unidad iv refri

Unidad IV: Refrigerantes, lubricantes, tuberías y accesorios

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Unidad IV Refrigerantes, lubricantes, tubería y accesorios

“NO EXISTE UN REFRIGERANTE IDEAL, Y AUN CUANDO SE ENCONTRASE

ALGUNA SUBSTANCIA QUÍMICA IDEAL, COMO REFRIGERANTE NO PODRÁ

CUBRIR TOTALMENTE LAS NECESIDADES EXIGIDAS POR EL HOMBRE”

4.1 Clasificación y selección de refrigerantes

Los refrigerantes son los fluidos vitales en los sistemas de refrigeración mecánica. Absorben calor

del lugar donde no se desea y lo trasladan a otro. La evaporación del líquido refrigerante remueve

calor, el cual es liberado por la condensación del vapor calentado.

Cualquier sustancia que sufre cambio de fase líquida a vapor y viceversa puede funcionar como

refrigerante en sistemas del tipo de compresión de vapor. Sin embargo, solamente aquellas

substancias que sufren estos cambios a temperaturas y presiones comercialmente útiles, son de

valor práctico.

Puede decirse que no hay un refrigerante “universal”. Ya que la refrigeración mecánica se utiliza

en un rango amplio de temperaturas, algunos refrigerantes son más apropiados para refrigeración

a alta temperatura tal como confort; otros operan a rangos a más baja temperaturas, tales como en

almacenamiento de productos, procesos de congelación y aplicaciones que requieren aún más

bajas temperaturas.

Muchos refrigerantes diferentes han sido usados desde los primeros días de la refrigeración.

Experimentación, investigación y prueba, aún se efectúan con varios productos químicos o

compuestos y mezclas químicas. En un tiempo u otro se ha usado aire, butano, cloroformo, éter,

propano, agua y otros compuestos orgánicos e inorgánicos.

4.1.1 Selección de un refrigerante

La selección de un refrigerante para una aplicación en particular, frecuentemente depende de

propiedades no relacionadas con su habilidad de remover calor, por ejemplo, su toxicidad y

disponibilidad. Así, la selección de un refrigerante para un propósito particular puede ser un

compromiso entre propiedades en conflicto.

Características:

1. No tener presiones de condensaciones excesivas, de tal modo que no sea necesario tener

instalaciones extrafuertes.

2. Bajo punto de ebullición a la presión atmosférica, de tal modo que el sistema no necesite

operar en condiciones de vacío con la posibilidad de entrada de aire al sistema.


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3. Alta temperatura crítica. Es imposible licuar un gas que tiene una temperatura mayor que la

temperatura crítica, no importa que tanto sea elevada la presión.

4. Alto calor latente de evaporación. Mientras más alto sea el valor del calor latente se

necesita circular menor cantidad de refrigerante.

5. Bajo calor especifico de líquido. Esta es una característica deseable ya que

se estrangula el líquido en la válvula de expansión.

6. Bajo volumen específico del vapor. Esto es esencial en maquinaria reciprocante, pero no es

tan importante con máquinas centrifugas.

7. Ausencia de acción corrosiva en los metales usados.

8. Estabilidad química.

9. El refrigerante no debe ser flamable ni explosivo.

10. El refrigerante no debe ser tóxico a los pulmones, ojos y en general a la salud.

11. Fácil localización de fugas por olores o por indicadores apropiados.

12. Disponibilidad, bajo costo y fácil de manejar.

13. La acción del refrigerante sobre los lubricantes debe ser tal que no perjudique las válvulas

del compresor.

14. Es necesario tener transferencia satisfactoria de calor y adecuados coeficientes de

viscosidad.

15. El punto de congelación del líquido deberá ser menor que para cualquier temperatura a la

cual deba trabajar el evaporador.

16. Para las relaciones de compresión usadas es conveniente tener temperaturas bajas

en la descarga del compresor para evitar posible descomposición y deterioro del refrigerante

y del lubricante usado en el sistema.

4.1.2 Clasificación de los refrigerantes

La American Society of Heating, Refrigerating e Aconditioning Engineers (ASHRE), clasifica los

refrigerantes utilizados en equipos de refrigeración, en 3 grupos:

A) Compuestos halocarburos e hidrocarburos.

B) Compuestos inorgánicos.

C) Compuestos Azeotrópicos.

A) Compuestos halocarburos e hidrocarburos

Hacia fines de la década de 1920, un grupo de ingenieros y científicos, desarrollaron una nueva

familia de refrigerantes, cuya característica más sobresaliente fue su baja toxicidad. Otras

compañías iniciaron la producción de este grupo de refrigerantes bajo una serie de nombres:

Freón, Genetrón, Isotrón, Frigen, etc. Los componentes de este grupo son refrigerantes de

sustitución de los átomos halógenos (principalmente el cloro y flúor) en un estructura de

hidrocarburos por átomos de hidrógeno.

El Metano (CH4) ha sido tomado como modelo. Por ejemplo, supóngase que 2 átomos de cloro y

2 de Flúor se usan para reemplazar los átomos de Hidrógeno en el Metano: C Cl2 F2. Esta puede

adecuadamente llamarse Dicloro-difluoro-metano, donde el prefijo di (o bi) represente 2.


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Tales nombres, aunque lógicos son largos y difíciles de recordar, de tal manera que en lugar de

usar nombres tan largos se emplean otros: al diclorodifluorometano se le llama Freón-12,

Genetrón-12, Isotrón-12, etc. La tabla 4.1 tabula los refrigerantes de acuerdo al sistema

ASHRAE.

Designación ASRE Nombre Químico Fórmula Química

10 Carbontetracloruro CCl3

11 Tricloromonofluorometano CCl3F

12 Diclorodifluoremetano CCl2F2

13 Monoclorotrifluorometano CClF3

14 Carbontetrafluoruro CF4

20 Cloroformo CHCl3

21 Dicloromonofluorometano CHCl2F

22 Monoclorodifluorometano CHClF2

23 Trifluorometano CHF3

30 Cloruro de metileno CH2Cl2

31 Monocloromonofluorometano CH2ClF

32 Fluoruro de metileno CH2F2

40 Cloruro de metilo CH3Cl

41 Fluoruro de metilo CH3F

50 Metano CH4

110 Hexacloroetano CCl3CCl3

111 Pentacloromonofluoroetano CCl3CCl2F

112 Tetraclorodifluoroetano CCl2FCCl2F

113 Triclorotrifluoroetano CCl3CF3

114 Diclorotetrafluoroetano CClF2CClF2

115 Monocloropentafluoroetano CClF2CF3

116 Hexafluoroetano CF3CF3

120 Pentacloroetano CHCl2CCl3

123 Diclorotrifluroetano CHCl2CF3

124 Monoclorotetrafluoroetano CHClFCF3

125 Pentafluoroetano CHF2CF3

133a Monoclorotrifluoroetano CH2ClCF3

140a Tricloroetano CH3CCl3

143a Trifluoroetano CH3CF3

150a Dicloroetano CH3CHCl2

152a Difluroetano CH3CHF2

160 Cloruro de etilo CH3CH2Cl

170 Etano CH3CH3

290 Propano CH3CH2CH3

600 Butano CH3CH2CH2CH3

Tabla 4.1: Tabla de refrigerantes de compuestos halocarburos e hidrocarburos según ASHRAE


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B) Compuestos Inorgánicos

Designación ASRE Nombre Químico Fórmula Química

717 Amoniaco NH3

718 Agua H2O

727 Aire ----

744 Dióxido de carbono CO2

744a Oxido nitroso N2O

764 Dióxido de azufre SO2

Tabla 4.2: Tabla de refrigerantes de compuestos inorgánicos según ASHRAE

C) Refrigerantes azeotrópicos

Un refrigerante azeotrópico es una mezcla de dos o más substancias químicas en la cual se

mantiene la misma relación de constituyentes químicos en ambas fases, líquida y vapor. Por

ejemplo, los constituyentes de una mezcla azeotrópica no pueden ser separados por destilación.

El Refrigerante 500 (mezcla de 73.8 % de R-12 y 26.2 % de R-152a),

El Refrigerante 502 (mezcla de 48.8 % de R-22 y 51.2 % de R-115),

4.1.3 Nomenclatura de los refrigerantes

a) Para los derivados del Metano:

Estos constan de 2 dígitos:

a) El primer número es siempre mayor en 1 al número de átomos de hidrógeno que

aparecen en la molécula de refrigerante.

b) El segundo dígito da el número de átomos de flúor que aparecen en la molécula.

Refrigerante 1 2 (Diclorodifluorometano)

2 Moléculas de Flúor

No se tienen moléculas de Hidrógeno

b) Para los derivados de Etano:

Estos constan de 3 dígitos:

a) El primer término indica que el etano es el hidrocarburo básico.

b) El segundo término indica el número de átomos de hidrógeno: el 1 significa que no hay

ningún átomo de H, el 2 que hay un solo átomo de H, etc.

c) El tercer término indica el número de átomos de Flúor contenidos en la estructura.

Refrigerante 1 1 0 (Hexacloroetano)

Ningún átomo de Flúor

Hidrocarburo Etano Ningún átomo de Hidrógeno


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4.1.4 Características principales de algunos refrigerantes importantes

Refrigerantes Hidrocarburos:

Todos son muy flamables y explosivos. En general no son muy tóxicos. Son algo solubles en

aceites lubricantes. Pueden seleccionarse diferentes hidrocarburos para trabajar a la presión y

gamas de temperaturas deseadas (tabla 4.3).

Nombre del

Refrigerante

Formula

química

Clasificación

ASHRAE

Presión (Psia)

A 5 ºF A 86 ºF

Butano C2H6 R-600 13.1 59.5

Propano C3H8 R-290 42.1 185.3

Etano C4H10 R-170 240 676

Tabla 4.3: Tabla de refrigerantes hidrocarburos

Refrigerantes halocarburos (hidrocarburos halogenados):

Refrigerante 12 (Diclorodifluorometano):

1. Es muy usado en refrigeración tanto en equipos domésticos como industriales y en sistemas

de confort de aire acondicionado por su gama de presiones moderadas.

2. Su calor latente es bajo, 50 a 85 BTU/lbm, de tal manera que el flujo de refrigerante

circulando Lb/ (min-ton) es más alto que otros refrigerantes.

3. Químicamente es estable y casi no tiene efecto corrosivo sobre metales ordinarios, a menos

que estén contaminados por impurezas, como el agua.

4. No es combustible, aunque en presencia de flama abierta se descompone y forma gases

tóxicos.

5. Normalmente se toxicidad es nula; tiene solo olor muy ligero.

6. Los empaques de hules son inconvenientes en la mayoría de los refrigerantes hidrocarburos,

pero se pueden usar empaques de neopreno.

7. Deben utilizarse deshidratadores con objeto de eliminar la humedad.

Refrigerante 22 (Monoclorodiflurometano):

1. Utilizado en aparatos de aire acondicionado de paquete en aplicaciones residenciales,

comerciales e industriales

2. Químicamente es estable, casi sin olor, no es irritable, no es tóxico para bajas

concentraciones, no es flamable ni explosivo.

