Lunes, 08 Agosto 2022 12:23

Conceptos físicos y termodinámicos que intervienen en los procesos de refrigeración

PRO35 Articulo 1 foto 0El movimiento de un fluido en un recinto sigue unas leyes físicas básicas como son las diferencias de presión, las diferencias de temperatura, las diferencias de altura, las diferencias de densidad, y finalmente las diferencias de concentración

 

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Las combinaciones de estos mecanismos, así como su diferenciación entre fluidos gaseosos y fluidos líquidos, aumenta la posibilidad de movimientos. Un ejemplo de esto será la difusión de un vapor en el seno de otro y su disolución en un fluido líquido con el que presenta cierta afinidad físico-química.

Para ver la gran importancia que estas reglas básicas tienen en refrigeración, simplemente recordar que, aunque son conocidas y sentidas por todo el mundo a una edad muy reducida, tal como veremos en los ejemplos, hasta que no se realizó su agrupación, la resolución de problemas era mas compleja por el olvido de alguna de estas leyes en algunos puntos concretos de los circuitos de refrigeración.

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Estos movimientos en ciertas situaciones son los normales en refrigeración y gracias a ellos se mueven los fluidos, pero en otras muchas ocasiones, estos movimientos harán que los fluidos se transporten a lugares donde en principio no se desea su permanencia, se acumulen, cambien de estado y generen problemas en la instalación. Su conocimiento nos permitirá una rápida detección del fenómeno ocurrido y la posibilidad de incorporar soluciones. 

PRIMER PRINCIPIO comenzamos con el movimiento debido a la diferencia de presión entre dos puntos.

Un fluido se moverá de un punto con una presión determinada a otro punto con una presión inferior. Este movimiento es el habitual en un circuito frigorífico, y es conocido y sentido por cualquier persona desde la más tierna infancia. 

También el viento es una consecuencia de las diferencias de presión en distintos puntos de la superficie terrestre. El aire va de los anticiclones (zonas de alta presión) hacia las borrascas (zonas de baja presión).

Sin embargo, lo que es normal en refrigeración también puede ser en algún momento causa de problemas por desplazamiento del aceite por diferencia de presión de los compresores que estando parados reducen su nivel de aceite que va hacia los compresores que están en funcionamiento a través del tubo de igualación de aceite. Debe tenerse en cuenta que una diferencia de presión de 0.01 bar (no detectable con manómetro) equivale a 1.1 cm de diferencia de nivel de aceite.

Este fenómeno que afecta al aceite hace necesario un diseño especial de gestión del nivel de aceite en los compresores instalados en paralelo en un mismo circuito frigorífico.

Debido también a que la diferencia de presión provoca la circulación de un fluido hacia la zona de menor presión, los circuitos frigoríficos se diseñan para que, en cualquier punto del interior del circuito, la presión sea siempre superior a la presión atmosférica. De esta forma se minimiza la entrada de aire al interior del circuito en caso de roturas o zonas de fuga de gas por uniones incorrectas, prensaestopas de válvulas, etc. Solamente en casos especiales como por ejemplo a muy bajas temperaturas (inferiores a -41ºC) con amoniaco como refrigerante se trabaja con presiones inferiores a la atmosférica.

El segundo principio nos indica que un fluido se moverá de las zonas de mayor temperatura a las de menor temperatura. Debido a la mayor temperatura de las moléculas, estas tendrán mayor movilidad que las de menor temperatura, lo cual provocara que, con el paso del tiempo, las moléculas con mayor temperatura llegaran a las zonas de menor temperatura donde intercambiarán calor hasta que sus temperaturas se igualen. En los fluidos friogénicos utilizados en refrigeración, esta reducción de temperatura va a provocar la condensación del vapor en muchas situaciones. Este líquido acumulado en lugares indeseados, será una fuente de problemas, y deberá evitarse su acumulación por alguna de las técnicas que se indicaran en los ejemplos explicativos.

Simplemente el vapor de agua producido durante la respiración y sudoración migra de las zonas calientes a las zonas frías (los cristales) en contacto con el ambiente exterior más frío. El vapor de agua una vez en el cristal, si al enfriarse alcanza el punto de rocío, comienza a condensar, formando una cortina de agua que obstaculiza la visión. 

 

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Este fenómeno es el causante de muchos problemas en las instalaciones de refrigeración.

A continuación, veremos varios ejemplos donde se puede producir acumulación de líquido por este principio y también veremos las consecuencias que esta acumulación puede provocar y asimismo la forma de evitar la condensación o bien los efectos de dicha condensación. 

