MODULO 3 > CIRCUITO FRIGORÍFICO REAL
ÍNDICE
3.1> OBTENCIÓN DEL DIAGRAMA 3.2> INFORMACIÓN DEL DIAGRAMA 3.2> APLICACIÓN DEL DIAGRAMA 3.4> GRADO DE RECALENTAMIENTO 3.5> GRADO DE SUBENFRIAMIENTO 3.6> EJEMPLO COMPLETO, RESUMEN Y REPASO 3.7> AJUSTE DE CARGA
3.1> OBTENCIÓN DEL DIAGRAMA
3.1.0 > INTRODUCCIÓN El diagrama de Mollier también llamado diagrama de presión entalpía es un diagrama que permite ver las condiciones de funcionamiento de los gases refrigerantes. Este diagrama es característico de cada sustancia, en este capítulo veremos como obtener el diagrama. Para poder obtener el diagrama de Mollier tenemos que hacer memoria sobre algunos conceptos básicos apuntados en varias ocasiones durante el curso. Al comienzo del del curso vimos como como se representaba representaba en un gráfico la transición de de estados del del agua desde estado líquido a gas, esta representación permitía poder de un vistazo, entender todo lo que estaba ocurriendo, en el diagrama de Mollier las pretensiones son las mismas poder de una forma lo mas sencilla posible establecer los parámetros de funcionamiento de un equipo frigorífico cualquiera.
Esquema de transición transición de de estados del agua desde hielo a vapor
El detalle muestra la zona de evaporación o condensación que es la utilizada en refrigeración
En el gráfico anterior podemos ver como la temperatura se mantiene constante durante los cambios de estado (QL1 y QL2), pues toda la energía que la sustancia está absorbiendo es calor latente necesario para modificar el estado.
3.1.1 > EFECTO DE LA PRESIÓN EN EL DIAGRAMA Es conocido el efecto que producen los cambios de presión en los puntos de ebullición de las distintas sustancias, a más presión el punto de ebullición aumenta y a menos presión el punto de ebullición baja, pero curiosamente se da la condición de que al aumentar el punto de ebullición disminuimos la cantidad de energía que necesitamos para completar el cambio de estado. Si llevamos esto al extremo llegaría un momento en presiones muy altas que la
3.1> OBTENCIÓN DEL DIAGRAMA
3.1.0 > INTRODUCCIÓN El diagrama de Mollier también llamado diagrama de presión entalpía es un diagrama que permite ver las condiciones de funcionamiento de los gases refrigerantes. Este diagrama es característico de cada sustancia, en este capítulo veremos como obtener el diagrama. Para poder obtener el diagrama de Mollier tenemos que hacer memoria sobre algunos conceptos básicos apuntados en varias ocasiones durante el curso. Al comienzo del del curso vimos como como se representaba representaba en un gráfico la transición de de estados del del agua desde estado líquido a gas, esta representación permitía poder de un vistazo, entender todo lo que estaba ocurriendo, en el diagrama de Mollier las pretensiones son las mismas poder de una forma lo mas sencilla posible establecer los parámetros de funcionamiento de un equipo frigorífico cualquiera.
Esquema de transición transición de de estados del agua desde hielo a vapor
El detalle muestra la zona de evaporación o condensación que es la utilizada en refrigeración
En el gráfico anterior podemos ver como la temperatura se mantiene constante durante los cambios de estado (QL1 y QL2), pues toda la energía que la sustancia está absorbiendo es calor latente necesario para modificar el estado.
3.1.1 > EFECTO DE LA PRESIÓN EN EL DIAGRAMA Es conocido el efecto que producen los cambios de presión en los puntos de ebullición de las distintas sustancias, a más presión el punto de ebullición aumenta y a menos presión el punto de ebullición baja, pero curiosamente se da la condición de que al aumentar el punto de ebullición disminuimos la cantidad de energía que necesitamos para completar el cambio de estado. Si llevamos esto al extremo llegaría un momento en presiones muy altas que la
sustancia que queramos evaporar tendría un punto de ebullición altísimo pero cuando llegásemos a ese valor no necesitaría absorber prácticamente nada de calor latente para realizar el cambio de estado, pasando de un estado al otro sin fase intermedia.
Gráfica de calor latente en función de la presión Estas líneas nos indican la cantidad de energía necesaria a distintas presiones para conseguir el cambio de estado. Línea amarilla = Presión baja Línea marrón = Presión media Línea roja = Presión alta Al aumentar la presión vemos vemos que la temperatura a la que comienza la evaporación es mayor (eje vertical), pero la cantidad de calor latente (QL) que tenemos que aplicar para completar el cambio de estado es menor.
3.1.2 > LÍNEAS DE TEMPERATURA CONSTANTE En el ejemplo anterior hemos visto que cuando terminábamos de cambiar de estado, si seguíamos aportando energía lo que ocurría era que la temperatura se modificaba, si nosotros lo que queremos es que la temperatura se mantenga constante, lo que podemos hacer es modificar la presión, para evitar que aunque sigamos aportando energía la temperatura se modifique. Quedando líneas de temperatura constante en función de la presión que sí ira variando en función del aporte energético que nosotros hagamos.
Gráfica de líneas de temperatura constante Estas líneas nos indican como se verá afectada la presión si a una sustancia le aplicamos energía pero queremos que su temperatura sea constante. Línea amarilla = Baja temperatura Línea marrón = Media temperatura Línea roja = Alta temperatura Además vemos que que sigue cumpliendo cumpliendo las condiciones vistas en los gráficos anteriores de cantidad de calor latente necesario a distintas temperatura para el cambio de estado.
3.1.3 > CONFORMADO DE LA CAMPANA Para generar la forma característica de campana del diagrama de Mollier solamente nos faltan dos pasos: Tenemos que dar la vuelta a las líneas del diagrama anterior o lo que es lo mismo cambiar el eje vertical de posición este cambio es simplemente para hacerlo mas estándar, no afectando en nada. Tenemos que unir todos los puntos de comienzo de la evaporación con una línea ( línea verde lado izquierda ) y por otro lado también unimos todos los puntos de final de la evaporación con otra línea ( línea verde lado derecha ), como vimos antes a altas presiones los valores de comienzo y final de evaporación llegan a unirse desapareciendo el calor latente, quedando las dos líneas unidas en un punto.
Perímetro de la campana La línea verde en su totalidad encierra el periodo en el que estamos cambiando de estado y tenemos temperaturas constantes. Al tener delimitada la zona, podemos promediando entre ellas obtener cualquier otra línea de temperatura.
Con todos estos pasos hemos conseguido obtener un diagrama de características similares al que nos encontraremos comercialmente para cada uno de los gases refrigerantes utilizados en refrigeración.
Esquema de Presión - Entalpía
Diagrama de Mollier correspondiente al gas refrigerante R-410A
3.2> INFORMACIÓN DEL DIAGRAMA
3.2.0 > INTRODUCCIÓN El diagrama de Mollier o diagrama de presión entalpía nos sirve para poder realizar cálculos en instalaciones frigoríficas, mediante este diagrama podemos saber todos los datos termodinámicos correspondientes a distintos puntos de presión para un mismo refrigerante comprobando el estado en el que se encontraría el refrigerante en cada momento en unas condiciones de presión y temperatura. El diagrama presión entalpía tiene la presión en el eje de ordenadas (eje vertical) y la lectura de entalpía la obtenemos del eje de abscisas ( eje horizontal ). Además en este diagrama tenemos una serie de líneas complementarias que nos dan las siguientes informaciones, temperatura, volumen especifico, tanto por ciento de cambio de estado y entropía. Los diagramas presión entalpía son específicos para cada refrigerante variando forma y dimensión, lo que no nos permite utilizar de forma genérica un solo diagrama para todos los refrigerantes, aunque esto es así se suele mantener la forma de la campana que es el elemento de estudio que vamos a utilizar a continuación, sirviéndonos los puntos de una campana cualquiera para ir entendiendo que nos indica cada línea en un diagrama de similares características.
3.2.1 > ZONAS DELIMITADAS POR LA CAMPANA Las líneas que forman la campana exterior del diagrama nos sirven de referencia para conocer el estado en el que se encuentra el refrigerante a distintos valores de entalpía y presión.
GRÁFICO DE PRESIÓN ENTALPÍA CON LÍNEAS DE ESTADO
Línea de puntos críticos (verde oscuro): Es la línea que se encuentra por encima de la campana y esta definida por los valores de presión y temperatura a partir de los cuales el refrigerante cambiaría de estado líquido a gaseoso directamente sin que existieran fases intermedias.
Vapor saturado (verde claro): Es vapor que acaba de llegar a ese estado desde líquido por un proceso de evaporación, es el tramo derecho de la curva del diagrama de nuestro dibujo, delimitado por la línea que bordea la campana trazada desde donde la línea de puntos críticos toca la campana hasta el eje horizontal.
