Un buen sistema frigorífico depende del correcto diseño de la tubería y del conocimiento de los accesorios necesarios para que cumpla su cometido.

Consideramos los fundamentos de la aplicación de la tubería y sus accesorios en los sistemas frigoríficos de los halocarburos. En los manuales de la industria petrolífera pueden hallarse datos sobre la fricción en tubos con refrigerantes de halocarburos.

Principios básicos:

Los sistemas de tuberías frigoríficas se diseñan y funcionan para:

1) Asegurar una adecuada alimentación de los evaporadores.

2) Proporcionar tamaños prácticos de las líneas frigoríficas sin una caída de presión excesiva.

3) Evitar que, en cualquier parte del sistema, queden retenidas cantidades excesivas del aceite de lubricación.

4) Proteger, en todos los casos, al compresor de la pérdida de aceite de lubricación.

5) Evitar que refrigerante líquido o bolsas de aceite lleguen al compresor durante los períodos de funcionamiento y de parada.

6) Mantener el sistema limpio y seco.

Dimensionado de las líneas de refrigerante:

Al dimensionar las líneas de refrigerante, las consideraciones relativas al coste favorecen el tener unos diámetros en las líneas tan pequeñas como sea posible, sin embargo, las caídas de presión en las líneas de aspiración e impulsión, originan pérdida de capacidad del compresor o compresores y un aumento de la potencia necesaria. Las caídas de presión excesivas en la línea de líquido, pueden dar origen al re-vaporizado del refrigerante líquido, resultando un funcionamiento defectuoso de la válvula de expansión.

Los sistemas frigoríficos se proyectan de modo que las pérdidas de presión por fricción ni superen una diferencia de presión equivalente, al correspondiente cambio en la temperatura de ebullición a saturación. La medida primaria para determinar las caídas de presión es un cambio dado en la temperatura de saturación.

Consideraciones sobre la caída de presión:

Línea de líquidos:

La caída de presión no debe ser tan grande como para formar gas en la línea de líquido, para tener insuficiente presión de líquido en los dispositivos de alimentación de líquido, o ambas cosas a la vez. Los sistemas frigoríficos se diseñan de modo que la fricción cause una caída de la presión en la línea de líquido no superior a la que corresponde a un cambio en la temperatura de saturación.

La velocidad en la línea de líquido que sale de un recipiente parcialmente lleno (tal como un depósito o un condensador de envolvente y tubos) viene limitada por la altura del líquido por encima del punto en que el tubo entronca con el recipiente, tanto si en la superficie el líquido está sub-enfriado  como si no, dado que el líquido en el recipiente tiene una velocidad muy baja. La velocidad en la línea de líquido (usualmente en la contracción de la vena líquida) puede obtenerse con sólo conocer la altura manométrica por encima de su posición. La presión del gas no se añade a la velocidad si el gas no fluye en  la misma dirección, como resultado tanto el gas como el líquido fluyen por la línea limitando el caudal del líquido.

Si esto no se analiza y tiene en cuenta, se originan excesivas cargas de funcionamiento en los recipientes y se inundan los condensadores de envolvente y tubos.

No hay datos específicos para seleccionar con precisión el diámetro de las líneas que salen de los recipientes. Es razonablemente seguro que, si la altura del nivel del líquido por encima de la contracción de la vena fluida produce la velocidad deseada, el líquido dejará el recipiente al ritmo esperado.

Las caídas de presión por fricción en la línea de líquido son causadas por componentes, como válvulas solenoide, filtros secadores y válvulas manuales, así como por la propia tubería y sus accesorios desde la salida del recipiente hasta el dispositivo de alimentación de refrigerante al evaporador.

Líneas de aspiración:

Una caída de presión en la línea de aspiración reduce la capacidad del sistema, ya que fuerza al compresor a funcionar a una presión de aspiración más baja para mantener en la batería la temperatura de evaporación deseada. Las líneas de aspiración usualmente se dimensionan de modo que la fricción cause una caída de presión no mayor que la equivalente a un cambio de 1K en la temperatura de saturación.

