Todo sobre los enfriadores de líquidos – Chillers

ENFRIADORES DE LÍQUIDOS – CHILLERS

Evaporadores para enfriamiento de líquidos:

Así como los evaporadores para enfriamiento de aire, los evaporadores para enfriamiento de líquido varían en tipo y diseño. Hay 5 tipos generales de enfriadores de líquidos:

• Enfriador de doble tubo.
• Enfriador Baudelot.
• Enfriador tipo tanque.
• Enfriador con serpentín en casco.
• Enfriador acorazado.

Para todos los casos, los factores que influyen en el rendimiento de los enfriadores de líquido son los mismos que intervienen en los evaporadores de enfriamiento de aire y de otras superficies de transferencia de calor.

Enfriadores de doble tubo:

En el enfriador de doble tubo consiste en dos tubos arreglados de tal modo que un tubo queda en el interior del otro. El fluido enfriado circula en una dirección a través del tubo interior, mientras que el refrigerante fluye en dirección opuesta por el espacio anular comprendido entre los dos tubos. Las ventajas de éstos enfriadores es su construcción rígida, la eliminación de juntas de refrigerante y el fácil acceso para la limpieza de los tubos internos.

Los enfriadores de doble tubo pueden ser trabajados con expansión seca o inundados, en cualquier caso, el contraflujo de los fluidos produce un coeficiente de calor relativamente alto. Éste tipo de enfriador tiene la ventaja de necesitar mucho espacio y mucha altura, por ésta razón el enfriador de doble tubo se usa en aplicaciones especiales, tales como: fábricas de vino e industrias cerveceras para enfriamiento del vino y del lúpulo, también en la industria petrolera para enfriamiento de aceites.

Enfriador Baudelot:

El enfriador Baudelot consiste en una serie de tubos horizontales, los cuales están localizados uno abajo del otro y unidos entre sí para formar un circuito o varios circuitos de refrigerante, ya sea como funcionamiento de expansión seca o inundada, el refrigerante circula por el interior de los tubos mientras que el líquido a enfriarse fluye como una película delgada sobre el exterior de los mismos. El líquido fluye bajando sobre los tubos por la acción de la gravedad desde un distribuidor localizado en la parte alta del enfriador y es recogido en una artesa colocada en la parte inferior. El hecho de que el líquido enfriado esté a la presión atmosférica y sea abierto a el aire, hace que el enfriador Baudelot sea ideal para aplicaciones de enfriamiento de cualquier líquido para lo cual la aeración sea un factor determinante. El enfriador Baudelot se usa mucho para enfriamiento de leche, vinos y jugo de lúpulo, así como para enfriamiento de agua para carbonatación para algunas plantas embotelladoras.

Con éste tipo particular de enfriador es posible enfriar líquidos a una temperatura muy cercana al punto de congelación sin el peligro de dañar el equipo si ocasionalmente se tuviera congelación del líquido. Otra ventaja del enfriador Baudelot que también tiene el enfriador de doble tubo, es que el circuito refrigerante puede dividirse en varias partes, circunstancia que puede hacer un preenfriamiento del líquido enfriado con agua fría, antes que el líquido llegue a la parte de expansión directa del enfriador.

Enfriadores tipo tanque:

El enfriador de líquido tipo tanque consiste esencialmente en un serpentín refrigerante de tubo descubierto instalado en el centro o a un lado de un tanque de acero largo el cual contiene el líquido enfriado.

Aunque el serpentín refrigerante está completamente sumergido en el líquido enfriado, está separado en el líquido mediante un arreglo de desviadores que consiste en un motor que le da movimiento a el agitador el cual es utilizado para hacer circular el líquido enfriado sobre el serpentín enfriador a velocidades relativamente altas, por lo general entre 100 y 150 pies/min, el líquido es arrojado hacia un extremo del compartimiento del serpentín y es descargado por el otro extremo.

El serpentín de tubo descubierto en forma de espiral y el serpentín tipo caja o canal son dos diseños de serpentín usados en los enfriadores tipo tanque, cualquiera de éstos dos diseños funcionan inundados. Otra variación de enfriador tipo tanque es la celda del hielo.