Vapor recalentado (zona derecha): Es aquel vapor que una vez a completado su cambio de estado desde líquido a gas a seguido absorbiendo energía, después de pasar el punto de saturación del vapor, consiguiendo aumentar su temperatura en el nuevo estado. Cualquier punto que se encuentre a la derecha de la línea de vapor saturado nos indicaría un valor de entalpía suficiente para que la sustancia se encuentre en estado completamente gaseoso.
Líquido saturado (marrón): Es líquido que acaba de llegar a ese estado desde vapor por un proceso de condensación, es el tramo izquierdo de la curva del diagrama de nuestro dibujo, delimitado por la línea que bordea la campana trazada desde donde la línea de puntos críticos toca la campana hasta el eje horizontal.
Líquido subenfriado (zona izquierda): Es aquel líquido que una vez a completado su cambio de estado desde gas a líquido a seguido cediendo energía, después de pasar el punto de saturación del líquido, consiguiendo bajar su temperatura en el nuevo estado.
Interfase mezcla líquido y vapor (zona interior de la campana): Es la zona correspondiente al interior de la campana, en esta zona cuanto mas cerca nos encontramos de una de las dos líneas de saturación vapor o líquido mayor es el porcentaje del mismo que tenemos.
EJEMPLO de mezcla Si tenemos un refrigerante que por su presión y entalpía se encuentra en un punto del interior de la campana a igual distancia de la curva de saturación de líquido
que de la de saturación de vapor quiere decir que el refrigerante se encuentre al 50% de saturación, a la mitad de camino de completar su cambio completo de estado.
Líneas auxiliares : Además de la información indicada en los apartados anteriores sobre el diagrama podemos tener otras líneas que la complementan, las líneas que habitualmente encontraremos serán : Líneas de temperatura constante ( líneas rojas ) Líneas de volumen especifico ( líneas azules ) Líneas de entalpía ( líneas verdes )
Ejemplo de diagrama de Mollier R-22( Presión - Entalpía ) con líneas características
3.3> APLICACIÓN DEL DIAGRAMA
3.3.0 > INTRODUCCIÓN En el diagrama de Mollier vamos a integrar los distintos valores del circuito frigorífico lo que nos permite saber como está trabajando un circuito frigorífico en concreto. Los valores de temperaturas y presiones ( altos o bajos ) que son convenientes para cada parte del circuito ya los hemos visto, ahora vamos a cuantificar éstos para poder obtener un gráfico representativo del funcionamiento del mismo, para conseguirlo simplemente tenemos que introducir sobre el diagrama correspondiente al refrigerante que utilice nuestro circuito los datos que conozcamos de temperatura, presiones, entalpía y estado.
3.3.1 > CICLO FRIGORÍFICO TEÓRICO Para plasmar el recorrido que se produce a lo largo de todo el circuito frigorífico y poder llevarlo sobre el diagrama de Mollier vamos a ir colocando los distintos puntos del circuito frigorífico.
Punto 1 (Salida del expansor y entrada al evaporador): El comienzo del recorrido del circuito frigorífico lo comenzamos en la entrada del evaporador que es donde producimos el frío que es lo que queremos conseguir con nuestro circuito frigorífico, el punto uno corresponde al refrigerante en estado líquido, que acaba de salir del expansor, las condiciones que debe tener este punto para facilitar su evaporación son: Presión y temperatura baja, baja entalpía. Para situarlo tomamos como referencia un punto de presión baja hasta llegar a la curva de saturación ( línea marrón )que nos indica el punto en el que encontramos refrigerante en estado completamente líquido.
Punto 1
Punto 2 (Salida del evaporador y aspiración del compresor): Corresponde al final de la evaporación la presión en este punto es la misma que en el punto uno, la temperatura en el interior de la campana se mantiene constante recordemos que se trata de calores latentes pues es zona de transición entre estados, toda la energía que puede absorber es utilizada por el refrigerante para cambiar de estado. Cuando el refrigerante llega al punto 2 el refrigerante ha completado el cambio de estado a vapor teniendo un nivel de entalpía mayor gracias a la energía que robó al foco con el que estuvo en contacto durante el recorrido del evaporador.
Punto 2
Punto 3 (Descarga de compresor y entrada al condensador): Corresponde a la descarga del compresor, el refrigerante es aspirado en estado gaseoso por el compresor desde el punto 2 y comprimido hasta el punto 3, pasando el refrigerante de baja a alta presión, en el proceso de compresión y debido al rozamiento de las partes internas del mismo se produce un aumento en la entalpía del refrigerante.
Punto 3
Punto 4 (Salida condensador y entrada al expansor): Corresponde al final de la condensación la presión en este punto es la misma que en el punto 3, nuevamente la temperatura y la presión del refrigerante se mantiene constante durante todo el recorrido del condensador, recordemos que se trata de calores latentes para el cambio de estado pues toda la energía que puede ceder el refrigerante es utilizada por el para cambiar de estado. Cuando el refrigerante llega al punto 4 el refrigerante ha completado el cambio de estado a líquido teniendo un nivel de entalpía menor gracias a la energía que cedió al foco con el que estuvo en contacto durante el recorrido en el condensador. Para pasar del punto 4 al punto 1 nuevamente tenemos que pasar el expansor, en el paso del expansor.
Punto 4
GRÁFICO RESUMEN DEL RECORRIDO COMPLETO
3.4> GRADO DE RECALENTAMIENTO
3.4.0 > INTRODUCCIÓN El estado en el que el refrigerante entra en el compresor está muy relacionado con el funcionamiento de éste, las condiciones del refrigerante tiene que cumplir unas estrictas características que garanticen el buen funcionamiento del circuito frigorífico en general y del compresor en particular, si estas características no se cumplen en la mayoría de los casos terminan por desembocar en la avería del circuito frigorífico.
3.4.1 > CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO Las características mínimas que debemos de garantizar a cualquier circuito frigorífico para su correcto funcionamiento son:
La correcta refrigeración del compresor: Se consigue por la llegada de refrigerante ligeramente frío al compresor procedente del evaporador, recordemos que la mayoría de los compresores utilizados son compresores herméticos que carecen de forma de refrigerarse, teniendo como único elemento para su refrigeración el propio refrigerante que circula por su interior para ser comprimido.
EJEMPLO: Tenemos un equipo que recibe el refrigerante del evaporador a una temperatura muy alta, por que la habitación a la que da servicio está muy caliente y el refrigerante se evapora rápidamente y tiene tiempo de seguir robando energía, este refrigerante llega al compresor aunque no tiene ninguna capacidad para refrigerarlo pues esta demasiado caliente, si el funcionamiento se prolonga en el tiempo el compresor podría sufrir daños por exceso de calentamiento.
Para garantizar esta condición nos interesa que el refrigerante en el evaporador solamente robe el calor latente necesario para su cambio de estado, pues si roba mas energía de la correspondiente al cambio de estado el refrigerante en estado gaseoso que llega al compresor entraría en él a una temperatura que no permitiría la correcta refrigeración del motor del compresor.
La ausencia de líquido en la cámara de comprensión: Los compresores tienen un gran enemigo dentro del circuito frigorífico y es la entrada de líquido en la cámara de comprensión, si por alguna razón llegara a entrar líquido en la cámara de comprensión éste no tendría tiempo de salir de ella cuando se produzca el movimiento de comprensión, pues la velocidad con la que comprime el compresor no daría tiempo a que el líquido saliera de esta cámara produciendo la rotura del elemento encargado de transmitir el movimiento del eje del motor a la cámara de comprensión (en compresores alternativos se trata de la biela).
EJEMPLO: Recordemos que los líquidos tienen una capacidad de comprensión casi nula en relación con los gases que es máxima, si tenemos una jeringuilla llena de aire podemos de forma brusca producir su descarga rápida, presionando el émbolo pero si la llenamos de agua e intentamos vaciarla bruscamente veremos que aunque oprimamos el émbolo con toda la fuerza que podamos, la descarga del agua será lenta y no brusca como pudimos hacer con el aire.
Para evitar esta llegada de líquido todo el refrigerante que entra en el evaporador debe de evaporarse, cuando el fabricante diseña el equipo frigorífico lo hace para unas condiciones de funcionamiento, pero existen circunstancias normales que pueden hacer que nuestro circuito frigorífico se salga de las condiciones normales de funcionamiento. Algunas de esas circunstancias que pueden producir que el líquido que pasa por el evaporador no cambie de estado son:
Filtro del evaporador sucio. Si el filtro esta demasiado sucio el paso de aire por el evaporador es menor del que debería de ser, siendo también menor la cantidad de energía que el refrigerante le puede robar, al no tener energía suficiente el refrigerante no completaría su cambio de estado llegando en forma de golpes de líquido al compresor.
Ventilador evaporador sucio. Con el paso del tiempo y especialmente si no se han realizado tareas de limpieza en las baterías, la suciedad termina por acumularse en los ventiladores, los daños más habituales que causa esta suciedad son desequilibrio del ventilador que produce un aumento en el ruido del equipo frigorífico y acumulación de suciedad en los rodamientos o casquillos antifricción. Estos dos elementos son los que se utilizan para que el eje del ventilador gire sin que se produzcan desgaste, si la suciedad penetra en alguno de estos elementos la avería que produce es que el ventilador gira a una velocidad mas lenta que cuando era nuevo, esta disminución en la velocidad redunda nuevamente en la cantidad de aire que pasa por el evaporador y en consecuencia en la cantidad de energía que el refrigerante puede absorber, llegando nuevamente a producir el mismo efecto.
