Jeff Welch, Corporación de Ingeniería de Welch

Traducido por Juan Carlos Rodríguez, Clauger Refrigeración Iberia, S.A.

Los evaporadores con serpentín aleteado y tubos con superficies internas mejoradas permiten un rendimiento óptimo con una tasa de recirculación mínima. Reducir la tasa de recirculación requiere una menor potencia de bombeo y una tubería de distribución de líquido hacia los evaporadores menor. Además, se requiere menos potencia del compresor para una misma capacidad frigorífica, ya que se reduce la caída de presión de la línea de aspiración húmeda. Esta menor potencia absorbida por el compresor da como resultado un ahorro sustancial de energía eléctrica durante la vida útil de la instalación. La utilización de tubos de alto rendimiento permite que los evaporadores funcionen correctamente, tanto en alimentación por la parte superior (top feed) como por la parte inferior (bottom feed), requiriendo en este último caso una carga de refrigerante muy reducida en su funcionamiento a plena capacidad o a cargas parciales.

Los evaporadores de aire forzado, de tubos y aletas se han utilizado para enfriar el aire durante más de 75 años. En la década de 1960, varios escritos ya documentaban las ventajas sobre la mejora de rendimiento al sobrealimentar los evaporadores con alimentación por bombeo de amoníaco, desde entonces, los evaporadores con alimentación por bombeo han sido desde entonces la opción más popular en los sistemas industriales de refrigeración con amoníaco.

Debido al alto calor latente del amoníaco, la cantidad de líquido que se encuentra en la entrada del evaporador es muy pequeña, a menudo inferior al 2% de la sección transversal del tubo. Para que la transferencia de calor sea eficiente y se consiga un rendimiento óptimo, se considera el bombeo de un exceso de refrigerante. Este exceso de líquido se distribuye alrededor del perímetro interior del tubo asegurando que una película de amoníaco líquido cubra el interior, para absorber una mayor cantidad de calor. Si no se dispone de este exceso de líquido, una mayor parte del área interior del tubo quedaría seca, disminuyendo así el rendimiento del evaporador.

Los evaporadores de tubos y aletas están normalmente configurados por varios tubos en altura de una longitud establecida para definir el área frontal del evaporador. Por lo general, se tienen entre 6 y 12 filas de tubos en la dirección del flujo de aire. Es tarea del técnico que diseña el evaporador determinar cuáles de estos tubos están en serie y cuáles en paralelo en relación con el flujo de amoníaco, definiendo de esta forma los circuitos. Para esto, deben considerarse dos factores contrapuestos en la definición de la solución. Un circuito más largo tiene más superficie, por lo que absorberá más calor y vaporizará más amoníaco, creando una mayor velocidad dentro del tubo. El vapor a mayor velocidad es más turbulento, lo que distribuye mejor el amoníaco líquido sobre el perímetro interior de la pared del tubo. Un circuito más corto tiene menos superficie y no absorbe tanto calor ni vaporiza tanto amoníaco, lo que resulta en menos turbulencia y amoníaco líquido que se deposita a lo largo de la parte inferior del tubo. Esto deja seca la zona superior del perímetro del tubo interior, por lo que se reduce la tasa de transferencia de calor producida por la ebullición, y se reduce en gran medida el rendimiento del evaporador.

Sin embargo, otro factor de diseño a considerar en la definición de la velocidad y turbulencia es la caída de presión. Si la presión de aspiración saturada en la salida del circuito es de -32°C, una caída de presión de 0,05 bar dará como resultado una temperatura de evaporación de -31°C en la entrada del evaporador. Esto supone una pérdida del 11% en la diferencia de temperatura media logarítmica para una temperatura del aire de -26°C. Hay que tener en cuenta que el incremento en la diferencia de temperatura incrementa la transferencia de calor.

Dos factores, la velocidad y el caudal másico, incrementan la caída de presión dentro del circuito. La caída de presión es aproximadamente proporcional a la velocidad al cuadrado. Por lo tanto, considerando las penalizaciones de temperatura descritas anteriormente, la caída de presión dentro del circuito debe ser lo suficientemente grande para establecer un flujo turbulento, pero no en exceso. Los fabricantes de evaporadores consiguen una velocidad más baja con menos caída de presión ajustando la longitud del circuito o limitando la cantidad de exceso de líquido, lo que se conoce como sobrealimentación o tasa de recirculación. La tasa de recirculación se define como el caudal másico total en el circuito o evaporador en relación con el caudal másico evaporado. Como ejemplo, el triple de la tasa de evaporación que entra al evaporador se expresa como una tasa de recirculación de 3:1.

