MÓDULO III
MANTENIMIENTO DE CÁMARAS
FRIGORÍFICAS CON CAPACIDAD
HASTA 20 HP
CLAVE: RAMA417
DIRECTORIO
Lic. Josefina Vázquez Mota Secretaria de Educación Pública Dr. Miguel Székely Pardo
Subsecretario de Educación Media Superior M. en C. Daffny Rosado Moreno
Coordinador Sectorial de Desarrollo Académico de la SEMS Biól. Francisco Brizuela Venegas
Director General de Educación en Ciencia y Tecnología del Mar M. en C. Gildardo Rojo Salazar
Director Técnico de la DGECyTM C.P. María Elena Colorado
Coordinadora Administrativa de la DGECyTM Ing. Jorge Jaime Gutiérrez
Director de Operación de la DGECyTM Q.B.P. Francisco Escamilla Rodríguez
CARRERA DE TÉCNICO EN REFRIGERACIÓN Y
AIRE ACONDICIONADO
CLAVE: BTCMARA04
GUÍA DE APRENDIZAJE
MÓDULO III
MANTENIMIENTO DE CÁMARAS
FRIGORÍFICAS CON CAPACIDAD
HASTA 20 HP
CLAVE: RAMA417
Reforma Curricular del Bachillerato Tecnológico
(Acuerdo Secretarial 345)
Componente de Formación Profesional del Bachillerato
Tecnológico
Carrera de Técnico en Refrigeración y Aire Acondicionado
Profesores que elaboraron la presente guía de aprendizaje del módulo III. Mantenimiento de cámaras frigoríficas con capacidad hasta 20 HP: José Mario Julio Iribe Tapia, José Alfredo Ríos Becerril.
Coordinadores de la DGECyTM: M. en C. Gildardo Rojo Salazar Ocean. Víctor Manuel Rojas Reynosa Q.B.P. Francisco Escamilla Rodríguez Biól. José Rodrigo Nava Mora
Edición:
M. en A. Rodolfo Ruiz Martínez
Mantenimiento de cámaras frigoríficas con capacidad hasta 20 HP
Primera edición: 2007
Subsecretaría de Educación Media Superior, SEP
Dirección General de Educación en Ciencia y Tecnología del Mar Dirección Técnica
ÍNDICE
Objetivo
Introducción
9 10
Submódulo I. Diagnóstico del sistema mecánico y circuito eléctrico de
refrigeración 11
1. Compresores 11
1.1 Compresor reciprocante hermético 11
1.2 Compresor hermético con motor monofásico 12
1.3 Compresor hermético con motor de devanado bipartido 13
1.4 Compresor hermético con motor de funcionamiento por capacitor y
arranque por capacitor 13
1.5 Compresor hermético con motor trifásico 14
1.6 Compresor reciprocante semihermético 14
1.7 Compresor reciprocante abierto 15
1.8 Compresor rotativo (de tornillo) abierto 16
1.9 Compresor de caracol hermético 16
1.10 Válvulas de servicio utilizadas en cámaras frigoríficas de hasta 20 hp 16
1.11 Válvulas de servicio para compresores 17
1.12 Válvulas de servicio para tanque recibidor 18
1.13 Válvula de acceso (de pivote) 19
1.14 Control de capacidad en compresores utilizados en cámaras frigoríficas
de hasta 20 hp 20
1.15 Válvulas de control de capacidad internas 21
1.16 Válvulas de control de capacidad externas 21
1.17 Bypass de gas caliente 21
1.18 Consumo de energía con bypass de gas caliente 22
2. Condensadores utilizados en cámaras frigoríficas 22
2.1 Condensadores enfriado por aire 23
2.2 Condensadores enfriados por agua 23
2.3 Condensadores evaporativos 24
2.4 Temperatura de condensación 24
2.5 Gases no condensables 25
2.6 Diferencia de temperatura de condensación 25
3. Control de flujo utilizado en cámaras frigoríficas de hasta 20 hp 26
3.1 Principios del sobrecalentamiento 26
3.2 Efectos del sobrecalentamiento en un sistema de refrigeración simple 27
3.3 Partes principales 31
3.4 Principios de operación 31
3.5 Caída de presión a través del evaporador 34
3.6 Igualador interno 34
3.7 Igualador externo 35
3.8 Usos del igualador externo 37
3.9 Aplicación del igualador externo 38
3.10 Ubicación del igualador externo 39
3.12 Fluctuación (oscilación o cicleo) 42
3.13 Ejemplos de cómo medir el sobrecalentamiento 43
4. Evaporadores utilizados en cámaras frigoríficas de hasta 20 hp 45
4.1 Construcción del serpentín aletado y ventilador 46
4.2 Evaporador de tubo y placa 46
4.3 Descongelación de los serpentines 47
4.4 Deshielo natural 47
4.5 Deshielo por resistencias eléctricas 47
4.6 Descongelamiento por gas caliente 48
4.7 Deshielo manual 48
5. Accesorios mecánicos utilizados en cámaras frigoríficas hasta 20 hp 49
5.1 Accesorios en la línea de descarga 49
5.2. Accesorios en la línea de líquido 52
5.3 Accesorios en la línea de succión 57
6. Tuberías de interconexión del sistema de refrigeración de la cámara
frigorífica 60
6.1 Principios básicos 61
6.2 Materiales de tuberías de refrigerante 61
6.3 Clasificación de las tuberías de cobre utilizadas en refrigeración 61
6.4 Aislamiento de tuberías de succión 62
6.5 Aislamiento de la tubería de líquidos 62
7. Refrigerantes utilizados en cuartos fríos 62
7.1 Clases de refrigerantes 63
7.2 Código de colores para los cilindros de refrigerantes 64
8. Lubricantes en el sistema de refrigeración de cámaras frigoríficas 65
8.1 Lubricantes minerales 66
8.2 Lubricantes sintéticos tipo alquilbenceno 66
8.3 Lubricantes sintéticos tipo polioléster 66
8.4 Compatibilidad de refrigerantes con aceites lubricantes 67
9. Controles eléctricos usados en cámaras frigoríficas 67
9.1 Controles de voltaje de línea y bajo voltaje 68
9.2 Selección del sistema de control 68
9.3 Servicio monofásico 75
9.4 Servicio trifásico 75
9.5 Centro de carga 75
9.6 Dispositivos de protección de los circuitos eléctricos 76
9.7 Capacitor de arranque 76
9.8 Capacitor de funcionamiento (trabajo) 77
9.9 Motores eléctricos utilizados en cuartos fríos 77
9.10 El protector electrónico del motor 80
9.11 Monitor de voltaje trifásico 81
10. Controles para el deshielo de evaporadores 82
10.1 Reloj programador de descongelación 82
10.2 Termostato límite de deshielo con retardo de puesta en marcha de
ventiladores 83
10.3 Disco bimetálico 83
11. Diez consejos para una instalación exitosa 83
Submódulo II. Corregir fallas del sistema mecánico de refrigeración 95
1. Mantenimiento preventivo del sistema mecánico de refrigeración 95
1.1. Unidades motocompresoras 96
1.2. Condensadores 98
1.3. Evaporadores 98
2. Mantenimiento correctivo del sistema mecánico de refrigeración 100 2.1. Localización y reparación de fallas mecánicas del sistema de
refrigeración
100 2.2. Localización y reparación de fallas mecánicas en el compresor 101
3. Recuperar, reciclar y regenerar un gas refrigerante 103
4. Ciclaje corto del condensador 111
5. Carga de refrigerante a un sistema de refrigeración 114
5.1 Carga en fase de vapor 114
5.2 Carga en fase liquida 115
5.3 Cómo se determina la carga apropiada de refrigerante 116
Submódulo III. Corregir fallas en los circuitos eléctricos y electrónicos
del sistema de refrigeración 121
1. Mantenimiento correctivo en los circuitos eléctricos y electrónicos del
sistema de refrigeración 121
1.1 Solución de problemas eléctricos 121
1.2 Análisis de un compresor “muerto” 123
Glosario 125
OBJETIVO
Joven estudiante de la carrera de refrigeración y aire acondicionado, en este semestre continuarás estudiando uno más de los diferentes sistemas de refrigeración, nos referimos a los elementos que integran una cámara frigorífica de hasta 20 hp.