Temperatura de evaporación muy baja. Si el local en el que queremos evaporar se encuentra a una temperatura muy baja la cantidad de energía que tiene el aire que pasa por el evaporador es insuficiente para evaporar el refrigerante, ésta es otra condición que aunque por sí sola no produciría ningún daño al equipo pues el fabricante se supone que lo tuvo previsto, si es posible que en combinación con alguna otra de las anteriores circunstancias pueda llegar a agravarlas.
Velocidad de ventilador demasiado baja. Todas las máquinas de aire acondicionado disponen de la posibilidad de variar la velocidad del ventilador del evaporador a nuestro antojo, pero esas variaciones en la velocidad del aire al igual que en el caso anterior afectan a la cantidad de energía que el refrigerante puede llegar a absorber, aunque este tipo de
funcionamiento en solitario está contemplado por los fabricantes, si se complementa con algunas de las otras circunstancias, puede llegar a agravarlas.
EJEMPLO: Tenemos un equipo frigorífico que da servicio a una sala de ordenadores, la temperatura durante todo el año es muy baja, además no se limpiaron los filtros en pasadas temporadas y los técnicos que trabajan en el local para que no les moleste el aire tienen puesta la velocidad mas baja, todo este cúmulo de condiciones podría hacer que partículas de líquido llegasen al compresor.
Para garantizar que estas condiciones no llegan a producirse nos interesa que el refrigerante en el evaporador además del calor necesario para el cambio de estado (Calor latente) , robe mas energía aumentando un poco su temperatura (Calor sensible), con lo que nos aseguraríamos que el refrigerante ha cambiado por completo de estado.
El correcto rendimiento del compresor: Tenemos que conseguir que el compresor consumiendo lo mínimo, sea capaz de mover la mayor cantidad de refrigerante posible, es conocido que cuando cualquier gas se caliente su volumen aumenta en gran medida, como los compresores son volumétricos si calentamos en exceso un refrigerante el compresor tendrá que trabajar muchísimo más para conseguir pasar la misma cantidad de refrigerante de la zona de alta a la de baja. Ejemplo: 100 gramos de un gas a una temperatura de 20ºC ocupa 1 m³, pero si el mismo gas lo calentamos hasta 30 ºC ocupa 2 m³ , vemos que un pequeño aumento en la temperatura produce un gran aumento en el volumen ocupado. Si el compresor cada vez que mueve el pistón mueve 1 dm³ necesitará trabajar el doble para mover la misma cantidad de refrigerante, al encontrarse éste más caliente. Además vimos que toda la energía (entalpía) que aportamos al circuito frigorífico en la línea de compresión, tenemos que posteriormente cederla en el condensador, lo que produciría que el condensador fuera pequeño para ceder toda la energía que ha estado consumiendo de más por recibir el refrigerante más caliente de lo que sería deseable. Por esta razón la temperatura del refrigerante en la aspiración del compresor nos interesa que sea lo mas baja posible, para poder garantizar que esta condición no se da nos interesa que el refrigerante en el evaporador solamente robe el calor latente necesario para su cambio de estado, pues si roba más energía de la correspondiente al cambio de estado el refrigerante en estado gaseoso que llega al compresor entraría en él a una temperatura mayor, con el correspondiente aumento del consumo energético.
3.4.2 > AJUSTE AL EQUIPO En el apartado anterior hemos visto que la dificultad de conseguir una correcta regulación en un circuito frigorífico, es que garantizar la vida del compresor evitando que le llegue líquido va en contar de obtener el mejor rendimiento de la máquina, por un lado necesitamos que el refrigerante llegue lo mas frió posible y por otro necesitamos que no llegue nada de líquido lo que es muy normal si el refrigerante llega muy frió al compresor, la solución que se toma para poder cumplir ambas necesidades es llegar a un punto intermedio de calentamiento del refrigerante a la salida del evaporador.
Correspondencia entre las partes del circuito frigorífico y el diagrama de Mollier, la zona de recalentamiento la encontramos claramente al final del evaporador.
El punto intermedio debe de garantizar el mejor rendimiento posible, con la seguridad de que no llegue líquido y que el compresor se refrigere, a este ajuste del calentamiento del refrigerante le denominamos grado de recalentamiento o grado de sobrecalentamiento. El grado de recalentamiento que se ha establecido como óptimo para los equipos de aire acondicionado debe de estar comprendido entre 5 y 8 ºC más que la temperatura a la que el refrigerante cambio de estado.
EJEMPLO: Tenemos un equipo frigorífico que en el recorrido del evaporador mientras estaba cambiando de estado se ha mantenido a una temperatura constante de 5ºC, pues toda la energía que robaba al ambiente era utilizada por el refrigerante para producir su cambio de estado de líquido a gaseoso, pero debido a la cantidad de aire con la que estaba en contacto, el refrigerante después de completar el cambio de estado ha seguido robando energía. Esta energía ya no es de tipo latente, se trata por tanto de energía sensible que modifica la temperatura del refrigerante. Medimos la temperatura del refrigerante en la aspiración del compresor y obtenemos una lectura de temperatura de 10ºC, vemos claramente que el refrigerante además de cambiar de estado ha aumentado su temperatura. A ese aumento de temperatura le denominamos grado de recalentamiento, en este caso el valor de recalentamiento lo obtendremos de restarle a la temperatura de salida del refrigerante la temperatura de entrada del refrigerante al evaporador.
3.4.3 > RECALENTAMIENTO EN EL DIAGRAMA DE MOLLIER En el capítulo anterior veíamos que el refrigerante llegaba al compresor cuando había terminado su cambio de estado, pues durante el recorrido del evaporador había absorbido el calor latente necesario para su cambio de estado, en el diagrama vemos que el punto de comienzo de compresión está justo en la línea de 100% gas del diagrama de Mollier. Al aplicar el ajuste del grado de recalentamiento el punto en el que comienza el compresor ya no se encuentra justo en la línea de 100% gas, si no que manteniéndose en la misma línea de presión constante, la línea de evaporación se prologa hasta llegar a la línea auxiliar de temperatura que represente como mínimo 5ºC más que la temperatura que teníamos durante el proceso de cambio de estado en el evaporador.
En el Punto A hemos terminado el cambio de estado durante el recorrido del evaporador a una temperatura constante de -5ºC, el tramo de recorrido desde A hasta llegar A" el refrigerante se recalienta, alcanzando los 10ºC. (Este valor sería un valor de recalentamiento excesivo).
3.4.4 > MEDICIÓN FÍSICA REAL Para poder medir físicamente el grado de recalentamiento en un equipo cualquiera cuando vamos a comprobar su funcionamiento debemos de seguir varios pasos para que el valor obtenido sea válido, para obtener el valor en cuestión necesitamos conocer la temperatura a la que llega el gas al compresor y la temperatura a la que el refrigerante a estado cambiando de estado.
Temperatura en la aspiración del compresor , ésta la medimos con una sonda de contacto en la superficie exterior del tubo de esa zona, esto es válido porque el refrigerante apenas roba energía en este tramo final, dándose como iguales el valor de temperatura del tubo y la temperatura del refrigerante que por él circula.
Temperatura del cambio de estado, esta temperatura es difícil medirla, pues necesitáramos un elemento de medida que directamente ofreciera la lectura de la temperatura que tiene el refrigerante que circula por el interior de la tubería, en este caso no podemos hacer la medición en la superficie del tubo por el que circula, porque en esta zona el refrigerante está robando energía para cambiar de estado de forma violenta, si hacemos la lectura de temperatura igual que antes la sonda nos daría la temperatura a la que el refrigerante es capaz de enfriar nuestra sonda pero no ofrecería la temperatura a la que se encuentra el refrigerante realmente. La única opción que nos queda es obtener el valor de temperatura partiendo del valor de presión en el circuito, recordemos que a cada valor de presión de un refrigerante le corresponde un valor de temperatura, en este caso podemos obtener la lectura de presión del evaporador con un manómetro y mediante la tabla de características del gas obtener la temperatura correspondiente. Una vez hemos obtenido los dos valores de temperatura solamente tenemos que restar a la temperatura de aspiración la temperatura de cambio de estado y el valor obtenido tiene que estar comprendido entre 5 y 8 º C.