Los diseños actuales de evaporadores requieren habitualmente tasas de recirculación de 4:1 o 3:1 a temperaturas de evaporación altas (5°C a -18°C) y 3:1 o 2,5:1 a temperaturas más bajas (-28°C a -45°C). La relación presión/temperatura del amoníaco a bajas temperaturas desaconseja caídas de presión altas dentro del circuito debido al gran efecto sobre la temperatura de evaporación. Además de humedecer el perímetro interior del tubo, se debe considerar la conductividad térmica del material del tubo y la aleta. Durante muchos años, los evaporadores de amoníaco se construyeron con acero al carbono que se galvanizaba en caliente después del ensamblaje, o se fabricaban con tubos de aluminio expandidos en aletas de aluminio. En ambos casos las aletas y los tubos tienen la misma conductividad térmica. La transferencia de calor ocurre igualmente a lo largo del perímetro del tubo y desde la aleta que lo rodea. El acero al carbono tiene una conductividad térmica de 36 W/m K y la del aluminio es de 204 W/m K.

EVOLUCIÓN DEL DISEÑO

En la última década, los tubos de acero inoxidable expandidos en aletas de aluminio se han convertido en los materiales preferidos para los evaporadores. La aleta de alta conductividad transfiere calor al tubo de manera muy eficiente y uniforme alrededor del perímetro del tubo. El camino térmico con la menor resistencia de intercambio con el refrigerante es directamente la pared del tubo. En consecuencia, la humectación de los tubos afecta directamente el rendimiento térmico. Una novedad reciente en las aplicaciones de amoníaco recirculado es la mejora de la superficie interna de los tubos del evaporador de acero inoxidable, como se muestra en la Figura 1.

Esta mejora permite que el amoníaco líquido se deposite en las hendiduras de la superficie interna y circule a través de ranuras helicoidales alrededor de la periferia interna del tubo. Esta circulación ocurre a una velocidad significativamente más baja que en un tubo liso y minimiza las diferencias de rendimiento entre un evaporador alimentado por la parte superior y otro alimentado por la parte inferior. La mejora de la humectación logra un mayor rendimiento del equipo a tasas de sobrealimentación más bajas. Pruebas de laboratorio han demostrado que la tasa de sobrealimentación óptima para un tubo con ranurado interno de 5/8” de diámetro es 1,2:1 y para un tubo con ranurado interno de 1” de diámetro es 1,8:1. Estos valores son significativamente más bajos que los habitualmente utilizados por los fabricantes indicados anteriormente.

Como prueba de estos resultados de laboratorio, el Instituto de Aire Acondicionado, Calefacción y Refrigeración (AHRI), que publica la norma ANSI/AHRI 420-2008, certifica el rendimiento de estos conjuntos de evaporadores con tubos mejorados internamente de acero inoxidable. Esta norma se utiliza como base para certificar el rendimiento de las unidades de refrigeración de circulación forzada y de expansión directa utilizadas en refrigeración. Las certificaciones realizadas por AHRI están sujetas a pruebas independientes según la sección 5.3 de la norma:

Tolerancias. Para cumplir con esta norma, cualquier unidad de producción representativa seleccionada al azar, cuando se pruebe en las condiciones de clasificación estándar, deberá tener un efecto de enfriamiento total bruto no inferior al 95 % de su clasificación estándar publicada y no excederá el 105 % de su potencia nominal.

La certificación independiente de AHRI asegura a los consumidores que estas bajas tasas de recirculación son adecuadas y no comprometerán el rendimiento del equipo.

La mayoría de los evaporadores de amoníaco recirculado utilizan un orificio al principio de cada circuito para distribuir la cantidad suficiente de amoníaco con la presión establecida en el colector de líquido. El diseño de evaporadores de amoníaco con una tasa de recirculación de 1,2:1 requiere el uso de orificios más pequeños. La popularidad de los compresores de tornillo con separadores de aceite coalescentes de alta eficiencia y temperaturas de descarga más bajas ha dado como resultado sistemas mucho más limpios. Por lo tanto, cuando se instalan evaporadores en nuevos sistemas, el uso de orificios más pequeños no supone un problema. Sin embargo, cuando los serpentines de baja tasa de recirculación se instalan en sistemas existentes más antiguos con un historial de arrastre de aceite o problemas de carbonización, se debe considerar una alternativa a los orificios pequeños. En este escenario, una alternativa sería diseñar los serpentines de sustitución en función de una tasa de recirculación más alta (es decir, 2:1) o, preferiblemente, utilizar un distribuidor de refrigerante líquido con un solo orificio más grande y tubos de distribución individuales. Este diseño funciona bien al proporcionar un flujo uniforme a cada circuito, maximizando la capacidad según lo verificado en pruebas de laboratorio.