3. Gama de presiones más alta que el R-12 y de la mayoría de los refrigerantes con excepción

del CO2 y de algunos hidrocarburos.

4. Se utiliza en gamas de temperaturas moderadas (en aire acondicionado), debido a su bajo

volumen específico.


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Compuestos inorgánicos

Refrigerante 717 (Amoniaco):

Es el refrigerante más usado particularmente en la industria y en refrigeración comercial.

1. Presiones sub-atmosféricas solo para temperaturas menores de -28 °F y en el condensador

la presión no excede de 200 psias.

2. Calor latente alto (500 BTU/Lb).

3. El agua mezclada con amoniaco no se congela en la válvula de expansión.

4. El rendimiento termodinámico en un ciclo de refrigeración es alto.

5. No corroe ni al hierro ni al acero, pero si al cobre y a las aleaciones de zinc

6. Es particularmente irritable a los ojos y a las membranas mucosas. Se prohíbe usar

amoniaco en evaporadores de expansión directa por los cuales pasa el aire de los ductos de

un sistema de aire acondicionado.

7. Se quema con dificultad, pero puede formar mezclas explosivas con mezclas de aire en

relación de 16 a 26 % por volumen.

8. No se forman productos dañinos por su descomposición.

Refrigerante 744 (Bióxido de carbono):

El CO2 fue antiguamente usado en instalaciones de aire acondicionado; En la actualidad ha sido

sustituido por refrigerantes de baja presión. El CO2 es inerte, no es corrosivo, es inoloro y no es

irritante. Sin embargo, en concentraciones altas de más de 6 % por volumen se experimenta

pérdida del conocimiento pudiendo incluso ocasionar la muerte de la persona expuesta si no se le

hace mover en aire fresco. El CO2 es un refrigerante de presión alta.

Refrigerante 718 (Agua):

Puede usarse como refrigerante en aplicaciones de aire acondicionado. Se requieren presiones

bajas (vacíos muy altos), pero pueden obtenerse fácilmente con compresores centrífugos o de

surtidores de vapor.

4.1.5 Toxicidad de refrigerantes

Todas las substancias gaseosas (excepto el aire), tiene cierto grado de toxicidad. Hay varios

grados o niveles de toxicidad, ya que algunas substancias producen efectos tóxicos y hacen

peligrar la vida pues reducen la cantidad de oxígeno, mientras que otras son verdaderamente

venenosas. La toxicidad se relaciona con:

la naturaleza del material, el aumento relativo del producto químico en el aire, y

el espacio de tiempo durante el cual la inhalación tiene lugar.

Existe una clasificación del 1 al 6, siendo los refrigerantes clasificados con 1 los extremadamente

tóxicos, y con el 6 con ausencia de toxicidad.


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Existe peligro en caso de fuego debido a que ciertos refrigerantes pueden encenderse, ser

explosivos o formar productos venenosos en presencia de fuego o de una superficie caliente

incandescente. Estos riesgos están clasificados en 3 números según el código B-9 de la ASHRAE:

1. Flamabilidad de mezclas de vapor-aire, peligroso solo dentro de cierta concentración.

2. El refrigerante está a muy alta presión que tienda a extinguir la flama.

3. La pérdida o fuga de un refrigerante generalmente es conocida antes de que se tenga una

concentración de combustible, debido a su olor ofensivo.

La tabla 4.4 muestra la flamabilidad y toxicidad de algunos refrigerantes según ASHRAE

Refrigerante

Toxicidad

según la

National

Fire

Underwrite

Letalidad, muerte o lesión

seria.

Flamable o

explosivo

(Porcentaje

por

volumen)

Código de

seguridad

ASA-B9

de la

ASRE

Exposición

en horas

% por

volumen

Amoniaco (717) 2 0.5 0.5 - 0.6 16 - 25 2

Butano (600) 5 2 37.5 1.6 - 6.5 3

Etano (170) 5 2 37 3.3 - 10.6 3

Refrigerante 11 5 2 10 No 1

Refrigerante 12 6 2 28.5 - 30.4 No 1

Refrigerante 22 5A --- --- Ligeramente 1

Refrigerante 500 5A 2 19.4 No 1

CO2 (R -744) 5 0.5 - 1 5 - 7 * No ---

SO2 (R - 764) 1 0.08 0.7 No ---

* No es tóxico, pero en concentraciones fuertes causa sofocación

Tabla 4.4: Toxicidad y flamabilidad de algunos refrigerantes según ASHRAE

4.1.6 Deterioro de la capa de ozono

En 1974, dos destacados científicos, los Doctores Rowlan y Molina, propusieron la teoría: “la

capa de Ozono que protege a la tierra de los rayos UV proveniente de la energía solar, estaba

siendo afectada por gases emanados desde la tierra”.

Fue en la década de los 80´s cuando investigaciones de otras instituciones científicas, y

expediciones a los lugares más afectados confirmaron la hipótesis. El fenómeno fue llamado

Ciencia del Ozono o Ciencia Atmosférica.

Una de las substancias, los clorofluorocarbonos (CFC´s), alcanzan los niveles altos de la

atmósfera reaccionando con el Ozono, el cual se encuentra a más de 10 km. sobre la superficie de

la tierra. Ello origina que una mayor cantidad de rayos UV penetren en la atmósfera, afectando

algunos sistemas biológicos. La destrucción del Ozono es uno de los más grandes peligros que la

humanidad se ha echado al cuello en nombre de la civilización. Y lo peor es que arrastra consigo

a todos los seres vivos que habitan el planeta.


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El Ozono, una suerte de “super-oxigeno”, forma en la estratósfera una vigorosa cortina que

protege a la tierra contra los rayos solares ultravioletas. No obstante, los gases químicos que

sirven como propulsor en los aerosoles (y que los producen industrialmente más de un millón de

toneladas al año) están provocando la extinción de la capa ozónica en el área terrestre. Este

fenómeno antinatural tiene alarmantes efectos no solo sobre los seres vivos sino también sobre el

estado meteorológico. Por ejemplo, en pocos años aumentará la temperatura de la tierra de 2 a 3

°C, lo que provocará inundaciones y la desaparición de porciones de tierra, como islas playas,

etc., merced al derretimiento de grandes cantidades de hielo, lo que afectará directamente a los

cultivos. Pero lo más dramático será la acción sobre los microorganismos, especialmente el

fitoplancton, primer eslabón de nuestra cadena alimenticia.

De gas tóxico a salvador

El Ozono es un cuerpo gaseoso simple donde la molécula (O3) está formado por tres átomos de

Oxígeno, en vez de dos (O2) como la molécula normal. En el aire que respiramos se encuentra

una proporción extremadamente baja, que expresada en términos químicos estaría en el orden de

“trazas”. Se puede sentir su olor característico en tiempos de tormentas eléctricas o cerca de los

aparatos de alta tensión.

En altas concentraciones se vuelve tóxico para la vegetación, ya que mata el follaje e inhibe la

fotosíntesis. En combinación con otros contaminantes del aire, es capaz de causar estragos

importantes en los cultivos. También puede, en el caso del hombre, provocar daños fisiológicos,

principalmente en las mucosas y los alvéolos pulmonares, así como favorecer el riesgo de

contraer el cáncer en la piel.

Sin embargo, es en la estratosfera que toma su real importancia y su utilidad. Es en las altas capas

de la atmósfera que se forma, cuando los rayos ultravioletas del sol, disocian algunas moléculas

de Oxígeno, liberando átomos de ese elemento que se recombinan con otras moléculas para

formar el Ozono: O3. Estas moléculas son renovadas constantemente y pueden ser también

fácilmente destruidas por diversas acciones químicas, naturales o no.

Durante la larga historia de la tierra, el ciclo de producción y destrucción de Ozono siempre ha

estado en equilibrio y es el hombre quien ha perturbado este equilibrio; y uno de los principales

enemigos del equilibrio ozónico son los CFC´s.

A partir de 1928 se inicio el uso de un gas “inerte” en los refrigeradores, descubierto por el

químico de la General motors ; y en 1947 comenzó la industrialización de otros productos de la

misma familia, llamados colectivamente clorofluorocarbones, usados también como propulsores

en los aerosoles, los que permiten rociar el contenido de una lata a presión. Estos han llegado a

usarse hoy en día por millares de toneladas.

Los clorofluorocarbones, compuestos químicos a base de cloro, flúor, carbono y a veces

hidrógenos, son conocidos vulgarmente como CFC´s, o por su nombre comercial en Estados

Unidos freón, o en Francia Forane. Los industriales principalmente americanos, europeos y

japoneses producen más de un millón de toneladas anualmente, y de acuerdo a su uso, varían las

formulaciones, siendo conocidos los producidos en mayor proporción como CFC-11, CFC-12,

que representan más de ¾ de la producción total.


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Todos estos compuestos presentan un buen número de ventajas: son no flamables, inertes

químicamente, la mayor parte no son tóxicos, casi no tienen olor y son perfectamente miscibles

entre sí y con el aire. Por el contrario, sus cualidades se convierten en defectos una vez que

alcanzan la atmósfera, ya que su solidez de sus ligaduras les permite llegar a la estratosfera,

donde solamente los rayos ultravioletas del sol se disocian, liberando así en la capa de Ozono los

átomos de cloro, los que comienzan su trabajo de degradación.

Estos compuestos tienen además otro factor que los hace más peligrosos: su período de vida que

son muy altos: para el CFC-11, de 75 a 110 años y para el CFC-12, de 110 a 120 años.

Lucha contra la inconsciencia

Fue en 1972 que se hicieron las primeras denuncias sobre las irregularidades en los ciclos de

generación del Ozono estratosférico, presumiendo que el freón pudiera ser la causa. Este gas,

liberado al aire por los aerosoles, o escapando de los circuitos refrigeradores mal sellados, o

evaporándose de los residuos industriales como los envases de poliestireno, se difunde en la

atmósfera donde se disocia bajo la acción de los rayos ultravioletas.

Esta reacción libera átomos de cloro que reaccionan con las moléculas de Ozono causando su

destrucción. Así, por cada átomo de cloro liberado, se destruyen 100,000 moléculas de Ozono.

Científicos han estimado que por cada 1 % de disminución del Ozono, un 2 % adicional de los

dañinos rayos ultravioleta alcanzan la superficie terrestre.

La culpabilidad de estos productos está formalmente demostrada por los resultados de las

diversas campañas de investigación científica. Una de estas campañas, la más considerable, es

denominada “Airborne Antartic Ozone Experiment” (Experimentación Aerotransportada para el

Ozono Antártico). Fue realizada en forma conjunta por organizaciones científicas diversas, como

la NASA, la National Science Foundation y la Chemical Manufacturers Association. Francia a

través del centro de la investigación de la Meteorología Nacional, igualmente ha jugado un rol

importante en esta investigación.