A temperaturas de aspiración por debajo de 5 grados Centígrados disminuye la caída de presión equivalente a un cambio de grados dado. Por ejemplo: con una aspiración a menos 40 grados Centígrados con R22, la caída de presión que equivale a un K en la temperatura de saturación, es de unos 4,9 KPa. Esto significa que las líneas a baja temperatura deben dimensionarse para una caída de presión muy baja o aceptar la penalización de altas pérdidas de temperatura equivalentes y la consecuente pérdida de capacidad del equipo. Con caídas de presión muy bajas, todos los montantes de aspiración o de gas caliente deben dimensionarse correctamente para asegurar el arrastre del aceite hasta arriba del montante de modo que siempre sea devuelto al compresor o los compresores.

Si hay que reducir el tamaño de un tubo para dar al gas velocidad suficiente para que arrastre el aceite hacia arriba en montantes verticales a cargas parciales, a plena carga las caídas de presión serán mayores. En general, estas pueden compensarse sobredimensionando las líneas horizontales y las descendentes.

Líneas de descarga:

La caída de presión en las líneas de gas caliente incrementa la potencia del compresor que se necesita por unidad de refrigeración y disminuye la capacidad del compresor. La caída de presión se mantiene mínima al dimensionar con generosidad las líneas para tener pequeñas pérdidas por fricción, aunque manteniendo las velocidades del refrigerante para el arrastre del aceite en todas las condiciones de carga. La caída de presión se proyecta normalmente para no exceder el equivalente de un kilo en la temperatura de presión.

Longitudes equivalentes de válvulas y accesorios:

Las tablas de capacidades de líneas de refrigerante se basan en una caída unitaria de presión por metro de longitud por tubería recta o una combinación de tubería recta, de accesorios y válvulas con una caída por fricción, equivalente a una longitud de tubo recto a un metro. Generalmente la caída de presión en las válvulas y accesorios se determina evaluando la longitud recta equivalente de tubo del mismo diámetro con la misma caída por fricción, entonces pueden usarse directamente las tablas de direccionado de líneas.

Líneas de líquido:

Las líneas de líquido deben proyectarse de modo que llegue líquido ligeramente sub-enfriado al dispositivo de alimentación de líquido, a una presión suficientemente alta para un correcto funcionamiento. Hay que considerar dos factores:

-La línea de líquido de las válvulas y accesorios, deben dimensionarse para una caída de presión por fricción que sea práctica.

-Deben tomarse precauciones para evitar el revaporizado en la línea de líquido o bien tratarlo si no es práctico el evitar su aparición.

Líneas de aspiración:

Desde un punto de vista de diseño y construcción, las líneas de aspiración son más críticas que las líneas de líquido y las de descarga. Las líneas de refrigerantes deben dimensionarse para 1) Obtener una caída de presión razonable a plena carga, 2) Hacer volver el aceite desde el evaporador al compresor en condiciones de carga mínima y 3) Evitar que el aceite pase desde un evaporador en funcionamiento a otro que esté fuera de uso.

La circulación del aceite:

Durante el funcionamiento normal se pierde en todos los compresores utilizados en centrales de frío y refrigeración algo de aceite lubricante. Ya que inevitablemente el aceite sale del compresor con el gas refrigerante en la descarga, los sistemas que usan refrigerantes del tipo halocarburo deben hacer volver éste aceite al mismo régimen que sale.

El aceite que sale del compresor, o del separador de aceite si se emplea, llega al condensador y se devuelve en el refrigerante líquido, posibilitando que pase fácilmente por la línea de líquido hasta el evaporador. En el evaporador el refrigerante se evapora y la fase líquida se enriquece de aceite. La concentración de refrigerante en el aceite depende de la temperatura del evaporador y del tipo  de gas refrigerante y de aceite usado. La viscosidad de la solución aceite refrigerante viene determinada por los parámetros del sistema frigorífico. El aceite separado en el evaporador es devuelto al compresor por gravedad o por las fuerzas de rozamiento del gas que vuelve.

El efecto del aceite en la caída de presión es grande, multiplicando la caída de presión en algunos casos al menos por un  factor diez.