Los enfriadores tipo tanque pueden usarse para cualquier aplicación de enfriamiento líquido donde la salubridad no es un factor importante y son muy usados para enfriamiento de agua, salmuera y otros líquidos usados como refrigerante secundarios. Por su capacidad inherente continua, estos evaporadores son adecuados para aplicaciones sujetas a fluctuaciones frecuentes y severas de la carga, en ése caso, se puede usar un tanque grande para almacenar líquido frío a fin de minimizar el aumento en la temperatura del líquido enfriado durante los períodos de demanda pico. La ventaja que se tiene con el pre-enfriamiento, con frecuencia es grande, sobre todo en los casos en los que el líquido al enfriarse llega a el enfriador a temperaturas relativamente altas.

Enfriadores serpentín en casco:

El enfriador en serpentín en casco por lo general es construido por uno o más serpentines de tubo descubierto doblado en forma de espiral, el cual se encuentra encerrado en un casco de acero soldado. Por regla general, el serpentín trabaja con expansión seca con el refrigerante por dentro del tubo del serpentín y el líquido enfriarse en el casco. En unos pocos casos, el enfriador trabaja inundado, en cuyo caso el refrigerante está en el casco, y el líquido pasa por el interior de los tubos del serpentín. El primer arreglo tiene la ventaja de proporcionar una actividad continua, siendo este tipo de enfriador ideal para aplicaciones pequeñas con cargas altas, pero con cargas pico no frecuentes. Generalmente se lo usa para el enfriamiento de agua en bebederos y otras aplicaciones donde la higiene es muy importante como en panaderías y laboratorios fotográficos.

Éste tipo de enfriador cuando trabaja inundado con el refrigerante en el casco, se lo conoce por lo común como enfriador “instantáneo” de líquido. Una de las desventajas de éste arreglo es que no es de capacidad continua ya que el líquido no es recirculado, éste debe ser enfriado instantáneamente a medida que pasa a través de los serpentines. Otra desventaja es el peligro de dañas a el enfriador como resultado del rápido congelamiento que se tiene en cualquier enfriador donde el líquido enfriado es circulado a través de los tubos de los serpentines en vez de hacerlo por la superficie externa de los mismos. Por éstas razones, los enfriadores usados con éstas características, no se recomiendan para aquellos casos en los que el líquido tenga que enfriarse a temperaturas a 38 grados F .

Los enfriadores instantáneos de serpentín en casco se los usa principalmente para enfriamiento de cervezas y otras bebidas, en cuyo caso el líquido es por lo general pre-enfriado hasta cierto grado antes de su entrada al enfriador.

Enfriadores acorazados:

Los enfriadores acorazados tienen una eficiencia relativamente alta, requieren de un mínimo de espacio en el piso y poca altura del cuarto, su mantenimiento es sencillo y fácilmente se adapta a todos los casos de enfriamiento de líquido, por éstas razones el enfriador acorazado es el tipo más ampliamente usado. El enfriador acorazado consiste en un casco cilíndrico de acero en el cual se tiene un determinado número de tubos rectos, paralelos y colocados en cabezales de tubo en sus extremos cuando el enfriador trabaja con expansión seca, el refrigerante pasa por el interior de los tubos, mientras que el líquido a enfriar circula a través del casco, cuando el enfriador trabaja inundado el líquido enfriado circula por dentro de los tubos y el refrigerante está contenido en el casco, el nivel de refrigerante líquido dentro del casco, se mantiene a cierto nivel con algún tipo de control de flotador. En cualquier caso el líquido enfriado está circulando a través del enfriador conectado a la tubería por medio de una bomba por lo general de tipo centrífugo en donde se efectúa la circulación. El rango de diámetro usados en los cascos de los enfriadores de tipo acorazado es aproximadamente de 6 a 60 plg y el número de tubos dentro del casco varía desde menos de 50 hasta varios miles. Los diámetros de los tubos varían desde 5 octavos plg hasta 2 plg y la longitud de los tubos con variantes de 5 a 20 pies.

