1. CLASIFICACIÓN DE LOS EVAPORADORES
Atendiendo al cometido que se les asigne en una instalación frigorífica, los evaporadores podemos clasificarlos en tres grupos:
De inmersión EVAPORADORES PARA ENFRIAR LIQUIDOS
Multitubulares Especiales
EVAPORADORES PARA ENFRIAR GASES
De serpentín De parrilla Horizontales Verticales De doble tubo Circulación natural
De tubo con aletas Circulación forzada Fabrica hielo
EVAPORADORES CONGELADORES
Acumuladores de frío
Tabla 1: Clasificación de los evaporadores
2. EVAPORADORES PARA ENFRIAR LIQUIDOS 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.
Fig. 1: 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 1) 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:
L Di
=
Longitud del tubo (mm)
L
Diametro int erior (mm)
Di
≤ 1900
En las máquinas industriales se utilizan los evaporadores de inmersión inmersión en forma de parrilla y en particular para el R717. Su constitución se basa en dos tubos colectores, de entrada y salida, unidos entre sí a través de tubos de diámetro menor. 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. Dado que R717 no es miscible con el aceite en el evaporador, una tubería especial permite el retorno de éste al cárter del compresor. La conexión de esta tubería se efectúa por la parte baja del colector inferior. Dada la rigidez de estas parrillas, están diseñadas con los tubos dispuestos de forma que se absorban las contracciones y dilataciones, producidas durante el funcionamiento.
Fig. 2: Evaporador de parrilla (Foto Sulzer)
Evaporadores multitubulares Aunque se asemejan a los condensadores multitubulares por su aspecto exterior (excluido el aislamiento), se distinguen dos tipos según empleen R-717 o refrigerantes HFC.
Evaporadores para R-717: Consisten en un conjunto de tubos lisos y de acero del mismo diámetro que se colocan, con sus ejes paralelos, en el interior de un casco o carcasa cilíndrica (ver figura 3). Por el interior de los tubos circula el líquido a enfriar, mientras que el refrigerante lo hace por el espacio interior de la envolvente, bañando el haz tubular, del cual absorbe el calor. El funcionamiento se realiza en régimen inundado, por lo que el frigorígeno hierve entre los tubos del haz.
Fig. 3: Evaporador multitubular horizontal para R-717
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Evaporadores para HFC: En este tipo de evaporadores se intercambian los circuitos respecto a los evaporadores para amoniaco, ya que en este caso el aceite al ser menos denso formaría una capa en la parte alta, lo que perjudicaría la ebullición y complicaría el retorno del mismo, pudiendo mermar las reservas de aceite en el compresor. El refrigerante circula por el interior del haz tubular y el líquido a enfriar por el espacio interior de la envolvente, bañando los tubos y recorriendo un laberinto de placas deflectoras, que permiten optimizar la velocidad de circulación comprendida entre1 a 2 m/s. Los tubos son de cobre y pueden ser lisos o con aletas exteriores y ranuras interiores helicoidales, a fin de aumentar las turbulencias del frigorígeno y mejorar el efecto de transmisión (fig. 4).
Fig. 4: Evaporador multitubular horizontal para HFC
Una variante de este evaporador es el de la figura 5, en el que los tubos forman un haz en U, de modo que la entrada y la salida del fluido se realiza por la misma tapa. Estos evaporadores trabajan en régimen seco, alimentados por válvulas de expansión directa.
Fig. 5: Circulación de fluidos en Evaporadores multitubulares
Además las tapas laterales van provistas de una serie de tabiques separadores, que realizan la misión de limitar la velocidad de circulación del líquido a un valor óptimo entre 1 y 2 m/s y de esta forma la transmisión sea efectiva.
Evaporadoress de doble tubo. Evaporadore También llamados coaxiales, son los más sencillos y antiguos. Consisten en un tubo desnudo liso, generalmente de cobre o acero inoxidable, dentro del cual hay otro, de modo que el espacio anular entre ambos se llena del fluido frigorígeno con expansión directa. Por el tubo interior circula el lí quido a enfriar a contracorriente.
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Estos evaporadores están destinados a la industria alimentaria, por lo están construidos con materiales inoxidables y compatibles con los productos a tratar.
Fig. 6: Evaporador de doble tubo (Doucette Industries).