Reducción de capacidad del sistema frigorífico:

El uso del control automático de capacidad en los compresores utilizados en la refrigeración modernos exige un análisis y un diseño cuidadoso. Mientras sigue la exigencia de carga del sistema, el compresor es capaz de cargar y descargar a lo largo de una amplia gama de capacidad, un compresor puede descargar hasta el 25% de la capacidad a plena carga, en tanto que varios compresores conectados en paralelo en una central de frío pueden descargar hasta un 12,5 % de la capacidad del sistema o incluso por debajo de éste valor. La tubería del sistema debe proyectarse para devolver el aceite a la carga más baja, aunque sin imponer excesivas caídas de presión a la tubería y al equipo frigorífico a plena carga.

El retorno de aceite en los montantes de aspiración:

Muchos sistemas de tubería frigorífica, sobre todo las que se emplean en las centrales de frío tienen un montante en la aspiración, ya que los evaporadores podrían estar a un nivel más bajo que el de los compresores. El aceite que circula por el sistema frigorífico, solamente puede pasar por los montantes de gas si es arrastrado por el gas de retorno.

Los principales criterios que determinan el transporte de aceite son:

-La velocidad del gas, la densidad del gas y el diámetro interior de la tubería. La densidad de la mezcla refrigerante aceite, juega un papel algo menor, ya que en un amplio margen es casi constante. Además a temperaturas algo por debajo de -40°C puede ser significativa la viscosidad del aceite. Al bajar la temperatura y hacerse menos denso el gas, se precisan mayores velocidades del gas. Si el diámetro del tubo aumenta son también necesarias velocidades más altas.

Los montantes de la aspiración deben dimensionarse para la mínima capacidad del sistema de refrigeración. El aceite debe ser devuelto a los compresores en las condiciones de funcionamiento correspondientes al desplazamiento mínimo y a la temperatura de aspiración mínima a la que debe trabajar la central de frío. Si se utilizan reguladores de presión de aspiración o evaporación, los montantes de aspiración deben dimensionarse de acuerdo a las condiciones reales del montante.

Para varios compresores la capacidad mínima es la más pequeña que puede atender el último compresor en funcionamiento.

El retorno del aceite en montantes de aspiración en sistemas frigoríficos de varias etapas:

El movimiento del aceite en las líneas de aspiración de los sistemas de varias etapas requiere las mismas particularidades de proyecto que los sistemas de una sola etapa. En los sistemas frigoríficos de baja temperatura en los que la alta viscosidad del aceite dificulta el flujo, para mantener fluido el aceite, pueden añadirse aditivos para erradicar la viscosidad. Para que el aceite fluya a lo largo de la pared de un tubo, se necesita una mínima fuerza de arrastre por parte del flujo gaseoso.

Los montantes dobles de aspiración:

El dimensionado y el funcionamiento de un montante doble de aspiración se explica como sigue:

1- El montante A es dimensionado para hacer volver el aceite a la mínima carga posible.

2- El montante B se dimensiona para que a plena carga, con ambos montantes se tenga una caída de presión satisfactoria. El método corriente es el de dimensionar el montante B de modo que el área combinada A y B sea igual o ligeramente superior al área de tubo único, que se dimensionaría con una caída de presión aceptable a plena carga, sin considerar el retorno de aceite a carga mínima. El área combinada, sin embargo no deberá ser mayor que el área de un tubo único que hiciese volver el aceite en un montante con flujo ascendente en las condiciones de carga máxima.

3-Entre las dos montantes se intercala un sifón, durante el funcionamiento a carga parcial la velocidad del gas, no es suficiente para retornar el aceite a través de ambos montantes y gradualmente el sifón se va llenando de aceite hasta que el segundo montante B, queda segado, entonces el gas solamente sube por el montante A y tiene velocidad suficiente para arrastrar el aceite con él hasta la tubería de aspiración horizontal. A menudo, los dobles montantes de aspiración son escenciales en sistemas frigoríficos donde se utilizan centrales de frío a baja temperatura que pueden tolerar muy poca caída de presión.

En los sistemas frigoríficos que funcionan a altas temperaturas de aspiración, tales como los de acondicionamiento de aire central, pueden dimensionarse montantes de aspiración únicos que retornen el aceite a carga mínima. Cuando se emplea un solo compresor con control de capacidad, la capacidad mínima generalmente será un 25% o un 33% de desplazamiento máximo, con ésta baja relación, el montante único de aspiración diseñado para retornar el aceite a carga mínima, raramente son importantes las caídas de presión a plena carga.