En la presente guía se abordan, en el submódulo I, los contenidos del programa que se refieren a los elementos mecánicos, eléctricos y electrónicos. Esto te ayudará para que de manera teórica, analices, reflexiones y comprendas los elementos que estructuran dicho sistema de refrigeración.
Aunque algunos de estos elementos ya los conoces y entiendes la función que realizan, se tratan el diagnóstico y la falla que presentan en el ciclo de refrigeración y descongelación, además de las precauciones en su instalación. No es vano volver a describir su uso, aunque sea en otro sistema.
De igual forma, en el segundo y tercer submódulos se presentan conceptos teóricos, esquemas, diagramas y figuras que representan el diagnóstico y reparación de una cámara frigorífica de hasta 20 hp. Estos elementos hacen que el material tenga la mejor presentación y calidad. Recuerda joven estudiante que parte de tu formación técnica está contenida en este material. La parte complementaria es aquella que realizarás en la práctica de la refrigeración en combinación con el presente documento. El objetivo es que al concluir el semestre y los submódulos el aprendizaje que hayas adquirido sea de calidad, y que tu formación sea la que te haga competente en el desarrollo y manejo de herramientas y equipos, ya que contarás con las habilidades, destrezas y aptitudes inherentes al campo de la refrigeración y el aire acondicionado.
La descripción de la función, el tipo y las características de los elementos principales y accesorios suplementarios se abordarán en forma arbitraria o continua de acuerdo con el desarrollo del ciclo o estructuración del sistema, de tal manera que se utilicen como un apoyo a tus conocimientos previos para la realización de la práctica.
La guía está elaborada con la congruencia del programa del módulo III; se pretende que su utilización sea para incrementar los conocimientos en el acervo de la práctica de la refrigeración.
INTRODUCCIÓN
Diagnosticar un sistema de refrigeración de cámras frigoríficas con capacidad de 20 hp requiere conocer cómo funciona cada uno de los componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos de los cuartos fríos; además, comprender el funcionamiento en conjunto de todos los elementos que integran el ciclo de refrigeración o deshielo de las cámaras frigoríficas, según sea el caso.
SUBMÓDULO I
DIAGNÓSTICO DEL SISTEMA MECÁNICO Y CIRCUITO ELÉCTRICO DE
REFRIGERACIÓN
Refrigeración.
Ésta es el proceso de quitar energía térmica de donde no se desea y deshacerse de ella en un lugar donde se desee o donde no sea motivo de objeción. La refrigeración mecánica utiliza componentes mecánicos para producir trabajo y transferir calor de un área de baja temperatura a un área de alta temperatura; por ejemplo, si se trata de una cámara frigorífica, desde el interior del cuarto frío hacia el medio condensante (aire, agua o ambos) en el condensador.
Proceso de refrigeración.
La transferencia de calor en el sistema de refrigeración se lleva a cabo utilizando un refrigerante que opera en un sistema cerrado. El sistema de refrigeración se aplica tanto en sistemas refrigerados como en sistemas de aire acondicionado; los primeros están principalmente concebidos para el enfriamiento de productos.
1. Compresores.
El compresor tiene dos funciones en el ciclo de refrigeración por compresión. En primer lugar, succiona el vapor refrigerante y reduce la presión en el evaporador a un punto en el que puede mantenerse la temperatura de evaporación deseada para una aplicación determinada. En segundo lugar, el compresor eleva la presión del vapor refrigerante a un nivel lo suficientemente alto, de modo que la temperatura de saturación sea superior a la temperatura del medio enfriante disponible para la condensación del vapor refrigerante.
Los compresores utilizados en cámaras frigoríficas de hasta 20 hp se clasifican en tres tipos principales: reciprocante, rotativo y caracol (scroll). El compresor reciprocante es el que hasta el momento tiene mayor aplicación en los cuartos fríos. Además, este tipo de compresor puede clasificarse, de acuerdo con su construcción, en hermético, semihermético o abierto.
1.1 Compresor reciprocante hermético
El motor y compresor están contenidos en la misma carcasa metálica soldada, cuya soldadura se efectúa como complemento en la fabricación del compresor. Esta unidad se llama comúnmente compresor sellado, ya que es imposible darle servicio sin cortar el envolvente (figura 1). A continuación se detallan las características de los compresores herméticos soldados:
1. No se puede acceder al interior del envolvente a menos que se corte.
2. Estos compresores sólo los abren talleres especializados en esta clase de trabajo. De otro modo, a menos que el fabricante admita que le sea devuelto el compresor para examinarlo, debe considerarse como un compresor desechable.
3. El eje del motor y el cigüeñal del compresor forman un solo eje.
4. Se consideran normalmente como un componente de baja presión, ya que el refrigerante aspirado entra directamente en el cárter en el interior del envolvente. La línea de
descarga (alta presión) se conecta normalmente a la salida de dicho envolvente, de forma que la unidad sólo puede valorarse por la presión de trabajo de baja.
5. Por lo general, estos compresores se enfrían por el gas de aspiración. 6. Normalmente incorporan un sistema de lubricación a presión.
7. La combinación de motor y cigüeñal hace que adopten casi siempre la posición vertical mediante un cojinete en el extremo final del eje junto a la bomba de aceite. El segundo cojinete se localiza a medio camino del eje entre el compresor y el motor.
8. Los pistones y bielas trabajan hacia fuera del eje, con un ángulo de 90° en relación con él.
FIGURA 1. COMPRESOR HERMÉTICO.
La capacidad de los compresores reciprocantes herméticos utilizados en las cámaras frigoríficas varía desde ¾ a 5 hp, y se ensamblan para trabajar con refrigerantes HCFC o HFC, y con los aceites minerales, alquilbenceno y POE. Para todos los compresores de refrigeración el sobrecalentamiento debe estar entre 4y 11 °C (7 a 20 °F), para garantizar su funcionamiento correcto, independientemente de la aplicación y del tamaño. La lectura de la temperatura debe hacerse en la succión del compresor, aproximadamente a 15 centímetros mismote él.
1.2 Compresor hermético con motor monofásico
El motor monofásico tiene un solo devanado de funcionamiento o fase y, básicamente, no es un motor de autoarranque. Una vez iniciada la marcha, funcionará como un motor de inducción. Con el fin de proporcionarle un par de arranque se equipa con un devanado adicional llamado devanado de arranque, el cual, normalmente, tiene mayor resistencia que el devanado de funcionamiento. Los motores monofásicos se diferencian, principalmente, por los distintos dispositivos de arranque utilizados.
Si la bobina de arranque permanece conectada durante el funcionamiento del motor la dañará el exceso de calor. Por consiguiente, la bobina de arranque se desconecta del circuito cuando el motor se aproxima a la velocidad de funcionamiento, ya sea mediante un relevador de potencia o uno de corriente.
Un relevador de corriente se encuentra normalmente abierto cuando está desenergizado y la bobina está devanada de modo que los contactos se cierren cuando el motor absorbe la corriente de arranque, pero se desconecta cuando la corriente se aproxima a las condiciones de carga total. Por consiguiente, el relevador de corriente únicamente se cierra durante el ciclo de arranque.
Un relevador de potencia se encuentra normalmente cerrado cuando está desenergizado y la bobina está diseñada para abrir los contactos sólo cuando el devanado de arranque genera suficiente voltaje. Debido a que el voltaje o fuerza electromotriz que genera el devanado de arranque es proporcional a la velocidad del motor, el relevador se abrirá únicamente cuando el motor haya arrancado y se aproxime a la velocidad normal de funcionamiento. Estos compresores con motor monofásico, utilizados en cuartos fríos, trabajan con un voltaje de 220 voltios y dos líneas.