Los enfriadores para usar amoníaco se construyen con tubos de acero, mientras que los que usan otros refrigerantes se construyen con tubos de cobre a fin de tener un coeficiente con una transferencia de calor mayor.

Para el caso de enfriadores de expansión seca los tubos son aletados externamente usando una aleta muy corta la cual sobresale aproximadamente 1/16 plg de la pared del tubo. Como regla general los enfriadores de expansión seca se usan en instalaciones de tonelaje pequeño y mediano cuyas capacidades están comprendidas en el rango 2 hasta aproximadamente 250 toneladas. Los enfriadores inundados se usan para capacidades comprendidas en el rango desde 10 hasta varios miles de toneladas, por lo general se los usa en instalaciones de gran tonelaje.

Enfriadores de expansión seca:

Las principales ventajas de un enfriador de expansión seca a los de tipo inundado son las pequeñas cargas de refrigerante que requieren y el regreso seguro o positivo de aceite hacia el compresor. A fin de mantener la velocidad del líquido dentro de los límites para los cuales se tiene la relación caída de presión transferencia de calor efectiva, la velocidad del líquido enfriado que circula sobre los tubos, es controlada variando la longitud y espaciamiento de los segmentos de placa desviadores. Cuando la razón del flujo y la viscosidad del líquido son altos, se utilizan desviadores cortos muy espaciados para reducir la velocidad y minimizar la caída de presión a través del enfriador. Cuando la razón de flujo y viscosidad del líquido son bajos, se utilizan desviadores largos con espaciamiento más cerrado a fin de aumentar la velocidad del fluido y mejorar el coeficiente de transferencia de calor.

El número y la longitud de los circuitos refrigerantes necesarios para mantener la velocidad del refrigerante a través de los tubos del enfriador dentro de los límites razonables depende de la carga total de enfriamiento y de la relación del flujo del líquido enfriado. Por ésta razón los enfriadores se fabrican con circuitos refrigerantes múltiples de longitudes variables.

Enfriadores inundados:

Los diseños de enfriadores inundados estándar incluyen arreglos tanto de tubos simples como de pasos múltiples. Para flujo de paso simple los tubos están dispuestos de tal manera que el líquido pasa simultáneamente a través de todos los tubos y a través de una sola dirección.

La circulación del líquido enfriado por pasos múltiples se obtiene mediante el uso de placas desviadoras en los extremos o cabezales los cuales están atornillados a los extremos del enfriador.

Como en el caso de los enfriadores de expansión seca algunos enfriadores inundados son diseñados con atados de tubos removibles, mientras que otros están fijos a cabezales de tubo. En los de diseño de cabezales de tubo, los cabezales están soldados al casco de modo que el atado de tubos quede fijo, sin embargo, cuando las placas en los extremos no están atornilladas fácilmente pueden limpiarse los tubos y en caso de necesidad pueden cambiarse. En algunos diseños de enfriadores inundados el casco está parcialmente llenos de tubos con el fin de proveer una gran área de esparcimiento del vapor y de tener una velocidad relativamente baja en el espacio arriba de los tubos. Con éste diseño se elimina la posibilidad que el líquido llegue al punto de succión y resulte por lo tanto muy apropiado para el caso de tener carga súbitas del sistema.

Para aquellos diseños de enfriadores en donde el casco está lleno de tubos, deberá usarse un tanque separador o acumulador para separar todo el líquido entremezclado con el vapor antes que el vapor llegue a el tubo de succión. Algunos enfriadores inundados están equipados como parte de su estructura con cambiadores de calor de la succión, cuya función es asegurar que llegue solamente vapor a la tubería de succión y además adiciona un aumenta de eficiencia del enfriador.

En enfriador acorazado vertical tiene la ventaja de necesitar el mínimo de espacio en el piso, éste funciona inundado. El líquido enfriado llega por la parte superior al enfriador y fluye por gravedad por el interior de los tubos, una bomba hace circular el líquido desde el tanque de depósito en la parte inferior a través de las tuberías de conexión. El líquido regresado es enviado por tubería hasta distribuidor especialmente diseñado instalado en la parte superior de cada tubo.