Al emplear  varios compresores, como en las centrales de frío, uno o más de uno pueden parar, mientras otros siguen funcionando y la relación de máximo a mínimo se hace mucho mayor, esto puede hacer necesario un doble montante de aspiración.

Dado que el aceite es arrastrado en las líneas horizontales con velocidades del gas refrigerante bajas, las restantes partes de la línea de aspiración se dimensionan para permitir una caída de presión que sea práctica entre los evaporadores y compresores de la central de frío.

Es una buena costumbre el dar a estas líneas una pequeña pendiente hacia el compresor, deben evitarse los sifones, pero si esto es imposible, los montantes deben tratarse del mismo modo que los que salen de los evaporadores.

Líneas de descarga de gas caliente:

En las centrales de frío, las líneas de gas caliente, deben diseñarse para evitar la retención de aceite en el funcionamiento a carga parcial, para evitar que el refrigerante condensado y el aceite en la tubería vuelvan a la culata del compresor, ya sea durante una parada, ya sea durante el funcionamiento a baja temperatura ambiente en los casos en los que hay largas líneas de descarga al exterior, con conexiones cuidadosamente seleccionadas desde una tubería común hasta varios compresores, y evitar que se produzcan ruidos o vibraciones excesivas debido a las pulsaciones de gas caliente, a vibraciones del compresor, o ambas cosas.

El transporte de aceite en los montantes a cargas normales:

Al usar varios compresores con control de capacidad, hay que asegurarse de que todos los montantes de gas caliente transporten el aceite a todas las cargas posibles.

La velocidad de gas mínima en los transportes de aceite de los montantes:

En las instalaciones con varios compresores deberá calcularse cuál es la carga más baja posible del sistema y seleccionar si el diámetro del montante que de por lo menos, la mínima potencia frigorífica para un eficaz transporte del aceite.

Un montante único y un separador de aceite:

Un separador de aceite colocado en la línea de descarga, justo antes del montante, permite dimensionar el montante con una baja caída de presión. Todo el aceite que drena, bajando por el montante, se acumula el separador de aceite. Con varios compresores puede ser necesario el uso de separadores de aceite, individuales en cada línea de descarga. Para facilitar el tránsito del aceite por el sistema de retorno al compresor, las líneas horizontales deben estar bien niveladas o  tener una pendiente del flujo gaseoso.

Diseño de la tubería para evitar que el líquido y el aceite pasen a la culata del compresor:

En una disposición de varios compresores, cada una de las tuberías de descarga, deberá tener una válvula de retención, para impedir que el gas de la descarga de los compresores activos, condense en las culatas de los compresores inactivos. Siempre que el compresor esté situado por encima del compresor, la tubería del gas caliente deberá hacer un bucle en el suelo, cerca del compresor, antes de subir al condensador, en especial cuando el montante de gas caliente sea largo.

Esto hace remota la posibilidad de que el refrigerante condensado en la línea durante los períodos de parada, retroceda a la culata del compresor. Tampoco el aceite que ascienda por la pared del tubo retrocederá a la culata del compresor.

Amortiguadores de gas caliente (de descarga):

Para amortiguar las pulsaciones de gas de descarga, reduciendo el ruido y las vibraciones, pueden instalarse amortiguadores en las líneas de gas caliente. Los amortiguadores deben montarse en una parte horizontal o descendente de la línea de gas descendente, inmediatamente después que abandonen el compresor y no un montante.

Recipientes:

Los recipientes para refrigerante necesitan un estudio adicional de la tubería, de modo que no deben instalarse en un sistema frigorífico a menos que sea necesario. Los recipientes usados en las disposiciones llamadas “de paso”, exigen una mínima carga de refrigerante para funcionar, la cual hay que añadir a la carga global del sistema.

Se indican a continuación algunas de las funciones beneficiosas de los recipientes:

-Los recipientes pueden suministrar cierta capacidad de almacenamiento a la recogida por bombeo de refrigerante, cuando es preciso trabajar en otra parte del sistema o hay que poner fuera de servicio el sistema durante un tiempo.