1.3 Compresor hermético con motor de devanado bipartido
En un motor de devanado bipartido el devanado de funcionamiento y el devanado de arranque están conectados en paralelo y separados 90°. La bo bina de funcionamiento está devanada con un alambre relativamente grueso, mientras que la bobina de arranque está devanada con un alambre delgado y tiene una resistencia mucho mayor que la bobina de funcionamiento. La combinación de mayor resistencia y desplazamiento físico motiva que la bobina de arranque se encuentre ligeramente fuera de fase con el devanado de funcionamiento, lo que produce suficiente fuerza magnética para hacer que gire el rotor.
El par de arranque de un motor de fase seccional es bajo, la corriente de arranque, elevada, y la eficiencia, relativamente baja. Estos compresores con motor de devanado bipartido, utilizados en cámaras frigoríficas, trabajan con un voltaje de 220 voltios y dos líneas vivas.
1.4 Compresor hermético con motor de funcionamiento por capacitor y arranque por capacitor
Mediante la conexión de un capacitor de funcionamiento en paralelo con el capacitor de arranque (terminales A y T), el motor se ve reforzado porque el devanado de arranque es conectado en fase con el devanado principal después de haberse desconectado el capacitor de arranque, lo cual permite al devanado de arranque soportar parte de la carga de funcionamiento. El capacitor de trabajo refuerza al motor, mejora el factor de potencia, reduce el consumo de corriente, aumenta la eficiencia y disminuye la temperatura del motor. Sin embargo, el motor debe estar diseñado para operar con un capacitor, no puede adaptarse para el funcionamiento y arranque por capacitor.
Normalmente, no se recomienda emplear los relevadores de corriente en motores de funcionamiento y arranque por capacitor, pues existe el peligro de que haya descarga del capacitor de trabajo al capacitor de arranque a través del relevador de corriente cuando éste se cierra. El elevado voltaje acumulado en el capacitor de trabajo puede motivar que se produzca un arco entre los contactos del relevador de corriente y éstos se fundan, lo que provocaría la falla del compresor. En caso de que se utilice un relevador de corriente con un motor de funcionamiento y arranque por capacitor, deberá instalarse una resistencia entre los capacitores de trabajo y de arranque con el fin de evitar, en el arranque, un fuerte flujo de corriente al capacitor de arranque. Esto no sucede en los sistemas equipados con relevador potencial,
puesto que los contactos se encuentran normalmente cerrados en el arranque y el voltaje acumulado en los capacitares de arranque y trabajo es el mismo.
El capacitor de trabajo, conectado en forma continua al circuito, está diseñado para funcionamiento continuo, mientras que el capacitor de arranque se emplea sólo momentáneamente cada vez que el motor arranca, por lo que está diseñado para funcionar en forma intermitente.
Los motores de funcionamiento y arranque por capacitor tienen muy alta eficiencia, alto factor de potencia y un elevado par de arranque; se utilizan en unidades monofásicas que oscilan desde una fracción hasta 5 hp.
1.5 Compresor hermético con motor trifásico
Los motores trifásicos son devanados con tres embobinados separados. Cada una de las bobinas está desplazada 120° con respecto a la otra , así se obtiene un par de arranque muy elevado, por lo que no se necesitan mecanismos ni dispositivos adicionales para el arranque. La dirección de giro del motor puede cambiarse invirtiendo dos de las tres conexiones de la línea. En es tipo de compresores (reciprocantes) no afecta que se invierta la rotación de los motores. El hecho de que los motores trifásicos puedan utilizar cable de menor diámetro y que por ello sean más reducidos, hace que se utilicen en casi todas las aplicaciones superiores a 1 hp (siempre que se disponga de energía trifásica). Las cámaras frigoríficas que utilizan compresores herméticos con motor trifásico trabajan con voltaje de 220 en tres líneas de alimentación. Los motores de tres fases correctamente embobinados, conectados a una fuente de corriente en la cual los voltajes de cada fase están balanceados todo el tiempo, tendrán corrientes idénticas en todas las fases. La diferencia entre los embobinados de motores modernos es normalmente tan pequeña que los efectos en amperaje son mínimos. Bajo una condición ideal, si los voltajes de las fases fueran siempre iguales, un protector de motor sencillo en una de las líneas sería una protección adecuada para el motor contra daños debido al paso de un amperaje excesivo. Los voltajes balanceados no siempre se mantienen, por lo cual la corriente en las tres líneas no siempre es igual.
1.6 Compresor reciprocante semihermético
En la fabricación de los compresores semiherméticos, el motor y el compresor van incorporados en el mismo cárter unido con tornillos.
Este tipo de unidad puede atenderse quitando los tornillos y abriendo el cárter (figura 2):
1. La unidad está atornillada en los puntos que conducen a la realización del servicio y su consiguiente reparación.
2. El cárter normalmente es de hierro fundido; tiene un alojamiento para atornillar el compresor, que también es de fundición. Por lo general, son más pesados que los compresores con envolvente de chapa soldada.
3. El conjunto de motor y cigüeñal es similar al del tipo hermético soldado, con la excepción del cigüeñal, que normalmente es de tipo horizontal.
4. Normalmente incorporan un sistema de lubricación por salpicadura en los compresores más pequeños, y de inyección a presión en los de mayor capacidad.
5. A menudo son enfriados por aire, lo que se reconoce por las aletas existentes en el cuerpo de fundición del cárter, o bien por una cubierta extra de metal en su exterior con el fin de darle una mayor superficie al cárter.
6. La cabeza de los pistones se encuentra normalmente en la parte superior del compresor, o cerca de la misma, trabajando hacia arriba y abajo desde el centro del cigüeñal.
El compresor reciprocante semihermético de disco (discus) permite una tolerancia más estricta en el interior de la parte superior del cilindro, en el llamado espacio muerto. Esta tolerancia de cierre aumenta la eficiencia del compresor debido a que reduce su volumen. Estas válvulas de discos tienen mayor diámetro y permiten que pase más refrigerante por el conducto en menos tiempo. Los compresores reciprocantes semiherméticos utilizados en cámaras frigoríficas de bajo caballaje se embobinan para que trabajen con 220 voltios a dos líneas de alimentación, y los de mayor caballaje se embobinan de fábrica para que sean alimentados a 220 V con tres fases (trifásicos).
FIGURA 2. COMPRESOR SEMIHERMÉTICO.
1.7 Compresor reciprocante abierto
Los compresores abiertos accionados desde el exterior se fabrican en dos sistemas: los que se accionan por transmisión de correas y los de accionamiento directo. Cualquier compresor con accionamiento desde el exterior del cárter requiere un anillo de un sello mecánico en el eje para evitar que el refrigerante se fugue hacia la atmósfera. La disposición de este sello, o anillo obturador, no ha cambiado de forma notoria en muchos años.
Los compresores accionados por bandas fueron los primeros y todavía se emplean de forma notable. En este tipo de unidad, el motor y su eje están en paralelo con el eje del compresor. Obsérvese que, al estar en paralelo los ejes del motor y del compresor, se crea un empuje lateral sobre ambos ejes para tensar las bandas. Este movimiento fuerza ambos ejes, tensión que el fabricante debe compensar por medio de los cojinetes del eje.
Los compresores accionados en forma directa se distinguen de los accionados por transmisión de bandas porque tienen el eje del compresor en contacto directo con el eje del motor. Estos ejes se unen por medio de un acoplamiento entre ellos con una pequeña flexibilidad. Los dos ejes han de hallarse perfectamente alineados para girar en forma correcta. Los compresores reciprocantes abiertos pequeños se mueven mediante motores eléctricos externos con una
alimentación eléctrica de 220 voltios a dos líneas (fases), y a los de mayor tamaño los mueven motores eléctricos con alimentación de 220 V a tres líneas (trifásico), lo que depende de en dónde se utilicen estos compresores. También pueden promoverse con motores de combustión interna, los cuales tienen ejes de acople directo.
