida en evaporadores acumuladores de frío, ó por expansión directa del fluido frigorígeno. El agua de enfriamiento circula primero en un haz de tubos separadores y el fluido frigorígeno por el segundo haz colocado debajo de aquél. Las dos secciones se hallan en contacto total con dos placas de acero inoxidable sobre las cuales cae por lluvia el líquido que ha de enfriarse, repartiéndose a todo el ancho del evaporador por medio de un depósito distribuidor. Después de su enfriamiento, el líquido se recoge en el tanque de recuperación.[13]
Evaporadores multitubulares
Este tipo de evaporadores, se emplean normalmente para el enfriamiento de líquidos por expansión directa del refrigerante. Están formados p or un haz de tubos instalados en el interior de un cilindro de chapa de acero y pueden ser de dos tipos: Que el refrigerante circule por el interior de los tubos y el líquido a enfriar circule por el cilindro, o bien que el líquido a enfriar circule por el interior de los tubos y el refrigerante evapore en el interior del cilindro. En el primer caso la alimentación
de
refrigerante a los tubos se realiza a través de una
válvula
de
Figura 16.evaporador multitubular
expansión termostática, y en el segundo caso con el refrigerante expansionado en el circuito, el líquido a enfriar se mantiene a un nivel por debajo de la parte superior de la envolvente a fin de que haya suficiente espacio para la separación entre el refrigerante líquido y vapor, trabajando en un régimen inundado y regulando la inyección por medio de una válvula de flotador. Las temperaturas de funcionamiento estimadas como normales son: 26
Temperatura de evaporización = + 2 ºC Temperatura de entrada del agua = + 12 ºC Temperatura de salida del agua = + 7 ºC [13]
Conclusión La refrigeración por compresión es un método de refrigeración que consiste en forzar mecánicamente la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado dividido en dos zonas: de alta y baja presión, con el propósito de que el fluido absorba calor del ambiente, en el evaporador en la zona de baja presión y lo ceda en la de alta presión, en el condensador. Conocer las bases de la refrigeración por compresión nos permitirá realizar y conocer los procesos de dicho objeto así también como el funcionamiento de los diferentes tipos de ciclos que conllevan este proceso.
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Bibliografía [1]
S. Industriales, “Tecnología y Servicios Industriales 2 Compresores.”
[2]
I. C. Alternativos, “COMPRESORES.”
[3]
M. Compresor, “diferentes tipos de compresores.”
[4]
R. Widman, “Tipos de Compresores El compresor de desplazamiento positivo,” pp. 1– 8.
[5]
R. T. S.L, “Compresor Axal.”
[6]
G. Intercom, “condensador.funcion en refrigeracion.”
[7]
SENA Regional Bogota C.E.E Refrigeración, “condensador por aire.”
[8]
tu aire Acondicionado, “Condensadores Frigoríficos – Clasificación y Tipos.”
[9]
GROUNDFOS, “condensador evaporativo.”
[10]
D. D. E. C. De, Q. R. Proyect, and O. M. Buitrago, “C i c l o d e r e f r i g e r a c i o n b a s i c o.”
[11]
Frionline, “Estudio de los dispositivos de expansión y control del refrigerante de una instalación frigorífica.”
[12]
anonimo, “restrictor.”
[13]
“EVAPORADORES.”
[14]
I. Frigor, “Evaporadores evaporadores,” no. Ima 301.
[15]
C. D. E. L. O. S. Evaporadores, “Evaporadores multitubulares,” pp. 1– 9.
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