Propuesta de sistema de control para cámaras frías

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. TRABAJO DE DIPLOMA Propuesta de sistema de control para cámaras frías.. Autor: Alejandro Arturo García Carrión Tutores: MSc. Robby Gustabello Cogle Ing. Marcelino Lugo Pacheco. Santa Clara 2011 “Año 53 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. TABAJO DE DIPLOMA Propuesta de sistema de control para cámaras frías.. Autor: Alejandro Arturo García Carrión E-mail: [email protected] Tutores: MSc. Robby Gustabello Cogle Prof. Auxiliar, Dpto. Automática Facultad de Ing. Eléctrica. UCLV. E-mail: [email protected] Ing. Marcelino Lugo Pacheco E-mail:.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) Pensamiento. “Habla poco de lo que sabes y nada de lo que ignoras”. Nicholas Leonard Sadi Carnot.

(5) Agradecimientos. A mis tutores: Marcelino y Robby. A la tropa de COPEXTEL: Vladimir, Leodan, Montejo y a los otros. A los profesores de la UCLV. A los trabajadores del departamento de Clima y Refrigeración de COPEXTEL..

(6) Dedicatoria. A todos los que de una forma u otra tuvieron que ver, en mi formación como profesional y ayudaron e influyeron en mi modo de pensar. A los que no son mencionados aquí, no por falta de memoria, sino por carencia de espacio y que saben, además, que tienen un lugar en mi corazón y mente para siempre. A mi mamá, que con tanto sacrificio ha luchado para darme todo lo necesario y más. A mi puro que me ha tirado el cabo cuando he estado apretado. A Laura, que sin su ayuda no hubiese podido terminar. A mis amigos del cuarto: Héctor, Magdiel, El gordo, Laly, Yohan. A mis compañeros de aula y amigos: Yandrey, Lemus, Dennis, Kike, Juan Carlos, Vázquez, Yohan, Alién, Javier, Capó, y los otros. A mis grandes amigos: Roly, Gallo, Sandor, El bala. Este triunfo es de ustedes también..

(7) Resumen El presente trabajo tiene como primicia el diseño de una arquitectura de control que sea muy flexible y permita su utilización en disímiles aplicaciones de producción de frío. Está dirigido fundamentalmente a la industria de congelación y conservación de alimentos. Para el cumplimiento de este objetivo se realizó un estudio de las tendencias en refrigeración a nivel mundial, los ciclos frigoríficos más generales o estándares, el tipo de controladores usados en la automatización, disponibles en el mercado internacional y la compatibilidad de estos con el hardware propuesto. Es necesaria la realización de esta investigación, debido a la vital importancia que tiene el ahorro de energía eléctrica en Cuba, así como la calidad de los comestibles que son suministrados u ofertados al público, por las industrias alimenticias a las diversas instalaciones comerciales. Para la elaboración del mismo se realizaron visitas, entrevistas, se tomaron experiencias de técnicos e ingenieros que trabajan en la instalación de equipos de refrigeración y de sus componentes eléctricos. Además se efectuaron consultas en sitios y páginas web, así como la revisión de cuantiosa bibliografía referente a los temas de refrigeración y automatización en cámaras frías..

(8) Summary. The present work has as firth the design of a control architecture that is very flexible and allows its use in dissimilar applications of production of cold. It is directed fundamentally to the freezing industry and conservation of foods. For the execution of this objective it was carried out a study of the tendencies in refrigeration at world level, the refrigerating most general or standard cycles, the type of controllers used in the automation, available in the international market and the compatibility of these with the proposed hardware. It is necessary the realization of this investigation, because in our country the electric power saving is of vital importance, as well as it is it the quality, in the nutritious industries, of the state of the groceries that they are given or offered the public, in the commercial diverse facilities. For the elaboration of the same one they have been carried out visits, interviews, it has taken technicians' experience and engineers that work in the installation of refrigeration teams and of their electric components. They have been carried out consultations in places and pages web, as well as the revision of a considerable quantity of bibliography with respect to the refrigeration topics and automation in cold cameras..

(9) 1. Índice Introducción……………………………………………………...…………………………4 Organización del informe………………………..…………………………………………..6 Capítulo I: Fundamentación Teórica……….…….……………………...……………….7 1.1 Historia de los sistemas de producción de frío ............................................................. 7 1.1.1 Técnicas y sistemas de producción de frío ............................................................ 9 1.1.2 Sectores y usos finales de la producción de frío .................................................. 11 1.1.3. Refrigeración industrial y la conservación de alimentos ................................ 12. 1.2 Refrigeración por compresión mecánica .................................................................... 13 1.2.1. El ciclo invertido de Carnot ............................................................................ 13. 1.2.2 Unidades de capacidad frigorífica ....................................................................... 16 1.2.3. Ciclo estándar de compresión de vapor .......................................................... 17. 1.2.4. Ciclo real de compresión de vapor ................................................................. 19. 1.2.5. Producción frigorífica por compresión múltiple ............................................. 19. 1.3 Componentes de ciclo de refrigeración ....................................................................... 21 1.3.1 Compresores topología y clasificación ................................................................ 21 1.3.2 Evaporadores. ...................................................................................................... 22 1.3.3 Condensadores ..................................................................................................... 26 1.3.4 Tuberías de refrigerante ....................................................................................... 26 1.3.5 Depósitos ............................................................................................................. 27 1.4 Accesorios, válvulas y dispositivos de control ............................................................ 28 1.4.1. Válvulas .......................................................................................................... 28. 1.4.2 Otros dispositivos de control ............................................................................... 31 1.4.3 Accesorios ............................................................................................................ 33.

(10) 2. 1.4.4 Dispositivos de expansión ................................................................................... 35 1.5 Conclusiones parciales del capítulo……………………….……………………..…..37 Capítulo II: Análisis y Selección del hardware para la automatización de cámaras frías……………………….……………………………………………………………….39 2.1 Componentes que conforman un modelo convencional o estándar de cámaras de refrigeración ........................................................................................................................ 39 2.2 Variables de analógicas y digitales de entrada/salida más importantes consideradas en cámaras de este tipo ....................................................................................................... 40 2.3 Estrategias de control ................................................................................................... 40 Modo de trabajo del compresor .................................................................................... 41 2.4 Bus de comunicación ..................................................................................................... 41 2.4.1 Configuración de comunicación .......................................................................... 41 2.4.2 Arquitectura de comunicación ............................................................................. 42 2.4.3 Posibilidades futuras de la arquitectura de comunicación propuesta .................. 42 2.5 Propuesta de hardware (documentación de los dispositivos o componentes usados para el control) .................................................................................................................... 43 2.5.1 Sensores de temperatura ...................................................................................... 43 2.5.2 Relés industriales ................................................................................................. 46 2.5.3 Fuentes de alimentación....................................................................................... 47 2.5.4 Dispositivo HMI .................................................................................................. 48 2.5.5 Dispositivo PLC ................................................................................................... 50 2.6 Descripción funcional del sistema que se desea implementar……………...………52 2.7 Cunclusiones parciales del capítulo..………………………………………...………53 Capítulo III: Configuración del dispositivo HMI y observación de las ventajas de su utilización ………………………………..…………………………………………………54 3.1 Configuración del mapa de memoria .......................................................................... 54 3.2 Diagramas de flujos realizados para el diseño de un algoritmo de programación . 55.