El enfriador tipo rociado en su construcción es similar al enfriador inundado con la excepción del refrigerante líquido es rociado sobre la parte externa de los tubos de agua con toberas que están localizadas en una cabezal rociador colocado encima del atado de tubos. El líquido no evaporado pasa por un tubo hacia un sumidero colocado en el fondo del enfriador del cual es recirculado hasta las toberas rociadoras por una bomba para líquido de poca carga. Una buena circulación asegura un humedecimiento continuo en las superficies superiores de los tubos con lo cual se logra una razón de transferencia de calor.

Las principales ventajas de éste tipo de enfriador son su alta eficiencia y carga refrigerante relativamente pequeña. Las desventajas son su alto costo de instalación y la necesidad de una bomba para recircular el líquido.

Los intercambiadores de placa fueron desarrollados para obtener intercambiadores compactos, hay una gran demanda de los mismos en el mercado y a continuación detallamos:

• Extremadamente compacto, lo cual significa una gran libertad de diseño en cada aplicación y reducidos costos de instalación.
• Menos costos del sistema, mejores transferencias de calor dan una mejor transferencia de temperatura, lo cual a su vez significa menores flujos con utilización de bombas más pequeñas y económicas, en dinero y energía.
• Pequeñas diferencias de temperatura, opera eficientemente con diferencia de temperaturas tan bajas como 1 grado K.
• Altas presiones de trabajo, no hay problemas si se trabaja a altas presiones, los intercambiadores son testeados 1.5 veces su máxima presión de operación.
• Bajas pérdidas de carga, en la mayoría de los casos menores pérdidas que en otro sistema, lo cual permite el uso de bombas más pequeñas y menores costos de operación.
• Alta calidad uniforme las placas son prensadas en la misma máquina, soldadas con el mismo proceso automatizado con riguroso estándar con control de calidad. La mantención y reparación son mínimos.
• Economía total, alto volumen, producción automatizada, ensamblado sencillo, bajos costos de operación y excelente transferencia de calor.

Sistemas directos e indirectos:

Cualquier superficie de transferencia de calor dentro de la cual un líquido volátil (refrigerante) es expandido y evaporado a fin de producir un efecto de enfriamiento se le llama evaporador de expansión directa y al líquido evaporado refrigerante de expansión directa un sistema de refrigeración de expansión directa es aquél en el cual el evaporador del sistema empleando un refrigerante de expansión directa está en contacto con el espacio o con el material que está siendo refrigerado o está localizado en ductos de aire que dan servicio a dichos espacios.

Con frecuencia resulta in conveniente o anti económico circular un refrigerante en expansión directa al área donde se produce el enfriamiento. Para tales casos se emplea un sistema de refrigeración indirecta. El agua o salmuera o algún otro líquido apropiado es enfriado por un refrigerante de expansión directa en un enfriador de líquido y después es bombeado a través de tuberías apropiadas hacia el espacio o producto por refrigerar. El agua enfriada llamada refrigerante secundario puede hacerse circular directamente alrededor del producto o envase refrigerado o bien puede hacerse pasar por un serpentín de enfriamiento de aire o por algún otro tipo de superficie de transferencia de calor.

Los sistemas de refrigeración indirecta se emplean con ventaja en cualquier instalación donde el espacio o producto que va a ser enfriado está a una distancia considerable del equipo de condensación. La razón de ésta es debida a que las tuberías largas de expansión directa son raras veces prácticas. En primer lugar son caras al instalarse y necesitan una gran carga de refrigerante, además con tuberías largas de refrigerante, sobre todo tramos verticales grandes, crean problemas con el retorno del aceite y causan excesiva caída de presión en el refrigerante con lo cual se tiende a reducir la capacidad y eficiencia del sistema, además las fugas causan problemas serios y es más fácil que ocurran en tuberías con refrigerante que en tuberías con agua o salmuera.