3. EVAPORADORES PARA ENFRIAR GASES
En estos evaporadores aunque siguen un principio de funcionamiento similar al de los evaporadores para enfriar líquidos, deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones: El coeficiente de transmisión entre el gas y la superficie fría es más bajo que en el caso de líquidos. El coeficiente de transmisión depende de la velocidad de circulación del gas a enfriar. Cuando se enfría aire, puede surgir el problema de formación de escarcha sobre el evaporador, en el caso de trabajar con temperaturas bajo cero, lo que repercute negativamente en el rendimiento de la instalación. Cuando el frigorígeno es R717, los tubos del evaporador son de acero, al igual que las aletas. En el caso de fluidos clorofluorados, los tubos son de cobre, con aletas de aluminio o de cobre.
3.1 Evaporadores con circulación natural (estáticos)
Están formados por un haz de tubo de cobre, llamada superficie primaria (acero en el caso de que el refrigerante fuese amoniaco) sobre los que se montan, perpendicularmente al eje, láminas muy finas de aluminio (superficie secundaria), que se fijan a la superficie del tubo. Se utilizan en la conservación de productos frescos o delicados, como flores, quesos, carnes, frutas, vegetales, pastelería, embutidos, etc., donde es aconsejable la elección de este tipo estático, ya que consiguen una circulación natural, donde el movimiento del aire se produce únicamente por la diferente densidad entre el aire frío (más denso) y el aire caliente, lo cual provoca el movimiento del aire en el interior de la cámara por convención. Se trata pues de un movimiento del aire lento y los productos no se ven expuestos a corrientes de aire frío que pudieran favorecer la desecación.
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Evaporadores estáticos son ideales para su colocación en pequeñas cámaras o vitrinas abiertas con circulación de aire natural por convección y suelen estar diseñados para cámaras que trabajan en temperaturas altas y medias fundamentalmente para conservación de género.
Fig. 7: Características de un evaporador estático (Intersam).
3.2 Evaporadores con circulación forzada (dinámicos)
Los evaporadores dinámicos tienen un mayor rendimiento, ya que el aire es impulsado mediante ventiladores a través del serpentín de tubos aleteados. Esto se debe a que, cuando el caudal del medio de enfriamiento (aire en este caso) aumenta, también lo hace la cantidad de calor que absorbe el refrigerante al circular por el evaporador.
Fig. 8: Evaporador y detalle de elementos.
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evaporadores dinámicos la posición de ventiladores influye en el valor de su temperatura media. En
los
los
Cuando se coloca el ventilador delante de la batería de enfriamiento, el evaporador tiende a absorber el calor producido por el motor del ventilador lo que provoca un valor más elevado del LMTD. La capacidad de enfriamiento será superior en este diseño que en aquel en el que los ventiladores se encuentran situados detrás de la batería de tubos. En cambio, cuando se desea una alta velocidad en la corriente del aire de salida y con menor humedad relativa, se prefieren los ventiladores detrás del serpentín. Otro factor importante en la elección de un evaporador es la separación de las aletas . Un mismo tipo de evaporador puede comercializarse con distinta separación de aletas dependiendo de la función que vaya a desempeñar.
Fig. 9: Influencia de la posición de los ventiladores en la temperatura del aire
Es evidente que una pequeña separación entre las aletas se traduce en un mayor número de ellas por unidad de longitud, lo que equivale a una mayor superficie de intercambio entre el aire y el refrigerante y, en consecuencia, un mayor rendimiento del evaporador; pero en temperaturas negativas es preferible que la separación entre las aletas sea grande para evitar que la escarcha se acumule entre ellas y dificulte la circulación del aire, disminuyendo el rendimiento del evaporador. Los catálogos de los fabricantes indican la aplicación y la separación entre aletas, como por ejemplo recogemos en la tabla correspondiente a evaporadores de FRIMETAL.
Tabla. 2: Características de un evaporador FRIMETAL.
CUESTION 2: En la imagen aparecen dos evaporadores en los que puedes apreciar distintas distancias entre aletas. ¿Sabrías decir cuál de ellos es más indicado para aplicaciones de baja temperatura? Razona la respuesta.
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SOLUCCION: De los dos evaporadores mostrados en las imágenes, el más indicado es el que tiene mayor distancia entre aletas. Si la distancia entre aletas es muy pequeña, la formación de escarcha podría impedir la circulación del flujo de aire.
Cuando la relación entre la longitud del tubo y su diámetro interior es muy elevada, las pérdidas de carga pueden resultar considerables y para disminuirlas, se divide el recorrido total en varios circuitos en paralelo, todos ellos con idénticas dimensiones, de modo que la superficie total de evaporación sea la necesaria. Todos estos circuitos se alimentan desde una misma válvula de expansión provista a su salida de un distribuidor de líquido (figura 10) y de un colector para recoger el refrigerante procedente de los distintos circuitos conectados en paralelo. Con esta solución se minimizan las caídas de presión a lo largo del evaporador.