(11) 3. 3.3 Software usados para la programación del PLC y el dispositivo HMI (panel XGT) .............................................................................................................................................. 55 3.3.1 Software KGLWIN para programación del PLC ................................................ 56 3.3.2 Software Panel Editor para programación de la pantalla XGT ........................... 57 3.4 Dispositivos de regulación, maniobra, control y medida disponibles en el mercado internacional ........................................................................................................................ 61 Temporizadores y retardadores de tiempo .................................................................... 61 Termostatos ................................................................................................................... 61 Presostatos .................................................................................................................... 61 Controladores y reguladores electrónicos ..................................................................... 61 3.5 Análisis de resultados ................................................................................................... 62 3.4.1 Ventajas del hardware propuesto ......................................................................... 62 3.4.2 Desventajas del hardware propuesto .................................................................... 62 3.4.3 Comparación de prestaciones con componentes del mercado internacional ...... 63 3.4.4. Componentes y costo de instalación ............................................................... 64. Los componentes necesarios para el montaje del panel o pizarra de control para el hardware seleccionado y su costo son los que se exponen en la tabla 3.2. .................. 64 3.4.5. Conexiones internas del panel de automática ................................................. 65. Conclusiones……………………………………………………………..………………..66 Recomendaciones…………………………………………………………………………67 Anexos……………………………………………………………………………………..68.

(12) 4. Introducción. El desarrollo científico-técnico en el entorno universal ha impulsado el uso de las tecnologías que se modernizan y cambian continuamente cada vez a mayor velocidad, influyendo en la competitividad de las empresas en el mercado mundial. Esta realidad llega a la sociedad empresarial cubana ligada a un mundo globalizado y dominado por potencias económicas las cuáles imponen sus estrategias en detrimento del grupo de países más pobres. Dadas estas premisas del actuar del estado socialista, las empresas cubanas están obligadas a la búsqueda de una mayor eficiencia y productividad en los procesos que ejecutan ya sean de producción o prestación de servicios, ello permitirá avanzar inexorablemente, en el desarrollo económico y social de la nación, utilizando las nuevas tecnologías en la medida de lo posible y maximizando los beneficios al alcance de su realidad. En Cuba anualmente son comprados equipos de distintas tecnologías a diversas compañías, algunos de estos caducan con rapidez o son dejados de producir, mientras que en el país siguen en uso, luego por la falta de piezas de repuesto, quedan inutilizables o simplemente no se les da el empleo adecuado. Este es el caso de varias unidades de refrigeración que son instaladas en frigoríficos, hoteles, industrias alimenticias, entre otros centros de producción y/o servicios. La posible descomposición de un sistema automático induce la exposición de las cámaras de refrigeración a grandes períodos de trabajo provocando un gasto energético adicional. Esto implica un gasto económico considerable, debido que al descomponerse uno de estos equipos, si la compañía proveedora cambió la línea de producción o dejó de suministrar las piezas que se puedan necesitar en caso de alguna avería, no queda otra alternativa, que sustituir, o cambiar el equipamiento completo. En busca de una alternativa eficaz siendo consecuentes con lo anteriormente planteado la Gerencia de Clima y Refrigeración de la empresa de COPEXTEL de Villa Clara solicita al departamento de Soluciones Informáticas, que presta el servicio de automatización, la.

(13) 5. realización de un estudio sobre sistemas de control para cámaras de refrigeración, teniendo en cuenta que muchas de las averías son ocasionadas porque el sistema automático tiene un fallo o viene con algún desperfecto de fabricación que con el paso del tiempo provoca el colapso de una parte del sistema de refrigeración, siendo esta la situación problémica detectada para el desarrollo de la presente investigación. Requiriendo plantearse el problema científico siguiente: la carencia del uso de las tecnologías de automatización, obliga a una operación manual de las unidades de refrigeración, lo que se traduce en mayor gasto de energía eléctrica y en una baja calidad del almacenamiento de los alimentos. Para dar solución a este problema se propone la hipótesis de investigación siguiente: el diseño de una estructura de hardware flexible, que sea fácilmente adaptable a cualquier dispositivo de refrigeración que requiera de una automatización, favorece la optimización del funcionamiento de los mismos. La hipótesis quedará demostrada si se logra cumplir el objetivo general que consiste en diseñar una arquitectura de control automático con el equipamiento que se comercializa en el país que permita la optimización del funcionamiento de las cámaras frías en correspondencia con las disponibilidades de los controladores existentes en el mercado internacional. Del objetivo general se derivan los objetivos específicos: 1. Recopilar la información básica necesaria sobre los temas relacionados con refrigeración en general y cámaras frías en particular, para el desarrollo del presente proyecto de ingeniería y los que posteriormente se determinen de acuerdo a las necesidades de la gerencia de clima de COPEXTEL en Villa Clara. 2. Diseñar el hardware y seleccionar el equipamiento que será utilizado. 3. Determinar el HMI a utilizar y realizar la configuración del mismo..

(14) 6. Organización del informe El trabajo se estructuró en portada, resumen, índice, introducción, desarrollo divido, en tres capítulos con varios epígrafes y subepígrafes, conclusiones, recomendaciones y anexos. La investigación esta encaminada a mejorar el funcionamiento de los ciclos de refrigeración de las cámaras frías. Para ello se utilizaron numerosas técnicas y herramientas como: entrevistas a profundidad, análisis económicos, revisión de documentos etc. Los capítulos quedarán de la siguiente forma: El capítulo uno (Fundamentación teórica), expondrá los fundamentos teóricos necesarios para la comprensión del funcionamiento de los ciclos de refrigeración, así como las distintas configuraciones de estos, los dispositivos físicos-mecánicos, electrónicos y de control más comunes, que los componen. El capítulo dos (Materiales y métodos), explicará los componentes seleccionados para el diseño y propuesta de un hardware que cumpla con los requerimientos de automatización de las cámaras frigoríficas convencionales. También ilustrará la configuración y estructura de comunicación. El capítulo tres (Análisis de resultados), abordará todo lo concerniente software que serán utilizados en la programación del autómata y el dispositivo HMI, las características de los programas desarrollados, las prestaciones, ventajas y desventajas del hardware diseñado. Se hablará de los dispositivos electrónicos de control existentes en el mercado internacional, la comparación,. de. estos,. en. cuanto. a. costos,. con. el. hardware. propuesto..

(15) 7. Capítulo I Fundamentación teórica. Un elevado por ciento de la energía que se consume en nuestro planeta está dedicado a la producción de frío. Este capítulo está dirigido al análisis de los aspectos teóricos más significativos, relacionados con este tema, y será encaminado mediante su desarrollo al estudio de los sistemas de producción de frío por compresión de vapor, en el sector industrial y comercial, específicamente, en la exposición de las particularidades de las cámaras de refrigeración para la preservación o congelación de alimentos. Este cuenta con cinco epígrafes que abordan la historia de la refrigeración, las técnicas de producción de frío, sectores y usos finales de la refrigeración, la refrigeración por compresión mecánica, donde se explica el ciclo de Carnot, los componentes y accesorios más usados en la construcción de las unidades de refrigeración y los dispositivos de control, para la optimización su funcionamiento. 1.1. Historia de los sistemas de producción de frío. La historia de la refrigeración ha sido tratada por varios autores como (Fernández, 2011; Puebla, 2005) que coinciden en que es tan antigua como la civilización misma. Se pueden distinguir dos períodos: 1. Refrigeración natural. Relacionada totalmente con el uso del hielo. 2. Refrigeración artificial. Mediante el uso de máquinas. Refrigeración natural: Hacia el año 1.000 AC, los chinos aprendieron que el uso del hielo mejoraba el sabor de las bebidas. Cortaron hielo en invierno y lo empacaban con paja y aserrín y lo vendían durante el verano. Por la misma época, los egipcios utilizaron recipientes porosos colocándolos sobre los techos para enfriar el agua, valiéndose del proceso de enfriamiento que generaba la brisa nocturna. Durante el imperio Romano, estos hacían bajar nieve y hielo de las montañas por cientos de kilómetros, colocándolos en pozos revestidos de paja y ramas y los cubrían con madera. Durante la edad media los pueblos aprendieron a enfriar las bebidas y alimentos, observando que durante el invierno los alimentos se conservaban mejor. En 1626, Francis Bacon trató de preservar un pollo llenándolo con nieve..