Esta expedición tenía como finalidad estudiar in situ la fisicoquímica de la estratosfera a una

altura de 21,000 metros, dentro de la misma capa de Ozono, que se extiende desde 15 a 40

kilómetros de altitud. Para llevar a cabo los estudios realizados se usaron aviones

meteorológicos, sondas y satélites que enviaban un cúmulo de información que iban a ser de gran

utilidad, la cual se analizaba finalmente en Toulouse, Francia, con la ayuda de sofisticados

programas informáticos, los que permitieron deducir la cantidad de Ozono en la atmósfera con

métodos como la absorción en el infrarojo. Los resultados se enviaban al cuartel general

localizado en Punta Arenas, Chile.

Así pues, desde 1984 se pudo observar que durante la primavera se enrarecía espectacularmente

la concentración de Ozono, hasta fines de noviembre, en la que volvía a aumentar

progresivamente. Esta repartición desigual se explica por la diferente intensidad solar según las

estaciones del año, una condición que alterna los mecanismos naturales de generación y

destrucción del Ozono.


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En el mes de noviembre de ese 1984 se constató la evidencia: la disminución del Ozono se agrava

seriamente año con año, a tal punto que ciertos investigadores comienzan a inquietarse por los

efectos de los rayos ultravioletas sobre sus ojos, “cuatro veces más fuertes que en Miami en pleno

verano”, al perderse la capa filtrante que alivia a la superficie terrestre de los rayos ultravioletas.

Aquí cabe añadir que no solo en el polo sur se ha notado la disminución de la capa de Ozono,

pues se ha constatado una disminución de un 5 % o más en latitudes de 60° sur en adelante. Y en

el hemisferio norte, en zonas que incluyen ciudades como Dublín, Moscú y Anchorage, ha

disminuido la concentración hasta en 8 % en Enero de 1986 con respecto a la de 1969.

Sin embargo, la humanidad inconsciente, en su mayoría se desinteresa de la cuestión...

Factores ambientales

Algunos de los CFC´s, el R-11, el R-12 y el R-502 serán eliminados a más tardar en el año

2000 (salvo el caso del R-502, el cual junto con los CFC´s 113 y 114, serán eliminados en

1995, puesto que son importados de paises que los eliminarán pronto).

Los HCFC´s como el R-22, son substancias que tienen menos cloro que los CFC´s, y este ha

sido substituido por hidrógeno; de ahí la primera letra de su nombre. Debido a ello, su

potencial de agotamiento del Ozono es mucho menor comparado con los CFC´s. La fecha de

salida para estos compuestos no se ha determinado en México, pero será después del año 2030.

Los HFC´s son una nueva generación de refrigerantes. Estos no contienen cloro y no tienen la

capacidad de agotar la capa de Ozono estratosférico, además de tener un tiempo de vida en la

atmósfera relativamente más corto que los CFC´s. Un ejemplo es el R-134a.

El calentamiento global de cada sustancia tiene que ver con el aumento de temperatura

promedio de la tierra, también llamado como efecto invernadero, el cual es causado por la

cantidad de rayos ultravioleta que los gases absorben cuando la tierra los refleja, lo que les

impide salir a la atmósfera. Los gases refrigerantes son algunas de las substancias que

contribuyen a este efecto. Algunas otras son: el Bióxido de Carbono, el Bióxido de Nitrógeno

y, en general, los gases generados por combustión de los vehículos.

La tabla 4.5 muestra los valores tanto del potencial de agotamiento de Ozono como del efecto

invernadero, para algunos refrigerantes.

Refrigerante Factor de destrucción del

Ozono (ODP)

Factor del calentamiento

global (GWP)

CFC-11 1.000 1.00

CFC-12 1.000 3.00

CFC-113 0.800 1.40

CFC-115 0.600 7.50

HCFC-22 0.055 0.36

HFC-125 0 0.84

HFC-134a 0 0.25

HFC-32 0 0.13

Tabla 4.5: Factores de destrucción del ozono y calentamiento global de algunos refrigerantes


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Acuerdos internacionales

En septiembre de 1987 se celebró en Montreal, Canadá, una conferencia mundial que reunió

representantes de 40 paises con la intención de limitar la producción de CFC´s en el mundo.

Esta convención prevé que los paises firmantes deberán reducir su producción de CFC´s al 50 %

para 1999. El protocolo entró en vigor en Enero de 1989 y se establece que la tasa de utilización

deberá, en los seis meses siguientes, llevarse al nivel que tenía en 1986. Este acuerdo contempla

para los paises del Tercer Mundo un periodo de gracia de 5 años (como si la destrucción de la

vida necesitara esa clase de gracia).

Dentro de los mecanismos del protocolo Montreal, se estipula que se dará un tratamiento especial

a los paises que consuman menos de 300 gr. per capita anual de CFC´s, concediéndose 10 años

más de plazo para la aplicación de las regulaciones. Los paises que excedan de este nivel, tienen

como fecha límite para eliminar los CFC´s el 31 de Diciembre de 1995.

En países industrializados, los HCFC´s serán eliminados en el año 2015 en la fabricación de

equipo nuevo, en el 2030 para servicio de equipo ya existente.

Importante

Falta mucho para que desaparezcan los CFC´s de nuestra atmósfera, pues si suponemos que a

partir de hoy ya no emitiera una sola partícula de estos compuestos: un tercio de la masa

actual del CFC-11 estaría presente en la capa de aire del planeta dentro de 65 años y la

misma proporción de CFC-12 dentro de 120 años.

El gobierno mexicano se comprometió al cumplimiento del protocolo de Montreal a través

de la Secretaría de Desarrollo Social. México ha tomado la decisión de eliminar los CFC´s y

otras substancias controladas para el año 2000. Para lograrlo, la Secretaría de Desarrollo

Social ha firmado acuerdos con los fabricantes de estas substancias, de manera que se

restrinja la fabricación e importación en base a ese programa.

Deberá desaparecer el 90 % de la producción de CFC’s, pero el 10% restante será destinado a

usos esenciales como la industria medicinal donde estos son usados como propelentes.

4.2 Clasificación y selección de refrigerantes

El compresor en un sistema de refrigeración mecánico, debe ser lubricado para reducir la fricción

y evitar el desgaste. El tipo especial de lubricante utilizado en los sistemas de refrigeración debe

cumplir ciertos requerimientos especiales, que le permitan realizar su función lubricante, sin

importar los efectos del refrigerante y las amplias variaciones de temperatura y presión.

En cuanto a su procedencia, los aceites se clasifican en tres principales grupos: animales,

vegetales y minerales. Los aceites lubricantes para refrigeración se obtienen a partir de los

aceites de origen mineral, debido a que los de origen animal y vegetal:


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Se conocen también como aceites fijos porque no pueden ser refinados por destilación debido

a que se descomponen.

Son inestables.

Tienden a formar ácidos y gomas.

Se congelan fácilmente por lo que no son adecuados para refrigeración.

4.2.1 Aceites minerales

Los aceites minerales son derivados del petróleo y se pueden clasificar en tres tipos de acuerdo al

crudo del que se obtienen:

Con base parafínica.

Con base aromática.

Con base nafténica.

Los aceites parafínicos en la actualidad, no se utilizan en refrigeración. Los aromáticos, derivados

del dodecil-benceno, tienden a disminuir su uso.

Los aceites nafténicos son sometidos a un proceso de ultra-desparafinado, y en la actualidad, son

los más adecuados para refrigeración por las siguientes razones:

a) Fluyen mejor a bajas temperaturas.

b) Conservan mejor su viscosidad que los aromáticos.

c) Hay menos depósito de cera a bajas temperaturas, ya que contienen menos parafina que los

de base parafínica.

d) Los depósitos de carbón formados por estos aceites son ligeros y se eliminan fácilmente.

e) Son más estables térmica y químicamente, que los aromáticos.

f) Tienen excelente capacidad dieléctrica.

4.2.2 Aceites sintéticos

Aunque los aceites sintéticos para refrigeración, existen desde hace más de 25 años, en nuestro

país han tenido un uso muy limitado. Los aceites sintéticos tienen características muy superiores a

los minerales.

Los aceites sintéticos se obtienen a partir de reacciones químicas específicas. Por ello, su calidad

no depende de las condiciones del petróleo, y su composición es consistente todo el tiempo.

De lo anterior, se desprende que los aceites sintéticos, son lubricantes que se podría decir que

están “hechos a la medida”, ya que estos materiales pueden ser modificados de acuerdo a las

necesidades de una aplicación en particular. En el caso de los aceites sintéticos para refrigeración,

estos materiales se fabrican enfatizando las propiedades de miscibilidad con los refrigerantes,

resistencias a bajas y altas temperaturas, excelente poder lubricante, 100 % libres de cera.

Existen varios tipos de aceites sintéticos, pero los que mejor resultado dan en refrigeración son

los de polialquilenglicol (PAG) y los de poliol éster (POE).


13

Con la desaparición de algunos CFC´s y la aparición de sus sustitutos, es necesario el uso de

aceites sintéticos, ya que algunos de estos nuevos refrigerantes como el R-134a, no son miscibles

con los aceite nafténicos ni aromáticos. El R-134a inclusive, ha mostrado poca solubilidad con

los aceites sintéticos de alquil benceno y ha mostrado buena solubilidad con los lubricantes de

éster. El cloro puede reaccionar con el aceite sintético.

4.2.3 Requerimientos del aceite para refrigeración

Un buen aceite para refrigeración debe poseer las siguientes características:

1. Mantener su viscosidad a altas temperaturas.

2. Mantener buena fluidez a bajas temperaturas. Ser miscible con los refrigerantes a altas

temperaturas de trabajo.

3. Tener alta capacidad dieléctrica.

4. No tener materia en suspensión ni humedad.

5. No debe tener ácidos corrosivos o compuestos de azufre.

6. No formar depósito de cera (flóculos) a bajas temperaturas.

7. No dejar depósito de carbón al entrar en contacto con superficies calientes.

8. No formar espuma.

9. Ser química y térmicamente estable en presencia de refrigerantes, metales, aislamientos,

empaques, oxígeno, humedad y otros contaminantes.

Propiedades:

1.- Viscosidad

Es la resistencia a fluir que tienen los líquidos. La viscosidad nos indica que tanto puede fluir un

aceite a una temperatura dada. Los aceites se vuelven menos viscosos al aumentar la temperatura,

y más viscosos a bajas temperaturas. Esto es muy importante, ya que en el evaporador se tienen

temperaturas más bajas del sistema, y un aceite demasiado viscoso no fluirá, acumulándose en el

dispositivo y disminuyendo la transferencia de calor.

La viscosidad de los aceites también se ve afectada por su miscibilidad con los refrigerantes.

Puede ser no miscible como el amoniaco, hasta ser completamente miscible como el R-12. Hay

varias maneras y unidades para expresar la viscosidad de los fluidos:

Viscosidad absoluta ---------------- Poises.

Viscosidad cinemática ------------- CentiStokes (cSt).