EJEMPLO: Tenemos un equipo frigorífico que funcionando a régimen normal, tiene una presión medida con el puente de manómetros en la aspiración del evaporador de 4 bar, y midiendo con una sonda de contacto en la aspiración del compresor tenemos una temperatura de 6ºC, para saber si es correcto su funcionamiento debemos de obtener la temperatura equivalente a esa presión para el refrigerante con el que funciona nuestro equipo, para hacer
esta conversión necesitamos la tabla de características del gas refrigerante, en este caso se trata de refrigerante R-22 aproximadamente el valor obtenido para 4 bar es de 0ºC, ( realizar la comprobación en la tabla de abajo ), si a la temperatura que tomamos con la sonda de contacto le restamos el valor obtenido de la tabla de características en función de la presión nos da un valor de 6ºC-0ºC = 6 ºC, que al encontrarse comprendido entre 5 y 8ºC que es el valor óptimo de recalentamiento, nos indica que nuestro equipo está funcionando correctamente con un grado de recalentamiento correcto. Para obtener el valor solamente tenemos que en la cuadrícula de abajo hacer coincidir el valor de presión en el evaporador con la línea verde, el valor de presión es el que figura en la línea con la inscripción P(Bar g)= presión relativa, que es la que nosotros utilizamos siempre, la inscripción P(Bar a) nos indica los valores de presión absoluta.
Tabla de características de los gases refrigerantes.
3.4.5 > CÓMO REGULARLO Para garantizar que el refrigerante llega a la aspiración del compresor en las condiciones óptimas de recalentamiento podemos actuar sobre distintos elementos que de forma directa o indirecta modifican el valor de recalentamiento, las actuaciones que podemos realizar par variar el grado de recalentamiento y en que dirección las tendremos que llevar a cabo son:
Regular el paso de aire, si variamos la cantidad de aire que el ventilador del evaporador hace pasar a través del evaporador, lo que estamos haciendo es variar la cantidad de energía con la que entra en contacto el refrigerante cuando esta realizando el recorrido por el evaporador. En resumen: Una falta de aire produce un recalentamiento bajo. Un exceso de aire produce un recalentamiento alto.
Modificar la cantidad de carga del equipo, de la carga de refrigerante que introducimos en el circuito frigorífico dependerá en primera instancia la cantidad de refrigerante que introducimos en el evaporador, si la presencia de refrigerante en el evaporador es escasa la cantidad de energía que el aire le cede a cada molécula del refrigerante es muy grande con lo que se produce un recalentamiento muy alto, si por el contrario la cantidad de refrigerante es muy grande el aire no tiene energía suficiente para evaporarlo todo al no conseguir ni siquiera completar el cambio de estado el recalentamiento será de 0ºC que es el valor mínimo que podemos llegar a obtener en un circuito frigorífico. En resumen: Un equipo con exceso de carga tiende a tener un recalentamiento bajo o incluso nulo. Un equipo con falta de carga tiende a tener un recalentamiento muy alto.
Regular el paso de refrigerante con el expansor , una vez tenemos la carga del equipo correcta, la cantidad de refrigerante que se introduce en el evaporador está marcada por la sección de paso del expansor, esta regulación solamente es válida cuando el equipo esta provisto de un expansor regulable, en los casos que tengamos un capilar o restrictor fijo deberemos de cambiar el capilar o el orificio del restrictor. Cuando cerramos el expansor lo que hacemos es dejar que el refrigerante que consigue atravesarlo permanezca mas tiempo en el evaporador con lo que conseguimos que el refrigerante se recaliente al permanecer más tiempo robando energía al aire que pasa por el evaporador, por el contrario si lo abrimos aumenta la cantidad de moléculas de refrigerante entre las que hay que repartir la energía del aire de evaporación lo que hace que el recalentamiento baje o incluso sea nulo. En resumen: Un equipo con el expansor muy abierto tiende a tener un recalentamiento muy bajo. Un equipo con el expansor muy cerrado tiende a tener un recalentamiento muy alto.
Dimensión del evaporador , la dimensión del evaporador tiene que ser la acorde con el resto del equipo, nos puede ocurrir que por equivocación las dimensiones del evaporador sean mayores de lo que debería, lo que se traduce en más tiempo de recorrido para las moléculas de refrigerante, con el consiguiente aumento del recalentamiento, en el caso contrario un evaporador demasiado corto puede producir que el refrigerante no tenga tiempo suficiente de cambiar de estado lo que se reflejaría en un recalentamiento bajo o incluso nulo. Un equipo con el evaporador grande tiende a tener un recalentamiento muy grande. Un equipo con el evaporador pequeño tiende a tener un recalentamiento muy pequeño.
3.4.6 > UN EJEMPLO REAL
Ejemplo de transición de estado a lo largo del evaporador, a partir del punto del 0% el refrigerante si sigue robando energía llegará a recalentarse.
Cuando el líquido entra en el evaporador a través del expansor una parte se éste se evapora (entre el 20% y 30%) para evaporarse roba energía al resto del refrigerante que no llegó a evaporarse quedando éste más frío, el resto del refrigerante solamente puede robar energía al exterior y va evaporándose a medida que completa el recorrido por el evaporador. La presión y la temperatura se mantienen constantes mientras que por el evaporador este circulando líquido, en el momento que se halla completado el cambio de estado, si el refrigerante sigue robando calor del exterior obtendremos gas recalentado (por que realmente aumento su temperatura ), al valor obtenido de hacer la resta de la temperatura del refrigerante a la entrada y la salida evaporador le denominamos grado de recalentamiento. 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 debido a los peligros que conlleva es preferible que empiece mucho antes como hemos visto. Una vez el refrigerante sale del evaporador se aísla la tubería de aspiración para evitar más recalentamiento.
3.4.7 > MANEJO DE LA TABLA DE CARACTERÍSTICAS DE GASES A continuación proponemos una serie de ejercicios que nos permitirán llegar a detectar cuál es el problema de un equipo frigorífico solamente por los síntomas que se detectan. Para conseguir el fin expuesto deberemos de manejar correctamente la tabla de características de los gases por esta razón vamos a realizar primero ejercicios con esta tabla. Hemos dejado una botella de R12 al sol, indicar qué presión habrá en la botella si tenemos 40ºC.
Usar escala presión relativa "P(Barg)"....................................(Respuesta 8.6 kg/cm²)
Maneja la tabla de características de los gases en el CD para el resto de los ejercicios
3.4.8 > EJEMPLOS DE RECALENTAMIENTO Los ejercicios siguientes simulan que hemos estado en un equipo frigorífico y hemos tomado las medidas necesarias para obtener el grado de recalentamiento, con los datos indicados en cada ejercicio tendremos que ser capaces de obtener el grado de recalentamiento en cada caso. Para todos los ejercicios hemos obtenido los datos de la misma forma, la presión mediante un manómetro situado en la zona de baja presión y la temperatura a la salida del evaporador con una sonda de temperatura de contacto. Consulta este apartado en el CD del curso.
3.4.9 > ACTUACIONES PARA CORREGIR EL RECALENTAMIENTO Los ejercicios siguientes simulan que hemos estado en un equipo frigorífico y hemos obtenido el nivel de recalentamiento, una vez que conocemos, el valor de recalentamiento tendremos que actuar para corregirlo tomando las medidas necesarias para obtener el grado de recalentamiento, con los datos indicados en cada ejercicio tendremos que ser capaces de obtener el grado de recalentamiento en cada caso. Para todos los ejercicios hemos obtenido los datos de la misma forma, la presión mediante un manómetro situado en la zona de baja presión y la temperatura a la salida del evaporador con una sonda de temperatura de contacto.
Consulta este apartado en el CD del curso.
3.5> GRADO DE SUBENFRIAMIENTO
3.5.0 > INTRODUCCIÓN El estado en el que el refrigerante llega al expansor es capaz de condicionar el funcionamiento del equipo tanto como para llegar al extremo de que nuestro equipo frigorífico no sea capaz de funcionar correctamente, aunque en menor medida que el grado de recalentamiento las condiciones que el refrigerante tiene que cumplir son bastante estrictas para que se garantice el buen funcionamiento del circuito frigorífico en general. Si estas características no se cumplen en la mayoría de los casos el único problema es que nuestro equipo rendirá mal , que vendría a decirnos que consumiría mucha energía para a cambio producir una pequeña cantidad de frío, además podría llegar a darse, en algún caso muy extremo la completa falta de producción de frío e incluso la avería del circuito frigorífico, si el nivel de falta de regulación es alarmante. El correcto estado del refrigerante en la entrada del expansor se cuantifica en función de la cantidad de líquido ( tapón de líquido) formado antes del expansión y del espacio de tiempo que el refrigerante espera su turno hasta poder atravesarlo.
3.5.1 > EXTREMOS DE FUNCIONAMIENTO La formación de un tapón de líquido en la entrada del expansor se consigue por la completa transformación del refrigerante a lo largo del recorrido del condensador, la finalidad es que el líquido que tiene muy poca capacidad para comprimirse, al encontrarse al expansor que es una obstrucción casi completa en el circuito frigorífico, quede retenido pues no puede pasar toda la cantidad de líquido que llega por un orificio tan pequeño, al acumularse termina formando una retención en la circulación del refrigerante. Esta retención formada por el refrigerante a la espera de expansionarse es la encargada de mantener el desequilibrio de presiones entre las dos partes del circuito, pues el expansor por si solo no tiene capacidad, ni posibilidad de generar el desequilibrio de presiones que es imprescindible para la correcta transformación del refrigerante a lo largo del circuito frigorífico (recordemos que necesitamos bajas presiones en el evaporador y altas en el condensador para facilitar la evaporación y la condensación respectivamente), el tapón de líquido del que se hace mención tiene que estar dentro de unos parámetros no siendo valido un valor de tapón cualquiera.