(16) 8. Refrigeración artificia La utilización del frío es un proceso muy antiguo; en el siglo XII los chinos utilizaban mezclas de salitre con el fin de enfriar agua; los árabes en el siglo XIII utilizaban métodos químicos de producción de frío mediante mezclas; en los siglos XVI y XVII, investigadores y autores como Boyle, Faraday (con sus experimentos sobre la vaporización del amoníaco) entre otros, hacen los primeros intentos prácticos de producción de frío. En 1834, Perkins desarrolla su patente de máquina frigorífica de compresión de éter y en 1835 Thilorier fabrica nieve carbónica por expansión; Tellier construyó la primera máquina de compresión con fines comerciales, Pictet desarrolló una máquina de compresión de anhídrido sulfuroso, Linde otra de amoníaco, Linde y Windhausen la de anhídrido carbónico, Vincent la de cloruro de metilo, Carré fue el propulsor de la máquina frigorífica de absorción y Le Blanc-Cullen-Leslie la de eyección. En 1930, químicos de Dupont desarrollaron los refrigerantes halogenados. Desde entonces se creyó haber encontrado en los refrigerantes halogenados la panacea en la refrigeración por su seguridad, no toxicidad, no inflamabilidad, bajo costo y fácil manejo, entre otras ventajas. No fue sino hasta los años 80 cuando los científicos advirtieron sobre los efectos dañinos de algunos productos químicos sobre la capa de ozono en la Antártica, preocupación que condujo a la investigación y selección de las sustancias potencialmente activas que podrían estarlos generando. Desde entonces, los refrigerantes halogenados principalmente (aunque no son los únicos), quedaron señalados como los causantes de tales efectos. Desde el punto de vista de sus aplicaciones, la técnica del frío reviste un gran interés dentro de la evolución industrial a que obliga la continua alza de la vida. La refrigeración tiene un amplísimo campo en lo que respecta a la conservación de alimentos (Barcos congeladores de pescado en alta mar, plantas refrigeradoras de carnes y verduras), productos farmacéuticos y materias para la industria (Plantas productoras de hielo, unidades de transporte de productos congelados, barcos, aviones, trenes, camiones, etc.), en sistemas de acondicionamiento de aire y calefacción, etc. Esto da una idea del grandísimo interés universal que reviste el frigorífico industrial desde el punto de vista económico, humano y social (Puebla, 2005)..

(17) 9. 1.1.1 Técnicas y sistemas de producción de frío Hablar de producción de frío es un tema muy amplio; existen diversos procedimientos que permiten su obtención, basados en el hecho de que si entre dos cuerpos existe una diferencia de temperaturas, la transmisión de calor de uno a otro se puede efectuar por conducción y radiación. Procedimientos químicos: están basados en el uso de determinadas mezclas y disoluciones que absorben calor del medio que las rodea; se trata de procesos no continuos, de nulo interés y aplicación prácticos, sólo aptos para determinados trabajos de laboratorio. Procedimientos físicos: se puede conseguir un descenso de temperatura mediante procesos físicos, como la expansión de un fluido en expansores y en válvulas de estrangulamiento, fundamento de las actuales máquinas industriales de producción de frío; este tipo de sistemas admite la siguiente clasificación: Sistemas basados en el cambio de estado de una sustancia En estos sistemas interviene el calor latente del cambio de estado y se puede hacer la siguiente subdivisión: Por fusión, en que la producción de frío, o lo que es lo mismo, la sustracción de calor a la carga a refrigerar, se utiliza para pasar a una sustancia del estado sólido al de líquido; está muy extendida la fusión del hielo, o de mezclas eutécticas, que al cambiar de estado captan calor del entorno. Por sublimación, en que el paso se efectúa de sólido a gas mediante la adición de calor, siendo el ejemplo más representativo el anhídrido carbónico, para la producción de nieve carbónica. Por vaporización, en donde se engloban todos los procesos en los que un líquido pasa a fase de vapor al suministrársele una cierta cantidad de calor, pudiéndose distinguir dos casos: Circuito abierto (vaporización directa), en donde el fluido capta el calor de la carga a enfriar y una vez ha modificado su estado ya no se vuelve a utilizar; este es el caso de algunos transportes que utilizan nitrógeno como medio de producción de frío. Circuito cerrado, en que a diferencia del anterior, el fluido se recupera con vistas a ser utilizado en un proceso cíclico. Como característica general de estos métodos, hay que hacer un aporte de energía al sistema y utilizar fluidos que vaporicen a baja presión. (Ospino, 2011).

(18) 10. Clasificación Las máquinas frigoríficas se pueden clasificar, según el sistema utilizado para la recogida de vapores, en la siguiente forma: Máquinas de adsorción, en las que los vapores son captados mediante un absorbente sólido. Máquinas de absorción, en las que los vapores que se forman añadiendo calor al sistema, son absorbidos y recuperados mediante un absorbente líquido. Máquinas de compresión, en las que los vapores son aspirados y comprimidos mediante un compresor y licuados en un condensador; los compresores pueden ser de émbolo o rotativos, con o sin refrigeración intermedia. Los equipos frigoríficos a base de compresores de émbolos y funcionamiento automático, son los que se utilizan casi exclusivamente en los frigoríficos industriales. (Ospino, 2011) Máquinas de eyección, en las que los vapores son arrastrados por el efecto Venturi que genera el paso de otro fluido a gran velocidad. Sistemas basados en la expansión adiabática de un fluido gaseoso En estos sistemas se consigue el enfriamiento del mismo, mediante dos tipos de máquinas, a) Para la producción de aire líquido, (efecto Joule-Thomson) b) Las máquinas refrigeradoras de aire, en las que el aire comprimido al expansionarse en un expansor (turbina o cilindro de trabajo), se enfría, realizando al mismo tiempo un trabajo, que puede ser aprovechado para la compresión del aire. (Ospino, 2011) Sistemas basados en la elevación de la temperatura de un fluido frigorígeno En estos sistemas se utiliza un fluido frigorígeno (salmuera) que previamente se ha enfriado por algún tipo de procedimiento; durante el enfriamiento de la salmuera no se produce cambio de estado en la misma, ni tampoco cuando ésta capta calor del producto a enfriar, por lo que el calor eliminado de la carga lo toma la salmuera en forma de calor sensible. Métodos especiales: existen otros métodos en los que la producción de frío se obtiene por técnicas distintas de las anteriormente descritas, pudiéndose enunciar, entre otras, las siguientes: Efecto Peltier (Termoeléctrico): este método está basado en el fenómeno que tiene lugar al pasar la corriente eléctrica por un circuito compuesto por dos conductores distintos, unidos por un par de soldaduras..

