SIST. REFRIGERACIN y CLIMATIZACIN

EL CICLO DE REFRIGERACIÓN
Un ciclo básico de refrigeración mecánica se compone de 4 etapas principales :
Compresión
Condensación
Expansión
Evaporación
TÉRMINOS EMPLEADOS
SATURACIÓN : Para el caso del agua y los refrigerantes en particular, es el punto en que se
produce o está por producirse un cambio de estado.
SOBRECALENTAMIENTO : En el caso de un gas o vapor, cuando su temperatura con respecto a
su presión está por sobre la que corresponde, se dice que está " Sobre calentado ".
SUB ENFRIADO : Para el caso de un líquido, si se encuentra a una temperatura inferior a la que
le corresponde de acuerdo con su presión, se dice que encuentra " Sub enfriado ".
Compresión : En este proceso, el compresor toma por la línea de succión el refrigerante
vaporizado en el Evaporador, con una condición de baja presión y baja temperatura, elevando por
el proceso mismo sus condiciones de presión y temperatura, hasta el nivel de "Sobre calentado ".
Los niveles de temperatura y presión alcanzados en el proceso dependerán del tipo de
refrigerante empleado en el proceso, y de la temperatura del medio condensante.
Condensación : Es el proceso por el cual pasa el refrigerante, a continuación de la compresión
para cambiar el estado del fluido, de vapor a líquido.
La rapidez del proceso de condensación, depende de la eficiencia del mismo, o también, del
estado de conservación y limpieza en que se encuentra este intercambiador, y del medio
condensante empleado en esta aplicación. La condensación se puede lograr enfriando el
condensador por :
Aire
Agua
Expansión : La expansión es el proceso por el que pasa el refrigerante, desde la salida del
condensador hasta el evaporador.
En este proceso, el refrigerante líquido entra al dispositivo de expansión, que es una restricción
que involucra varios cambios de las condiciones, que hacen que finalmente el fluido llegue hasta
un punto en que se produce el cambio de restricción hasta un estado de expansión, logrando que
el refrigerante baje su presión y temperatura, que es la condición necesaria para producir el
fenómeno de la refrigeración. Este punto se alcanza dentro de la zona de mezcla líquido- vapor.
Evaporación : Una vez alcanzada la condición de temperatura y presión, el refrigerante dentro del
evaporador está en el punto adecuado para absorber calor, y a la salida de éste ha cambiado
totalmente de estado, de mezcla líquido- vapor a vapor a baja presión y temperatura. Este vapor
es absorbido por la succión del compresor, e iniciar nuevamente el ciclo de refrigeración por
compresión.
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DIAGRAMA
Descarga a Alta
Presión y Temp.
C.L.
C.S.
Condensador
Dispositivo
de expansión
Compresor
Evaporador
Succión a Baja
Presión y Temp.
‰
‰
2
INTERCAMBIADOR
MULTITUBULAR
Condensador Enfriado por Agua
Evaporador enfriador de líquidos
EQUIPOS
1.- COMPRESORES
Tipos de Compresores
Alternativos
Hermético
Semi hermético
Abierto
CENTRÍFUGOS
ROTATIVOS
DE TORNILLO
TIPO SCROLL
DESCRIPCIÓN DE COMPRESORES DE REFRIGERACIÓN
Son máquinas destinadas a tomar gas o vapor, proveniente desde el evaporador a baja
temperatura y baja presión, aplicando el trabajo de compresión necesario, para "bombear" calor de
un punto de baja temperatura a uno de alta temperatura.
ALTERNATIVOS : En general estos compresores funcionan en base a un sistema biela- pistón.
Herméticos : En este tipo de compresor, viene integrado en un solo receptáculo motor eléctrico y
compresor. Esto permite tener un sistema absolutamente sellado.
Semi herméticos : En esta variedad también compresor y motor van integrados en un solo
compartimiento, pero a diferencia del anterior, las partes internas son accesibles, dado que el
cuerpo es accesible, desmontando las tapas que tienen previstas para esta operación.