Cuando hay una bifurcación de tuberías de gas caliente y el fluido solo circula por una de ellas, es decir la otra tubería permanece temporalmente cerrada, en ésta última, siempre se producirá condensación de liquido, ya que la temperatura del gas de descarga que se dirige normalmente hacia el condensador, siempre es mayor que la temperatura entorno a la tubería sin circulación.

Esta situación, nos la podemos encontrar en muchos puntos de los circuitos frigoríficos. 

En las válvulas termostáticas con función MOP (Máxima Operación Presión) para protección del compresor. En este caso si la cabeza termostática de la válvula de expansión esta mas fría que el bulbo, el liquido encerrado dentro de éste, puede migrar al elemento termostático.

 El bulbo al no contener líquido, ya no reaccionará a las variaciones de temperatura en la salida del evaporador funcionando incorrectamente. Las soluciones consisten en evitar que la cabeza del elemento termostático siempre esté mas caliente que el bulbo. 

Un buen aislamiento, un calentamiento o una ubicación en el exterior de las cámaras suelen resolver este problema.

En los presostatos colocados en las líneas de descarga y especialmente los instalados en la culata del compresor como elementos de seguridad. Dado que la temperatura de descarga es superior a la temperatura ambiente donde se encuentra el presostato, la condensación de líquido es inevitable. 

Normalmente la ubicación el presostato en lugares mas elevados que la conexión permiten que el liquido condensado drene por gravedad y retorne al compresor donde al mezclarse con el gas caliente se re-evapora para volver a condensarse en el presostato. 

Cuando la cantidad de vapor condensado es mayor que la que puede drenar por gravedad, puede aparecer el problema del rateo de presostatos o la rotura del fuelle del presostato.

 

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En los desescarches por gas caliente, el gas canalizado hacia los evaporadores a desescarchar solo circula cuando hay que fundir el hielo. Durante los tiempos de pausa, en estas tuberías va a condensar refrigerante, el cual va a ser arrastrado con violencia en los procesos de apertura de las válvulas.

En los compresores de circuitos de aire acondicionado cuando el compresor es el punto más frío, el refrigerante se acumulará dentro del compresor tanto en el lado de aspiración mezclándose con el aceite del cárter del compresor, como en la zona de descarga en las cámaras amortiguadoras de los pulsos de presión del compresor. 

En el primer caso, se genera una dilución del aceite con refrigerante, el cual pierde cualidades de lubricación y provoca la rotura por gripado del compresor, este problema suele resolverse utilizando resistencias de cárter que mantienen la temperatura durante las paradas en el interior del compresor unos 10ºC por encima de la temperatura ambiente.

 

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En el segundo caso, la acumulación de líquido en el lado de descarda provocara golpes de presión por arrastre de líquido a gran velocidad y que pueden evitar eliminando la posibilidad de retroceso del vapor de descarga hacia atrás colocando una válvula de retención en la descarga del compresor. 

Esta solución es típica en centrales de compresores, sin embargo, el fenómeno puede suceder también en sistemas 1:1 sin que se tome ningún tipo de precaución.

El tercer principio que consideramos, es el movimiento provocado por la acción de la gravedad, de forma que podemos decir que una manzana de un árbol llega al suelo porque es atraída por la tierra. El hecho es que un cuerpo que esta a un nivel más alto respecto a una referencia fija, si este no tiene una sujeción, el cuerpo cae hacia la referencia fija.

 

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En una instalación frigorífica este principio fundamentalmente le afecta al aceite que lubrica las partes móviles del compresor y que es arrastrado por el refrigerante a través de todo el circuito. Para favorecer la circulación del aceite y su retorno al compresor hay que respetar unas inclinaciones en las tuberías horizontales y unas velocidades mínimas en las subidas verticales, así como la ejecución de sifones para facilitar el arrastre y contra-sifones para evitar el retroceso del aceite. 

También encontramos en grandes instalaciones de refrigeración industriales tuberías por las que circula una mezcla de liquido y vapor (líneas de retorno húmedo) en las cuales la gravedad afecta al régimen de circulación. En estos casos la heterogeneidad del fluido (fases líquido y vapor) provoca la formación de bolsas de vapor dentro del líquido, los cuales pueden provocar golpes fuertes en subidas y bajadas verticales.

El cuarto principio indica que cuando dos líquidos se mezclan, dependiendo de su solubilidad o inmiscibilidad nos podemos encontrar varias situaciones.