(19) 11. Al pasar la corriente eléctrica por el circuito, una de las uniones se enfría, pudiéndose utilizar como fuente fría, mientras que la otra se calienta. Efecto Haas-Keenson: es un método que permite alcanzar temperaturas próximas a 0°K, menores de 0,001°K, mediante la desimantación de una sal paramagnética. El proceso de descenso de la temperatura se inicia enfriando previamente la sal mediante helio líquido; una vez alcanzado el nivel térmico deseado, se somete a la sal a la acción de un campo magnético muy potente que orienta sus moléculas, lo que origina un desprendimiento de calor que se elimina a través del gas licuado; una vez conseguida la eliminación del calor se aísla la sal y se desconecta el campo magnético, con lo que las moléculas de la sal vuelven a su estado inicial, para lo que se requiere un trabajo que, por estar la sal completamente aislada, lo obtiene de su propia energía interna, ocasionando un descenso en la temperatura hasta los límites mencionados. Efecto Ettingshausen (Termo-magneto-eléctrico): según este método, cuando por un conductor circula una corriente eléctrica, en presencia de un campo magnético perpendicular al mismo, el material del conductor se ve afectado por la presencia de un gradiente de temperaturas que se produce en dirección perpendicular a la de los campos, de forma que uno de los extremos del conductor absorbe calor, mientras que el otro lo desprende. Efecto de Ranke-Hilsh (Torbellino): cuando una corriente de aire comprimido se inyecta tangencialmente a velocidad sónica en una cámara tubular, se crea un movimiento circular ciclónico, observándose un enfriamiento del aire en la zona cercana al eje del cilindro, fenómeno que es debido a la expansión de este aire y al descenso de temperatura que provoca; el aire situado en la periferia experimenta un calentamiento. Es un proceso apenas utilizado, restringido al acondicionamiento de equipos y trajes de trabajo en ambientes tóxicos y cálidos. (Ospino, 2011) 1.1.2 Sectores y usos finales de la producción de frío Los principales sistemas de producción de frío por su intensidad de uso son: Sistema de compresión mecánica, que es usado en el 95% de las máquinas productoras de frío a nivel mundial. Sistemas de absorción, mucho menos usado que el anterior; pero es el segundo más usado..

(20) 12. Sectores y usos finales: Comercial: Supermercados, restaurantes, preparación y conservación de alimentos. Industrial: Industria alimentaría, química, farmacéutica, de procesos, preparación y procesado de alimentos, bebidas, fármacos y productos químicos diversos. Doméstico: Frigoríficos, congeladores, conservación de alimentos. Aire acondicionado: Acondicionamiento de aire en edificios e industrias. Confort humano y ambientes controlados. Transportes: aire acondicionado o transporte frigorífico. Confort humano y conservación de alimentos. (Coronel, 2005) 1.1.3 Refrigeración industrial y conservación de alimentos Se verá a continuación la refrigeración industrial aplicada en la conservación de alimentos. Definición de la refrigeración industrial. Una de las características que distinguen la refrigeración industrial es la magnitud de temperaturas operacionales. Así, temperaturas de hasta 15ºC (60F) definen el límite superior, mientras temperaturas de -60ºC a -70ºC (-76ºF a -94ºF) definen el límite inferior. A temperaturas por debajo de -70ºC, se considera la industria criogénica que produce y emplea gases licuados, tal como gas natural, nitrógeno y oxígeno en estado líquido. Si la refrigeración industrial se definiera como tecnología usada en las industrias de alimentos, químicas y de proceso, esta definición incluiría aproximadamente las dos terceras partes de las instalaciones. En lo que resta del apartado referente, se describen las principales aplicaciones de la refrigeración en la elaboración y conservación de alimentos (Stoecker, 1988). Almacenamiento de alimentos no congelados. La conservación de alimentos se prolonga con bajas temperaturas. El tiempo de conservación de varios productos como función de la temperatura se muestra en el (Anexo I). La conservación de alimentos en estanterías es más prolongada cuanto más baja es la temperatura de almacenamiento. La conservación de los productos de la figura anterior, así como casi todas las carnes, de los productos citrícolas, de las frutas y de los vegetales se extiende por medio de bajas temperaturas..

(21) 13. Muchos alimentos se almacenan sin congelar y muy raramente se les congela. Algunos ejemplos son los ilustrados anteriormente (Stoecker, 1988). Algunas temperaturas de almacenamiento recomendadas para la conservación de algunos alimentos, que no se congelan, se muestran en la tabla 1.1: Tabla 1.1: Temperatura de almacenamiento típica de los alimentos. Alimentos congelados. La era moderna se inauguró con el descubrimiento del congelamiento rápido, es decir en horas en vez de días, lo cual atenuó o prácticamente eliminó la formación de microscópicos cristales de hielo en el interior de los productos. Hoy en día, la refrigeración industrial tiene un volumen anual de ventas de 8x10ⁿ, donde n=9, dólares, con más de 1500 productos diferentes (Stoecker, 1988). 1.2. Refrigeración por compresión mecánica. La refrigeración por compresión mecánica es el sistema más usado a nivel mundial para la refrigeración y se utiliza en el análisis del funcionamiento de las cámaras de refrigeración abordadas en este trabajo. En los acápites siguientes se explican los conceptos teóricos necesarios a tener en cuenta para el estudio del mismo (Faires y Simmang , 1983). 1.2.1 El ciclo invertido de Carnot Ciclo ideal de Carnot para la producción de potencia: es el de mayor rendimiento concebible. Es el ciclo ideal más perfecto y constituye una base de comparación para las.

(22) 14. máquinas reales, los ciclos reales y también para otros ciclos ideales. Es considerado la máquina térmica ideal. Ciclo inverso de Carnot: por principio, como el ciclo de Carnot es muy revelador y además reversible (el más eficiente). Si el ciclo se utiliza para refrigeración (ver figura 1.1), el refrigerante es comprimido de modo isentrópico (ab), desde una temperatura baja T1 hasta una temperatura T2, por ejemplo, ligeramente sobre la de algún sumidero natural disponible, T0. Luego, el refrigerante cede calor a cierta temperatura constante T2 a lo largo de (bc). En cierto estado (c), una expansión isentrópica (cd) baja la temperatura hasta T1 que es menor que la temperatura Tr del compartimiento o recinto refrigerado o del cuerpo que va a ser enfriado, de manera que en ese momento pueda fluir calor del recinto al refrigerante, enfriándose este último. El refrigerante recibe calor según la trayectoria (da), y desde ahí se repite el ciclo.. Figura 1.1: Ciclo invertido de Carnot Trabajo: ). (I). Una cantidad positiva, donde: (II) Aun cuando el trabajo realizado sobre un sistema es convencionalmente negativo, en ingeniería es conveniente hacer caso omiso de esto en los casos del trabajo de un ciclo inverso, puesto que el signo sólo indica el sentido del flujo de energía..