1.8 Compresor rotativo (de tornillo) abierto
El compresor de tornillo es otro método mecánico para comprimir el gas refrigerante que se utiliza en instalaciones más grandes. En lugar del sistema clásico de pistón y cilindro, el compresor de tornillo utiliza dos engranes ahusados que comprimen el vapor desde el interior hacia fuera.
El compresor de tornillo va equipado con un motor de tipo abierto en lugar del diseño hermético. El eje va dispuesto con un sello mecánico para que exista hermetismo y el refrigerante no se tire por medio del eje que sale al exterior de la carcasa del compresor. Se utiliza un acoplamiento flexible para conectar el eje del motor con el del compresor. El objetivo es evitar el más ligero fallo en la alineación que pudiese motivar fugas o el desgaste de los cojinetes. Estos compresores se emplean en grandes sistemas. Los refrigerantes que se emplearán pueden ser R-134ª, R-22, mezclas azeotrópicas o mezclas zeotrópicas. Las presiones de trabajo, tanto en los lados de alta como de baja presión del sistema, son las mismas que en los compresores de acción reciproca.
1.9 Compresor de caracol hermético
Los compresores de caracol comprimen el gas entre dos componentes espirales muy ajustados entre sí. Uno de ellos es fijo y el otro se mueve (sin girar) en una trayectoria orbital. Las cavidades que se reducen progresivamente comprimen el gas refrigerante con poca o ninguna vibración.
Se trata de máquinas de desplazamiento positivo con eficiencias volumétricas; en la actualidad están disponibles en tamaños de aproximadamente 2 a 10 hp. En cuanto a capacidad de refrigeración, son aproximadamente 10% más eficientes que un compresor reciprocante comparable.
1.10 Válvulas de servicio utilizadas en cámaras frigoríficas de hasta 20 hp
Con la excepción de pequeños sistemas que utilizan compresores herméticos, casi todos los sistemas de refrigeración tienen válvulas de servicio para revisión operacional y de acceso para mantenimiento.
Los técnicos de servicio de los sistemas de refrigeración deben estar familiarizados con las válvulas manuales de servicio. Estas válvulas permiten sellar parte del sistema mientras se conectan manómetros, se carga o descarga refrigerante o aceite, se realiza vacío, etcétera. Existen varios tipos de válvulas de servicio utilizadas en cuartos fríos. Dichas válvulas pueden tener volantes en sus vástagos, pero la mayoría requiere de una llave para girarlos. Los
vástagos de las válvulas son de acero o de latón, mientras que el cuerpo está hecho de latón o fierro forjado; por lo general son del tipo empacado.
1.11 Válvulas de servicio para compresores
Los compresores abiertos y semiherméticos generalmente vienen equipados con válvulas de servicio. Estas válvulas van atornilladas al cuerpo del compresor, una en la succión y la otra en la descarga. Según el tamaño del compresor, pueden ser de dos o cuatro tornillos, como se muestran en la figura 3. Algunos compresores herméticos también usan válvulas de servicio, pero éstas no van atornilladas, sino soldadas o roscadas a la succión y descarga del compresor.
FIGURA 3. VÁLVULAS DE SERVICIO PARA COMPRESORES ABIERTOS Y SEMIHERMÉTICOS DE 4 Y 2 TORNILLOS.
Las válvulas de servicio para compresor son de doble asiento, fabricadas de tal forma que el vástago sella contra el asiento, ya sea que esté totalmente cerrado o abierto.
Los sistemas de refrigeración de cuartos fríos tienen válvulas de servicio de uso común de una y de dos vías. Las válvulas de dos vías tienen dos puertos, uno puede estar abierto mientras que el otro está cerrado, o ambos pueden estar abiertos.
Las válvulas de dos vías usualmente cierran el flujo de refrigerante en el sistema cuando el vástago se gira por completo en el sentido de las manecillas del reloj. Cuando el vástago se girado totalmente en sentido contrario a las manecillas del reloj, cierra la conexión del manómetro. Cuando el vástago se gira a un punto intermedio, ambos conexiones están comunicadas, lo que permite el flujo del refrigerante, como se muestra en la figura 4. La conexión a la línea de succión o descarga puede ser roscada (flare) o soldable.
FIGURA 4. POSICIÓN DEL VÁSTAGO Y COMUNICACIÓN DE LAS CONEXIONES DE LA VÁLVULA DE SERVICIO.
1.12. Válvulas de servicio para tanque recibidor
En los equipos de cámaras frigoríficas este tipo de válvulas se conoce más comúnmente como “válvula de ángulo”. Están diseñadas para varios otros usos, además de su aplicación en tanques recibidores. Cuando se instalan adecuadamente proporcionan acceso al sistema para servicio. Se fabrican de doble asiento, igual que las del compresor, y con asiento sencillo. Los materiales con que se fabrican los cuerpos de estas válvulas son variados; los hay de latón forjado, fierro forjado, maquinados de barra de latón o de acero. En general son del tipo empacado en su vástago. Los materiales con que se fabrica el vástago son, normalmente, acero inoxidable o acero con un recubrimiento de níquel o cromo; los hay de asiento sencillo o de doble asiento.
La caja de empaques consiste, generalmente, de la tuerca opresora, anillos “O” y rondanas de acero o latón. Sus conexiones inferiores pueden ser roscadas para tubo o soldables, con o sin extensión de cobre. Estas últimas permiten soldarlas con plata, sin temor a que se dañe el empaque.
La conexión lateral también puede ser roscada (flare) o soldable, con o sin extensión de cobre. En las de doble asiento la conexión de servicio es de ¼ flare. En la figura 5 se muestran las partes internas de las válvulas de ángulo con asiento sencillo y otra con asiento doble.
FIGURA 5. VÁLVULA DE ÁNGULO DE DOBLE ASIENTO.
Los tanques recibidores de refrigerante líquido tienen válvulas instaladas, una sobre el tanque, después del condensador (válvula de entrada), y la otra se ubica sobre el recibidor, antes de la línea de líquido (válvula de salida). Estas dos válvulas permiten al técnico desconectar el tanque recibidor del sistema, cargar refrigerante en forma líquida, colectar todo el refrigerante del sistema en el recibidor, etc. Algunos recibidores están equipados con una sola válvula de servicio, la de la salida, con la entrada de una conexión directa al tanque.
1.13 Válvula de acceso (de pivote)
Por lo general, los sistemas de refrigeración con compresor hermético no tienen válvulas de servicio en el compresor. En su lugar, tienen un tubo de proceso o de servicio, al cual se le puede instalar una conexión o válvula de acceso para operaciones de servicio. En algunos casos se retiran estas válvulas cuando se ha completado el trabajo o servicio.
Las válvulas de acceso en los sistemas herméticos tienen varios propósitos:
1. Para medir la presión interna del equipo. 2. Para cargar o retirar el refrigerante del sistema. 3. Para agregar aceite al compresor.
4. Para evacuar el sistema.
5. Cargar nitrógeno para probar fugas.
Otra forma de tener acceso a un sistema hermético es mediante adaptadores al tubo de proceso y por medio de válvulas perforadoras. También pueden instalarse en el tubo de la succión o en el de descarga.
Las válvulas de acceso atornilladas deben estar montadas en un tramo de tubo recto y redondo. Las válvulas de acceso que por lo general se emplean en los sistemas de refrigeración son las de pivote o válvulas de núcleo. Este tipo de válvulas son similares a las que se usan en las llantas de los automóviles, como se muestra en la figura 6. Este tipo de válvula facilita la
revisión de la presión del sistema o la carga de refrigerante sin que haya problemas en la operación de la unidad.
FIGURA 6. VÁLVULA DE ACCESO DE PIVOTE.
Es importante mencionar que cuando se vaya a soldar una válvula de acceso al sistema, ya sea con bronce o soldadura de plata, se debe remover el núcleo para evitar que éste se dañe por el calor. Este núcleo debe reponerse hasta que esté fría la válvula. Todos los tipos de válvulas de acceso tienen tapón, el cual trae un anillo “O” de neopreno para sellar en caso de una fuga.