Efecto de la falta de tapón: La falta de esta formación de líquido antes del expansor puede producir una serie de efectos sobre el circuito frigorífico, conociendo lo que ocurre podremos valorar correctamente la importancia que realmente tiene la falta del tapón de líquido.
Falta de desequilibrio de presiones entre condensador y evaporador. Si por alguna razón al final del condensador no hemos conseguido que el refrigerante sea completamente líquido, si no que se sigue tratando de refrigerante en forma de vapor mas o menos saturado, lo que nos ocurriría seria que el refrigerante al encontrase en estado vapor, tiene mucha facilidad para comprimirse, aunque encuentre una obstrucción casi completa en el circuito como de hecho es el expansor, el refrigerante en forma de vapor al pasar por el expansor se comprimiría y aumentaría su velocidad al pasar por el estrechamiento, para producir la menor retención posible, produciéndose simplemente una perdida de carga debida al rozamiento del vapor con el expansor, que es insuficiente para retener el paso del resto del refrigerante. Al no poder retener al resto del refrigerante, las presiones entre el condensador y el evaporador serían prácticamente iguales, vimos en capítulos anteriores que las condiciones de presión son el elemento más importante para que se produzcan los cambios de estado en la diversas zonas del circuito frigorífico.
Falta de refrigeración del compresor. Al no existir condiciones de presión propicias para el cambio de estado el refrigerante en el condensador no se ve forzado a cambiar de estado, lo que permitiría que el refrigerante no ceda energía llegando al evaporador en estado gas caliente, este gas caliente es imposible que refrigere el compresor lo que podría producir la rotura del compresor por exceso de calentamiento si este no está dotado de elementos de protección.
Efecto del exceso de tapón: El exceso de formación de líquido antes del expansor puede producir una serie de efectos sobre el circuito frigorífico, conociendo lo que ocurre podremos valorar correctamente la importancia que realmente tiene el exceso de tapón de líquido.
Altas presiones en el condensador. Las altas presiones en el condensador se darían como efecto más visible de un exceso de líquido retenido antes del expansor, supongamos que por alguna razón tenemos un tapón de líquido excesivo, este tapón excesivo nos indicaría que tenemos mucho refrigerante esperando su turno para pasar por el expansor. Si la cantidad de líquido es muy grande no cabrá en el pequeño tramo de tubería que tenemos desde la salida del condensador al expansor, por tanto el único lugar donde se podrá ir alojando todo el refrigerante en su espera hasta llegar al expansor, serán las ultimas tuberías del condensador. Cuando llenamos de líquido esas tuberías las estamos anulando para su primordial finalidad que es servir de intercambio con el exterior para que los vapores que salen del compresor lleguen a condensarse, al inutilizar las tuberías estamos haciendo el condensador más pequeño, con lo que el refrigerante para conseguir el mismo nivel de intercambio no tiene otra opción que elevar su temperatura o lo que es lo mismo aumentar su presión, cuando tenemos presiones muy altas en la descarga al compresor le cuesta mucho más el trasladar el refrigerante del evaporador al condensador, esto se traduce a su vez en un aumento de consumo para mover la misma cantidad de refrigerante, además si las presiones en el condensador son muy altas aumentamos las posibilidades de que el compresor se pueda llegar a agarrotar, por no poder alcanzar presiones tan altas.
3.5.2 > CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO Cuando el fabricante diseña el equipo frigorífico lo hace para unas condiciones de funcionamiento, pero existen circunstancias normales que pueden hacer que nuestro circuito frigorífico se salga de las condiciones normales de funcionamiento. Algunas de esas circunstancias pueden ser perjudiciales para el circuito pues podrían producir que la acumulación de liquido antes del expansor no sea la correcta, algunas de estas condiciones son:
Batería condensadora sucia. La batería del condensador se encuentra situada en el exterior, lo que la hace estar expuesta a las condiciones ambientales, los fabricantes lo tienen presente y hacen que las baterías condensadoras tengan una distancia entre aletas mucho mayor que las baterías evaporadoras, para que sea difícil que el polvo quede atrapado entre ellas, aun que esto sea así es conveniente realizar una vez al año la limpieza de éstas, con una brocha limpia o con agua a baja presión ( si lo hacemos a alta presión podemos doblar las aletas de la batería que son de aluminio muy fino ), pero existen otros elementos que sí son capaces de formar una capa de suciedad suficiente como para que cause daños al equipo, entre estos elementos destacarían dos:
Semillas, en muchas zonas de España existe el árbol conocido como chopo o álamo blanco, en la época de propagación de semillas éstas van cubiertas de una pelusa, que llega a formar gruesas capas en las baterías condensadoras hasta llegar a producir que la maquina sufra altas presiones.
Plumas, recordemos que muchas máquinas se montan en las cubiertas de los edificios, zona de uso también para las palomas, cuyas plumas terminan siempre atrapadas en las baterías siendo en ocasiones difíciles de retirar. Si el nivel de suciedad es alto por estas u otras razones el paso de aire por el condensador es menor del que debería de ser, la cantidad de energía que el refrigerante puede llegar a ceder es insuficiente, no completando el cambio de estado llegando en forma de vapor al expansor.
Temperatura de condensación muy alta. Si la temperatura que tenemos en el exterior es muy alta, se disminuye la capacidad de intercambio de la batería condensadora con el exterior, pues es más difícil que el refrigerante sea capaz de ceder energía a un elemento que se encuentra a alta temperatura, esta dificultad se traduce en que el refrigerante no completa su cambio de estado, llegando en forma de vapor al expansor y no en forma de líquido como nos interesa para que el circuito frigorífico funcione correctamente, un síntoma de que esto esta ocurriendo es que la presión en la zona de alta aumenta, pues al no condensarse el refrigerante existe demasiado vapor de refrigerante en el condensador lo que hace que aumente la presión y la temperatura en el condensador.
Velocidad de ventilador inadecuada. Algunas máquinas para conseguir que la temperatura y presión de condensación se mantenga constante, lo que hacen es regular el paso de aire mediante la puesta en marcha o parada de los ventiladores de la condensadora con un sistema de control de presión, a este sistema de regulación se le denomina control de condensación. Si la regulación de este control de condensación es incorrecta podemos producir demasiado líquido o falta del mismo en la entrada del expansor. Aunque por sí solas estas pequeñas modificaciones en el funcionamiento, no producirían ningún daño al equipo pues el fabricante se supone que lo tuvo previsto, sí es posible que la combinación de varias de ellas lleguen a afectar al funcionamiento del equipo.
EJEMPLO: Tenemos un equipo frigorífico que da servicio a una sala que se encuentra a alta temperatura, estas altas temperaturas en el evaporador posibilitan que el refrigerante se evapore fácilmente, el compresor traslada todo el refrigerante del evaporador al condensador, pero el condensador está en una zona exterior soleada expuesto a temperaturas muy altas, las temperaturas altas hacen muy difícil que todo el refrigerante que se produjo en el evaporador pueda llegar a condensarse en un condensador, lo que desembocaría en un aumento de la presión en el condensador, si tenemos presiones demasiado altas el compresor podría verse afectado, además de reducirse el nivel de tapón de líquido.
3.5.3 > SUBENFRIAMIENTO Para garantizar esta condición de funcionamiento lo que necesitamos es saber si el refrigerante a lo largo del condensador tuvo tiempo de cambiar de estado, pero además nos interesa que
después de cambiar de estado siga cediendo energía para asegurarnos que el cambio de estado ha sido completado, recordemos que el refrigerante durante todo el recorrido del condensador se mantiene a temperatura constante, pues se trata de calor latente lo que esta cediendo para poder completar el cambio de estado, por eso si queremos tener la seguridad de que cambió de estado, necesitamos darle tiempo suficiente de funcionamiento al refrigerante dentro del condensador para que llegue a completar el cambio de estado y después siga cediendo energía, a esa energía que el refrigerante cede con posterioridad al cambio de estado es a lo que llamamos grado de subenfriamiento y se trataría por tanto de calor sensible.
3.5.4 > AJUSTE DEL EQUIPO En el apartado anterior hemos visto que la dificultad de conseguir una correcta regulación en un circuito frigorífico, estriba en que por un lado necesitamos que el refrigerante llegue al expansor en estado líquido, pero por otro la cantidad de líquido no debe de ser muy grande, la solución que se toma para poder cumplir ambas necesidades es llegar a un punto intermedio de subenfriamiento del refrigerante a la llegada al expansor. Correspondencia entre las partes del circuito frigorífico y el diagrama de Mollier, la zona de subenfriamiento la encontramos claramente al final del condensador.
El punto intermedio debe de garantizar el mejor rendimiento posible, con la seguridad de que la cantidad de líquido que tenemos a la salida del condensador es una cantidad correcta, a este ajuste de enfriamiento posterior al cambio de estado le denominamos grado de subenfriamiento. El grado de subenfriamiento que se ha establecido como óptimo para los equipos de aire acondicionado debe de estar comprendido entre 5 y 8 ºC menos que la temperatura a la que el refrigerante cambió de estado a lo largo del condensador.