VENTAJAS

Para ilustrar los beneficios de la utilización de tasas de recirculación más bajas, vamos a comparar los evaporadores de baja sobrealimentación con unidades convencionales para una instalación de un almacén frigorífico genérico, con un muelle de expedición, cámara de congelados y seis celdas de congelación según el plano de planta en la Figura 2. Pueden consultarse las Tablas 1-3 para comparar la selección de evaporadores, válvulas y tuberías.

LÍNEAS DE LÍQUIDO

Los evaporadores con sobrealimentación más baja requieren un índice de flujo volumétrico más bajo, lo que lleva a la selección de una bomba más pequeña, que requiere menos potencia absorbida (consultar la Tabla 1). En este caso, al no disponer de una bomba de menor capacidad, la potencia de bombeo es la misma. Cualquier líquido que no sea utilizado por los evaporadores todavía tiene una presión elevada y consume energía, vaya hacia los evaporadores o no. La tasa de sobrealimentación más baja puede resultar en una reducción del tamaño del colector de líquido. En otro caso, la velocidad del líquido será menor, lo que resultará en una reducción del momento del fluido y menores movimiento de la tubería cuando se cierren las válvulas solenoide de los evaporadores, lo que lleva a una situación más segura (reducción de golpes de ariete).

LÍNEAS DE GAS CALIENTE

No existen diferencias significativas entre las tuberías y válvulas de gas caliente necesarias, ya que el tamaño de estas es proporcional a la superficie y masa del equipo. Para serpentines alimentados por la parte inferior, el tamaño del orificio funciona como un dispositivo de distribución a través del cual debe fluir el amoníaco condensado. Los tamaños más pequeños pueden requerir presiones de gas caliente ligeramente más altas para expulsar por completo el condensado antes de que pueda acumularse en los circuitos. Los serpentines con alimentación superior requerirán una derivación para permitir que fluya una cantidad suficiente de gas caliente a través de los orificios o del distribuidor.

LÍNEAS DE ASPIRACIÓN

Todos los sistemas de amoníaco recirculado tendrán alguna caída de presión desde el evaporador hasta el compresor. Minimizar esta caída de presión dará como resultado un sistema de refrigeración más eficiente. Para una carga determinada, los caudales de la aspiración seca desde el separador de bombeo hasta el compresor son los mismos y se tendrá la misma caída de presión independientemente del tipo de evaporador. Se asignó una caída de presión de 0,05 bar a las líneas de aspiración seca desde el separador de bombeo hasta los compresores en cada uno de los tres niveles de temperatura. Este artículo se centra en las tuberías y válvulas de la línea de aspiración húmeda desde los evaporadores hasta el separador. Los tamaños de tubería y válvula se han seleccionado para los evaporadores de mayor sobrealimentación y luego se han recalculado a las tasas de sobrealimentación más bajas. La caída de presión total a través de las tuberías y los conjuntos de válvulas de aspiración se han determinado utilizando un programa de selección de válvulas que puede descargarse de Internet.

Este programa tiene en cuenta la tasa de sobrealimentación en los cálculos de caída de presión de las tuberías y las válvulas. Para este estudio, las presiones de funcionamiento del evaporador se mantuvieron constantes en 3,1 barg (-1°C), 0,25 barg (-28°C) y -0,61 barg (-43°C) para todos los tipos de evaporador. La Tabla 4 proporciona el resumen y la comparación de las caídas de presión de la línea de aspiración húmeda desde los evaporadores hasta el separador.

Los compresores de tornillo con enfriamiento por termosifón se han seleccionado utilizando el programa de selección de uno de los principales fabricantes de compresores. Cada compresor se ha considerado para las diferentes temperaturas de evaporación de diseño (-1°C, -28°C y -43°C) y una temperatura de condensación promedio anual de 29°C. En cada caso, la caída de presión total de la línea de aspiración se ha considerado en el programa de selección y se ha obtenido la relación kWabs/kWfrig. Los ahorros en kWabs/kWfrig de los evaporadores de baja sobrealimentación se representan en la Tabla 5. Este ahorro se multiplica por el total de la potencia por nivel de aspiración y se totaliza para 6.000 horas de funcionamiento por año, considerando los tiempos con cámaras en régimen y la rotación de las celdas de congelación. Los ahorros debido a un menor caudal másico en las líneas de aspiración húmeda son significativos, siendo aproximadamente 247.500 kWh/ año y 338.000 kWh/año si se utilizan evaporadores con tuberías de 5/8”.

VOLÚMENES DE FLUCTUACIÓN

La carga de refrigerante en un evaporador depende del volumen interno, la capacidad del circuito y el método de alimentación.