Viscosidad Saybolt ------------------ Segundos Saybolt Universales (SUS).

2.- Punto de escurrimiento

Es la temperatura más baja a la cual fluirá un aceite. Por definición, el punto de escurrimiento es

3 °C mayor que la temperatura a la cual el aceite dejará totalmente de fluir; es decir, el punto de

escurrimiento es 3 °C arriba del punto de congelación del aceite. Este punto, depende del

contenido de cera y de la viscosidad.


14

El punto de escurrimiento de un aceite es muy importante, cuando se usa con refrigerantes que no

son miscibles o que son parcialmente miscibles; tal es el caso cuando se usa R-12 o amoniaco en

sistemas con evaporador de tipo inundado. Si el punto de escurrimiento del aceite empleado es

alto, se formará una capa viscosa de aceite sobre la superficie del evaporador. Esto trae como

consecuencia, una serie pérdida de eficiencia del intercambiador y problemas de lubricación

debido a que el aceite no retorna adecuadamente al compresor.

3.- Punto de floculación

Es la temperatura a la cual un aceite empieza a formar depósitos de cera. Un buen aceite para

refrigeración, no debe flocular al ser expuesto a las más bajas temperaturas que normalmente se

encuentran en los sistemas de refrigeración.

Todos los aceites para refrigeración contienen algo de cera parafínica. La solubilidad de esta cera

disminuye con la temperatura. Cuando a una mezcla de aceite y refrigerante se le disminuye su

temperatura, la solubilidad de la cera en el aceite disminuye, hasta que a cierta temperatura no

puede mantener disuelta toda la cera, y parte de la misma se separa y se precipita.

La cera libre que se forma al enfriarse un aceite para refrigeración, se depositará en las partes más

frías del sistema. En el evaporador causará pérdida de transferencia de calor, y en la válvula de

expansión puede causar restricciones hasta una obstrucción completa.

4.- Punto de inflamación y Punto de ignición

Tienen poco significado en los refrigerantes excepto con el NH3, CO2 y cloruro de metilo.

Si un aceite tiene puntos de inflamación y de ignición altos, es la mejor indicación de que no

contiene elementos volátiles.

Es posible mezclar una pequeña cantidad de aceite de gran viscosidad con una cantidad mayor de

aceite de baja viscosidad y obtener una viscosidad aceptable. Cuando el aceite de baja viscosidad

es inferior, se incendiará bajo su uso normal a temperaturas bajas.

El punto de inflamación de un aceite es la temperatura más baja a la cual el vapor de aceite

existente sobre la superficie se inflama al ser expuesto a una flama, pero se apaga

inmediatamente. Este temperatura no es lo suficientemente alta para mantener al aceite ardiendo.

El punto de ignición es la temperatura a la cual un aceite arde y continúa quemándose cuando

menos durante 5 segundos al ser expuesto a una flama.

5.- Rigidez dieléctrica

Es la medida de la resistencia de un aceite al paso de la corriente eléctrica. Se expresa en

kilovoltios de electricidad requeridos para saltar una distancia de una décima (1/10) de pulgada de

ancho, entre dos polos sumergidos en el aceite.


15

En la celda se coloca el aceite y en lo polos se aplica voltaje, el cual se va incrementando

gradualmente, hasta que se llega a un voltaje que vence la resistencia dieléctrica del aceite (a 25

ºC), salta una chispa de un polo a otro.

Un buen aceite para refrigeración debe tener una rigidez dieléctrica de 25 kV o mayor para todas

las viscosidades. Este valor es importante, ya que es una medida de impurezas en el aceite, tales

como humedad, metales disueltos o suciedad. Si el aceite está libre de materias extrañas, tendrá

un valor de rigidez alto. Si un aceite contiene impurezas, su resistencia al paso de la corriente

eléctrica será baja.

En compresores herméticos y semi-herméticos es una necesidad que el aceite tenga un alto valor

de rigidez para evitar cortos en los devanados.

6.- Numero de neutralización

Es una medida del ácido mineral contenido en el aceite. Casi todos los aceites lubricantes

contienen minerales de composición química incierta y diversa que reaccionan con substancias

alcalinas. A estas substancias se les denomina como “ácido orgánicos” que normalmente son

inofensivos y no deberán confundirse con los “ácidos minerales”, los cuales son muy corrosivos.

La presencia de estos ácidos en los aceites se debe a una mala refinación. Estos ácidos son

perjudiciales para la estabilidad del aceite. Su presencia en los sistemas de refrigeración es

nociva, ya que corroe las partes interiores, y provocan una rápida descomposición del aceite.

Si en un aceite para refrigeración hay ácidos presentes, ya sean orgánicos o minerales, estos se

detectan con la prueba de números de neutralización. Un número de neutralización baja significa

que el aceite ha sido refinado adecuadamente (el contenido de ácidos minerales es muy bajo) y

que es altamente estable. El valor de número de neutralización recomendado para los aceites de

refrigeración nuevos, debe ser menor de 0.05 miligramos de hidróxido de potasio por gramo de

aceite (mg KOH / gr), para todas las viscosidades.

7.- Carbonización

Todos los aceites para refrigeración pueden ser descompuestos por el calor. Cuando esto sucede,

queda un residuo de carbón. Esta propiedad se determina con un aparato llamado “aparato de

carbón Conradson”.

La muestra de aceite se calienta a una temperatura tan alta, que se descompone, y los vapores

arden hasta que solo quedan residuos de carbón en el recipiente. La relación del peso del residuo

de carbón, con el peso de la muestra original del aceite, es el valor de carbón Conradson.

Aparentemente este valor solo servirá para identificar el tipo de crudo del cual se obtuvo el aceite;

ya que los aceites de base parafínica forman residuos de carbón duro y pegajoso. Los aceites de

base nafténica formarán un carbón ligero y esponjoso, que no es tan perjudicial como el otro, por

lo que ninguno de los dos tipos de residuos de carbón son deseables.


16

Esta comprobado que hay una relación definida entre el residuo de carbón y la tendencia del

aceite a reaccionar con el refrigerante, formando lodos y cobrizado.

Un buen aceite para refrigeración, no deberá carbonizarse al entrar en contacto con superficies

calientes en el sistema, durante su funcionamiento normal. Debe tener un valor bajo de carbón

Conradson menor de 1.03 %.

8.- Peso específico

El peso específico, principalmente sirve para fines de obtener el peso de un litro de aceite, sin

necesidad de pesarlo. También ser una indicación del tipo de crudo del cual fue refinado. El peso

específico se determina con un hidrómetro, el cual se introduce en el aceite que previamente se

tiene en una probeta grande. En la escala del hidrómetro se lee directamente el valor del peso

específico a la temperatura de la muestra. El valor real se obtiene de las tablas, convirtiéndolo a la

temperatura de 15 °C. Los aceites que han sido derivados de diferentes tipos de crudos poseen

diferentes pesos específicos, pero no necesariamente tienen relación con la calidad del aceite.

9.- Tendencia a la corrosión

Es una medida sobre la presencia indeseable de compuestos de azufre, los cuales causan

corrosión a las superficies metálicas internas. Este valor se determina mediante la prueba de

corrosión de una lámina de cobre.

Una tira de cobre pulida de aproximadamente 1.5 x 8 cms., es sumergida en la muestra de aceite

contenida en un tubo de vidrio. Se tapa y se mete a un líquido caliente o a un horno durante 3

horas a 100 °C. Se saca la tira y se examina para ver su decoloración, si se manchó, está picada o

presenta corrosión.

10.- Humedad

La humedad es el principal enemigo de la refrigeración porque contribuye a formar ácidos, lodos

y a congelarse dentro del sistema. La cantidad de humedad que contiene un aceite, se expresa en

partes por millón (ppm). Un aceite para refrigeración cuando sale de la fábrica, normalmente

tiene como máximo 30 ppm de agua. Esta cantidad puede incrementarse durante el envasado,

traslado y almacenamiento, por lo que se deben tomar todo tipo de precauciones para no dejar el

aceite expuesto al medio ambiente, ya que los aceites son higroscópicos.

Otras propiedades:

Oxidación acelerada, color, punto de anilina, estabilidad térmica, compatibilidad

con otros materiales


17

4.3 Tuberías, válvulas y accesorios de refrigeración

4.3.1 Tuberías

La conexión de la tubería es una operación tan común que frecuentemente es ignorada la

importancia tan crítica que tiene en el funcionamiento correcto de cualquier sistema. Parece ser

elemental que en cualquier sistema de tuberías lo que entra en un lado de la tubería debe salir por

el otro, sin embargo, en un sistema con tuberías incorrectamente diseñadas, no es raro que un

técnico agregue litros de aceite al sistema y aparentemente desaparezcan sin dejar rastro; por

supuesto, el aceite descansa en la parte inferior de los tubos del sistema, generalmente en el

evaporador o la línea de succión. Cuando se corrigen las tuberías o las condiciones de operación,

el aceite retornará al compresor y esos mismos litros de aceite deben ser extraídos del sistema.

Las tuberías de refrigeración implican relaciones extremadamente complejas en el flujo del

refrigerante y del aceite. El flujo de fluidos es el nombre dado en Ingeniería Mecánica, al estudio

del flujo de cualquier fluido, ya sea gas o líquido y las relaciones entre su velocidad, presión,

fricción, densidad, viscosidad con el trabajo requerido para ocasionar el flujo. Estas relaciones se

presentan en largas ecuaciones matemáticas que constituyen la base de las leyes que gobiernan el

rendimiento de los ventiladores y las tablas de caída de presión para flujos a través de tuberías.

Sin embargo, el 99 % de las teorías en libros de textos sobre flujos de fluidos se ocupan del flujo

de un fluido homogéneo y raramente existe una mención a una combinación de flujos de líquido,

gas y aceite tal como ocurre en cualquier sistema de refrigeración. Debido a su naturaleza

cambiante, tal flujo es demasiado complejo para ser expresado por una simple ecuación

matemática y prácticamente el total del conocimiento de los sistemas de tuberías para

refrigeración está basado en la experiencia práctica y en datos de prueba.

Como resultado de lo anterior, el tipo general de flujo de gas y líquido que debe mantenerse para

evitar problemas se conoce, pero raramente hay una respuesta exacta a cualquier problema.

Principio básico de diseño de tuberías de refrigeración

El diseño de un sistema de tubería de refrigeración es una serie continua de acomodos de todas

las necesidades. Sería deseable tener:

un máximo de capacidad,

un mínimo de costo,

un retorno de aceite adecuado,

el mínimo de consumo de electricidad,

la mínima carga de refrigerante,

bajo nivel de ruido,

un control de líquido adecuado, y

una flexibilidad perfecta para operar el sistema de 0 a 100 % de capacidad sin problemas

de lubricación.

Obviamente no se pueden satisfacer todas esas necesidades puesto que algunas de ellas se

contraponen directamente.