La refrigeración indirecta se utiliza en muchas aplicaciones de procesos de enfriamiento donde con frecuencia es poco práctico mantener un buen sello de vapor

alrededor del producto que está siendo enfriado.

Refrigerantes secundarios:

Los refrigerantes secundarios son: Agua, Cloruro de Calcio, Salmueras de Cloruro de Sodio, Glicoles de Etileno y Propileno, Metanol, (Alcohol Metílico y Glicerina).

Casi siempre se utiliza el agua como refrigerante secundario en sistemas muy grandes de acondicionamiento de aire y en instalaciones de procesos de enfriamiento industrial donde la temperatura debe mantenerse por arriba del punto de congelación del agua. El agua es un excelente refrigerante secundario debido a su fluidez calor específico alto y alto coeficiente de película . Tiene además la ventaja de no ser cara y relativamente no es corrosiva. En instalaciones de acondicionamiento de aire, el agua enfriada es circulada a través de un serpentín para enfriamiento de aire a través de una unidad rociadora de aire. En cualquier caso el aire es enfriado y deshumidificado. Ya sea que se use serpentín para enfriamiento o unidad rociadora la cantidad de enfriamiento y deshumidificación puede controlarse variando la cantidad y temperatura de agua enfriada.

Con frecuencia se usa el agua como refrigerantes secundario en pequeños enfriadores de bebidas y en enfriadores para granja diseñados para enfriar tarros de leche. En estos casos el agua por su alta conductividad, permite un enfriamiento más rápido del producto que si se emplease aire. Además los suministros de agua permiten tener una capacidad continua que tiende a absorber las fluctuaciones de carga resultantes por cargado intermitente en el enfriador.

Salmueras:

Evidentemente que el agua no podrá ser empleada como refrigerante secundario en cualquier aplicación donde la temperatura deba ser mantenida por abajo del punto de congelación del agua. Para tales casos se utiliza una solución de salmuera .

Se da el nombre de salmuera a la solución que resulta cuando varias sales son disueltas en agua. Si una sal es disuelta en agua la temperatura de congelación de la salmuera resultante será menor que la temperatura de congelación del agua pura.

Una solución con la concentración crítica se le llama solución eutéctica. Para cualquier concentración arriba o debajo de la concentración crítica la temperatura de congelamiento de la solución será mayor que la temperatura eutéctica.

Generalmente se utilizan dos tipos de salmuera en la práctica de la refrigeración: Cloruro de Calcio y Cloruro de Sodio. Las dos salmueras son preparadas con sales de Cloruro de Calcio y Cloruro de Sodio, siendo ésta última la sal común usada en la comida.

La salmuera de Cloruro de Calcio se usa principalmente en ciertos procesos de enfriamiento industrial, en productos congelados y almacenados y para algunas otras aplicaciones con salmuera donde se requiera tener temperaturas menores a 0 grados F. La temperatura mínima de congelamiento que puede obtenerse con salmuera de Cloruro de Calcio es aproximadamente es de menos 67 grados F. La principal desventaja de la salmuera de Cloruro de Calcio es su defecto deshidratador y su tendencia a impartir un sabor amargo a los productos alimenticios cuando hace contacto con ellos, por ésta razón cuando se usa salmuera de Cloruro de Calcio para la congelación de alimentos el sistema deberá ser diseñado para evitar que la salmuera haga contacto con el producto de refrigerado. La salmuera de Cloruro de Sodio se emplea principalmente en aquellas aplicaciones en donde existe la posibilidad de contaminación con salmuera de Cloruro de Calcio.

La salmuera de Cloruro de Sodio se emplea en instalaciones donde se tiene enfriamiento y congelamiento de carnes, pescados y otros productos en los cuales se pueda tener rociamiento de salmuera. La temperatura mínima que se obtiene con salmuera de Cloruro de Sodio es aproximadamente menos 6 grados F.