*) En estos dos tipos sólo pueden usarse con refrigerantes halogenados (R-12, R-22, R.502, etc.)
Abiertos : Estos compresores están separados del motor, por lo que el trabajo para accionarlos
viene desde afuera de él, usando en la mayor partes de los casos motores eléctricos, pero
también puede ser por medio de in motor de explosión, diesel, o turbina.
Este tipo de compresor tiene su mayor aplicación en la actualidad, para sistema con AMONIACO.
CENTRÍFUGOS : Este tipo de compresor se compone de un motor eléctrico, una carcasa o voluta,
y un rodete o rotor en su interior, que es la parte que produce la compresión por efecto centrípeto.
Actualmente se construyen con motor integrado en forma semi hermética.
ROTATIVOS : Se componen de un cuerpo circular con una excéntrica girando en su interior, en
combinación con paletas presionadas por resortes, que en conjunto van haciendo la compresión.
Este tipo de compresor en medianas capacidades de aire acondicionado, ha ido reemplazando al
tipo de compresor hermético alternativo, por su bajo nivel de ruido y menor dimensión.
DE TORNILLO : Se compone de dos ejes con tornillo sinfín girando a alta velocidad dentro
de un compartimiento.
Su uso generalmente está orientado a equipos enfriadores de agua (Water chiller), y para
capacidades mayores.
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Son de tamaño más reducido para su capacidad, en comparación con alternativos y
centrífugos.
SCROLL : Son de construcción similar a los rotativos, pero compuesto por dos platos con resaltes
internos en forma espiral, uno fijo y otro móvil. Sus movimientos son del tipo orbital, lo que quiere
decir que ambos platos no giran uno con respecto al otro, sino que el plato móvil tiene un
movimiento semi circular ayudado, por excéntricas y una guía. Este movimiento hace que un plato
respecto al otro “resbalan” por así decirlo, y de este modo el refrigerante se va “apretando” para ir
comprimiendo el refrigerante.
NOTA : Los compresores en general, trabajan sólo con gases o vapores, dado que éstos no
admiten trabajar con líquidos por ser incompresibles. Sin embargo los tipos tornillo y scroll tienen
una pequeña diferencia a trabajar con líquidos.
2.- CONDENSADORES
Dentro del ciclo, tienen la función de eliminar calor al gas caliente descargado por el compresor, y
convertirlo en líquido para su re- utilización.
El gas descargado tiene condiciones de vapor recalentado, es decir, para la presión a que se
encuentra, está a una temperatura más alta que la saturación, por lo tanto, en el condensador está
presente la eliminación de calor de dos formas: calor sensible para bajar la temperatura a la de
saturación, calor latente para cambiar de fase vapor a fase líquida al refrigerante. El rendimiento
del condensador entonces, tiene que ver con la rapidez con que ocurre todo el proceso.
Tipos de Condensadores
Enfriados por aire
Enfriados por líquido (agua)
Condensadores enfriados por Aire: Usan para la evacuación del calor, corrientes de aire, ya sea
natural, como por ejemplo, refrigeradores domésticos; como también corrientes forzadas por
ventiladores, como el caso de equipos comerciales, hasta equipos de mayor capacidad.
Condensadores enfriados por Agua: La mayor aplicación de estos condensadores usan agua,
proveniente de varias fuentes.
La característica particular de ellos, es que para evacuar calor hacen intercambio con el líquido,
que tiene una transferencia térmica con el refrigerante.
El agua de enfriamiento puede ser obtenida por los siguientes medios:
Agua de la red pública (Agua Potable)
Agua de napas, ríos, lagunas, etc.
Torres de enfriamiento
Condensadores evaporativos
El primer medio tiene dos inconvenientes: 1) el agua una vez utilizada se pierde, con el
consiguiente alto costo de operación, 2) en tiempos de mucha demanda, como el verano, la red
puede resultar insuficiente, puesto que en ese caso baja la presión en el sector.
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El segundo medio puede ser más seguro, pero de todos modos depende de las condiciones
climáticas y geográficas, que en el tiempo pueden cambiar (sequías, terremotos, contaminación
proveniente de otras napas o por infiltración, etc.)