EJEMPLO: Tenemos un equipo frigorífico que en el recorrido del condensador estaba cambiando de estado manteniéndose la temperatura interna del refrigerante en un valor constante de 40ºC, pues toda la energía que el refrigerante es capaz de ceder al ambiente era utilizada por él para producir su cambio de estado de gaseoso a líquido, pero debido a que las condiciones que el refrigerante siguió encontrado con posterioridad al completo cambio de estado son propicias para seguir cediendo energía, esta energía ya no es de tipo latente, se trata por tanto de energía sensible que modifica la temperatura del refrigerante. Medimos la temperatura del refrigerante en la salida del condensador y obtenemos una lectura de temperatura de 30ºC, vemos claramente que el refrigerante además de cambiar de estado ha
reducido su temperatura. A esa reducción de temperatura le denominamos grado de subenfriamiento, en este caso el valor de subenfriamiento lo obtendremos de restarle a la temperatura de salida del refrigerante la temperatura de entrada del refrigerante en el condensador.
3.5.5 > SUBENFRIAMIENTO EN EL DIAGRAMA DE MOLLIER En el esquema teórico del diagrama de Mollier vimos que el recorrido del condensador terminaba justo en la línea de cambio de estado de la campana, pues durante el recorrido del evaporador había absorbido solamente el calor latente necesario para su cambio de estado, momento en el que comenzaba la expansión, ahora en el diagrama vemos que el punto de comienzo de la expansión ya no se encuentra justo en la línea de 100% liquido del diagrama de Mollier, al aplicar el ajuste del grado de subenfriamiento el punto en el que comienza la expansión real ya no se encuentra en la línea de 100% liquido si no que manteniéndose en la misma línea de presión constante, la línea de condensación se prologa hasta llegar a la línea auxiliar de temperatura que represente como mínimo 5ºC menos que la temperatura que teníamos durante el proceso de cambio de estado en el condensador, además la línea de expansión real es completamente perpendicular al eje horizontal pues el proceso de expansión es isoentálpico (a entalpía constante). En el Punto B hemos terminado el cambio de estado durante el recorrido del condensador a una temperatura constante de 30ºC, el tramo de recorrido desde B hasta llegar a B" el refrigerante se subenfría, bajando hasta los 15ºC subenfriamiento que resulta excesivo.
3.5.6 > MEDICIÓN FÍSICA REAL Para poder medir físicamente el grado de subenfriamiento en un equipo cualquiera cuando vamos a comprobar su funcionamiento debemos de seguir varios pasos para que el valor obtenido sea válido, para obtener el valor en cuestión necesitamos conocer la temperatura a la que el refrigerante líquido llega al expansor y la temperatura a la que el refrigerante ha estado cambiando de estado. Temperatura de llegada al expansión, ésta la medimos con una sonda de contacto en la superficie exterior del tubo de esa zona, esto es válido por que el refrigerante apenas roba energía en este tramo final, dándose como iguales el valor de temperatura del tubo y la temperatura del refrigerante que por el circula.
Temperatura del cambio de estado, esta temperatura es difícil medirla, pues necesitaríamos un elemento de medida que directamente ofreciera la lectura de la temperatura que tiene el refrigerante que circula por el interior de la tubería, en este caso no podemos hacer la medición en la superficie del tubo por el que circula, porque en la zona de entrada al condensador el refrigerante está cediendo energía para cambiar de estado de forma violenta, si hacemos la lectura de temperatura igual que antes la sonda nos daría la temperatura producida por la energía que está cediendo el refrigerante; pero no ofrecería la temperatura a la que se encuentra el refrigerante realmente. La única opción que nos queda es obtener el valor de temperatura partiendo del valor de presión en el circuito, recordemos que a cada valor de presión de un refrigerante le corresponde un valor de temperatura, en este caso podemos obtener la lectura de presión del condensador y mediante la tabla de características del gas obtener la temperatura correspondiente. Una vez hemos obtenido los dos valores de temperatura solamente tenemos que restar a la temperatura de cambio de estado la temperatura a la entrada del expansor y el valor obtenido tiene que estar comprendido entre 5 y 8 º C.
EJEMPLO: Tenemos un equipo frigorífico que funcionando a régimen normal, tiene una presión medida con el puente de manómetros en la descarga del condensador de 18 bar , y midiendo con una sonda de contacto en la entrada al expansor tenemos una temperatura de 42ºC, para saber si es correcto su funcionamiento debemos de obtener la temperatura equivalente a esa presión para el refrigerante con el que funciona nuestro equipo, para hacer esta conversión necesitamos la tabla de características del gas refrigerante, en este caso se trata de refrigerante R-22 aproximadamente el valor obtenido para 18bar es de 49ºC, ( realizar la comprobación en la tabla de abajo ), si a la temperatura a la que cambió de estado (obtenida mediante el valor de presión y la tabla de características) le restamos el valor que tomamos con la sonda de contacto en la tubería, obteniendo un valor de 49ºC-42ºC = 7ºC, que al encontrarse comprendido entre 5 y 8ºC que es el valor óptimo de subenfriamiento, nos indica que nuestro equipo esta funcionando correctamente con un grado de subenfriamiento correcto. Para obtener el valor solamente tenemos que en la cuadrícula de abajo hacer coincidir el valor de presión en el evaporador con la línea verde, el valor de presión es el que figura en la línea con la inscripción P(Bar g)= presión relativa, que es la que nosotros utilizamos siempre, la inscripción P(Bar a) nos indica los valores de presión absoluta.
Tabla de características de los gases refrigerantes
3.5.7 > CÓMO REGULARLO Para garantizar que el refrigerante llega a la entrada del expansor en las condiciones óptimas de subenfriamiento podemos actuar sobre distintos elementos que de forma directa o indirecta modifican el valor de subenfriamiento, las actuaciones que podemos realizar para variar el grado de subenfriamiento y en que dirección las tendremos que llevar a cabo son: - Regular el paso de aire, si variamos la cantidad de aire que el ventilador del condensador hace pasar a través de la batería, estamos facilitando o dificultando que el refrigerante que circula por la batería pueda ceder mas o menos energía, dependiendo de la cantidad de energía que pueda ceder tendremos un valor u otro de subenfriamiento. En resumen: Una falta de aire produce un subenfriamiento bajo. Un exceso de aire produce un subenfriamiento alto. - Modificar la cantidad de carga del equipo, la cantidad de refrigerante que introducimos en el circuito frigorífico es un factor que afecta en gran medida al grado de subenfriamiento, pues en el condensador es donde únicamente puede quedarse retenido el refrigerante en forma de líquido, cuando introducimos el refrigerante éste se reparte por el circuito, pero cuando el funcionamiento del equipo se estabiliza es en el condensador que es donde se acumula hasta que le llegué el momento de llegar al expansor. Como referencia si la presencia de refrigerante en el condensador es escasa no tiene tiempo suficiente para que el intercambio de energía se lleve a cabo con lo que tendríamos un subenfriamiento nulo (0ºC es el valor mínimo de subenfriamiento), si por el contrario la cantidad de refrigerante es excesiva al no poder pasar todo por el expansor tendrá que esperar más tiempo dentro del condensador, en ese tiempo el intercambio le producirá un grado de subenfriamiento alto. En resumen: Un equipo con exceso de carga tiende a tener un subenfriamiento alto. Un equipo con falta de carga tiende a tener un subenfriamiento bajo. - Regular el paso de refrigerante con el expansor. Es otro elemento de regulación en aquellos equipos que es accesible, al regular la sección de paso del expansor lo que conseguimos es retener mas o menos el refrigerante dentro del condensador, la regulación del expansor se debe de realizar con posterioridad a la carga del refrigerante, en los casos que no tengamos expansor regulable la única opción es cambiar el elemento de expansión ya sea un capilar o un restrictor fijo. Cuando cerramos el expansor dejamos retenido el refrigerante dentro del condensador consiguiendo así darle mas tiempo para que siga intercambiando energía y complete primero su cambio de estado y si se mantiene más tiempo dentro del condensador llegará a subenfriarse, por el contrario si lo abrimos disminuimos el tiempo que el refrigerante permanecerá en el condensador intercambiando energía lo que produciría que el refrigerante no tenga tiempo de enfriarse correctamente. En resumen: Un equipo con el expansor muy abierto tiende a tener un subenfriamiento muy bajo o nulo. Un equipo con el expansor muy cerrado tiende a tener un subenfriamiento muy alto. - Dimensión del condensador. La dimensión del condensador tiene que ser la acorde con el resto del equipo, nos puede ocurrir que por equivocación las dimensiones del condensador sean de un tamaño diferente al que necesitamos, lo que se traduce en un intercambio de energía incorrecto. En resumen: Un equipo con el condensador grande tiende a tener un subenfriamiento muy grande. Un equipo con el condensador pequeño tiende a tener un subenfriamiento muy pequeño o nulo.