18

La caída de presión en las líneas del refrigerante tiende a reducir la capacidad y a aumentar los

requerimientos de potencia, por lo que deben evitarse las caídas excesivas. La magnitud de caída

de presión admisible varía dependiendo del segmento de tubería de que se trate, y cada parte del

sistema debe considerarse separadamente. Existen más tablas y gráficas sobre caídas de presión y

capacidades de los refrigerantes en las tuberías que de otro concepto de refrigeración.

Es de máxima importancia, sin embargo, que el diseñador de la tubería se de cuenta que la caída

de presión no es el único criterio que debe considerar al calcular las líneas de refrigerante, y

frecuentemente las velocidades del refrigerante son de mayor importancia que la caída de presión

y debe considerarse como el factor determinante en el diseño del sistema. Además, de la

naturaleza sumamente crítica del retorno de aceite no existe mejor invitación para encontrar

dificultades en un sistema, como la que ofrece una carga de refrigerante excesiva. Una caída de

presión razonable es mucho más preferible que las líneas de tamaño excesivo que pueden

contener tal cantidad de refrigerante que exceda de las necesidades del sistema. Una carga de

refrigerante excesiva puede provocar serios problemas en el control de refrigerante líquido y así

mismo ocasionar la introducción de grandes cantidades de refrigerante líquido en el lado de baja

presión del sistema que provocan la operación errónea de los controles del sistema.

El tamaño de la válvula de servicio que se entrega con los compresores o el tamaño de la

conexión de un condensador, evaporador, acumulador o cualquier otro accesorio no determina el

tamaño de la línea que deberá usarse. Los fabricantes seleccionan el tamaño de válvula o

conexión en base a su aplicación en sistema estándar y tales factores como el tipo de aplicación,

el largo de las líneas de conexión, el tipo de control del sistema, las variaciones de la carga y

otros, son factores de importancia en la determinación del tamaño de la línea apropiada. Es muy

probable que la línea de refrigerante requerida pueda ser mayor o menor que las de las conexiones

en varios componentes del sistema, en tales casos deben de emplearse reductores.

Puesto que debe pasar aceite a través de los cilindros del compresor para proporcionar una

lubricación adecuada, una pequeña cantidad de aceite siempre circulará con el refrigerante. Los

aceites son solubles en refrigerante líquido y a temperaturas ambientes normales se mezclan

completamente. El aceite y el vapor refrigerante no se mezclan fácilmente, por lo que el aceite

puede ser correctamente circulado a través del sistema solo si la velocidad de la masa de vapor

refrigerante es suficientemente grande para barrer el aceite. Para asegurar una circulación de

aceite adecuada, deben mantenerse velocidades de refrigerante apropiadas no tan solo en las

líneas de succión y descarga sino también en los circuitos del evaporador.

Varios factores se combinan para hacer el retorno del aceite más crítico a bajas temperaturas de

evaporación. Conforme la temperatura de evaporación disminuye y el vapor refrigerante se torna

menos denso, mayor dificultad tendrá el refrigerante para barrer el aceite. Al mismo tiempo,

conforme la presión de succión cae, la relación de compresión aumenta, y como resultado la

capacidad del compresor se reduce y la masa del refrigerante circulado disminuye.

A temperaturas inferiores a 0 ºF el refrigerante puro adopta la consistencia de las melazas o

mieles, éste fluirá libremente siempre y cuando esté mezclado con suficiente refrigerante líquido.

Conforme el porcentaje de aceite en la mezcla aumenta, la viscosidad también aumenta.


19

En condiciones de baja temperatura todos estos factores empiezan a converger y pueden crear una

situación crítica. La densidad del gas disminuye, la velocidad del flujo baja y como resultado,

empieza a acumularse más aceite en el evaporador, conforme la mezcla de aceite y refrigerante se

torna más viscosa, en algún punto del evaporador el aceite empezará a almacenarse en vez de

retornar al compresor, provocando grandes variaciones en el nivel de aceite del compresor si el

sistema no esta correctamente diseñado.

El almacenamiento de aceite puede reducirse con velocidades adecuadas y evaporadores

correctamente diseñados aún a temperaturas de evaporación extremadamente bajas, pero los

separadores de aceite son necesarios para temperaturas de evaporación inferiores a -50 ºF.

Tubería de cobre para refrigeración

En instalaciones con R-12, R-22 y R-502, las tuberías de cobre se emplean casi siempre para

líneas de refrigerante. Las diferentes dimensiones de la tubería de cobre comercial se han

estandarizado y clasificado como sigue:

Tipo K Pared gruesa

Tipo L Pared mediana

Tipo M Pared delgada

Solo los tipos K y L deben emplearse para refrigeración, puesto que el tipo M no tiene la

suficiente resistencia para las aplicaciones a alta presión. El tubo L es el más comúnmente usado

y todas las tablas y datos en este manual están basados en las dimensiones de éste tipo.

Se recomiendan únicamente el uso de tubería de cobre especial para refrigeración, puesto ésta se

debe adquirir limpia, deshidratada y sellada. La tubería de cobre usada para las instalaciones de

plomería, generalmente contiene aceite, grasa y otros contaminantes en el interior de sus paredes.

Conexiones para tubería de cobre

Para las conexiones soldadas deben emplearse codos, tees, coples reductores o cualquier otra

conexión fabricadas en bronce o cobre. Las conexiones fundidas no son satisfactorias puesto que

éstas pueden ser porosas y frecuentemente no tienen suficiente resistencia.

Longitud equivalente de tubería

Cada válvula, conexión y codo en una línea de refrigeración, contribuyen a la caída de presión por

fricción provocando la restricción al flujo uniforme. Debido a lo complicado de medir la caída de

presión de cada conexión individualmente, se ha establecido en la práctica un largo equivalente

de tubería recta para cada conexión. Esto permite la consideración del largo total de la tubería,

incluyendo las conexiones como una longitud equivalente de tubería recta. Las tablas y gráficas

de caídas de presión y cálculos de tamaños de tuberías se determinan normalmente en base a una

caída de presión por cada 100 pies de tubería recta, de tal forma que el uso de “longitudes

equivalentes” permite el empleo de estos datos directamente. Las longitudes equivalentes de

tuberías de cobre para conexiones y válvulas comúnmente empleadas se muestran en la tabla 4.6.


20

Diámetro de la

tubería (plg)

Válvula de

globo

Válvula de

ángulo

Codo de

90º

Codo de

45º

T Flujo

recto

T flujo en

ángulo 1/2 9 5 0.9 0.4 0.6 2.0 5/8 12 6 1.0 0.5 0.8 2.5 7/8 15 8 1.5 0.7 1.0 3.5

1 1/8 22 12 1.8 0.9 1.5 4.5 1 5/8 28 15 2.4 1.2 1.8 6.0 1 7/8 35 17 2.8 1.4 2.0 7.0

Tabla 4.6: Longitudes equivalentes en pies de tubería recta para válvulas y conexiones

La figura 4.1 muestra una gráfica de la caída de presión en la tubería para R-12.

Figura 4.1: Caída de presión en tuberías con R-22 como fluido de trabajo


21

Diámetro de las tuberías de descarga de gas caliente

La caída de presión en las líneas de descarga es tal vez la menos crítica de todo el sistema.

Frecuentemente el efecto en la capacidad por la caída de presión por descarga se sobreestima al

considerarse que la presión de descarga del compresor y la presión de condensación son iguales.

En realidad son dos diferentes presiones, siendo mayor la primera por la caída en la línea del

compresor al condensador.

Un aumento de caída de presión en la línea de descarga aumentará la presión de descarga del

compresor, pero afectará poco a la presión de condensación. Aún cuando hay un pequeño

incremento en el calor de compresión, al aumentar la presión de la cabeza, el volumen del gas

bombeado sufre una ligera disminución debido a su descenso en la eficiencia volumétrica del

compresor. Por lo tanto el calor total que debe ser disipado en el condensador se mantendrá

relativamente constante, y la temperatura y presión de condensación puede ser que permanezcan

bastantes estables, aunque sin embargo, existe la caída de presión en la línea de descarga, y por lo

tanto la presión de descarga del compresor puede variar considerablemente.

En un compresor Copelamatic común de baja temperatura operando con R-502 y un condensador

enfriado por aire, se perderá aproximadamente 1 % de la capacidad del compresor por cada 5 psi

de caída de presión, pero habrá un cambio casi imperceptible en el consumo de potencia. Como

regla general, para caídas de presión en la línea de descarga hasta 5 psi, el efecto sobre el

rendimiento del sistema será tan pequeño que difícilmente podrá medirse. Caídas de presión hasta

de 10 psi son muy perjudiciales para la operación del sistema si el condensador está

dimensionado de tal manera que pueda mantener presiones de condensación razonables.

En realidad una caída de presión en la línea de descarga razonable es en muchos casos

conveniente para amortiguar las pulsaciones del compresor y también reducir el ruido y la

vibración. Algunos amortiguadores de ruido (mofles) en las líneas de descarga utilizan las caídas

de presión a través de los mismos para su funcionamiento.

La figura 4.2 muestra el tamaño máximo recomendado en las líneas de descarga vertical para

asegurar un adecuado retorno de aceite al compresor.


22

Figura 4.2: Tamaño recomendado en líneas de descarga vertical para un adecuado retorno de aceite

La velocidad excesiva es otro factor limitante en el diseño de la línea de descarga, la cual puede

ocasionar problemas de ruido. Las velocidades que sobrepasan las 3000 ft/min pueden resultar en

altos niveles de ruido, por lo que se recomienda que dichas velocidades se mantengan debajo de

este nivel. La figura 4.3 proporciona velocidades equivalentes en las líneas de descarga para

diferentes capacidades y dimensiones de la tubería en los rangos normales de refrigeración y aire

acondicionado.


23

Figura 4.3: Velocidades en la línea de descarga para varias capacidades (en Btu/h) para el R-12

En resumen, para diseñar y dimensionar las líneas de descarga debe efectuarse una selección

tentativa tomando como base una caída de presión total de aproximadamente 5psi más o menos

50 %, la caída de presión de diseño dependerá del buen juicio y experiencia del diseñador.

Observe la figura 4.2 para asegurar que las velocidades a las condiciones de carga mínima son

adecuadas para las velocidades a las condiciones de carga mínima son adecuadas para acarrear el

aceite por las tuberías verticales y ajustar el diámetro de las mismas si es necesario. Observe la

figura 4.3 para asegurarse que las velocidades de carga máximas no son excesivas.


24

Las dimensiones para las líneas de descarga recomendadas para diferentes capacidades y

longitudes equivalentes están dadas en la tabla 4.7.