El tercero y cuarto medio es más seguro, puesto que el agua de reposición en el proceso es
mínima.
Torres de enfriamiento : Son equipos compuestos de un gabinete, que contienen: bandeja
recolectora de agua, conjunto de boquillas atomizadoras, sistema de ventilación, sistema corta
gotas para aminorar las pérdidas de agua por arrastre.
En este equipo el agua se deja caer en gotas lo más pequeña posible, para un mejor intercambio
térmico para su enfriamiento. La obtención de estas pequeñas gotas puede ser a través de
boquillas, o bien, por el sistema de salpicadura.
CONDENSADOR ENFRIADO POR AGUA
TIPO TUBOS y CARCAZA
ENTRADA VAPOR
REFRIGERANTE
SALIDA AGUA
ENTRADA AGUA
SALIDA LÍQUIDO
REFRIGERANTE
A su vez la ventilación puede ser natural o forzada. Por razones técnicas, la mayor eficacia se
logra con gotas de boquillas, y por ventilación forzada.
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El agua acumulada en la bandeja recolectora, es enviada mediante bombas hacia el condensador,
retornando a la torre a través del sistema de obtención de gotas.
Condensador evaporativo: Son equipos similares a las torres de enfriamiento, pero con la
diferencia que la condensación se obtiene, instalando sistemas de tuberías de gas caliente dentro
del mismo equipo, y el agua entonces, tiene un circuito más corto a recorrer: entre la bandeja y el
sistema de obtención de gotas.
ESQUEMAS
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Corta gotas
Llovizna
Del condensador
Agua de reposición
Bomba
Al condensador
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CONDENSADOR EVAPORATIVO
Corta gotas
Llovizna
condensador
Bomba
Agua de reposición
3.- EVAPORADORES
Es todo cuerpo o recipiente al que se transfiere calor, con lo cual se vaporiza el refrigerante
líquido, absorbiendo calor de un medio o un cuerpo.
Para un mejor aprovechamiento de este intercambiador, existen diversas formas, construcción,
condiciones de operación, métodos de circulación, tipo de control refrigerante y aplicación.
Los evaporadores se pueden clasificar en dos categorías generales: Mojados y de Expansión
Seca.
Los del tipo mojado están siempre completamente llenos con refrigerante líquido, manteniéndose
el nivel de líquido por lo general con una válvula de flotación.. En este tipo el vapor que se
acumula por la acción de la ebullición del refrigerante, se extrae por la acción del compresor.
Los evaporadores de expansión seca, se alimentan con refrigerante líquido a través de una válvula
de expansión que controla la admisión del líquido al evaporador, con un ritmo tal que todo el
líquido se vaporiza al instante que llega al extremo del serpentín del evaporador.
Para cualquiera de los tipos, la rapidez de alimentación de líquido al evaporador, depende a su
vez de la rapidez de vaporización, y aumenta o disminuye al aumentar o disminuir
respectivamente, la carga de calor sobre el evaporador.
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Tipos de construcción: Los tres tipos principales de construcción de evaporadores son:
De tubo desnudo
Superficie- placa
Tubos con aletas
Inundados
Los dos primeros tipos, algunas veces se clasifican dentro del mismo tipo, como evaporadores de
superficie primaria, ya que toda la superficie de ambos tipos, está más o menos en contacto con el
refrigerante en vaporización.
Para el caso de los evaporadores con aletas, los tubos por donde fluye el refrigerante son la única
superficie de transferencia. Las aletas mismas no contienen refrigerante, y por esta causa, se
consideran superficies secundarias de transferencia de calor, cuya función en el conjunto es
recoger calor del aire circundante y conducirlo a los tubos portadores de refrigerante.
