miércoles, 28 de diciembre de 2011

Evaporadores en los Sistemas de Refrigeración


EVAPORADORES EN LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

Se conoce por evaporador al intercambiador de calor que genera la transferencia de energía térmica contenida en el medio ambiente hacia un gas refrigerante a baja temperatura y en proceso de evaporación. Este medio puede ser aire o agua.

Estos intercambiadores de calor se encuentran al interior de neveras, refrigeradores domésticos, cámaras de refrigeración industrial, vitrinas comerciales para alimentos y un sinfín de aplicaciones en procesos para la industria de alimentos, así como en procesos químicos. De igual manera, también se encuentran al interior una diversa gama de equipos de aire acondicionado. Es debido a esto que el evaporador tiene un diseño, tamaño y capacidad particular conforme la aplicación y carga térmica.

En los sistemas frigoríficos el evaporador opera como intercambiador de calor, por cuyo interior fluye el refrigerante el cual cambia su estado de líquido a vapor. Este cambio de estado permite absorber el calor sensible contenido alrededor del evaporador y de esta manera el gas, al abandonar el evaporador lo hace con una energía interna notablemente superior debido al aumento de su entalpía, cumpliéndose así el fenómeno de refrigeración.

El flujo de refrigerante en estado líquido es controlado por un dispositivo o válvula de expansión la cual genera una abrupta caída de presión en la entrada del evaporador. En los sistemas de expansión directa, esta válvula despide una fina mezcla de líquido y vapor a baja presión y temperatura. Debido a las propiedades termodinámicas de los gases refrigerantes, este descenso de presión está asociado a un cambio de estado y, lo que es más importante aún, al descenso en la temperatura del mismo.

De esta manera, el evaporador absorbe el calor sensible del medio a refrigerar transformándolo en calor latente el cual queda incorporado al refrigerante en estado de vapor. Este calor latente será disipado en otro intercambiador de calor del sistema de refrigeración por compresión conocido como condensador dentro del cual se genera el cambio de estado inverso, es decir, de vapor a líquido.

En definitiva el evaporador es un componente de la instalación que tiene por misión transmitir frío o mejor dicho absorber el calor del circuito de producto a enfriar. El fluido frigorígeno en forma líquida procedente del condensador se vaporiza dentro de una conducción, absorbiendo el calor del fluido o producto a enfriar que circula por la parte exterior; evaporándose en una primera etapa a temperatura constante y en una segunda fase de recalentamiento subiendo de temperatura, antes de iniciarse de nuevo el ciclo de refrigeración en el compresor.

TIPOS DE EVAPORADOR

Debido a que un evaporador es cualquier superficie de transferencia de calor en la cual se vaporiza un líquido volátil para eliminar calor de un espacio o producto refrigerado, los evaporadores se fabrican en una gran variedad de tipos, tamaños y diseños y se pueden clasificar de diferentes maneras.

Los evaporadores se pueden clasificar de varios modos, la primera según su construcción en evaporadores de “aire” y evaporadores de “líquido”, y la segunda atendiendo a la forma de evaporación del fluido frigorígeno, en evaporadores “secos” y evaporadores “inundados”.

- Evapordadores Secos:

En los evaporadores de expansión directa la evaporación del refrigerante se lleva a cabo a través de su recorrido por el evaporador, encontrándose este en estado de mezcla en un punto intermedio de este. De esta manera, el fluido que abandona el evaporador es puramente vapor sobrecalentado. Estos evaporadores son los más comunes y son ampliamnete utilizados en sistemas de aire acondicionado. No obstante son muy utilizados en la refrigeración de media y baja temperatura, no son los más apropiados para instalaciones de gran volumen.