Fig. 10: Evaporador con circuito múltiple y distribuidor de líquido (Frimetal).
A fin de que el reparto sea eficaz, todos los circuitos deben tener las mismas características, tanto físicas, como desde el punto de vista de circulación del fluido y de carga térmica. En la figura 11 aparecen distintos distribuidores de líquido. Fíjate como uno de ellos lleva una toma para poder realizar una conexión para el desescarche por gas caliente o en instalaciones con bomba de calor. El distribuidor de líquido se instala en posición vertical generalmente, aunque existen algunos modelos que permiten su instalación de forma horizontal.
Fig. 11: Distribuidores de líquido (Parker)
La razón de la posición vertical del distribuidor es reducir o eliminar el efecto que provoca la gravedad en el caso de posición horizontal, ya que a la salida de la válvula tenemos una mezcla de líquido y vapor y el líquido es más denso que el vapor. En la figura 12 vemos el efecto que provocaría la posición del distribuidor sobre el refrigerante. Generalmente se recomienda colocar el distribuidor en posición vertical ascendente. Fig. 12: Efecto sobre el reparto de refrigerante en el distribuidor
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VENTAJAS: Permiten una distribución de temperatura homogénea a la salida del evaporador y un mejor aprovechamiento de su superficie. INCONVENIENTE: originan una considerable pérdida de presión.
Por último, en los catálogos técnico-comerciales los evaporadores aparecen agrupados atendiendo a su forma, la cual va a estar condicionada por la altura disponible en el interior de la cámara. Así pues, atendiendo a su forma, los evaporadores pueden ser: Los evaporadores cúbicos tienen muy buen rendimiento, ya que el aire los atraviesa sin cambiar de dirección, pero tienen el inconveniente de que sobresalen mucho del techo, por lo que no son adecuados para cámaras de poca altura. Los evaporadores de plafón ocupan menor altura, pero debido a que el aire entra en vertical por la parte inferior y sale en horizontal por uno de sus laterales, este cambio de dirección disminuye ligeramente su rendimiento. Los evaporadores murales impulsan el aire en horizontal a distintas alturas, lo que permite una buena circulación del aire cuando el género se almacena en bandejas o palés que dificultan el movimiento del aire en dirección vertical.
Fig. 13: Tipos de Evaporadores (FRIMETAL).
4. EVAPORADORES CONGELADORES
Existen diferentes tipos evaporadores englobados englobados dentro de este tipo, de los que vamos a estudiar:
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Fabricadores de hielo Son pequeños evaporadores como por ejemplo los evaporadores domésticos. Se fabrican partiendo de dos chapas de aluminio, en las que se deposita una pasta especial antiadhesiva siguiendo un trazado grabado sobre la misma (ver figura 14). Ambas chapas se superponen una sobre la otra y se obtiene así un panel homogéneo con un trazado interior, según el circuito previsto. La entrada y salida se sueldan a tubos de conexión.
Fig. 14: Evaporador fabricador de hielo
Acumuladores de frío Son útiles cuando las necesidades frigoríficas son más elevadas en determinadas horas del día y más bajas en otras. Entonces puede que no resulte rentable el empleo de una máquina cuya potencia corresponda a la demanda de las horas punta. En este caso puede ser mejor emplear una máquina de potencia intermedia, de modo que el exceso de producción en las horas bajas sirva para formar hielo que se acumula como reserva de fr ío, para su empleo posterior. Para conseguir esto se emplean evaporadores especiales, semejantes a los enfriadores de líquidos tipo parrilla, con una separación entre tubos más amplia, que permite formar un espesor de unos 3 cm de h ielo.
Placas eutécticas Se trata de placas rectangulares, con un serpentín interior cuyos extremos terminan en dos racores, que permiten la conexión a una máquina frigorífica. El espacio que rodea al serpentín, se llena de una solución eutéctica, con un punto de congelación determinado. Se emplean cuando se desea emplear frío acumulado a temperaturas bajo cero, con cargas intermitentes y en espacios pequeños. Generalmente están concebidas para mantener la temperatura de productos ya congelados. La solución eutécnica en el interior de la placa se congela mediante una máquina frigorífica, durante un tiempo de unas 10 horas. Posteriormente se colocan en las cámaras a enfriar y la fusión de la misma mantiene la temperatura de los productos congelados. Estas placas se emplean frecuentemente en contenedores de transporte, vitrinas de ventas ambulantes, etc. De acuerdo con la solución eutéctica empleada se pueden obtener temperaturas de congelación de: -5ºC, -11ºC, -18ºC, -26ºC, 31ºC.
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