-En sistemas en los cuales el funcionamiento el evaporador y condensador, o sólo en éste varía con distintos estados de la potencia requerida, para evitar la reducción de la superficie efectiva de la condensación, unos recipientes regulan la carga fluctuante, en el lado de baja y vacían el líquido del condensador.

-En los sistemas con evaporadores de diversos circuitos tal como en el caso de las centrales de frío, que cortan el suministro de líquido  a uno o varios circuitos, mientras la potencia requerida es reducida y vacían los circuitos inactivos, aquí se emplean recipientes para contener toda la carga de los circuitos inactivos.

-En los sistemas con condensadores de aire, los recipientes contienen refrigerantes suficientes para el llenado de las líneas de la puesta en marcha, para evitar la falta de alimentación del evaporador y la consecuente recogida por bombeo del refrigerante, ordenada por el presostato de baja. Si se usa el recipiente de tipo de paso, el líquido siempre debe fluir a él desde el condensador. Por tanto, o bien la presión en el recipiente es inferior al existente en la conexión de la salida del condensador o bien, la altura y la tubería entre ambos debe suponer una columna de refrigerante suficiente para compensar la diferencia de presiones y la pérdida por fricción.

El recipiente y la tubería asociada con él garantizan el libre flujo de líquido desde el condensador a el recipiente, al equilibrar las presiones entre ambos de modo que en el recipiente no deba producirse una presión más alta que en el condensador. Esto se consigue mediante el siguiente procedimiento:

-La tubería entre el condensador y el recipiente (condensado) se dimensiona para tener un flujo del tipo de albañal. Esto significa que hay que dimensionar los tubos para tener un flujo de líquido en un sentido y un flujo de gas en el opuesto.

-Para hacer que se equilibren las presiones en el recipiente y el condensador, la tubería entre ambos puede equiparse con una tubería independiente de ventilación. Esta  tubería exterior de ventilación puede equiparse o no con válvula de retención. Al montar la tubería sin válvula de retención en la línea de ventilación, hay que evitar que el gas de descarga vaya directamente a la ventilación o instalar una derivación al condensador.

 

Varios condensadores utilizados en centrales de frío:

En un circuito frigorífico pueden emplearse dos o más condensadores conectados en serie o en paralelo. Cuando están conectados en serie, hay que sumar las pérdidas de presión en cada condensador. Con más frecuencia los condensadores se disponen en paralelo, la pérdida de presión a través de cada uno de los circuitos en paralelo es siempre igual a la que existe a través de cualquiera de los otros, aunque resulte que se llene mucho un circuito con líquido en tanto que el gas circula por otro.

Condensadores de aire:

La caída de presión de aire en los condensadores de aire debe conocerse a través del suministrador de cada unidad en particular, para la potencia especificada. Si la caída de presión del refrigerante es lo suficientemente baja, los condensadores se colocan de manera tal, que permiten la reducción de la capacidad en una unidad hasta cero, sin hacer que el líquido se acumule en las restantes unidades activas.

Un condensador independiente, con una caída de presión cualquiera, puede conectarse a un recipiente sin dispositivo de equilibrado y sin altura de acumulación de líquido, si la salida del condensador  y la línea entre éste y el recipiente puede dimensionar para un flujo de albañal sin retención o restricción. Un condensador independiente puede conectarse a la entrada de gas caliente con una tubería de equilibrado, si el bajante vertical basta para equilibrar la caída de presión del refrigerante a través del condensador y de la línea de líquido hasta el recipiente.

Varios condensadores con elevadas caídas de presión, pueden conectarse:

-Si el recipiente está situado en un ambiente con temperatura igual o inferior al del aire que entra en el condensador.

-Si el control de capacidad afecta por igual a todas las unidades.

-Si todas las unidades funcionan , si una de ella lo hace, a menos que estén cerradas las conexiones de entrada y de salida.

-Si todas las unidades son del mismo tamaño, para esta aplicación se recomienda un recipiente de paso.

La tubería en el caso de varios compresores:

Para tener la seguridad de un funcionamiento correcto hay que hacer cuidadosamente las conexiones de tubería entre varios compresores funcionando en paralelo, como es el caso de las centrales de frío.