1.14 Control de capacidad en compresores utilizados en cámaras frigoríficas de hasta 20 hp
En muchos sistemas, la carga de refrigeración puede variar en un amplio margen. Esta variación puede deberse a diferencias en la carga del producto, la temperatura ambiente, el uso, el empleo u otros factores. En tales casos, un control de capacidad del compresor es necesario para el funcionamiento adecuado del sistema.
Una forma sencilla de controlar la capacidad es arrancando y parando la operación del compresor. Esta forma es aceptable con compresores pequeños, pero para grandes rara vez es satisfactoria, ya que se producen fluctuaciones en la temperatura controlada. En condiciones de carga ligera, el compresor puede ciclar en cortos intervalos. En aplicaciones de refrigeración donde el escarchamiento no es problema, los usuarios con frecuencia ajustan el punto de corte por baja presión a un punto más allá de los límites de diseño para evitar el corto ciclaje. Como resultado de este ajuste, el compresor opera por largos periodos con temperaturas de evaporación extremadamente bajas, y puesto que la capacidad del compresor disminuye con rapidez debido a la reducción de la presión de succión, la reducida densidad y velocidad del refrigerante frecuentemente son inadecuadas para regresar el aceite al compresor. La operación de un sistema de bajas temperaturas para lo cual fue diseñado puede también provocar el sobrecalentamiento del motocompresor. Estas dos condiciones pueden cuasar, fundamentalmente, daños y fallas del compresor.
1.15. Válvulas de control de capacidad internas
En la posición de operación normal, con la válvula solenoide desenergizada, la aguja de la válvula está asentada en el puerto más bajo, mientras la cámara del tapón descargador está expuesta a la presión de succión por medio del puerto de presión de succión. Puesto que la cara del tapón está abierta a la cámara de succión, las presiones del gas que cruzan el tapón se igualan y el tapón se mantiene en posición abierta debido al resorte.
Cuando la válvula solenoide está energizada, la aguja de la válvula está asentada en el puerto superior, y la cámara del tapón descargador está expuesta a la presión de descarga por medio del puerto de presión de descarga.
El diferencial entre presión de succión y descarga empuja el tapón hacia abajo, sellando el puerto de succión en el plato de válvulas, lo que previene la entrada de vapor de succión al interior de los cilindros descargadores.
Con el puerto de succión sellado, el cilindro bombea dentro de un vacío hasta alcanzar un punto donde la acción de bombeo ya no ocurre.
1.16 Válvulas de control de capacidad externas
Los compresores con control de capacidad externa tienen una válvula desviadora colocada de tal manera que el cilindro descargador está aislado de la presión de descarga que crean los cilindros cargados. La válvula desviadora conecta el puerto de descarga del cilindro descargador a la cámara de succión del compresor. Puesto que el cilindro y el pistón no hacen nada más que bombear vapor a través del circuito desviador, y manejan solamente vapor de succión, el problema de sobrecalentamiento del cilindro mientras descarga es prácticamente eliminado. Al mismo tiempo, el consumo de energía del motor se reduce en forma sustancial debido a la disminución en el trabajo desarrollado.
Debido a la disminución del volumen del vapor de succión que retorna al compresor desde el sistema y considerando que se emplea para el enfriamiento del motor, el rango de operación de los compresores con descargadores debe restringirse. En general, los compresores con control de capacidad se recomiendan para aplicaciones de alta y media temperatura. Debido al peligro de sobrecalentamiento del motor del compresor en sistemas de baja temperatura, se recomienda el ciclaje del compresor o la desviación de gas caliente.
1.17 Bypass de gas caliente
La variación de capacidad del compresor por medio de la desviación de gas caliente se recomienda en donde se use un compresor normal o donde el uso de descargadores es insatisfactorio. Este sistema es básicamente una desviación del gas de descarga del compresor para evitar que la presión de succión descienda por debajo del ajuste de diseño.
Todas las válvulas desviadoras de gas caliente funcionan con un principio similar. Abren en respuesta a una disminución en la presión del flujo y se modulan desde totalmente abiertas hasta totalmente cerradas para un rango dado. La entrada de gas caliente a alta presión en el lado de baja presión del sistema en una proporción determinada protege al compresor de una disminución en la presión de succión.
El control de ajuste de la válvula puede variarse en un rango amplio por medio de un tornillo de ajuste. Debido al bajo consumo de energía con bajas presiones de succión, la válvula de gas caliente se ajustará para desviar al mínimo la presión de succión con el compresor operando en los límites, lo cual resultará en un funcionamiento aceptable del sistema.
Si un sistema de refrigeración es diseñado e instalado de manera adecuada, las experiencias en el campo indican que el mantenimiento se reducirá mucho si el compresor opera continuamente dentro las limitaciones de diseño del sistema como oposición a los frecuentes ciclajes. Los problemas eléctricos se reducen al mínimo, la lubricación se mejora y se evita la migración de refrigerante.
Por esta razón, en sistemas con evaporadores múltiples, donde la carga de refrigeración es continua pero puede variar en un rango amplio de desviación de gas caliente, es posible proporcionar no solamente un medio eficaz de controlar la capacidad, sino también puede promover una operación más satisfactoria y económica.
1.18. Consumo de energía con bypass de gas caliente
Puesto que el consumo de energía y la capacidad de un compresor se reducen al disminuir la presión de succión, el sistema de control será tal que permita alcanzar las mínimas presiones de succión para una operación satisfactoria antes de que el gas caliente sea bypasseado. En donde se requieran reducciones mayores en la capacidad, la operación económica puede proporcionarse mediante el manejo de la carga con dos compresores. Uno puede operarse para una reducción de energía y capacidad de 50%, mientras tanto la capacidad del compresor que permanece en la línea se regula con el control de gas caliente.
Si verdaderamente no es necesaria la operación continúa del compresor con bypass de gas caliente, habrá un alto consumo de energía del compresor para una carga dada. Casi siempre todos los servicios de electricidad calculan la demanda mensual de la carga basándose en la carga máxima. Puesto que la demanda de carga máxima del motor ocurre cuando la corriente a rotor bloqueado es tomada en el arranque, la carga que demanda el servicio de electricidad puede reflejarse en los requerimientos de arranque del motor más que la carga debida al trabajo. Con la operación continua, una vez que los motores están en la línea, la carga máxima de arranque puede eliminarse, y la reducción en la demanda de carga puede compensar el consumo de energía incrementado en el trabajo.
2. Condensadores utilizados en cámaras frigoríficas
El condensador se ubica del lado de la descarga del compresor. El vapor del refrigerante caliente entra al condensador proveniente del compresor y sale del condensador como refrigerante líquido saturado.
La función del condensador es transferir el calor que ha absorbido el sistema hacia el aire o agua En un condensador enfriado por aire, el aire externo que pasa sobre la superficie del condensador disipa este calor hacia la atmósfera. Si se utiliza un condensador enfriado por agua, ésta será enviada a una torre de enfriamiento donde el calor será transferido a la atmósfera por evaporación. Se utilizan tres tipos de condensadores en los cuartos fríos:
1. Enfriados por aire. 2. Enfriados por agua.
3. Evaporativos, que son una combinación de los dos anteriores.
Realmente, un condensador es una aplicación muy útil de un intercambiador de calor. El calor tomado de diversas fuentes dentro del sistema se expulsa mediante el condensador. Los intercambiadores de calor se fabrican de metal para permitir una transferencia de calor rápida y eficiente. El vapor caliente del refrigerante está en contacto con un lado de la superficie del intercambiador de calor, y el medio de transferencia, como por ejemplo el aire o el agua, del otro lado.
El uso de un condensador enfriado por aire es normalmente la disposición más sencilla, en particular si se localiza fuera del sistema o de la unidad. Aunque el condensador enfriado por agua es más eficiente, su instalación es más costosa. Los condensadores evaporativos se utilizan sobre todo en aplicaciones industriales, y en pocas ocasiones en cámaras frigoríficas menores a 20 hp.