Para capacidades térmicas iguales, un serpentín diseñado con tubos más pequeños tendrá menos volumen interno que un serpentín fabricado con tubos más grandes. Esto se puede observar en la Tabla 1, que ilustra la carga de las serpentines de tubo de ¾“ en relación con los tubos mejorados internamente de 5/8”. Además, un serpentín con tubos de 1” tiene un volumen interno mayor que el serpentín de tubo de ¾”.

Todos los circuitos del serpentín deben ser diseñados para drenar libremente y permitir que el condensado de gas caliente salga del serpentín y no se acumule y cubra el tubo durante el desescarche. Si el circuito se alimenta por la parte superior, el exceso de líquido se drena inicialmente por gravedad hasta que la velocidad del vapor dentro del tubo es suficiente para barrer cualquier exceso de líquido a través del circuito. Este método de alimentación minimiza cualquier acumulación de líquido (carga residual o “ballast charge”). Los circuitos alimentados por la parte inferior acumularán exceso de líquido en la parte inferior del circuito hasta que la velocidad del vapor sea suficiente para empujar este líquido acumulado hacia arriba a través del circuito. Debería ser obvio que la carga residual en un serpentín alimentado por la parte inferior aumenta en gran medida la carga operativa en relación con un serpentín alimentado por la parte superior, especialmente a carga parcial donde las velocidades del vapor son más bajas. Las pruebas de laboratorio han determinado una relación de carga de refrigerante para serpentines de alimentación superior a serpentines de alimentación inferior. A una temperatura de evaporación de -4°C (25ºF), esta relación es de 1,0, a -18°C (0ºF) de 0,70 y a -28°C (-20ºF) baja a 0,63.

En la Tabla 6 se destaca la diferencia de carga que se produce en los evaporadores de alimentación superior o inferior. Se muestran la carga de líquido con DT de diseño y la carga de líquido a carga parcial con DT= 1,7ºC (3°F). Esta situación podría ocurrir hacia el final de un ciclo de congelación rápida o cuando el sistema de control no tiene un control de solenoide de alimentación o una zona neutra ancha. En la tabla se observan dos puntos de interés para el diseñador y usuario de la instalación. En primer lugar, para un usuario, se puede considerar una correlación directa entre el aumento de la seguridad de la planta y una carga de amoníaco reducida. Los evaporadores de tubo pequeño de alimentación superior son una excelente opción para reducir la carga general. En este ejemplo genérico de un almacén frigorífico, la reducción de la carga es superior a 815 kg.

El segundo elemento a tener en cuenta es la necesidad de volumen de fluctuación de los separadores. Cuando un evaporador opera a carga parcial, a un DT bajo, la cantidad de líquido residual aumenta porque hay un volumen de vapor significativamente menor para desplazar el líquido y hay una menor velocidad para barrerlo de los tubos. Esta fluctuación de carga desde el 100 % de la carga de diseño hasta una condición de carga parcial debe tenerse en cuenta en el diseño del separador de aspiración. Para que el sistema funcione sin problemas, el volumen interno del separador de aspiración debe ser lo suficientemente grande como para acomodar este líquido residual a medida que sale de los evaporadores cuando aumenta la carga. Al mismo tiempo, debe quedar suficiente espacio de separación de vapor en el recipiente para evitar el arrastre de líquido a los compresores.

En el diseño de separadores, este volumen se conoce como volumen de fluctuación. Observando el separador de congelación rápida del almacén frigorífico, esta reducción en el volumen de fluctuación puede superar los 1.100 lts, lo que permitirá un diámetro y/o longitud de recipiente más pequeños. Una tasa de sobrealimentación más baja supone menos líquido en los colectores de aspiración húmeda bajo una carga estable cuando la velocidad del vapor es suficiente para arrastrar el líquido a través de la tubería. Sin embargo, la acumulación de volumen de líquido durante una carga parcial depende de la pendiente de la tubería. Por este motivo, en este artículo no se han cuantificado los picos de volumen debidos a las tuberías.

RESUMEN

El uso de evaporadores de baja sobrealimentación reduce la caída de presión en la tubería de aspiración húmeda. Esta reducción en la caída de presión reducirá significativamente el trabajo requerido por el compresor durante la vida útil de la instalación, lo que generará ahorros de electricidad y menores costos generales. Además, los tubos mejorados internamente permiten el uso de evaporadores alimentados por la parte superior con una reducción significativa de la carga operativa y una disminución del volumen de fluctuación.

REFERENCIAS

American National Standards Institute (ANSI) / Air Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute (AHRI). (2008). “Standard for Performance Rating of Forced- Circulation Free-Delivery Unit Coolers for Circulation.” Standard 420.