Capacidad

Btu/h

R-12 R-22 R-502

Longitud equivalente (ft) Longitud equivalente (ft) Longitud equivalente (ft)

50 100 150 50 100 150 50 100 150

6 000 1/2 1/2 1/2 3/8 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2

12 000 5/8 5/8 5/8 1/2 1/2 5/8 5/8 5/8 5/8

18 000 5/8 7/8 7/8 5/8 5/8 5/8 5/8 7/8 7/8

24 000 7/8 7/8 7/8 5/8 7/8 7/8 7/8 7/8 7/8

36 000 7/8 7/8 7/8 7/8 7/8 7/8 7/8 7/8 1 1/8

48 000 7/8 1 1/8 1 1/8 7/8 7/8 7/8 7/8 1 1/8 1 1/8

60 000 1 1/8 1 1/8 1 1/8 7/8 1 1/8 1 1/8 1 1/8 1 1/8 1 1/8

Tabla 4.7: Diámetros de tuberías de descarga recomendadas

Diámetro de las tuberías de líquido

Puesto que el líquido refrigerante y el aceite se mezclan completamente, la velocidad no es de

gran importancia para la circulación del aceite en la línea de líquido. La principal preocupación

en el diseño de la línea de líquido es asegurarse de que siempre exista únicamente refrigerante

líquido en la entrada de la válvula de expansión. Si la presión del refrigerante líquido cae debajo

de su temperatura de saturación una porción del líquido se evaporará instantáneamente para

enfriar el refrigerante líquido a una nueva de temperatura de saturación. Esto puede ocurrir en una

línea de líquido si la presión cae lo suficiente debido a la fracción o a tuberías verticales.

El gas instantáneo en la línea de líquido trae consecuencias nocivas para el funcionamiento del

sistema en varios aspectos:

aumenta la caída de presión debido a la fricción,

reduce la capacidad del elemento de expansión,

puede desgastar la aguja y su asiento en la válvula de expansión,

puede producir ruido excesivo, y

puede causar una mala alimentación de refrigerante líquido al evaporador.

Para el funcionamiento adecuado del sistema, es necesario que el líquido que llegue al elemento

de expansión esté ligeramente subenfriado abajo de su temperatura de saturación. En la mayoría

de los sistemas existe un subenfriamiento para mantener caídas de presión normales. Este

subenfriamiento depende del diseño de cada sistema.

En todos los sistemas enfriados por aire y en la mayoría de los enfriados por agua, la temperatura

del líquido refrigerante es normalmente mayor que la temperatura ambiente, por lo que no hay

transferencia de calor hacia el líquido siendo la caída de presión en la línea del líquido la única

preocupación. Además de las pérdidas de fricción provocadas por el flujo del líquido a través de

las tuberías, existe otra pérdida de presión ocasionada por la fuerza necesaria para obligar al

líquido a subir por una tubería vertical y es igual a la carga de la columna de líquido.


25

Una carga de 2 pies de refrigerante líquido es igual aproximadamente a 1 psi. Una columna de 30

pies tendrá una caída de presión aproximadamente de 15 psi.

A temperaturas de condensación normales, existe la siguiente relación entre cada 1 ºF de

subenfriamiento y el correspondiente cambio en la presión de saturación (tabla 4.8).

Refrigerante

Cambio equivalente de la

presión de saturación por

cada 1 ºF de subenfriamiento

Sub-enfriamiento

para una columna de

30 ft (15 psi)

R-12 1.75 psi 8.5 ºF

R-22 2.75 psi 5.5 ºF

R-502 2.85 psi 5.25 ºF

Tabla 4.8: Cambio equivalente de presión de saturación

El subenfriamiento necesario puede darlo el condensador, pero para sistemas con tubos verticales

muy altos se necesitará un intercambiador de calor de succión a líquido.

La única restricción existente sobre la magnitud de la caída de presión en la línea de líquido es la

cantidad de subenfriamiento disponible.

Las recomendaciones en el diseño de tuberías normalmente especifican conservadoramente

pérdidas de presión en rangos de 3 a 5 psi, pero donde hay subenfriamientos adecuados se han

usado satisfactoriamente caídas de presión mucho mayores. La caída de presión total incluye

pérdidas de presión a través de accesorios tales como válvulas solenoides, filtros, deshidratadores,

válvulas en general, etc.

Con el objeto de reducir la carga de refrigerante al mínimo, las líneas de líquido deben ser tan

pequeñas como sea posible y las caídas de presión excesivas deben evitarse. Un buen criterio de

diseño es considerar una caída de presión equivalente a 2 ºF de subenfriamiento.

Deben evitarse velocidades mayores de 300 ft/min en los sistemas que emplean válvulas

solenoides en la línea de líquido cuyo rápido cierre puede causar daños en las tuberías por

aumento de presiones y golpes de líquido. Si no hay válvula solenoide en la línea de líquido,

podrían usarse mayores velocidades. En la figura 4.4 pueden encontrarse las velocidades de

líquido correspondientes a varias caídas de presión y dimensiones de líneas.

En resumen, al dimensionar las líneas de líquido, es recomendable que la selección se haga en

base a una caída de presión total equivalente a 2 ºF de sub-enfriamiento. Si existen tubos

verticales o válvulas con fuertes caídas de presión, el diseñador debe prever que exista suficiente

subenfriamiento para permitir la caída de presión necesaria sin acercarse demasiado a la presión

de saturación en la cual pueden ocurrir evaporaciones instantáneas. Observe la figura 4.5 para

asegurarse que las velocidades no sobrepasan los 200 ft/min cuando existen válvulas solenoides.

En la tabla 4.9 se recomiendan varios diámetros de tubería de líquido para diferentes longitudes

equivalentes y capacidades.


26

Figura 4.4: Velocidades en las tuberías vara varias caídas de presión para el R-12, R-22 y R-502

Capacidad

Btu/h

Longitud equivalente en pies

50 100 150

H V H V H V

6 000 5/8 5/8 5/8 5/8 5/8 5/8

12 000 7/8 7/8 7/8 7/8 7/8 7/8

18 000 7/8 7/8 7/8 7/8 1 1/8 7/8

24 000 7/8 7/8 1 1/8 1 1/8 1 1/8 1 1/8

36 000 1 1/8 1 1/8 1 1/8 1 1/8 1 3/8 1 1/8

48 000 1 1/8 1 1/8 1 3/8 1 3/8 1 3/8 1 3/8

60 000 1 1/8 1 1/8 1 3/8 1 3/8 1 5/8 1 3/8

Tabla 4.9: Diámetros de tuberías de líquido recomendados


27

Diámetro de las tuberías de succión

Este diseño es el más crítico para el sistema, cualquier caída de presión debido a la fricción del

flujo provoca una disminución de presión en la válvula de succión del compresor comparada con

la presión de salida del evaporador.

Conforme la presión de succión disminuye, la masa de refrigerante que regresa al compresor

ocupa un mayor volumen y disminuye el refrigerante bombeado por el compresor. Por ejemplo,

un compresor típico de baja temperatura con R-502 a una temperatura de evaporación de -40 ºC

perderá casi un 6 % de capacidad por cada psi de caída de presión en la línea de succión.

Normalmente se acepta para el diseño de las líneas de succión una caída de presión equivalente a

un cambio en la presión de saturación de 2 ºF (tabla 4.10).

Temperatura de evaporación

(ºF)

Caída de presión (psi)

R-12 R-22 R-502

45 2.00 3.00 3.30

20 1.35 2.20 2.40

0 1.00 1.65 1.85

-20 0.75 1.15 1.35

-40 0.50 0.80 1.00 .

Tabla 4.10: Caídas de presión equivalentes para un cambio de 2 ºF en la temperatura de saturación

De igual importancia en el diseño de las líneas de succión es la necesidad de mantener

velocidades adecuadas para el retorno apropiado del aceite al compresor. Se han hecho estudios

que muestran que el aceite es más viscoso en un sistema después de que se calienta el vapor de

succión algunos grados arriba de la temperatura de evaporación, ya que el aceite no estará

saturado con refrigerante. Esta condición se presenta en las líneas de succión cuando el vapor del

refrigerante ha salido del evaporador. El movimiento de aceite a través de las líneas de succión

depende tanto de la masa como de la velocidad del gas en la succión. Conforme disminuye la

masa o la densidad se necesitan mayores velocidades para acarrear el aceite.

Las velocidades nominales mínimas de 700 ft/min en líneas de succión horizontales y de 1500

ft/min en líneas de succión verticales han sido recomendadas y usadas satisfactoriamente por

muchos años como estándares de diseño. El uso de una velocidad nominal era una manera

conveniente y sencilla de proponer velocidades. Sin embargo, en experimentos se ha comprobado

que en tubos verticales, el aceite tiende a subir pegado a la superficie interior de los tubos. La

velocidad del refrigerante en el centro del tubo es mayor que en las zonas cercanas a la superficie

del tubo, por lo que puede utilizarse una velocidad nominal mayor para acarrear el aceite que sube

pegado a dicho tubo. La velocidad exacta que se necesita en líneas verticales depende tanto de la

temperatura de evaporación como de la dimensión de la línea, y bajo condiciones variables, la

velocidad específica requerida puede ser mayor o menor a 1500 ft/min.

Para mayor exactitud en el diseño de tuberías, las dimensiones máximas revisadas para líneas de

succión verticales basadas en velocidades mínimas de gas han sido publicadas por ASHREA

HAND BOOK en 1980, han sido calculadas y graficadas para su uso fácil en la figura 4.5.


28

Figura 4.5: Tamaño máximo recomendado en líneas de succión verticales para un adecuado retorno de aceite

para R-12 y R-502

Estas sugerencias sustituyen las recomendaciones de 700 ft/min hechas para velocidades mínimas

en tubos horizontales (figura 4.6).


29

Figura 4.6: Tamaño máximo recomendado en líneas de succión horizontales para un adecuado retorno de

aceite para R-12

Puesto que los dos criterios usados para dimensionar tubería de succión están en conflicto directo:

obtener una baja caída de presión, y

desarrollar altas velocidades de gas refrigerante,

Es obvio que debe tomarse un término medio entre estos criterios. Como procedimiento general

en el diseño, las velocidades deben mantenerse tan altas como sea posible dimensionando las

líneas con base a la caída de presión máxima que puede ser tolerada, pero nunca deberá


30

permitirse que la velocidad del gas caiga abajo del nivel necesario para el acarreo adecuado del

aceite. Es recomendable hacer una selección tentativa en las dimensiones tomando como base

una caída de presión equivalente a 2 ºF de cambio en el punto de saturación.

La tabla 4.11 proporciona diámetros de líneas de succión para diferentes capacidades y longitudes

de tubería considerando la temperatura de evaporación.