2.1 Condensadores enfriados por aire
El condensador más común es el tubo con aletas en su exterior, las cuales disipan el calor hacia el aire ambiente. La transferencia de calor se lleva acabo de modo eficaz forzando grandes cantidades de aire a través del condensador.
Los condensadores enfriados por aire son fáciles de instalar, baratos de mantener, no requieren agua y no tienen peligro de congelarse en tiempo de frío. Sin embargo, es necesario un suministro adecuado de aire fresco y el ventilador puede crear problemas de ruido en grandes instalaciones. En regiones muy cálidas, la temperatura relativamente elevada del aire ambiente tal vez produzca presiones de condensación elevadas; sin embargo, si la superficie del condensador es adecuada puede utilizarse satisfactoriamente en toda clase de climas. Estos condensadores han sido utilizados en cuartos fríos con gran éxito durante muchos años en áreas cálidas y secas en donde el agua escasea. Y dado el incremento en la escasez de agua en áreas densamente habitadas, el empleo de los condensadores enfriados por aire aumentará sin duda en el futuro.
2.2 Condensadores enfriados por agua
Cuando se dispone de agua de condensación adecuada a bajo costo, son preferibles los condensadores enfriados por agua dado que tienen presiones de condensación más bajas y es posible controlar mejor la presión de descarga. El agua, en especial de manantiales, es generalmente mucho más fría que la temperatura del aire durante el día. Si se utilizan torres de enfriamiento, la temperatura del agua de condensación puede bajarse hasta un punto muy cercano a la temperatura ambiente del bulbo húmedo. Esto permite la continua recirculación del agua de condensación y reduce el consumo de ésta al mínimo.
Los condensadores enfriados por agua pueden ser muy compactos por las excelentes características de transferencia del calor que posee el agua. Se utilizan diversos tipos de construcción, incluyendo el de casco y serpentín, casco y tubo, y tubo dentro de otro tubo. Normalmente, el agua de enfriamiento se desplaza a través de tuberías o serpentines en el interior de una carcasa sellada en la que se descarga el gas caliente procedente del compresor.
Los condensadores enfriados por agua de casco y tubo se utilizan en los sistemas de refrigeración de las embarcaciones camaroneras.
2.3 Condensadores evaporativos
Los condensadores evaporativos se utilizan cuando se desean temperaturas de condensación inferiores a las que se obtienen con condensadores enfriados por aire y en donde el suministro de agua es inadecuado para una intensa utilización.
El vapor de refrigerante caliente fluye a través de tuberías dentro de una cámara con rociadores de agua, ahí se enfría mediante la evaporación del agua que entra en contacto con los tubos refrigerantes.
El agua expuesta al flujo del aire en una cámara con rociadores se evaporará rápidamente. El calor latente requerido para el proceso de evaporación se obtiene mediante una reducción en el calor sensible y, por consiguiente, mediante una reducción de la temperatura del agua. Una cámara de evaporación con rociadores puede reducir la temperatura del agua a un punto que se aproxima a la temperatura del bulbo húmedo del aire.
Puesto que el enfriamiento se realiza mediante la evaporación de agua, el consumo de ésta es únicamente una fracción de la que se utiliza en sistemas de enfriamiento en los que después de utilizarla se descarga a un drenaje. Por tanto, los condensadores evaporativos se emplean mucho en regiones áridas y calientes del mundo.
La corrosión, incrustación y el peligro de congelación son problemas que deben resolverse, tanto en los condensadores evaporativos como en los enfriados por agua. En las torres de enfriamiento y en los condensadores evaporativos debe instalarse un sistema de drenaje continuo para evitar la concentración de contaminantes en el agua de enfriamiento.
2.4 Temperatura de condensación
La temperatura de condensación es la temperatura a la que el gas refrigerante se condensa para convertirse de vapor a líquido; no deberá confundirse con la temperatura del medio de enfriamiento, puesto que la de condensación siempre deberá ser superior para que pueda producirse la transferencia de calor.
Para la condensación del vapor refrigerante que fluye en el condensador, el calor debe salir de éste en la misma proporción en la que entra con el gas refrigerante. El único modo de aumentar la capacidad del condensador, con una serie de condiciones previamente establecidas, consiste en aumentar la diferencia de temperatura a través de sus paredes.
Considerando que un compresor reciprocante es una máquina de desplazamiento positivo, la presión en el condensador continuará aumentando hasta que la diferencia de temperatura entre el medio de enfriamiento y la temperatura de condensación del refrigerante sea lo suficientemente elevada para que se produzca la transferencia de calor. Con un condensador grande esta diferencia de temperatura puede ser muy pequeña. Con un condensador pequeño, o en caso de que el flujo de aire o agua del condensador haya sido bloqueado, la diferencia de temperatura será muy elevada. Esto puede producir altas presiones peligrosas, por lo que es
vital que el condensador trabaje adecuadamente siempre que esté en funcionamiento una unidad de refrigeración.
La temperatura de condensación y, por consiguiente, la presión de condensación las determina la capacidad del condensador, la temperatura del medio de enfriamiento y el contenido de calor del gas refrigerante descargado del compresor, que a su vez es determinado por el volumen, densidad y temperatura del gas descargado.
2.5 Gases no condensables
El aire se compone básicamente de nitrógeno y oxígeno; ambos elementos permanecen en forma gaseosa a todas las temperaturas y presiones que pueden encontrarse en los sistemas de refrigeración. Por consiguiente, aunque estos gases pueden licuarse a presiones extremadamente altas y a temperaturas muy bajas, pueden considerarse como no condensables en un sistema de refrigeración.
Los científicos han descubierto que una de las leyes básicas de la naturaleza es que en una combinación de gases cada uno ejerce su propia presión, independientemente de los demás, y que la totalidad de la presión existente en un sistema es la suma de todas las presiones de los gases presentes. Una segunda característica básica del gas consiste en que si el espacio en que éste se aloja permanece constante, de forma que no puede expandirse, su presión variará directamente con la temperatura. Por consiguiente, si el aire se encierra herméticamente en un sistema con refrigerante, el nitrógeno y el oxígeno añadirán su presión a la presión del sistema y ésta aumentará a medida que se eleve la temperatura. Puesto que el aire no es condensable, normalmente quedará atrapado en la parte superior del condensador y del recipiente. Durante el funcionamiento la presión de descarga del compresor será una combinación de la presión de condensación del refrigerante, más la presión que ejercen el nitrógeno y el oxígeno. La presión que sobrepasa la presión normal de condensación dependerá de la cantidad de aire atrapado, pudiendo alcanzar fácilmente de 2.8 a 3.5 kg/cm2 (40 a 50 lb/plg2) o más. Siempre que un sistema esté funcionando con una presión de descarga elevada y anormal, lo primero que debe buscarse es aire en el sistema.
2.6. Diferencia de temperatura de condensación
Un condensador se elige normalmente para un sistema calculando que disipe la carga del compresor a una diferencia de temperatura deseada entre la temperatura de condensación y la temperatura supuesta del medio de enfriamiento. La mayoría de los condensadores enfriados por aire se elige para funcionar a una diferencia de temperatura (comúnmente llamada DT) de 11 a 17 °C (20 a 30 °F, en condiciones normales de diseño; sin embargo, se emplean diferencias de temperaturas (DT) superiores e inferiores en ciertas ocasiones para aplicaciones especiales.
La diferencia de temperatura con presiones de succión elevadas puede ser de 17 a 22 °C (30 a 40 °F), mientras que a temperaturas de evaporación bajas la diferencia de temperatura no es superior de 2 a 6 °C (4 a 10 °F). La temperatura de condensación de las unidades enfriadas por agua la determina la temperatura del suministro de agua y por el flujo de agua disponible, pudiendo variar de 32 a 49 °C (90 a 120 °F).