(23) 15. El rendimiento o resultado útil del ciclo frigorífico es la refrigeración, que consiste en calor agregado al sistema desde el recinto o compartimiento frío, cantidad representada por el área ndam, en la figura 1.1: ). (III). El coeficientes de funcionamiento u operación [representados por c.d.o., o bien, COP (del inglés, coefficient of performance»), son:. Se le suele llamar COP, EER ó CEE. COP de Carnot sólo es función de las temperaturas de evaporación y condensación. Cuando T2/T1 aumenta COP baja y viceversa. Las temperaturas vienen impuestas por el problema a resolver. Conclusiones del ciclo de Carnot. Es obvio que debe ser mínimo el trabajo W necesario para activar el ciclo, puesto que tiene que ser producido y cuesta hacerlo. Con esto en mente, se llega a ciertas conclusiones importantes, de validez general derivadas del ciclo de Carnot. 1. El trabajo se reducirá conforme disminuya la temperatura T2. En un ciclo de refrigeración, mostrado en la figura 1.2, la temperatura más baja, T0, que se puede obtener mediante un enfriador natural, como la atmósfera o un lago, resulta la más económica. Existe así un límite inferior natural para T2 establecido por T0. En la práctica, T2 es aproximadamente de 3ºC a 10ºC(5ºF a 20ºF) mayor que T0. 2. El trabajo se reducirá conforme la temperatura T1 se eleve. En un ciclo de refrigeración, mostrado en la figura 1.2, llevar a cabo la refrigeración deseada, a una temperatura lo más alta posible, proporciona un ahorro de trabajo. Para congelar el agua, temperaturas por debajo de 0ºC (32ºF) resultan esenciales; pero para enfriar el aire de un acondicionamiento ambiental conviene utilizar temperaturas mucho más altas. 3. Para límites de temperaturas particulares, los cambios de calor deben tener lugar a una temperatura constante para el uso más efectivo del trabajo. En el caso de los refrigerantes gaseosos (vapores), el fluido se hallará a una temperatura constante.

(24) 16. durante gran parte del proceso de transferencia de calor; pero esto no se cumple cuando el refrigerante es un gas que no se condensa (Faires y Simmang , 1983).. Figura 1.2: Ciclo de enfriamiento 1.2.2 Unidades de capacidad frigorífica La definición histórica de la unidad usual de capacidad frigorífica es: la cantidad de calor que debe extraerse para congelar una tonelada (inglesa) de agua a O°C (32°F) y convertirla en hielo a O°C (a 1 atm) en 1 día. Como la entalpia de solidificación del agua es de aproximadamente 144 Btu/lb (80 kcal/kg), se tiene que (144)*(2 000) = 288 000 Btu/día. Esta intensidad constante de efecto frigorífico recibe el nombre de tonelada de refrigeración (TR). Para el caso de otras unidades de tiempo más convenientes que 1 día, tenemos:. En unidades métricas equivalentes se tiene:. Es decir, una planta de 10 ton es capaz de refrigerar a razón de (10)*(200) = 2000 Btu/min (o sea, 500 kcal/min) en los estados de funcionamiento definidos. Un método para expresar la eficacia real de un sistema de refrigeración consiste en indicar los caballos de potencia empleados por tonelada de refrigeración. Sea una capacidad frigorífica de N ton, es decir, 200N Btu/min. Sea P la potencia en hp requerida para dichas N toneladas de refrigeración; entonces el trabajo correspondiente es 42.4P (Btu/min), y el coeficiente de operación (c.d.o., o bien, COP) es:.

(25) 17. Que son los caballos por tonelada de refrigeración (hp/Ton), expresión que sirve para los ciclos reales y los ideales (Faires y Simmang , 1983). 1.2.3 Ciclo estándar de compresión de vapor Sigue siendo un ciclo ideal pero está mucho más cerca de lo técnicamente posible. El modo más común de obtener refrigeración es por el sistema de compresión de vapor, representado en forma esquemática en la figura 1.3. En el caso ideal, todo el flujo es sin fricción, salvo el que pasa por la válvula de expansión, y todos los procesos, excepto los del condensador y el evaporador (recinto frío) son adiabáticos. La figura 1.4 muestra el ciclo de vapor inverso idealizado, 1-2-3-4, en el plano Ts, con números correspondientes a los de la figura 1.3. Partiendo del estado1, el refrigerante en forma de vapor entra al compresor, que puede ser una máquina rotativa o una de movimiento alternativo; se prefiere el estado 1 en la curva de vapor saturado, pero igualmente resultará cualquier otro en el funcionamiento real. La presión P2 debe ser tal que la correspondiente temperatura de saturación se encuentra por encima de la temperatura del sumidero disponible (en general, por encima de la temperatura del cuerpo al cual debe cederse el calor). El condensador generalmente subenfría el líquido en una pequeña cantidad, por ejemplo, de f a 3, figura 1.4. En el estado 3, conforme sale del condensador, el líquido entra a una válvula de expansión o expansor, que es una válvula de estrangulación que separa la región de alta presión de la de baja presión. En 4 (o bien, en 4'), la mezcla con alto contenido de líquido entra al evaporador y absorbe calor QA de los alrededores efectuando la refrigeración, proceso 4-1 (o bien, 4'-1)..

(26) 18. Figura 1.3: Sistema de refrigeración por compresión de vapor. Figura 1.4: Ciclos de refrigeración El diagrama de energía de la figura 1.3 muestra que: , como es costumbre. Si el sistema funciona en flujo constante, con evaporador, entonces Q =. K=0 y W=0 en el condensador y en el. . En el caso ideal, ya sea para una presión constante, como e. la figura 1.4, o bien, para flujo constante (h3 = h4 durante la expansión isoentálpica),.

(27) 19. donde el trabajo se expresa como un número positivo. Observemos que h2 – h1es la diferencia de las entalpías en los extremos de la compresión isentrópica (S1 = S2)' El área m-4-1-n representa la refrigeración y el área n-2-f-3-q, el calor cedido en el condensador. Como en el proceso de compresión real es irreversible hasta cierto estado final 2', figura1.4 (la entropía final en 2' siempre es mayor de lo que sería en el caso del proceso reversible correspondiente), tenemos, para K = 0,. Si la compresión es adiabática, Q = O; de otra manera, la convención usual de signos es válida para Q en la ecuación (e). La eficiencia de compresión es Y/, = W/W' (Faires y Simmang , 1983).. 1.2.4 Ciclo real de compresión de vapor En el ciclo real de compresión de vapor (ver Anexo II, Figura 1), deben cumplirse las condiciones siguientes: La temperatura de evaporación debe ser menor que la temperatura que se desea mantener, cuanto menor depende del dimensionado del evaporador, y la temperatura de condensación debe ser mayor que la temperatura del medio al cual se evacúa calor (depende de nuevo del dimensionado del condensador). Pérdidas de carga en el evaporador, condensador y líneas de refrigerante (típico en un evaporador 15-20 kPa). Recalentamientos y subenfriamientos en las líneas de refrigerante. Compresor no isentrópico (Coronel, 2005). 1.2.5 Producción frigorífica por compresión múltiple Cuando es necesario mantener los productos a temperaturas muy bajas, se debe trabajar con temperaturas de evaporación muy bajas, lo que conlleva una diferencia de presiones grandes entre la presión de condensación y de evaporación, para estos casos los ciclos de.