Los evaporadores de superficie primaria del tipo tubo desnudo y superficie de placa, tienen
funcionamiento satisfactorio en muchas aplicaciones operando en cualquier valor de temperatura,
se aplican con mayor frecuencia, en los casos en que la temperatura se mantiene bajo 1 °C y, no
se puede evitar la acumulación de escarcha sobre la superficie la superficie del evaporador. La
acumulación de escarcha en evaporadores de superficie primaria no afecta la capacidad del
evaporador, al grado que ocurre con serpentines de aletas. Además la mayor parte de los
evaporadores de superficie primaria, principalmente el tipo superficie de placa, se limpian
fácilmente y pueden descongelarse con rapidez manualmente, sin detención del sistema, ni riesgo
de reducir la calidad del producto.
TIPO TUBO DESNUDO
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TIPO PLACA
DE TUBOS Y ALETAS
AIRE
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4.- DISPOSITIVOS DE EXPANSIÓN
Son por definición dentro del ciclo de compresión de vapor, controles de flujo refrigerante.
Tipos de Dispositivos de Expansión
Válvula de Expansión Manual : Es un dispositivo que se fija manualmente, por lo tanto, en el
punto que queda fijado, la rapidez del flujo refrigerante a través de la válvula permanece
constante, y no responde a cambios de carga térmica en el evaporador. Su uso está diseñado más
bien como válvula auxiliar, o también como válvula de servicio de corte.
Válvula Automática (presostática) de Expansión : Se compone principalmente de una aguja y
su asiento, un diafragma o membrana de presión y un resorte, que se puede regular su tensión por
medio de un tornillo de ajuste.
Esta válvula funciona para mantener una presión constante en el evaporador, estrangulando más
o menos el paso de refrigerante al evaporador, en respuesta a los cambios de carga del mismo. La
regulación de presión constante resulta de la acción de dos fuerzas opuestas:
La presión del evaporador mismo, 2) La presión del resorte.
Como dice su nombre, la operación de esta válvula es automática, y una vez ajustada la tensión
del resorte a la presión requerida en el evaporador, la válvula operará automáticamente, para
controlar el flujo de refrigerante líquido en el evaporador, de manera de mantener la presión
deseada en él, independientemente de su carga.
Válvula termostática de Expansión : Por su alta eficiencia y facilidad de adaptación a cualquier
tipo de aplicación en refrigeración, la válvula de expansión termostática es la de mayor uso. A
diferencia de la válvula de expansión automática, que se basa en mantener una presión constante
en el evaporador, la operación de la válvula de expansión termostática se basa en el
mantenimiento de un grado constante de recalentamiento de succión en la salida del evaporador,
lo que permite el control posterior para mantener al evaporador completamente lleno con
refrigerante bajo todas las condiciones de carga del sistema, sin peligro de derrame de líquido a la
línea de succión.
Grado de recalentamiento: Cuando un vapor es producido a una determinada temperatura, y
posteriormente es sometido a nuevas ganancias de calor, este vapor elevará su temperatura,
entonces se dice que está "recalentado".
Para el caso de un evaporador, una vez evaporado todo el refrigerante proporcionado por la
válvula de expansión, prosigue una porción de éste suministrando calor extra, entonces el vapor
toma el grado de "recalentado". Este grado de recalentamiento debe ser controlado, porque un
grado de recalentamiento alto es indeseable, debido a que el evaporador pierde eficiencia, dado a
que da menor lugar a la evaporación, y da mucho lugar al recalentamiento.
Un grado bajo de recalentamiento es peligroso, ya que hay mucho refrigerante líquido en el
evaporador, dispuesto a evaporarse, con el consiguiente riesgo de entrada de partes líquidas al
compresor, con altas probabilidades de destrucción de partes en el interior de él.
De todos modos, es deseable un cierto grado de recalentamiento controlado, porque al existir
siempre vapor en la succión, se protege la seguridad del compresor. Por este hecho, las válvulas
de expansión termostáticas vienen de fábrica con grado de recalentamiento calibrado a través del
tornillo de ajuste. Este tornillo debe regularse sólo en condiciones especiales.