Dado la capacidad del condensador, éste debe ser mayor que la capacidad del evaporador. Debido al calor de compresión y la pérdida de eficiencia del motor del compresor, el fabricante los clasifica con respecto a la capacidad del evaporador o recomienda un factor que permita, con respecto al calor de compresión, seleccionar al tamaño del condensador apropiado.
3. Control de flujo utilizado en cámaras frigoríficas de hasta 20 hp
El control de flujo con mayor aplicación en la actualidad en cuartos frío de hasta 20 hp es la válvula de expansión termostática.
Debido a su capacidad para controlar el refrigerante y a su adaptabilidad a las muchas y variadas aplicaciones del ciclo de refrigeración, la válvula de expansión termostática ha jugado un papel importante en el continuo progreso de la industria de refrigeración y su tecnología. Como muchos otros componentes del sistema, el desarrollo de la válvula de expansión termostática ha sido resultado de la evolución técnica. La válvula de expansión termostática, o válvula de termoexpansión, es un dispositivo de medición diseñado para regular el flujo de refrigerante líquido hacia el evaporador, en la misma proporción en que el refrigerante líquido dentro del evaporador se va evaporando. Esto lo logra manteniendo un sobrecalentamiento predeterminado a la salida del evaporador (línea de succión), lo que asegura que todo el refrigerante líquido se evapore dentro del evaporador, y que solamente regrese al compresor refrigerante en estado gaseoso. La cantidad de gas refrigerante que sale del evaporador puede regularse, puesto que la termoválvula responde a:
1. La temperatura del gas que sale del evaporador. 2. La presión del evaporador.
En conclusión, las principales funciones de una válvula de termoexpansión son: reducir la presión y la temperatura del líquido refrigerante, alimentar líquido a baja presión hacia el evaporador, según la demanda de la carga, y mantener un sobrecalentamiento constante a la salida del evaporador.
Debido a que en el nombre dado a este dispositivo se incluye la palabra termo, se tiene la falsa idea de que se utiliza para controlar directamente la temperatura, y muchos técnicos intentan erróneamente controlar la temperatura del refrigerador moviendo el ajuste de la válvula.
3.1 Principios del sobrecalentamiento
Para cualquier otro fluido diferente al agua el comportamiento es similar, sólo que los cambios se llevan a cabo en un rango de temperaturas distinto. En la figura 7 se muestran los cambios que se llevan a cabo cuando se aplica calor al refrigerante 12. Como ya sabemos, la temperatura de ebullición del R-12, a la presión atmosférica, es de –30 °C. De manera similar que al agua, cuando todo el líquido se ha evaporado, cualquier cantidad de calor adicional aumentará la temperatura del vapor por arriba de la de saturación, sobrecalentándolo.
Como podemos ver en la figura 7, para aumentar la temperatura de un kilogramo de R-12 líquido desde –40 hasta –30 °C, su temperatura de e bullición, se requieren aproximadamente 3.9 kilocalorías. Para evaporar todo el kilogramo de R-12 se requerirán 39.4 kilocalorías más, lo que sería el calor latente de evaporación. Si el vapor formado se sigue calentando, el calor
agregado sería calor sensible y sólo serviría para sobrecalentar el vapor. Así, si se eleva la temperatura del vapor hasta –25 °C, tendrá un sobre calentamiento de (–30)–(–25), es decir, 5 °C.
En conclusión, el sobrecalentamiento no es solamente una temperatura, es una diferencia de temperaturas. Su valor es igual a los grados de temperatura que el vapor tiene por arriba de la temperatura de saturación.
FIGURA 7. REFRIGERANTE 12 A LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA.
En la práctica real, los refrigerantes no se trabajan a la presión atmosférica, por lo que el ejemplo anterior sólo ilustra el principio del sobrecalentamiento. También es preciso recordar que las relaciones entre la presión y la temperatura para un líquido son directamente proporcionales; es decir, al aumentar la presión aumenta la temperatura y viceversa. Al reducir la presión de un líquido disminuye su punto de ebullición, y para evaporarlo, se requiere más calor. Por el contrario, cuando se aumenta la presión sobre el líquido, aumenta su temperatura de ebullición. En cada uno de estos puntos, tanto el líquido como el vapor, están en una condición de saturación.
3.2 Efectos del sobrecalentamiento en un sistema de refrigeración simple
Una vez definido el principio básico del sobrecalentamiento, lo que sigue es aplicarlo a un sistema de refrigeración simple, consistente de un compresor, un condensador, un tanque recibidor, un evaporador de expansión directa y el más simple de los dispositivos de control: una válvula de expansión manual.
Para explicar el funcionamiento de la válvula de expansión utilizaremos un sistema de refrigeración con R-134ª. Si al inicio de la operación se abre ligeramente la válvula de expansión manual, alimentará al evaporador una pequeña cantidad de refrigerante líquido a baja presión y a baja temperatura, como se muestra en la figura 8. Como la temperatura del aire que pasa a través del serpentín es más alta que la del refrigerante, este calor causará que primero se caliente y luego se evapore. Como es poco el líquido que está entrando al
evaporador, rápidamente se evaporará todo muy cerca de la entrada (punto A). Si la presión dentro del evaporador es de 18 psig (1.26 kg/cm2), la temperatura de ebullición (saturación) correspondiente a esta presión será de –7 °C.
Una vez en forma de vapor, el refrigerante seguirá su recorrido por el evaporador recogiendo calor sensible, el cual le aumentará su temperatura y lo sobrecalentará. En el punto B se supone que su temperatura es de –1 °C, por lo tanto , su sobrecalentamiento es de 6 °C. A la salida del evaporador (punto C), la temperatura del gas de succión es de 10 °C, por lo que el sobrecalentamiento será la diferencia entre esta temperatura y la de saturación, correspondiente a 18 psig; es decir, 10– (–7) = 17 °C.
Hasta aquí se pueden observar dos características: el sobrecalentamiento es muy alto, ya que para un sistema de este tipo lo normal sería de 5 o 6 °C. Por otro lado, no se está aprovechando al máximo la superficie del evaporador para recoger calor latente, debido a que el refrigerante se evapora casi en la entrada y recorre la mayor parte en forma de vapor, recogiendo calor sensible. Por lo tanto, es necesario alimentar una mayor cantidad de líquido. Para esto es necesario abrir un poco más la válvula de expansión manual. Al entrar más líquido al evaporador, aumentará la presión de succión de 18 a 21 psig, ya que aumenta la carga en el compresor, y por lo tanto, se eleva la temperatura de saturación, como se muestra en la figura 9. Si el aumento del flujo de líquido es tal que se evapora todo en el punto B, el vapor formado recorre menos distancia dentro del evaporador y su sobrecalentamiento será menor. Si la temperatura del gas de succión en el punto C es de 5 °C, el sobrecalentamiento será de (5) – (– 5) = 10 °C, el cual todavía es alto.
FIGURA 8. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN CON ALTO SOBRECALENTAMIENTO.
Si nuevamente abrimos la válvula de expansión manual, pero esta vez lo suficiente para que el evaporador se llene de líquido, como se muestra en la figura 10, se presentarán las siguientes condiciones: aumentan la presión y la temperatura, se reduce la capacidad del compresor, se desperdicia refrigerante y no hay sobrecalentamiento, ya que el refrigerante sale a la misma temperatura que entra. Pero lo más preocupante es la probabilidad de un daño al compresor, debido al regreso de refrigerante líquido.
FIGURA 9. AUMENTAR EL FLUJO REDUCE EL SOBRECALENTAMIENTO.
Por todo lo anterior, se concluye que la condición más adecuada en que debe funcionar un evaporador es que se evapore totalmente el refrigerante un poco antes de salir de éste. De esta manera, se aprovechará al máximo la superficie de transmisión de calor latente, y se asegurará que al compresor le llegue únicamente vapor sobrecalentado. En la figura 11 se muestra esta condición, donde se puede apreciar que el sobrecalentamiento es de 5 °C, lo que es un valor aceptable.