Tubería de aspiración:

La tubería de aspiración debe diseñarse de tal modo que todos los compresores funcionen lo más cerca posible de la misma presión y aspiración y de modo que el aceite sea devuelto en iguales proporciones. El colector de aspiración debe disponerse por encima del nivel de las lumbreras de aspiración de los compresores, de modo que el aceite pueda caer en  los compresores por gravedad. La tubería de retorno de los evaporadores no deberá conectarse al colector de aspiración, de modo que se formen cruces con los ramales de aspiración a los compresores.

El colector de aspiración debe tener un diámetro constante.

La recomendación para la realización de un colector es que sea en pirámide o en forma de yugo, con el fin de igualar al máximo las presiones en cada una de las lumbreras de aspiración de los compresores conectados en paralelo.

Los embranques  a cada compresor desde el colector de aspiración común deben salir lateralmente horizontales para distribuir equitativamente el aceite y para evitar la acumulación de refrigerante líquido en un compresor inactivo en caso de derrame.

Accesorios frigoríficos:

Intercambiadores de calor, líquido refrigerante-gas rerigerante de aspiración:

En general, los intercambiadores de calor líquido-gas de aspiración subenfrian el refrigerante líquido y recalientan el gas de aspiración. Se utilizan para una o más de las siguientes funciones:

1) Para aumentar el rendimiento del ciclo frigorífico.

El rendimiento del ciclo termodinámico de ciertos refrigerantes de halocarburos puede aumentarse cuando el gas de aspiración se recalienta al extraer calor del líquido.

El aumento del rendimiento del ciclo, en los sistemas de la gama de aire acondicionado, con temperaturas de evaporación por encima de 0° Centígrado, por lo general, no justifica su empleo.

2) Para subenfriar el refrigerante líquido con el fin de evitar la formación de gas revaporizado en la válvula de expansión.

El intercambiador debe colocarse cerca del condensador o recipiente para obtener un subenfriamiento antes de que exista una caída de presión.

3) Para evaporar pequeñas cantidades del refrigerante líquido que se espera vuelva de los evaporadores en ciertas aplicaciones.

Muchas bombas de calor con inversión del ciclo frigorífico, incorporan un acumulador en la línea de aspiración y un dispositivo de intercambio de calor entre el líquido y el gas de aspiración, para retener los golpes de líquido y vaporizarlos lentamente entre dos inversiones del ciclo.

En las centrales de frío que utilizan como gas refrigerante el R-22 y los intercambiadores líquido gas de aspiración sólo se utilizan normalmente para eliminar el líquido en exceso en la línea de aspiración. En los sistemas con R-22, hay que evitar recalentar excesivamente el gas de aspiración.

Separadores de aceite en la línea de descarga:

En los sistemas frigoríficos que usan refrigerantes de halocarburo, tal como sucede en las centrales de frío o enfriadoras de líquido, siempre hay aceite en circulación. Los métodos prácticos de disponer las tuberías de refrigerantes van dirigidos a asegurar que el aceite discurra por todo el sistema y vuelva a los compresores con tanta rapidez como sale de ellos.

Aunque los sistemas de tubería bien diseñados pueden resolver el problema del aceite en la mayoría de los casos, el empleo de un separador de aceite puede tener ciertas ventajas en algunas aplicaciones.

Algunas de las aplicaciones en las que puede ser de utilidad un separador de aceite en la línea de descarga son:

1) Los sistemas en los que es imposible evitar una sustancial absorción de refrigerante por el aceite del cárter durante los períodos de parada. Cuando el compresor arranque con una violenta acción de espumado, el aceite será expulsado a un ritmo acelerado y el separador devolverá inmediatamente al cárter una gran parte de éste aceite. Normalmente, sin embargo, el sistema frigorífico deberá ser proyectado con un control de recogida por bombeo o con calentadores del cárter, para hacer mínima la absorción del líquido  en el cárter.

2) En sistemas de expansión directa que emplean baterías o haces de tubos que exigen una alimentación por el fondo para conseguir una buena distribución del líquido y en los que el rebose de refrigerante por la parte superior del evaporador es esencial para una adecuada eliminación del aceite.

3) En los sistemas de baja temperatura, en los que es ventajoso dejar que pase al lado de baja presión tan poco aceite como sea posible.

Bibliografía: Manual Ashrae Refrigeration-Sistemas y aplicaciones- Año 1990