3.5.8 > UN EJEMPLO REAL Cuando el refrigerante en estado gaseoso sale del compresor y comienza su recorrido por el condensador, se van produciendo diversos acontecimientos en lo que se refiere a cambios de estado en el refrigerante y codificación de temperaturas, la cronología de estos hechos vendría a ser la siguiente: El refrigerante recién salido del compresor se encuentra en estado gaseoso al igual que estaba antes de entrar en él, pero la gran diferencia estriba en su temperatura que debido a la compresión se ha visto muy aumentada, recordemos que los compresores tienen mucho rozamiento y todo el calor producido por estos rozamientos es refrigerado con el mismo refrigerante que ha sido comprimido. -
En la primera parte del condensador el refrigerante comienza a ceder la energía que absorbió durante la compresión, ésta es la parte más caliente de nuestro circuito frigorífico, es frecuente que si se toca el tubo pueda llegar a producirnos quemaduras. Su temperatura aproximadamente puede llegar a 70grados, bajando unos 10 a 15 grados en este tramo.
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En la fase segunda del condensador el refrigerante ha terminado de ceder toda la carga sensible de la compresión y comienza a producirse la cesión de energía por parte del refrigerante para cambiar de estado , recordemos que las condiciones en el condensador de alta presión y poco espacio son propicias para que el refrigerante se vuelva líquido. Esta cesión de energía se mantiene durante la mayor parte del recorrido del condensador mientras al gas le quede energía de tipo latente por ceder el refrigerante no completará su cambio de estado, poco a poco durante el recorrido el refrigerante va pasando de estar en estado gaseoso a gas saturado con un nivel de líquido contenido que llega en la parte final a ser del 100% momento en el que el refrigerante se condensa pasando a encontrase en estado líquido. Su temperatura se mantiene constante alrededor de los 55 grados, durante todo el recorrido.
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En la tercera fase del recorrido el refrigerante sigue cediendo energía a pesar de encontrarse por completo en estado líquido, al ceder esta energía el refrigerante se enfría por debajo de la temperatura a la que transcurrió su condensación Su temperatura baja hasta quedar aproximadamente unos diez grados por encima de la temperatura ambiente, a la que se encuentra expuesta la unidad condensadora, debiendo ser un valor entre 5 y 8 grados menos que la temperatura de condensación
Ejemplo de transición de estado a lo largo del condensador, a partir del punto del 10 0% líquido el refrigerante si sigue cediendo energía llegara a subenfriarse.
3.5.9 > EJEMPLOS DE SUBENFRIAMIENTOS TEÓRICOS A continuación proponemos una serie de ejercicios que nos permitirán llegar a detectar cuál es el problema de un equipo frigorífico solamente por los síntomas que se detectan en el lado del condensador. Para la mayoría de los ejercicios será imprescindible el uso de la tabla de características de los gases. Debemos de tener claros los márgenes a los que se debe de ceñir el subenfriamiento como vimos debe de estar entre 5 y 8 grados, en los primeros ejercicios solamente debemos de indicar cuáles serían los límites de temperatura que tendríamos que medir en función de la presión en el condensador para que el subenfriamiento fuera correcto. Sin tabla de características de los gases. Indicar entre qué márgenes tendremos el subenfriamiento para los distintos valores de presión de alta en una maquina que funciona con R22. Aquí no necesitamos la tabla de características pues ya se indica cuál es el valor de temperatura que corresponde a cada presión. 15kg/cm² Ts=42ºC (Respuesta = Mínimo 37ºC Máximo 34ºC) 13kg/cm² Ts=36ºC Mínimo ______Máximo_____ 19 kg/cm² Ts=51ºC Mínimo ______Máximo_____ 25 kg/cm² Ts=62ºC Mínimo ______Máximo_____ 27 kg/cm² Ts=66ºC Mínimo ______Máximo_____ 11 kg/cm² Ts=28ºC Mínimo ______Máximo_____ Márgenes de temperatura máxima de subenfriamiento. Utilizando la tabla de características de los gases.
Ver ejercicios en el CD.
3.5.10 > EJEMPLOS DE SUBENFRIAMIENTOS REALES Ver ejemplos en el CD.
3.5.11 > ACTUACIONES POSIBLES PARA CORREGIRLO Ver ejemplos en el CD.
3.5.11 > ACTUACIONES REALES PARA CORREGIRLO Ver ejemplos en el CD.
3.6> EJEMPLO COMPLETO, RESUMEN Y REPASO
GRÁFICO DE PRESIÓN ENTALPIA CON LINEAS DE ESTADO
GRÁFICO DE RELACIÓN DEL DIAGRAMA DE MOLIER CON EL CIRCUITO FRIGORÍFICO Vamos a realizar un recorrido simultáneamente por el circuito y por el diagrama de Mollier, viendo como se comporta el refrigerante en cada momento, el recorrido lo podemos empezar por cualquier parte pero nosotros hemos elegido el compresor, pues es el único elemento móvil del circuito frigorífico.
El compresor se encarga de trasladar el refrigerante de la zona de baja presión a la zona de alta, el compresor aumentará la entalpía del refrigerante, pues toda la energía que el compresor transforma en calor es absorbida por el propio refrigerante, a la salida del compresor seguimos igual que a la entrada en estado gaseoso, pero a alta presión y alta temperatura. En el diagrama lo representamos con la línea inclinada del lado derecho. En el condensador tenemos varias fases haciendo distinción entre el tipo de energía que está cediendo si es de tipo latente o sensible, en una primera fase el refrigerante que empieza a circular por el condensador tiene que ceder la energía que absorbió durante el proceso de compresión. Al ceder esta energía el refrigerante bajará de temperatura siendo por tanto calor sensible, cuando el refrigerante ha terminado de enfriarse y motivado por las condiciones de presión que encuentra en el condensador, empieza a cambiar de estado pasando de estado gaseoso a estado líquido. Durante todo el proceso de cambio de estado la energía que cedemos en el condensador es de tipo latente pues la temperatura en esta parte del recorrido se mantiene constante, cuando el refrigerante termina de cambiar de estado puede seguir cediendo energía, toda la energía que cede después de terminar el cambio de estado es energía de tipo sensible nuevamente, esta energía que cedemos con posterioridad al cambio de estado es a la que denominamos grado de subenfriamiento y nos garantiza que el refrigerante llega en estado líquido al expansor. En el diagrama la línea de condensación la situamos en la parte alta de la campana y vemos claramente si son sensibles o latentes porque se localizan fuera de la campana (sensibles) o dentro de la campana ( latentes ). Al expansor llegamos con el refrigerante en estado completamente líquido, quedando el líquido retenido antes del expansor hasta que le llegue el momento de pasar a través de él, para que el refrigerante pueda permanecer retenido sin restar superficie de contacto al condensador se coloca el deposito de líquido. El refrigerante cuando consigue pasar por el expansor lo hace a entalpía constante, quiere decir que no modifica su nivel energético pero ello no quiere de decir que no tengamos cambios en el refrigerante. En el diagrama podemos ver la línea vertical de la izquierda que representa la expansión, viendo que tenemos una importante modificación en lo que se refiere tanto a temperatura como presión. Aunque en la representación que precede a este texto hemos colocado la línea de expansión muriendo en la línea de 100% líquido esto no es del todo cierto pues una pequeña parte del refrigerante al pasar por el expansor consigue cambiar de estado en él, robando energía al resto de moléculas de refrigerante que no cambian de estado, lo que haría que gráficamente la línea de la expansión entre dentro de la campana antes de llegar al evaporador. En el evaporador tenemos dos fases: una primera en la que el refrigerante cambiará de estado pasando de líquido a gas, para lo que necesita robar energía del ambiente que pretendemos enfriar, esta energía será por tanto de tipo latente porque la temperatura del refrigerante se mantendrá constante. Después en una segunda fase el refrigerante que consiguió cambiar por completo su estado encuentra que las condiciones son propicias para seguir robando energía, al seguir robando energía después de completar el cambio de estado conseguimos que el refrigerante se recaliente siendo esta energía ya de tipo sensible, esta energía modifica la temperatura del refrigerante. Este recalentamiento nos garantiza que al compresor llegamos en estado de gas para poder repetir nuevamente el ciclo, el tramo del evaporador es la línea horizontal mas baja representada y vemos que transcurre en la mayor parte del tiempo por el interior de la campana.