Antiguamente, cuando la válvula de expansión manual era el único dispositivo de control disponible, era muy complicado y tedioso mantener esta condición en el evaporador, debido a las variaciones en la carga térmica. Un operador debía estar casi permanentemente abriendo o cerrando la válvula para mantener el sobrecalentamiento adecuado. En la actualidad, con la válvula de termoexpansión se logra una condición muy aproximada a la ideal, ya que regula de manera automática la alimentación de refrigerante al evaporador, manteniendo un sobrecalentamiento casi constante en la salida.
FIGURA 11. UN FLUJO ADECUADO DA UN SOBRECALENTAMIENTO CORRECTO.
Como se muestra en la figura 12, para que la VTE funcione adecuadamente el bulbo sensor deberá instalarse en una posición correcta en la línea de succión, a la salida del evaporador.
3.3 Partes principales
Las partes principales de una válvula de termoexpansión son: el bulbo remoto, el diafragma, las varillas de empuje, el asiento, la aguja, el resorte, la guía del resorte y el vástago de ajuste. La figura 13, dibujo transversal de una VTE típica, muestra la ubicación de estas partes principales. El vástago de ajuste sirve para variar la presión del resorte. Si se gira en el sentido del reloj, aumenta la tensión del resorte y, por lo tanto, su presión; si se gira en el sentido contrario, disminuye la presión del resorte.
FIGURA 13. CORTE DE UNA VÁLVULA DE TERMOEXPANSIÓN TÍPICA Y SUS PARTES PRINCIPALES.
3.4 Principios de operación
Observando detenidamente la figura 13 se ve que el bulbo remoto está conectado a la parte superior de la VTE mediante un tubo capilar. El bulbo se ubica en la línea de succión, justo a la salida del evaporador. El bulbo y el capilar contienen un fluido (carga) que puede ser líquido o gaseoso, el cual siente la temperatura del gas de succión que pasa por este punto. En esta posición, el bulbo y el fluido dentro de éste tienen aproximadamente la misma temperatura del gas de succión. Los cambios de temperatura causan que aumente o disminuya la presión del fluido dentro del bulbo.
Observando ahora la figura 14, la presión del bulbo se ejerce sobre la parte superior del diafragma; éste, a su vez, transmite ese movimiento a la parte superior del portaaguja mediante las varillas de empuje. Por otro lado, un resorte ejerce una fuerza en la parte inferior del portaaguja, la cual se opone a la del bulbo.
Una vez en operación, el funcionamiento de la VTE es de la siguiente manera: cuando aumenta la presión del bulbo, el diafragma es empujado hacia abajo, las varillas de empuje empujan el
portaaguja, vencen la fuerza del resorte y alejan la aguja del asiento, abriendo de esta manera la válvula y permitiendo el paso de líquido hacia el evaporador. Cuando disminuye la presión del bulbo, la fuerza del resorte es mayor que la del bulbo y empuja el portaaguja acercando la aguja al asiento, con lo cual se cierra la válvula y disminuye el flujo de líquido hacia el evaporador. Por lo anterior, pudiera deducirse que en la operación de una válvula de termoexpansión actúan dos presiones: la del bulbo oponiéndose a la del resorte. En realidad, en la operación de una válvula de termoexpansión intervienen tres presiones fundamentales: la presión del bulbo, la presión del resorte y la presión del evaporador. La figura 14 ilustra cómo actúan estas tres presiones fundamentales. La presión del bulbo actúa en la parte superior del diafragma y tiende a abrir la válvula; la presión del resorte y la del evaporador actúan en la parte inferior del diafragma y tienden a cerrar la válvula. Para que haya un equilibrio entre estas tres presiones, la presión del bulbo debe ser igual a la suma de las presiones del evaporador y del resorte. Como se mencionó líneas arriba, la carga del bulbo está a la misma temperatura que el gas de succión, y si éste está sobrecalentado, entonces la temperatura de la carga es mayor que la de saturación; es decir, la temperatura de la carga del bulbo es la suma de la temperatura de saturación más la del sobrecalentamiento. De esta manera, la presión del bulbo (P1) es mayor que la del evaporador (P2). Si el sobrecalentamiento es lo suficientemente alto, la presión del bulbo superará a la del resorte (P3) y abrirá la válvula.
FIGURA 14. LAS TRES PRESIONES FUNDAMENTALES EN UNA VÁLVULA DE TERMOEXPANSIÓN. Aquí podemos ver que la presión de saturación aparece sobre el diafragma (en la presión del bulbo) y debajo de éste (presión del evaporador). Y puesto que estas presiones se oponen entre sí y son equivalentes, se cancelan. Por lo tanto, es evidente que los dos factores que actúan para regular la válvula de termoexpansión son la presión del resorte y el sobrecalentamiento. Estos dos factores opuestos mantienen un delicado balance de presiones en ambos lados del diafragma, permitiendo que la válvula opere con cargas ligeras, al igual que con cargas pesadas en el evaporador. En la práctica, la válvula de termoexpansión es, en efecto, un regulador del sobrecalentamiento.
Es muy frecuente oír decir a los técnicos “abrí” o “cerré” la válvula de expansión, refiriéndose a que movieron el vástago de ajuste. Como ya se mencionó, al girar el vástago en el sentido del reloj aumenta la presión del resorte, venciendo a la del bulbo y la válvula tiende a cerrar, por lo que se requiere más sobrecalentamiento para aumentar la presión del bulbo y contrarrestar la del resorte, para que así abra la válvula. Inversamente, cuando se gira el vástago en el sentido contrario del reloj, disminuye la presión del resorte, siendo superada por la del bulbo y la válvula tiende a abrir, y para que cierre se requiere que disminuya el sobrecalentamiento.
Cuando aumenta la carga térmica en el evaporador el refrigerante alimentado por la válvula es insuficiente y se sobrecalienta. Esto aumenta la presión del bulbo y hace que la válvula abra más, lo que permite que pase más líquido. Por el contrario, si la carga térmica en el evaporador disminuye, el refrigerante que está alimentando la válvula no se alcanza a evaporar y disminuye su sobrecalentamiento; en consecuencia, hace que reduzca la presión del bulbo, se cierre la válvula y se reduzca el flujo de líquido. Es importante mencionar que al variar la carga térmica del evaporador también varía la presión dentro del mismo. Si aumenta la carga, disminuye la presión, y si disminuye la carga, se reduce la presión.
La figura 15 muestra un ejemplo muy representativo de las condiciones de un sistema con R-134A. El resorte de la válvula de termoexpansión ha sido ajustado de fábrica a una presión de 11 psig (libras por pulgada cuadrada manométricas) y la presión del evaporador es de 34 psig. La suma de estas dos presiones ejerce una fuerza de 45 psig, la cual tiende a cerrar la válvula. Si el bulbo está cargado con el mismo refrigerante del sistema, para que las presiones en ambos lados del diafragma se equilibren, se requerirá una presión de 45 psig en el bulbo. Para que éste tenga una presión de 45 psig debe estar a una temperatura de 10 °C, si la temperatura de saturación del refrigerante en el evaporador es de 4 °C, es necesario tener un sobrecalentamiento de 6 °C.
Al arrancar el compresor después de un periodo prolongado de inactividad, disminuye rápidamente la presión del evaporador y la presión del bulbo es mayor que la del resorte, la válvula abre y permite el paso de refrigerante líquido al evaporador. Si todo este líquido se evapora y se sobrecalienta antes de salir del evaporador, aumenta la presión del bulbo y hace que la válvula se mantenga abierta. El equipo seguirá enfriando hasta que la temperatura del espacio refrigerado baje lo suficiente, disminuyendo la carga térmica y haciendo que el refrigerante líquido dentro del evaporador no alcance a evaporarse y llegue líquido hasta el punto donde se encuentra el bulbo. Al no haber sobrecalentamiento, la presión del bulbo disminuye y el resorte cierra la válvula parcial o totalmente. Así permanecerá hasta que aumente el sobrecalentamiento de nuevo y la presión del bulbo abra la válvula, lo que aumenta el flujo de refrigerante líquido hacia el evaporador.