 

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Una disolución verdadera o una emulsión al igual que la mayonesa, donde las propiedades de la mezcla son diferentes a las de los fluidos. 

Una separación de fases de los dos líquidos inmiscibles, donde el líquido menos denso flota sobre el líquido denso.

El caso de disolución o emulsión, lo encontramos cuando el refrigerante líquido se acumula en el cárter del compresor bien por el efecto de migración por efecto de diferencia de temperaturas durante las paradas, o bien por retornos de liquido durante el funcionamiento por gestión incorrecta del refrigerante en los evaporadores.

El caso de separación de fases también afecta al refrigerante y al aceite, y requiere sistemas especiales de retorno de aceite y control preciso de la gestión de refrigerante con sistemas de protección del aceite del cárter del compresor con separadores de aspiración. En la figura 7 vemos como recoger el aceite de la superficie del separador de líquido para enviarlo después por la tubería de salida a los depósitos de aceite o al compresor.

Debe evitarse la separación de fases en el cárter del compresor, ya que en estas condiciones puede circular refrigerante por los conductos específicos del aceite destruyendo la lubricación y gripando el compresor.

 

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El QUINto principio, indica que un fluido se dispersa en el seno de otro de forma que se moverá de puntos de mayor concentración a puntos de menor concentración. 

Tenemos de esta forma las disoluciones de sólidos líquidos y gases en líquidos y la difusión de vapores o gases.

La más interesante en los circuitos frigoríficos es la difusión de gases. Para ello debemos recordar que un gas tiende a ocupar todo el volumen de recipiente que lo contiene, y para ello se expande dejando mucho espacio libre entre cada molécula. Debemos indicar que este principio actúa independientemente para cada tipo de molécula, es decir debemos pensar en el volumen ocupado por las moléculas de gas refrigerante, las moléculas de oxígeno contenidas en el aire, así como las de agua, nitrógeno o dióxido de carbono.

Cuando se abre un frasco de perfume, el olor se expande por el local donde está el frasco de perfume. Deducimos que el movimiento de las moléculas olorosas no se debe a acción de la presión, ni de la altura, ni de la temperatura, ni de la densidad, sino que un nuevo principio activo las mueve. Este nuevo principio es la difusión.

 

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Para los escépticos de este principio, quizás sea más clarificador la sustitución del frasco de perfume por una bomba fétida, donde el mal olor se expande por todo el volumen circundante. Los dos ejemplos son igual de válidos para explicar el fenómeno de la difusión.

La difusión explica que cuando en un circuito frigorífico hay una fuga en una tubería o componente del circuito por el que circula vapor, automáticamente hay una entrada de aire al interior del circuito independientemente de la presión que haya en el interior. 

Es decir, tanto en las fugas de baja presión como en las de alta presión hay entrada de aire con humedad. 

Tradicionalmente, en muchas ocasiones se ha asumido que la entrada de humedad era debida a la incorrecta manipulación durante los procesos de mantenimiento, si bien esto puede ser cierto, debemos aceptar que la instalación incorrecta con alguna fuga tiene tanta o mayor responsabilidad que el correcto mantenimiento.

Ya están las cinco reglas, ahora nos queda ver la sexta definida como +1 mezcla de los conceptos de difusión y disolución. 

 

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Cuando un recipiente cerrado medio lleno, conteniendo aceite tipo poliol-ester (POE) se pone en contacto con otro recipiente medio lleno conteniendo un refrigerante tipo HFC, el vapor del refrigerante se difunde hacia la parte gaseosa del recipiente de aceite. 

Una vez que el refrigerante vapor esta en contacto con la superficie de aceite, el vapor se disuelve en el aceite, de forma que desaparece de la fase gaseosa pasando a la líquida. 

Este proceso continúa hasta que el aceite este completamente saturado de refrigerante, de forma que el volumen de refrigerante líquido disminuye y el volumen en el lado del aceite aumenta. 

Esta mezcla de refrigerante y aceite se produce, aunque la temperatura, presión, y altura sean iguales. Tal como se ha dicho es una combinación de dilución seguida de disolución. 

Para evitar esta migración de refrigerante liquido a los recipientes que contienen aceite, es necesario calentar el aceite unos 10ºC por encima de la temperatura/presión de saturación del refrigerante en el recipiente. 

El conocimiento de la regla de los cinco más uno, permite conocer donde puede encontrarse un fluido en fase liquida o gaseosa incluso en lugares no deseados, de forma que facilita la realización de diagnósticos y detección de fallos consecuencia de la acumulación de un líquido.

 

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