En los evaporadores “secos”, los vapores situados en la parte final de las conducciones están secos y casi libres de gotas de líquido frigorígeno, mientras que en los evaporadores “húmedos” también llamados “inundados” los vapores de salida se encuentran saturados con una mezcla de pequeñas gotas de líquido frigorígeno, siendo por lo tanto más apropiado referirse respectivamente a evaporadores de vaporización “completa” e “incompleta”. En los segundos, la presencia de líquido mantiene húmeda la superficie interna de las conducciones, factor que mejora la transmisión de calor y además la limpia mejor de restos de aceite.

La vaporización incompleta se consigue sobrealimentando de fluido frigorígeno el evaporador, evaporándose tan solo un 20 a 25 %, pudiendo hacerse por medio de una bomba o bien por acción de la gravedad situando el depósito separador por encima del evaporador y controlado por una válvula de flotador. En la vaporización completa, el suministro de fluido se hace por medio de una válvula de estrangulamiento de regulación automática, actuando la sección final de los tubos del evaporador como recalentadores. El recalentamiento del fluido frigorígeno puede ser “útil” si el calor es absorbido por en fluido a enfriar, o por el contrario puede ser “desperdiciado” si se hace en la conducción de salida hacia el compresor o incluso enrollando ésta sobre el compresor para refrigerarlo.

- Evaporadores de aire:

Estos aparatos únicamente sirven para la refrigeración ambiente de recintos cerrados. Un serpentín o un conjunto de serpentines en cuyo interior circula el fluido frigorígeno, recibe por su parte exterior una corriente forzada de aire por un ventilador, aumentando la eficacia de la transmisión del calor por medio de un aleteado exterior de los serpentines. La corriente de aire es del orden de 5 metros / segundo, consiguiéndose un rendimiento frigorífico del orden de 20 a 25 W / m2 y ºC utilizando amoníaco como fluido refrigerante, y de 15 a 20 W / m2 y ºC para CFC o similares. La potencia del ventilador no excederá del 3 por 100 de la carga térmica total del evaporador, dimensionándose la superficie de entrada y salida de aire con una relación de 1 / 7, y situándose preferentemente el ventilador a la salida del evaporador para evitar la absorción del calor de motor, que puede ser del orden de 360 kcal / kW o de 10 a 50 kc / m3 de cámara frigorífica.

El calor se extrae en forma de calor sensible, aunque también en forma de calor latente cuando se produce un fenómeno de condensación o formación de escarcha sobre el evaporador y procedente de la humedad del aire. Con este motivo, estas máquinas deben tener una bandeja colectora de agua situada en la parte inferior, dotada de una pendiente del 6 % y prever una salida para la evacuación del agua ambiente condensada. Cuando se forma escarcha sobre los serpentines, ésta debe ser periódicamente eliminada para mantener una adecuada transmisión de calor; pudiendo hacerse esta operación de desescarche de varias maneras:

- Inyección en los serpentines de vapores de refrigerante recalentados.
- Calentamiento exterior con resistencias eléctricas.
- Fusión por pulverización exterior con agua caliente o glicolada.
- Invirtiendo el funcionamiento de la máquina frigorífica, convirtiéndose temporalmente el evaporador en condensador.
- Corriente de aire comprimido mediante boquillas móviles.

Para calcular la potencia frigorífica de un evaporador de aire, se puede hacer disponiendo de un diagrama de aire húmedo tipo Mollier o Carrier.

La situación de los evaporadores de aire dentro de los locales a climatizar, debe hacerse siempre en la parte superior de los mismos, con objeto de que el aire frío más denso que el aire caliente descienda hacia el suelo, y de este modo se consiga homogenizar las temperaturas. El llamado “efecto Coanda” hace que la corriente de aire impulsado a gran velocidad por un ventilador, tiene tendencia a crear una depresión por encima de ella, manteniendo de este modo el aire frío pegado al techo durante un trayecto bastante largo, lo que aumenta el alcance de la corriente o dardo de aire frío. En este caso es preferible situar en ventilador delante del evaporador, para evitar las turbulencias de aire que reducen este efecto.