(28) 20. compresión simple empiezan a tener eficiencias muy bajas, para mejorarla se establece la compresión múltiple. En el presente acápite se estudiará la compresión doble a modo de ejemplo y de ellas puede generalizarse fácilmente la compresión con más de dos etapas. A partir de determinadas relaciones de compresión comienza a ser interesante estudiar la compresión múltiple. Sólo se abordará la compresión doble (por analogía se extrapola a compresión triple, etc.) Existen dos posibilidades de compresión doble: Compresión doble directa. Compresión doble indirecta o en cascada. Compresión doble indirecta o en cascada (ver Anexo II, Figura 2): Se intercalan dos ciclos simples (uno de baja y otro de alta) en el ciclo de baja el condensador cede calor al evaporador del ciclo de alta. El solape de las temperaturas afecta negativamente al COP. Usualmente se utilizan refrigerantes diferentes para el ciclo de alta y de baja para trabajar en rangos de presiones aceptables. El CO2 (R-744) se utiliza como refrigerante de baja, tiene una temperatura de evaporación a 101.3 kPa de -78.5°C. Compresión doble directa. En la compresión directa el mismo refrigerante es el se comprime múltiples veces. Para ello es necesario enfriar los vapores de salida de la primera compresión. La elección de la presión intermedia depende del objetivo perseguido: Podría pretenderse la menor temperatura de descarga o el menor consumo en la compresión. Usualmente se utiliza la media geométrica de las presiones de condensación y evaporación que únicamente garantiza que ambos compresores trabajen con la misma relación de compresión.. Es conveniente estudiar la compresión doble en general cuando la relación de compresión>6: R-717 ∆T>60°C; R-22 ∆T>65°C, donde ∆T=tcond-tevap Posibilidades de ciclo doble directo:.

(29) 21. Ciclo con intercambiador de calor (ver Anexo II, figura 3) Ciclo con inyección directa de refrigerante (ver Anexo II, Figura 4) Ciclo con enfriador intermedio de inyección total (ver Anexo II, Figura 5) Ciclo con enfriador intermedio de inyección parcial (ver Anexo II, Figura 6) Ciclo con múltiples temperaturas de evaporación (ver Anexo II, Figura 7) Los dos últimos casos con los más empleados (Coronel, 2005).. 1.3. Componentes de ciclo de refrigeración. El ciclo de refrigeración está compuesto por un gran número de componentes, como son los compresores, evaporadores, condensadores, las tuberías, depósitos, entre otros. En este epígrafe se realizará la descripción de algunas de las características fundamentales, de los anteriormente mencionados, así como la explicación de su principio de funcionamiento (Coronel, 2005). 1.3.1 Compresores topología y clasificación Clasificación en función de la forma de compresión:  Compresores de desplazamiento positivo o volumétrico: aumentan la presión del vapor de refrigerante reduciendo el volumen interno de una cámara, consumiendo para ello un trabajo mecánico. Alternativos. . Ordinarios.. . Especiales.. Rotativos. . De paletas.. . De excéntrica.. . De espiral (scroll).. . De tornillo (screw)..  Compresores de desplazamiento cinemático o. dinámico: aumentan la presión. convirtiendo presión dinámica en presión estática. Primero se acelera el fluido y posteriormente se frena. Centrífugos. Axiales..

(30) 22. Los compresores más usados en refrigeración industrial son los alternativos y los de tornillo. Para climatización se usan alternativos y de espiral para máquinas pequeñas y alternativos, de tornillo y centrífugos para máquinas de mayor tamaño.. Clasificación de los compresores según el montaje: Herméticos (ver Anexo III, Figura 1): no desmontables, motor eléctrico y compresor en la misma carcasa. . Mínimas fugas de refrigerante.. . Motor eléctrico refrigerado por el gas de admisión. Mejor funcionamiento del motor. Compatibilidad refrigerante-devanados.. Semiherméticos (Hermético Accesible) (ver Anexo III, figura 2): tiene las mismas características que el hermético pero es desmontable para reparación. Abiertos (ver Anexo III, figura 3): el motor y compresor están montados por separado. . Motor separado del circuito frigorífico es muy usado con el amoniaco. (Corrosión del amoniaco al cobre).. . Dificultad de mantenimiento de las juntas: Fugas, desgaste, peor rendimiento mecánico (Coronel, 2005).. 1.3.2 Evaporadores. El evaporador es el componente que lleva a cabo el objetivo de la producción de frío: “Enfriar una corriente fluida o un producto”. Son intercambiadores con cambio de fase del fluido refrigerante que circula en su interior. Tipos de evaporadores: Enfriadoras de líquido: enfrían usualmente refrigerantes secundarios (Agua, glicol, salmueras, anticongelantes) o directamente algún producto líquido (leche, cerveza, siropes, etc.). Estas se caracterizan por la forma de construcción del evaporador que usan: . Evaporador de carcasa y tubos.. . Evaporador de placas..

(31) 23. Enfriadoras de aire (Baterías de frío en expansión directa). . Mucho más abundantes en refrigeración industrial que las enfriadoras de líquido.. Principales componentes: tubos, aletas, bandeja de condensado, carcasa y ventiladores. Tubos: acero al carbono, cobre (No para NH3), aluminio o acero inoxidable), tamaños usuales ½, ¾, 7/8 y 1 pulgadas. Configuraciones en línea o cruzada (mejor h con mayor pérdida de carga). Aletas: mismo o diferente material que los tubos: Cu/Al (Halocarbonos), Al/Al (NH3),. Acero/Acero,. Acero. Inoxidable/Acero. Inoxidable.. (requerimientos. especiales de higiene, contacto directo alimento). Espaciado de aletas: Refrigeración industrial 100 aletas/m Aire acondicionado 500 aletas/m Bandejas de recogida de condensado: Agua líquida y desescarche. Terminología: Circuito, Filas, Profundidad (nº de filas), Área frontal (área libre de paso), Velocidad frontal (vf=V/Af). Descripción: Principales componentes: Tubos, aletas, bandeja de condensado, carcasa y ventiladores (Ver Anexo III, figura 4) Tubos: Cobre (No R-717), acero al carbono, aluminio, cero inoxidable. Diámetros: ½ a pulgadas. Configuraciones en línea o cruzada (mayor h, mayor Δp). Aletas: Placas planas o corrugadas. Cu/Al, Cu/Cu, Al/Al, Acero/Acero..

(32) 24. Separación: 2 a 10 mm (500 aletas/m a 100 aletas/m). Espesores: aprox. 0,2 mm. Parámetros geométricos: Globales: número de filas (Nf), número de tubos por fila (Nt), paso longitudinal (Pl), paso transversal (Pt), longitud del tubo (Lt). De la aleta: espesor (ea), separación (Sa). Del tubo: diámetro interior (Di), diámetro exterior (De). De los circuitos: número de circuitos (Ncirc). Dimensiones exteriores: anchura, altura, profundidad. Áreas: Área frontal = Anchura x Altura ATotal=APrim+Asec ATotal /Ai=3a14 Escarche y desescarche de evaporadores: Cuando la temperatura de la superficie del evaporador es menor de 0°C y menor a la temperatura de rocío del agua, aparece escarcha (hielo) sobre la superficie del evaporador. Efectos de la escarcha: Reducir el paso de aire (el más importante) menor sección libre, menor caudal de aire con más pérdida de carga. 2. Reducir el coeficiente de transferencia de calor, ocurre más debido a la menor velocidad del aire que a la formación de una nueva capa de hielo con una resistencia a la transferencia de calor. Para conseguir una menor formación de escarcha deben utilizarse DT pequeñas y con un espaciado de aletas grande. La bandeja de recogida de condensado debe ser conectada a un sifón de no ser así puede enviarse aire fuera o tomar aire caliente del exterior. Métodos de desescarche: Mediante Aire: cuando la temperatura del espacio es superior a 2°C se para el paso de refrigerante (con o sin ventilador). Largo período de desescarche. 2. Mediante resistencia eléctrica: resistencias eléctricas insertadas en los evaporadores como falsos tubos. Menor coste inicial mayor coste de operación. Se usa para sistemas pequeños..