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La válvula consta de las siguientes partes:
Aguja y asiento
Diafragma o fuelle de presión
Bulbo remoto cargado con fluido, abierto por un lado al cuello o diafragma a través de un tubo
capilar
Resorte con ajuste de tensión por medio de un tornillo
La operación de la válvula termostática es expansión, resulta de la interacción de tres fuerzas
independientes: 1) La presión del evaporador, 2) La presión del resorte, 3) La presión ejercida por
la mezcla del líquido saturado y vapor en el interior del bulbo remoto.
Las válvulas de expansión se fabrican para igualación interna y para igualación externa.
Las válvulas con igualación interna se usan con evaporadores que provoquen baja caída de
presión entre la entrada y la salida. En esta caso, la presión del evaporador para ajuste de la
misma (se necesitan: presión del resorte, presión del bulbo y presión del evaporador) actúa en
forma directa contra la presión del diafragma.
Las válvulas con igualación externa se usan con evaporadores que provoquen alta caída de
presión entre la entrada y la salida. En este caso, se construyen con una salida extra para
conexión a tubo igualador, que termina en un punto a la salida del evaporador, posterior a la
ubicación del bulbo sensor de la válvula. De este modo, la presión del evaporador será la correcta,
ya que el refrigerante ha llenado totalmente el evaporador, en respuesta a las cargas. Esta válvula
a diferencia de igualación interna, cuenta con una cámara aparte, conectada directamente contra
la acción del diafragma, independiente de la sección de alimentación de la válvula.
Tubo capilar: Es el más simple de los controles de flujo refrigerante. Consiste en un tubo de
pequeño diámetro, que se instala entre la salida del condensador y la entrada al evaporador.
Debido a la elevada resistencia de fricción por la longitud y pequeño diámetro, el tubo capilar actúa
de manera que restringe o controla el flujo de líquido del condensador al evaporador, y a la vez
mantiene la diferencia de presión requerida entre estas dos unidades.
Para el tubo capilar, mientras mayor sea la restricción (mayor longitud o menor diámetro), mayor
será el diferencial de presión.
Un inconveniente de este dispositivo de expansión, es que una vez instalado en un sistema, no
puede ser controlado en caso que la carga sea mayor, o bien, inferior a la carga de diseño. Esto
puede producir sub- alimentación al evaporador, quedando por debajo de la capacidad disponible
del compresor, y se produce una más baja temperatura que la requerida. Como también, puede
quedar sobre alimentado, superando la capacidad de bombeo del compresor, subiendo la
temperatura de evaporación, por sobre la diseñada.
En el caso de una sub alimentación del evaporador, por efecto de una alta resistencia del tubo
capilar, traerá como consecuencia una acumulación de líquido en el condensador, resultando una
reducción de la superficie efectiva de condensación, y como consecuencia un aumento en la
temperatura de condensación.
Por otro lado, si viene cierto que es necesaria la restricción del tubo capilar, para reducir la presión
de evaporación, y a su vez elevar la presión de condensación, con esto se establecerá el equilibrio
necesario del sistema, si el tubo capilar ha sido calculado bien para las condiciones de operación.
Pero un mal cálculo del tubo capilar en cuanto a diámetro o longitud, puede resultar o bien, más
restricción con menor alimentación al evaporador, y menor restricción con sobre alimentación al
evaporador elevando su presión (del evaporador), y peligro de ingreso de líquido al compresor.
También junto con esto, puede entrar gas no condensado al tubo de salida junto con el líquido. Es
obvio, que la introducción de calor latente en el evaporador, en forma de gas no condensado,
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tendrá el efecto de reducir la capacidad del sistema. Además debido al exceso de flujo en el tubo,
el compresor no podrá reducir la presión del evaporador al nivel bajo deseado.
En conclusión, el tubo capilar es bastante aplicable a sistemas con cargas de refrigeración más
estables, de modo que por lo general el sistema está en equilibrio.
ESQUEMAS
Válvula Igualada Internamente
Diafragma
Aguja
Resorte
Tornillo de
ajuste
Bulbo sensor
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Válvula Igualada Externamente
Diafragma
Aguja
Resorte
Tornillo de
ajuste
Igualador externo
Bulbo
sensor
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