3.6.1 > EJERCICIO. DIAGRAMA DE MOLLIER SOBRE R22
Suponiendo la evaporación a -10ºC y la condensación a 45ºC, en el depósito de líquido la temperatura de este es de 40ºC (punto A del diagrama). La presión absoluta es de 17,2 bar. Paso a través de la válvula: Durante el paso a través del expansor (de A a B), la temperatura y la presión bajan, la temperatura desciende a la de evaporación: 10ºC y la presión absoluta a 3,5 bar. Mirando el diagrama podemos ver que en este primer momento no hay líquido saturado, sino una mezcla de líquido y gas en la proporción de 30% vapor y 70% de liquido. El 30% de líquido que se ha vaporizado es el que ha servido para bajar de temperatura el líquido de 40ºC a –10ºC. Si prolongamos verticalmente el trazo A-B hasta encontrarse con el eje de ordenadas nos da un valor de calor total de 250 KJ por kilo de refrigerante (punto B). Paso a través del evaporador: El paso a través del evaporador está representado por la recta B-C. En el curso de este paso la temperatura es constante –10ºC así como la presión 3,5 bar. Poco a poco a medida que el fluido pasa por el evaporador, va de B hacia C el 70% de vapor y 30% de líquido se convierten en vapor saturado o sea 100% gas. (Punto C). Al proyectar verticalmente el punto C a la línea de ordenadas podemos ver la cantidad de calor que contiene el vapor saturado 400 KJ/kilo. Producción frigorífica: 400 a la salida menos 250 a la entrada son 150 KJ por kilo de refrigerante. O sea si 1 KJ/Kg = 0,2388 Kcal/kg 150 x 0,2388 =35,82 kcal por kilo de refrigerante. La cantidad de refrigerante que será necesario para que circule por el evaporador (a –10 y +40) para 100 frigorías será:
O sea que será necesario bombear 2,77 kg. de R-22 a la hora. Para 1000 frigorías será necesario:
Paso a través del compresor: suponiendo que el gas penetra en el condensador totalmente evaporado, el paso a través del compresor está representado por la línea E-F. En el punto E, la compresión comienza y queda terminada en el punto F, en este momento la temperatura de gas está entre 70ºC y 80ºC. Si prolongamos F sobre el eje de las ordenadas, nos encontramos al final de la compresión tenemos 450 kj/kg. Energía necesaria para la compresión: La diferencia entre 410 y 450 del comienzo al final de la compresión son 40 kj/kg (9,6 kcal/kg) que es el calor equivalente al trabajo del compresor. Anteriormente hemos visto que eran necesarios 27,7 kg/h de refrigerante para conseguir 1000 frigorías por lo tanto: 9,6 x 27,7= 268,8 Kcal La equivalencia calorífica de 1 CV/hora es de 637 Kcal la potencia teórica necesaria será de:
Volumen específico: dentro del punto E se encuentra un valor importante, este es el volumen específico del vapor. Este valor se encuentra por estimación en 15 kg/m³. Con este valor podemos obtener la cilindrada del compresor. Como para obtener 1000 frigorías nos hace falta 27,7 kg. de fluido y que este fluido está formado por gas a un volumen específico de 15 kg/m³.
Si el compresor debe producir 1000 frigorías por hora el compresor dispondrá de un cilindro de 1,8m³/h. La relación de compresión la podemos conocer dividiendo la presión absoluta de alta por la de baja:
Paso a través del condensador: De F a A el fluido comprimido atraviesa el condensador.
En esto hay dos etapas, en la primer, el vapor recalentado pasa de F a G. Aquí todavía no hay condensación sino simple enfriamiento del gas donde la temperatura pasa de 80ºC a 45ºC cuando alcanza el punto G sobre la curva del vapor saturado, esto sucede en las primeras espiras del condensador. A partir de aquí empieza la condensación hasta el punto H donde tenemos 100% líquido. De aquí volvemos al punto A. Capacidad del condensador: 450 a la entrada menos 250 a la salida son 200 KJ/kg de refrigerante, que es calor que extrae el condensador a un kilo de refrigerante. 200 x 0,2388= 47,76 kcal/kg 47,76 kcal/kg x 27,7 kg/h = 1322,952 kcal/h Para producir 1000 frigorías necesito un condensador de 1322,952 kcal/h.
Esquema resumen del ejercicio
3.7> AJUSTE DE CARGA 3.7.0 > INTRODUCCIÓN En los módulos anteriores hemos visto cómo obtener los valores de grado de subenfriamiento y recalentamiento, la finalidad de todo esto es llegar a diagnosticar la anomalía de funcionamiento de un equipo simplemente conociendo estos dos valores. Como la obtención de estos datos requiere unos parámetros previos de funcionamiento, antes de poder ajustar el funcionamiento deberemos de introducir una cantidad de refrigerante que deberá de ser lo más próxima posible a la recomendación del fabricante, una vez tenemos hecha la carga inicial solamente tenemos que ajustar la carga para obtener el mayor rendimiento posible.
3.7.1 > AJUSTE DE CARGA DE REFRIGERANTE Denominamos ajuste de carga al proceso de la introducción parcial de la carga de gas refrigerante dentro del circuito, el ajuste de la carga es necesario cuando se producen pérdidas parciales del gas refrigerante por fugas o cuando queremos conseguir que la máquina alcance su óptimo funcionamiento. El proceso de ajuste es complejo y requiere el completo conocimiento de las mediciones tanto de recalentamiento como de subenfriamiento, en este módulo veremos cómo partiendo del valor obtenido de recalentamiento y subenfriamiento podemos llegar a realizar el correcto ajuste de la cantidad de refrigerante que requiere un equipo frigorífico.
3.7.2 > RESOLUCIÓN DE AVERÍAS En estos ejercicios vamos a combinar todos los conceptos que hemos estado viendo en los módulos anteriores para llegar a la solución de averías frecuentes, como punto de partida los ejercicios nos darán unos datos de recalentamiento y subenfriamiento que han sido hallados por los métodos antes descritos, como los datos pertenecen a un mismo equipo antes de determinar cual es la acción a realizar debemos de tener presente que casi todo lo que hacemos en una parte del circuito termina por repercutir en el funcionamiento de la otra parte. Para empezar la forma mas sencilla de resolver, es tratar los ejercicios (recalentamiento y subenfriamiento)de forma independiente tomando como actuación a realizar la que sea común en los dos casos. A veces esto no es posible y tendremos que recurrir a razonar la mejor actuación posible.
EJEMPLO 1: Tenemos un equipo que tiene 0 grados de recalentamiento y también 0 grados de subenfriamiento.
Subenfriamiento 0ºC Para corregirlo tenemos dos opciones que son: Cerrar válvula para aumentar el tiempo de estancia del refrigerante en el condensador. Introducir más refrigerante en el circuito para que se quede acumulado en el condensador
Recalentamiento 0ºC Para corregirlo tenemos dos opciones que son: Cerrar válvula para aumentar el tiempo que tiene el refrigerante que atraviesa el expansor para robar energía en el evaporador. Quitar refrigerante para que tengamos menos presencia de refrigerante en el evaporador.
Solución: En este caso actuaríamos cerrando la válvula por ser la actuación común en los dos casos.
Razonamiento: Cuando cerramos la válvula de expansión dificultamos la circulación del refrigerante conseguimos que el refrigerante quede retenido antes del expansor aumentando así el grado de subenfriamiento, simultáneamente se vera afectado el grado de recalentamiento, pues al dejar pasar menos refrigerante el que refrigerante que entra, en el evaporador se recalienta más.
EJEMPLO 2: Tenemos un equipo que tiene 15 grados de recalentamiento y también 15 grados de subenfriamiento.
Subenfriamiento 15ºC Para corregirlo tenemos dos opciones que son: Abrir la válvula de expansión para disminuir el tiempo de estancia del refrigerante en el condensador. Quitar refrigerante en el circuito para que no se quede acumulado en el condensador.
Recalentamiento 15ºC Para corregirlo tenemos dos opciones que son: Abrir la válvula de expansión para que el refrigerante tenga menos tiempo para robar energía dentro del evaporador. Introducir más refrigerante en el evaporador para que toquen a menos energía cada molécula de refrigerante.
Solución: En este caso actuaríamos abriendo la válvula, por ser una solución valida para las dos partes del circuito.
Razonamiento: Cuando abrimos la válvula de expansión facilitamos la circulación del refrigerante por el expansor, conseguimos que el refrigerante que estaba retenido antes del expansor, pueda atravesarlo esperando menos tiempo, lo que reduce el grado de subenfriamiento, simultáneamente se vera afectado el grado de recalentamiento pues al dejar pasar más el refrigerante a lo largo del evaporador tendrá menos tiempo para recalentarse bajando el grado de recalentamiento.
EJEMPLO 3: Tenemos un equipo que tiene 2 grados de recalentamiento y también 8 grados de subenfriamiento.
Subenfriamiento 8ºC En este caso el grado de subenfriamiento es correcto aunque se encuentra al límite de valor válido.
Recalentamiento 2ºC Para corregirlo tenemos dos opciones que son: Cerrar la válvula de expansión para que el refrigerante tenga más tiempo para robar energía dentro del evaporador. Quitar refrigerante en el evaporador para que las moléculas que queden toquen a mas energía
Solución: En este caso actuaríamos: cerrar la válvula de expansión y además tendríamos que quitar carga de gas refrigerante.
Razonamiento: Cuando cerramos la válvula de expansión conseguimos que el recalentamiento aumente su valor pues el refrigerante tiene mas tiempo para robar energía, pero simultáneamente al cerrar estamos haciendo que el refrigerante se retenga durante mas tiempo en el condensador. Como en este caso el subenfriamiento se encuentra al límite está claro que al cerrar el expansor produciremos que el grado de subenfriamiento suba del valor máximo admisible que es 8ºC,