(33) 25. Mediante gas caliente (Ver Anexo III, Figura 5): el evaporador se convierte temporalmente en un condensador. Funcionamiento normal V-1 y V-2 abiertas, V-3 y V-4 cerrada. Funcionamiento desescarche V-1 y V-2 cerradas, V-3 abierta y V-4 manteniendo una presión equivalente a unos 10°C. Válvula antiretorno (B) para impedir que en funcionamiento normal se congele la bandeja y (A) para evitar golpes de presión sobre V-2. Mediante agua: El segundo método más usado y consiste en pulverizar agua sobre el evaporador parado. Con un flujo de 1 a 1.36 L/s de agua por m² de superficie de evaporador, una temperatura de 16°C para el agua es buena, porque existe mayor temperatura y suficiente niebla. Sobredimensionar la bandeja y línea de recogida de condensado. Tubería de pulverización con inclinación para vaciado (congelación del agua) y válvula de apertura en el exterior de la cámara. Métodos de alimentación de refrigerante. Existen tres modos de alimentación de refrigerantes (Ver Anexo III, Figura 6). Expansión directa (DX) Del evaporador sólo sale vapor usualmente recalentado. Una Válvula de expansión termostática (TXV) controla el caudal de refrigerante para mantener un grado de recalentamiento del vapor (4 a 7°C). Bajo coste inicial. Evaporador inundado Depósito o tanque controlado por una válvula de flotador. Circulación del refrigerante por convección natural. Ventajas: . Superficie mejor aprovecha, mayor h.. . Produce vapor saturado y no sobrecalentado, mayor COP y menor temperatura de descarga).. Inconvenientes: . Mayor carga de refrigerante.. . Mayor coste inicial.. . Acumulación de aceite en el depósito y evaporador que debe ser eliminado..

(34) 26. Recirculación de líquido Igual que el evaporador inundado pero con bombas de recirculación. Usado para grandes instalaciones (Coronel, 2005). 1.3.3 Condensadores Existen una gran variedad de condensadores (Ver Anexo III, Figura7). Enfriados por aire: (intercambiadores a flujo cruzado aleteados con ventiladores axiales). Menor coste inicial y menor coste de mantenimiento. Enfriados por agua: (La mayoría condensan el refrigerante en la carcasa, puede estar conectado a una torre de refrigeración o a una red de agua bruta: pozo, río, etc. También se usan intercambiadores de placas). Menor temperatura de condensación que las de aire debido a que la fuente del enfriamiento es la temperatura de bulbo húmedo en lugar de la de bulbo seco del aire exterior. Cuando la distancia entre el compresor y el lugar donde se evacua el calor es grande, es mejor bombear agua que refrigerante (vapor). Evaporativos: Es el que menor temperatura de condensación consigue. En comparación con el sector del aire acondicionado en refrigeración industrial se usan menos condensadores de aire y más evaporativos (Coronel, 2005). 1.3.4 Tuberías de refrigerante Aquí se mencionan y se explican algunas de las tuberías usadas de acuerdo a su ubicación dentro del ciclo de refrigeración. Tipos de líneas en una instalación de refrigeración industrial: Línea de aspiración: evaporador-compresor, aquí el vapor está a baja presión, esta debe, también estar aislada térmicamente para evitar pérdidas y condensaciones superficiales. Línea de descarga: compresor-condensador, aquí el vapor está a alta presión, y sin aislar (sólo se aíslan por motivos de seguridad). Línea de líquido: condensador/depósito-válvula de expansión, líquido está a alta presión, y sin aislar (subenfriamiento positivo). Otras líneas: Líneas líquido-vapor,... Para dimensionar las tuberías con respecto al diámetro se debe: Minimizar la pérdidas de presión (o carga) para reducir el consumo..

(35) 27. Asegurar unas velocidades mínimas de circulación que garanticen el retorno del aceite a los compresores.. Materiales: Los materiales utilizados son cobre para los refrigerantes halogenados y acero para el amoníaco, usualmente acero al carbono, pero para muy baja temperatura (menor de -46 ºC) se usa acero inoxidable. Aislamiento: Los aislamientos se instalan por dos razones: Reducir las ganancias de calor en las tuberías a baja temperatura (tubería de aspiración). Evitar accidentes en las zonas de paso en tuberías a alta temperatura (tuberías de descarga). Las tuberías de descarga y de líquido no son aisladas, a no ser que sea necesario por razones de seguridad. 1.3.5 Depósitos Los depósitos en los sistemas de refrigeración industrial suelen ser cilíndricos en disposición vertical u horizontal. Las funciones principales de los depósitos son: almacenar líquido y separar el líquido del vapor. Los depósitos deben dimensionarse para que nunca estén completamente llenos ni vacíos. Estableciendo unos niveles máximos y mínimos admisibles (Ver Anexo III, Figura 8). Tipos de depósitos: Recipiente de líquido (Depósito de líquido a alta presión). Enfriadores intermedios o tanques de enfriamiento flash. Depósitos de baja presión para recirculación de líquido (separadores de líquido). Tanques en evaporadores inundados. Separadores de líquido en aspiración (sifones o acumuladores). Depósitos con termosifón (enfriamiento de aceite en compresores de tornillo). Separación vapor / líquido. Es muy difícil (prácticamente imposible) eliminar todo el líquido en una corriente de vapor a la salida de un depósito de separación. Se pretende, por tanto, que sólo las gotas muy.

(36) 28. pequeñas sean arrastradas y que estas posteriormente se evaporen en la línea de succión o en la aspiración del compresor. En el caso de separadores horizontales la clave está en que las gotas tengan un tiempo de residencia (tiempo que tardan en llegar a la superficie del líquido) menor que el tiempo necesario para pasar del conducto de entrada al de salida. Recipiente de líquido a alta presión. Para plantas pequeñas se dimensionan para contener todo el refrigerante del sistema En el proceso de parada las válvulas de alimentación a los evaporadores se cierran y los compresores continúan funcionando y cuando se alcanza el nivel de refrigerante se cierra la válvula de entrada al condensador. En sistemas mayores o con funcionamiento anual. Se dimensionan para: . Contener el volumen de refrigerante de la mayor cámara servida por la planta.. . Almacenar todo el refrigerante que se mueve en la instalación durante un período (por ej. 30 minutos).. Como conclusión podemos decir que mayores dimensiones de depósitos significan mejor protección de los compresores de la instalación, mayor coste inicial y una posible capacidad de reserva si es necesario ampliar la instalación (Coronel, 2005). 1.4. Accesorios, válvulas y dispositivos de control. Aquí se exponen los componentes más importantes que conforman un equipo de refrigeración convencional. 1.4.1 Válvulas Válvulas de corte manuales (ver Anexo IV, Fifura 1): Para interrumpir el flujo manualmente en las líneas de un sistema de refrigeración se emplean válvulas que puedan accionarse sin riesgo de fugas. Las válvulas más seguras para esta aplicación son las válvulas de membrana. Son unidireccionales. Al emplearlas se debe tener en cuenta: rango de temperatura de trabajo, máxima presión de trabajo y rango de presión de la aplicación, diámetro de la tubería y forma de conexión (soldable o con rosca). También pueden emplearse válvulas de bola de cierre rápido, certificadas para empleo en refrigeración, cuya construcción garantiza que no presentarán fuga. Son bidireccionales y tienen la ventaja de que no.