Temperatura de evaporación de 40 ºF

Capacidad

Btu/h


50 100 150

H V H V H V

6 000 5/8 5/8 5/8 5/8 5/8 5/8

12 000 7/8 7/8 7/8 7/8 7/8 7/8

18 000 7/8 7/8 7/8 7/8 1 1/8 7/8

24 000 7/8 7/8 1 1/8 1 1/8 1 1/8 1 1/8

36 000 1 1/8 1 1/8 1 1/8 1 1/8 1 3/8 1 1/8

48 000 1 1/8 1 1/8 1 3/8 1 3/8 1 3/8 1 3/8

60 000 1 1/8 1 1/8 1 3/8 1 3/8 1 5/8 1 3/8

Temperatura de evaporación de 15 ºF

Capacidad

Btu/h


50 100 150

H V H V H V

6 000 7/8 7/8 7/8 7/8 7/8 7/8

12 000 7/8 7/8 1 1/8 7/8 1 1/8 7/8

18 000 1 1/8 1 1/8 1 1/8 1 1/8 1 3/8 1 1/8

24 000 1 1/8 1 1/8 1 3/8 1 1/8 1 3/8 1 1/8

36 000 1 3/8 1 3/8 1 3/8 1 3/8 1 5/8 1 3/8

48 000 1 3/8 1 3/8 1 5/8 1 3/8 1 5/8 1 3/8

60 000 1 5/8 1 5/8 1 5/8 1 5/8 2 1/8 1 5/8

Temperatura de evaporación de -40 ºF

Capacidad

Btu/h


50 100 150

H V H V H V

6 000 1 1/8 1 1/8 1 1/8 1 1/8 1 3/8 1 1/8

12 000 1 3/8 1 1/8 1 5/8 1 3/8 1 5/8 1 3/8

18 000 1 3/8 1 3/8 1 5/8 1 3/8 1 5/8 1 3/8

24 000 1 5/8 1 5/8 2 1/8 1 5/8 2 1/8 1 5/8

36 000 2 1/8 2 1/8 2 1/8 2 1/8 2 5/8 2 1/8

48 000 2 1/8 2 1/8 2 5/8 2 1/8 2 5/8 2 1/8

60 000 2 5/8 2 1/8 3 1/8 2 1/8 3 1/8 2 1/8

Tabla 4.11: Diámetros de tuberías de succión recomendados para R-12 y temperaturas de evaporación de 40,

15 y -40 ºF


31

4.3.2 Válvulas y accesorios de refrigeración

Sabemos que el ciclo de refrigeración está integrado por componentes, accesorios y controles.

Esto es una forma de diferenciar solo para una mejor comprensión de su operación. Lo

importante, es que el sistema de refrigeración pueda funcionar eficientemente, con el menor costo

de operación y con la seguridad de que el compresor no va a sufrir daños.

También se sabe que los componentes del sistema son aquellos, indispensables, para que el

sistema de refrigeración funcione, tales son: el evaporador, el condensador, el compresor, y el

regulador de flujo que bien puede ser un tubo capilar o una válvula de expansión. Con estos

cuatro componentes, la tubería, y el refrigerante, el sistema funciona y enfría. Un ejemplo típico

es el refrigerador doméstico simple que no tiene más allá de su compresor hermético, un

evaporador estático de placa doblada, el condensador estático atrás del refrigerador y el tubo

capilar. Los únicos elementos que tienen movimiento y están sujetos a desgaste son el compresor

y el termostato que acciona desde afuera del sistema de refrigeración.

Los accesorios como su nombre lo indica, son dispositivos secundarios que servirán para

proteger, controlar, supervisar, o mejorar algo en el sistema y se utilizarán sólo aquellos que sean

necesarios. Cabe recordar que el sistema más eficiente será el que tenga menor cantidad de

accesorios, conexiones y longitud de tubería. La tubería debe tener el diámetro adecuado para el

retorno óptimo del aceite al compresor.

La posición de cada accesorio utilizado en de refrigeración es mostrada en la figura 4.7.

Figura 4.7: Accesorios de refrigeración


32

1. Mofle de Descarga

Función: minimizar las pulsaciones del flujo ocasionada por el compresor reciprocante, así como

la vibración y ruido para evitar que de rompan soldaduras en las uniones de tubería y se lleguen a

dañar algunas partes; también sirve para minimizar el nivel de ruido.

Localización: en la tubería de descarga inmediata al compresor.

Aplicación principal: para los compresores reciprocantes semi-herméticos. Los compresores

herméticos tienen su mofle internamente.

2. Separador de Aceite

Función: Separar el aceite que sale del compresor hacia el sistema conjuntamente con el gas

refrigerante y devolverlo al cárter, particularmente en aquellos casos en que hay la posibilidad de

un retorno deficiente de aceite al compresor. La forma primaria y natural como debe ser resuelto

el retorno de aceite al compresor, es por el adecuado dimensionamiento y diseño de las tuberías

de refrigeración, especialmente la de succión.

Aplicaciones: Para sistemas de baja temperatura, para sistemas de temperatura media en que la

unidad condensadora esté por arriba del nivel del evaporador y para aquellos sistemas con

tuberías muy largas entre la UC y la UE, o de multi-circuitos como es el caso de supermercados.

Para sistemas de aire acondicionado por lo general no es necesario, salvo alguna excepción.

Localización: En la tubería de descarga, inmediato a la salida del compresor.

3. Válvula de Retención (o check)

Función: Permite el flujo solo en un sentido, indicado por la flecha impresa en la válvula.

Aplicación: Depende de cada necesidad. En el caso de la figura, servirá para que cuando la

unidad condensadora esté parada, en un bajo ambiente exterior, el refrigerante que se condensa

solo vaya hacia el tanque recibidor y no hacia el separador ya que si tal fuera el caso, habría

líquido en el fondo del separador de aceite y al abrir la valvulita flotadora regresaría líquido al

cárter en vez de aceite.

Localización: en cualquier parte que se pueda requerir.

4. Control del ciclo del ventilador

Función: Los controles del ciclo del ventilador regulan la alta presión de los condensadores

enfriados por aire mediante la reducción de la velocidad del abanico para mantener la presión en

la descarga en la medida que descienda la temperatura exterior del condensador. A medida que

disminuye la velocidad del motor en condiciones de ambiente más alto y la condición de carga, se

reduce también el ruido del abanico.

Aplicación: Está diseñado para utilizarse con capacitor- permanente dividido y en los motores de

abanico de polo sombreado, aprobado para usarse por los fabricantes de equipo y motores para

voltaje variable, control de velocidades de fase dividida (triac).

Localización: En la línea de líquido, en la entrada del condensador.


33

5. Válvula de control para la presión de descarga

Función: Mantener las presiones adecuadas de condensación que aseguren un funcionamiento

apropiado del sistema. Es esencial el control de la presión del refrigerante líquido para:

a. Mantener el subenfriamiento del líquido y evitar burbujas de gas en la línea de líquido.

b. Proporcionar una presión adecuada a la entrada de la válvula termostática para tener suficiente

caída de presión a través del puerto de la válvula.

c. Operar los sistemas de descongelación con gas caliente o por desvío de gas caliente.

d. Proporcionar una presión adecuada para la operación de sistemas de recuperación de calor.

Aplicación: En sistemas de refrigeración controladas por temperatura. Esto significa que el

compresor es puesto a funcionar por un termostato o que el sistema opera mediante un ciclo de

bombeo, en donde el termostato controla la válvula solenoide de la línea de líquido y el

compresor arranca cuando se eleva la presión de succión con el interruptor de baja presión.

Localización: Entre el condensador y el tanque recibidor.

6. Depósito de refrigerante

Función: Almacenar una porción de refrigerante para garantizar un flujo másico constante.

Aplicación: En sistemas de refrigeración comercial e industrial.

Localización: Después del condensador.

7. Control de temperatura del condensador

Función: Los controles de temperatura se encuentran diseñados para censar las temperaturas de

espacios o de superficies en instalaciones de enfriamiento o de calefacción en aplicaciones del

ciclado o de alarma. Se proporciona una máxima flexibilidad de aplicación utilizando un

interruptor de trabajo pesado y elementos adecuados para aplicaciones específicas.

Localización: En el condensador.

8. Filtro deshidratador de la línea de líquido

Función: Retener la contaminación existente en el sistema de refrigeración. La contaminación es

altamente dañina y casi siempre concluye en daños al compresor, además de dañar o afectar el

funcionamiento de otras partes del sistema como la VTE. Los contaminantes más agresivos que

se retienen son: humedad, ácidos, suciedad, lodos, barnices, rebabas; hay otros contaminantes

como ceras que causan obstrucción. La mayor parte de los contaminantes causan acidez en el

refrigerante y esta a su vez es la mayor causa de la quemadura del compresor. Actualmente, con el

uso de los refrigerantes HFC y los aceites POE que son altamente higroscópicos, se requieren

filtros deshidratadotes de muy alta capacidad de Humedad, ácidos y contaminación sólida.

Aplicación: Para la línea de líquido. Es importante mencionar que como los contaminantes son

diferentes y causan problemas en diferentes componentes, hay que saber reconocer qué tipo de

filtro deshidratador utilizar para cada necesidad y en que lugar corresponde instalarlo. No es

adecuado utilizar un solo deshidratador para todo.

Localización: En la línea de líquido a la salida del tanque recibidor, o del condensador cuando no

hay recibidor.


34

9. Indicador de líquido y humedad (o mirilla, o visor)

Función: Es la ventana al interior del sistema para reconocer si las condiciones del refrigerante

son adecuadas para la operación del sistema; por una parte nos muestra si el refrigerante está

totalmente líquido antes de entrar a la válvula de expansión (requerimiento indispensable), y si

está libre de humedad, La humedad crea obstrucciones en la VTE y produce acidez en el

refrigerante. No debe haber burbujas en el visor.

Aplicación: En sistemas grandes de refrigeración. (No se acostumbra en sistemas pequeños).

Localización: En la línea de líquido.

10. Válvula solenoide

Función: Cortar o permitir el flujo eléctricamente, lo que permite el control automático del

refrigerante.

Aplicación: Fundamentalmente en la línea de líquido, tanto para control de operación, como para

protección contra golpes de líquido, También el la línea de gas caliente para deshielo del

evaporador, o para control de capacidad, y en la línea de succión para servicio y/o control en

sistemas de refrigeración en paralelo.

Localización: En cualquier lugar del sistema de refrigeración donde se requiera.

Nota: Al igual que es importante la adecuada selección de cualquiera de los accesorios, en el caso

de las válvulas solenoide es muy importante, ya que si la válvula es muy chica para la capacidad

requerida, ocasionará una gran caída de presión y por lo tanto pérdida de capacidad del sistema, y

si se selecciona muy grande, podría no operar ya que estas requieren una mínima caída de presión

de operación para poder permanecer abiertas; muchas válvulas son devueltas por garantía porque

al parecer no funcionan y resulta que están buenas, sólo que fueron mal seleccionadas. También

es importante insistir que las válvulas solenoide deben ser seleccionadas por su capacidad en

toneladas y el tipo de refrigerante antes que por el diámetro de la conexión; de otra manera,

pudiera ser que la válvula resultara muy chica e hiciera que el sistema pierda capacidad.

11. Válvula de paso tipo diafragma

Función: Cortar o permitir el flujo manualmente. Por su diseño ofrece alguna caída de presión.

Aplicación: En cualquier sistema de refrigeración.

Localización: En cualquier parte del sistema donde se requiera. Mayormente se usa en la línea de

líquido después del deshidratador y el indicador de líquido.