Es importante tener en cuenta que las propiedades térmicas de ambas salmueras de Calcio o de Sodio, son un poco menos satisfactorias que las del agua, a medida que se le aumenta el contenido de sal en las salmueras, se disminuye la fluidez, el calor específico y la conductancia térmica en ambas salmueras. Entonces mientras más fuerte sea la solución salmuera mayor deberá ser la cantidad de salmuera que deba circular para producir el efecto refrigerante.

Soluciones anticongelantes:

Ciertos compuestos solubles en agua descriptos como agentes anticongelantes se emplean con frecuencia para bajar el punto de congelación del agua. Los agentes anticongelantes más conocidos son: El Glicol Etileno, Glicol Propileno, Metanol (Alcohol Metílico y Glicerina). Todos éstos compuestos son solubles en agua en todas las proporciones. Probablemente el Glicol Etileno es el más usado como agente anticongelante al servicio de la refrigeración junto con el Glicol Etileno, el Glicol Propileno tiene muchas propiedades deseables. A diferencia de la salmuera las soluciones Glicol no son corrosivas. Además, éstas no son electrolíticas y pueden emplearse en sistemas que tengan metales disímiles. Por las muchas ventajas que tienen las soluciones de Glicol estas han desplazado a las salmueras en las industrias lácteas y cerveceras.

Unidades rociadoras de salmueras:

Al igual que para el agua enfriada la salmuera enfriada o solución anticongelante puede ser circulada alrededor del producto refrigerado o de su envase o puede ser usada para enfriar el aire de un espacio refrigerado, cuando se la usa para enfriar aire la salmuera enfriada es circulada a través de un serpentín o a través de una unidad rociadora de salmuera.

En la primera unidad la salmuera enfriada proviene de un enfriador de salmuera localizada en el exterior del espacio refrigerado, es rociada hacia abajo mediante toberas rociadoras y se recoge en un depósito colocado en la parte inferior de la unidad. En el segundo tipo la salmuera es enfriada en un serpentín de expansión directa localizado dentro de la unidad rociadora misma.

Se trata de máquinas cuya misión es enfriar agua hasta unos 7 grados centígrados para enviarla a las unidades terminales (Fan- Coils, inductores o climatizadores). Las centrales enfriadoras de agua son máquinas frigoríficas basadas en el ciclo de compresión de vapor, o en el de absorción, aunque generalmente las enfriadoras son de compresión de vapor.

Las máquinas de compresión de vapor constan de un evaporador donde se produce el frío, un condensador que es necesario refrigerar, la válvula de expansión y el compresor. En el evaporador se enfría el agua que posteriormente se enviara a las unidades terminales. El condensador puede ser refrigerado por aire o por agua. Las unidades de condensación por aire utilizan el aire exterior como elemento auxiliar refrigerante, y deben colocarse en el exterior.

El ventilador puede tener un motor mono o trifásico. El aire que se utiliza para refrigerar el condensador sale más caliente y se vierte hacia el exterior. Algunas unidades llamadas: “bomba de calor” permiten el aprovechamiento de éste aire caliente, entonces se utiliza un ventilador centrífugo y una red de conductos de aire y este aire caliente se traslada al lugar donde se necesite.

Según sea la potencia frigorífica necesaria se utilizan uno o dos compresores de un tipo u otro. El agua debe entrar en el evaporador permanentemente a una temperatura igual o inferior a los 20 grados C. Éste dato es orientativo, puesto que dependerá del fabricante, pero es lógico que tengamos una temperatura máxima de entrada para el agua puesto que de lo contrario el evaporador no podría garantizar el enfriamiento necesario. Para ello es conveniente montar una válvula reguladora de tres días que mezcle agua fría tomada de la salida del evaporador con agua a la entrada antes de la bomba de circulación cuando la temperatura de entrada sea superior a los 20 grados C.

Bibliografía

Manual de Aire Acondicionado

Handbook of Air conditioning System Design por Carrier Air Conditioning Company. Carrier

-Manual de aire acondicionado (handbook of air conditioning system design) por Carrier Air Conditioning Cpmpany-

-Ángel Luis Miranda: Aire acondicionado, Ediciones CEAC.

-Dossat Roy: Principios de Refrigeración-