(37) 29. presentan pérdida de carga pues al abrir, su diámetro es igual al de la tubería. Su accionamiento solo requiere un giro de 90º del vástago. Un tipo particular de estas válvulas de accionamiento manual son las llamadas válvulas de servicio que se instalan normalmente una en el lado de baja del sistema y otra en el lado de alta, en el tanque recibidor de líquido. Se construyen con dos o tres vías de acuerdo a la función que desempeñen. Las válvulas de una vía tienen la misma función de las válvulas de membrana o de aguja ya mencionadas pero son menos accesibles para evitar maniobras incorrectas y requieren de una herramienta (preferiblemente una llave de trinquete "ratchet") para su operación. En las válvulas de dos vías se obtienen tres condiciones de conexión de acuerdo a la posición del vástago: . Un circuito cerrado y el otro abierto. Por ejemplo tanque de líquido a línea de líquido.. . La condición inversa a la anterior. Por ejemplo, tanque de líquido a manómetro.. . Las tres vías abiertas. Por ejemplo manómetro midiendo presión del sistema en operación.. Válvulas de solenoide (ver Anexo IV, Figura 2): Las válvulas solenoides son dispositivos que se instalan en las líneas de fluidos (refrigerante, lubricante, etc.) para interrumpir el flujo cuando así lo disponga el accionamiento de un contacto en un circuito de control que alimenta la bobina de la válvula. Pueden ser: soldables, roscadas o de brida "flange"; de distintos diámetros de conexión; con bobinas para distintas especificaciones eléctricas [tensión, frecuencia, AC/DC]; de disposición de orificio normalmente abierto [NA] o normalmente cerrado [NC]; de accionamiento directo o pilotado y para distintas sustancias (líquidos: agua, aceite; gases: aire, refrigerante). . Solenoide de desescarche: se instala en la todas las unidades que emplean el desescarche por gas caliente. Se abre cada vez que se solicita un desescarche. En las unidades más grandes la solenoide acciona una válvula desviadora que controla el paso del gas a través de ella. La solenoide se cierra al término del ciclo de desescarche..

(38) 30. . Solenoide línea de gas: se instala solo bajo condiciones en que se requiera. Está situada inmediatamente después del filtro en la línea de líquido. Viene montada con la misión de interrumpir el paso de líquido cuando la máquina deba pararse por haber alcanzado la temperatura deseada o por un desescarche con resistencias. De esta forma el paro de la unidad se realiza con compresor en vacío.. Válvula desviadora (desescarche) (ver Anexo IV, Figura 3): sirve para desviar el flujo del gas caliente del condensador hacia el evaporador para efectuar el desescarche. Para funcionar debe ser pilotada por una solenoide. Válvulas de retención o antiretorno (check valves) (ver Anexo IV, Figura 4): Sólo permiten flujo en una dirección. Pueden funcionar por gravedad o por muelle. Pueden ser en línea o en ángulo de 90º. En su selección se debe considerar: diámetro de la tubería, presión de trabajo, temperatura de trabajo, forma de conexión (soldada o roscada), caudal que debe manejar y pérdida de carga que va a producir. . Válvula anti-retroceso línea desescarche: esta se instala mayormente sobre el tubo en la línea de desescarche, cuando este se realiza mediante el desvío de gas caliente, a la entrada del evaporador. Sirve para impedir que, al término del desescarche, el líquido que se ha formado en el evaporador, regrese a la línea de desescarche.. Válvulas de expansión (ver Anexo IV, Figura 5): Su objetivo es producir una fuerte caída de presión entre el condensador y el evaporador y controlar el caudal de refrigerante que alimenta al evaporador. Se puede ver como un punto independiente. Reguladores de presión (ver Anexo IV, figura 6): controlar una presión máxima o mínima. . Regulador de presión de evaporación: Impone una presión/temperatura mínima de evaporación.. . Regulador de presión de condensación: Impone una presión máxima de condensación.. . Regulador de presión de aspiración: Impone una presión máxima en la aspiración..

(39) 31. Válvulas de seguridad sensibles a la presión: En circunstancias en que las protecciones provistas por presostatos pudieran llegar a fallar y con el objeto de proteger la instalación contra posibles rupturas catastróficas de recipientes o tuberías, en algunos sistemas se encuentran válvulas de seguridad sensibles a la presión. Estas se colocan estratégicamente en el sistema y al alcanzarse una presión preestablecida descargan el contenido hasta que la presión se reduce al nivel predeterminado en su ajuste. En sistemas cargados con SAO es importante que los sistemas de protección contra sobrepresiones, tales como presostatos e interruptores del sistema funcionen con absoluta seguridad (diseño redundante) para prevenir la actuación de una válvula de seguridad del tipo aquí descrito. Adicionalmente, si la cantidad de refrigerante es muy grande, será necesario que la descarga de la válvula se efectúe a un recipiente seguro, de suficiente capacidad para contener toda la carga del sistema (doble redundancia) (Puebla, 2005). 1.4.2 Otros dispositivos de control Termostatos (ver Anexo IV, Figura 7): Son sensores de la temperatura seca de una cámara que mandan información a las válvulas de solenoide y/o al compresor para producir los ciclos de arranque y parada necesarios. Presostatos (ver Anexo IV, Figura 8): Son esencialmente un interruptor eléctrico accionado por presión. Existen presostatos de baja, de alta, combinados y presostatos de aceite. . Presostato de alta presión: sirve para interrumpir el funcionamiento de la máquina en el caso de que la presión de la instalación sea demasiado elevada. Una vez que ha intervenido, el presostato se rearma automáticamente. El presostato está fijado cerca del compresor y puede ser de dos tipos: de tarado fijo o regulable.. . Presostato de baja presión: interviene, parando la unidad, cuando la presión en el circuito de aspiración desciende por debajo del valor al cual está tarado. También este presostato se encuentra al lado del compresor y puede ser a tarado fijo o regulable. La intervención de este presostato sucede normalmente bien sea como consecuencia de una.

(40) 32. avería, o por un desperfecto de funcionamiento. También bajo condiciones específicas, está previsto el paro del compresor en vacío, el presostato interviene normalmente en dos casos: parada por temperatura de la cámara y parada del compresor durante la fase de desescarche, cuando este se realiza por medio de resistencias. . Presostato ventilador: Este dispositivo se instala solo en casos específicos y se ubica la unidad condensadora al aire libre con temperaturas que pueden alcanzar los 0ºC o menos. El control se realiza del siguiente modo: el presostato está conectado a la línea de alimentación de uno de los ventiladores, del condensador y está en comunicación con la tubería de descarga del compresor; cuando la presión en la tubería es superior al valor programado del presostato, se permite el funcionamiento del ventilador para aumentar la condensación, por el contrario si la presión es inferior, el ventilador se detiene, para evitar una condensación excesiva, el presostato esta fijado al lado del compresor.. Variadores de velocidad: Se usa en sustitución del presostato ventilador, en el condensador de algunas unidades. Cuando se utiliza este dispositivo electrónico, que no controla directamente la presión del gas de descarga del compresor, sino que controla la temperatura del gas ya condensado, se tiene una regulación de la condensación de tipo lineal, no “a escalones” como cuando se emplea el presostato ventilador. En la práctica, cuando este se emplea, no se tiene un funcionamiento ON-OFF del ventilador y su correspondiente oscilación de la condensación alrededor del valor de tarado; en este caso, el ventilador, después de un breve período inicial de asentamiento, se estabiliza a una velocidad que permite mantener constante el valor de condensación deseado o pedido. La sonda del variador se encuentra en el tubo de salida del condensador. Este dispositivo no se usa en todos los equipos. Higrostatos: Elementos para controlar la humedad en las cámaras, se usan en casos muy específicos..