Una derivación de los evaporadores de aire son los frigorígenos húmedos, en los cuales una corriente de agua fría pulverizada refrigera una corriente de aire que circula forzada por un ventilador, funcionado de manera inversa a una torre de refrigeración, y con una relación volumen de aire / caudal másico de agua entre 1 / 1 a 1 / 1,5.

- Evaporadores de líquido:

Estos aparatos se emplean para la refrigeración directa de líquidos, bien mosto o vino en la industria enológica, o bien agua como refrigerante intermedio para enfriar luego los anteriores. En la mayor parte de los casos, están formados por una carcasa horizontal, que contiene en su interior un haz de tubos, razón por lo que también se denominan como evaporadores multitubulares de envolvente. En unas ocasiones el fluido frigorígeno circula y se vaporiza en el interior de los tubos, circulando el fluido a refrigerar por el exterior, denominándose entonces de tipo “seco”; o en otras ocasiones y por el contrario, el líquido a enfriar es quien circula por el interior de los tubos, produciéndose la vaporización del fluido frigorígeno en la carcasa y por la parte exterior del haz de tubos, denominándose entonces de tipo “inundado”.

Estos evaporadores se construyen de cobre para obtener un buen coeficiente de transmisión, y siempre que se utilice agua como refrigerante intermedio, pues no es adecuado para circular directamente mosto o vino por razón de la contaminación con el cobre. La temperatura mínima de refrigeración de agua es de 3º a 5º C, para evitar la formación de hielo en la superficie de intercambio térmico; aunque en algunas ocasiones esta temperatura puede ser inferior, si se utilizan soluciones con productos anticongelantes.

Cuando se pretende enfriar sin congelación directamente un líquido alimentario, puede utilizarse un aparato conocido como intercambiador de calor de placas, construido en acero inoxidable, y consistente en bastidor donde se colocan un conjunto de láminas situadas en paralelo y próximas entre sí para dejar un determinado espacio, de tal modo que por los huecos pares circula y se vaporiza el fluido frigorígeno, y por los impares en contracorriente circula enfriándose el líquido alimentario. Los valores de transmisión de calor son muy elevados, del orden de 2.500 a 4.500 w / m2 y ºC para amoníaco como fluido frigorígeno, y de 1.500 a 3.000 w / m2 y ºC para CFC o similares. Dada su alta eficacia frigorífica, estos aparatos son también utilizados para intercambiar calor entre dos líquidos a distinta temperaturas, denominándose entonces como recuperadores de frío o de calor según casos.

En el caso de refrigeración de vinos para su estabilización tartárica, por debajo de los 0º C y a temperaturas de –4º C a –6º C cercanas a su punto de congelación, los evaporadores anteriormente descritos no pueden utilizarse, por la formación de cristales de hielo en la superficie de intercambio. Para ello se utilizan los evaporadores de líquido de cuerpo cilíndrico rascado, construidos en acero inoxidable, y consistentes en dos cilíndricos concéntricos, donde en el espacio entre ellos se produce la expansión directa del fluido refrigerante, mientras que en el tubo central se hace circular el vino de lado a lado; refrigerándose al ponerse en contacto con la pared de separación, e impidiendo la formación de manguitos de hielo en la misma, que harían perder eficacia frigorífica al sistema, mediante un sistema giratorio de 300 a 500 r.p.m. de paletas o rascadores. En el tratamiento de vinos se puede ajustar el caudal de manera que la formación de hielo se haga en un porcentaje del 5 a 10 %, no siendo en este caso necesario que todo el vino circule por el aparato, pues cada kg de hielo formado puede reducir la temperatura de 73 litros en 1º C o dicho de otro modo, la formación de un 5 % de hielo enfriará el vino equivalente de 3,8º C al derretirse. El coeficiente de transmisión térmica de estos aparatos oscila entre 600 a 2.000 W / m2 y hora.

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