12. Válvula de desvío de gas caliente

Función: Proporcionan un flujo controlado de gas de descarga del compresor hacia el lado de

baja del sistema en una proporción que equilibre la capacidad del sistema con la demanda de

carga. Permite una plena modulación de la capacidad en todos los compresores reciprocantes, y

extiende la reducción del control de capacidad hasta la última etapa de descarga del cilindro.

Aplicación: Se sugiere el desvío de gas caliente hacia el evaporador cuando la colocación del

evaporador se encuentra abajo del compresor

Localización: En la línea de entrada del condensador hasta la entrada del evaporador.


35

13. Control de temperatura en el evaporador

Función: Los controles de temperatura se encuentran diseñados para censar las temperaturas de

espacios o de superficies en instalaciones de enfriamiento o de calefacción en aplicaciones del

ciclado o de alarma. Se proporciona una máxima flexibilidad de aplicación utilizando un

interruptor de trabajo pesado y elementos adecuados para aplicaciones específicas.

Localización: En el evaporador.

14. Válvula de paso tipo bola

Función: También es una válvula manual de paso, pero “sin caída de presión”; algunas personas

la justifican por ser una válvula de cierre rápido pero este es un beneficio secundario. Al no tener

caída de presión, no se afecta negativamente la eficiencia ni el costo de operación del sistema.

Aplicación: En cualquier sistema de refrigeración donde se requiera cuidar al máximo la

eficiencia y el costo de operación del sistema. Muchas personas creen que por su precio esta

válvula es más cara, pero pierden de vista el gran ahorro en el costo de operación y la alta

eficiencia del sistema, que es para siempre.

Localización: En cualquier parte del sistema donde sea requerido.

15. Válvula reguladora de presión de evaporación

Función: Regula la presión de evaporación y por lo tanto la temperatura de evaporación, lo que

permite lograr la aplicación deseada de enfriamiento en un sistema de refrigeración con

evaporadores múltiples que deben funcionar a diferentes temperaturas, o para sistemas en

paralelo.

Aplicación: Mayormente para los sistemas de refrigeración en paralelo, ejemplo: supermercados

o sistemas de refrigeración industrial.

Localización: En la salida de cada evaporador en la línea de succión.

16. Filtro deshidratador de succión

Función: Protege al compresor. Retiene la contaminación existente en el sistema, antes del

compresor para protegerlo. La contaminación es altamente dañina y casi siempre concluye en

daños al compresor, especialmente la acidez y suciedad. La mayor parte de los contaminantes

causan acidez en el refrigerante y esta a su vez es la mayor causa de la quemadura del compresor.

Aplicación: Para línea de succión. Es importante mencionar que por norma todo compresor de

tipo hermético y semi-hermético debe llevar un filtro deshidratador de succión, es como su seguro

de vida y por lo tanto ahorra mucho dinero. Desafortunadamente, por razón cultural de una

economía mal entendida y de una baja preparación técnica, en la mayoría de los países de

Latinoamérica, el filtro de succión no es valorado y menos instalado, se ve muy caro, pero en el

fondo habría que preguntarse que es más caro ¿El deshidratador de succión o el compresor?, ¿El

deshidratador de succión o el tiempo de paro de un proceso industrial que depende de la

refrigeración?

Localización: En la línea de succión antes del compresor.


36

Observaciones: Los deshidratadores de succión están dotados de puertos de prueba de presión a

la entrada y salida para verificar el comportamiento de la caída de presión a través de este, tanto

en el momento de su instalación, como cuando ya ha reteniendo los contaminantes; esto es con el

fin de que el incremento de la caída de presión no sobrepase ciertos límites, ya que de igual

manera, al incrementarse la caída de presión, caerá la capacidad del sistema, se incrementará el

consumo de energía y habrá daños al compresor. Al seleccionar un deshidratador chico, se corre

el riesgo de caídas de presión peligrosas desde origen. Por otra parte, se recomienda que el

deshidratador de succión sea instalado en forma vertical con el flujo descendente, o inclinado.

17. Acumulador de Succión

Función: Protege al compresor contra regresos eventuales de refrigerante líquido.

Aplicación: Todo sistemas de baja temperatura, particularmente aquellos con sistema de deshielo

por gas caliente. Todo sistema sujeto a posibles regresos de líquido al compresor, por ejemplo,

cuando están sujetos a variaciones de carga térmica.

Localización: En la línea de succión, antes del compresor.

18. Control de alta y baja presión en el compresor

Función: Los controles de presión dobles combinan las funciones de un control límite de alta

presión y un control simple de baja presión. El lado de alta presión proporciona la función

convencional de corte al aumento de la presión y nos proporciona un contacto de alarma para alta

presión. Un puente removible instalado en la fábrica entre los interruptores de alta y baja presión

nos proporciona una operación de control convencional de alta y baja con opción de una alarma

en cualquiera de los lados. El quitar este puente le permite operar las funciones del lado de alta y

baja presión como dos circuitos totalmente independientes

Aplicación: En sistemas con compresores de gran capacidad.

Localización: Conectados en las líneas de succión y descarga del compresor.

19. Válvula Reguladora de Presión de Cárter (o de succión)

Función: Protege al compresor contra sobrecargas ocasionadas por alto flujo másico por arriba

de la capacidad del compresor. Regula la presión de entrada para protegerlo contra sobrecargas

durante el arranque inicial o después de un deshielo. También cuando la capacidad del motor del

compresor es limitada.

Aplicación: Sistemas de refrigeración donde la presión de succión llegue a ser eventualmente

muy alta. Una vez que se van normalizando las presiones de trabajo, la válvula va quedando

abierta nuevamente.

Localización: En la línea de succión justo antes de la entrada del compresor.

Es importante recalcar sobre la adecuada selección de cada uno de los componentes y accesorios

del sistema, primero para que el sistema quede debidamente balanceado, y segundo para obtener

la máxima capacidad, el menor costo de operación y la seguridad de que el equipo queda

protegido contra daños. Cuando los componentes y accesorios no se seleccionan adecuadamente,

se correo el riesgo de que haya caídas de presión importantes que impactarán necesariamente en

pérdida de capacidad, alto costo de operación y daños al compresor y la VTE.


37

4.4 Sistemas de control de capacidad en refrigeración

En muchos sistemas de refrigeración y aire acondicionado la carga de refrigeración puede variar

en un amplio margen. Esta variación puede ser debida a diferencias en la carga del producto,

temperatura ambiente, uso, empleo y otros factores. En tales casos un control de la capacidad del

compresor es necesario para el funcionamiento adecuado del sistema.

Una forma sencilla de control de capacidades es arrancando y parando la operación del

compresor. Esta forma es aceptable para compresores pequeños, pero para compresores grandes

es raramente satisfactoria, porque se producen fluctuaciones en la temperatura controlada. En

condiciones de carga ligera, el compresor puede ciclar en cortos intervalos de tiempo. En

aplicaciones de refrigeración donde el escarchamiento no es problema, los usuarios

frecuentemente ajustan el punto de corte por baja presión a un punto más allá de los límites de

diseño como forma para evitar el corto ciclaje. Como resultado de este ajuste, el compresor opera

por periodos largos con temperaturas de evaporación extremadamente bajas. Y puesto que la

capacidad del compresor disminuye rápidamente con la reducción de la presión de succión, la

reducida densidad y velocidad del refrigerante frecuentemente son inadecuadas para regresar el

aceite al compresor. La operación de un sistema a bajas temperaturas para lo cual fue diseñado

puede también provocar sobrecalentamiento del moto-compresor. Estas dos condiciones pueden

causar fundamentalmente daños y fallas del compresor.

Dos diferentes tipos de descargadores son usados: internos y externos.

1. Válvulas de control de capacidad internas

En la posición de operación normal con la válvula solenoide desenergizada la aguja de la válvula

está asentada en el puerto más bajo y la cámara del tapón descargador está expuesto a la presión

de succión a través del puerto de presión de succión. Puesto que la cara del tapón está abierto a la

cámara de succión, las presiones del gas que cruzan el tapón son igualadas y el tapón se mantiene

en posición abierta debido al resorte.

Cuando la válvula solenoide está energizada, la aguja de la válvula está asentada en el puerto

superior, y la cámara del tapón descargador está expuesta a la presión de descarga a través del

puerto de presión de descarga.

El diferencial entre presión de succión y descarga fuerza al tapón hacia abajo, sellando el puerto

de succión en el plato de válvulas, así previendo la entrada de vapor de succión al interior de los

cilindros descargadores.

Con el puerto de succión sellado, el cilindro bombea dentro de un vacío hasta alcanzar un punto

donde la acción de bombeo ya no ocurre.

Un diagrama esquemático de la válvula descargadora interna es mostrado en la figura 4.8


38

Figura 4.8: Operación esquemática de válvula descargadora interna

2. Válvulas de control de capacidad externas

Para compresores Copeland de 3 cilindros, una solenoide operando externamente la válvula

desviadora es usada para descargar, como se muestra en la figura 4.9

Figura 4.9: Operación esquemática de válvula descargadora externa


39

Los compresores Copelamatic con control de capacidad externa tienen una válvula desviadora de

tal manera colocada que en el cilindro descargador está aislado de la presión de descarga creada

por los cilindros cargados. La válvula desviadora se conecta al puerto de descarga del cilindro

descargado a la cámara de succión del compresor. Puesto que el cilindro y el pistón no hacen

nada más que bombear vapor a través del circuito desviador y manejan solamente vapor de

succión, el problema de sobrecalentamiento del cilindro mientras descarga es prácticamente

eliminado. Al mismo tiempo, el consumo de energía del motor es grandemente reducido debido a

la disminución en el trabajo desarrollado. Debido a la disminución del volumen del vapor de

succión retornado al compresor desde el sistema y considerado que es usado para el enfriamiento

del motor, el rango de operación de los compresores con descargadores debe restringirse. En

general, los compresores Copeland con control de capacidad son recomendados únicamente para

aplicaciones de alta temperatura, pero algunos modelos pueden emplearse satisfactoriamente para

temperaturas medias. Debido al peligro de sobrecalentamiento del motor del compresor en

sistemas de bajas temperaturas, se recomienda el ciclaje del compresor o la desviación de gas.

“Bypass” de gas caliente

La vibración de capacidad del compresor por medio de la desviación de gas caliente se

recomienda en donde se utiliza un compresor normal o donde el uso de descargadores no es

satisfactorio. Este sistema es básicamente una desviación del gas de descarga del compresor para

evitar que la presión de succión descienda por debajo del ajuste de diseño.

Todas las válvulas desviadoras de gas caliente operan bajo un principio similar. Abren en

respuesta a una disminución en la presión del flujo y se modulan desde totalmente abiertas hasta

totalmente cerradas para un rango dado. La entrada de gas caliente a alta presión en el lado de

baja presión del sistema en una proporción determinada protege al compresor de una disminución

en la presión de succión.

El control de ajuste de la válvula puede variarse en un rango amplio por medio de un tornillo de

ajuste. Debido al bajo consumo de energía con bajas presiones de succión, la válvula de gas

caliente se ajustará para desviar al mínimo la presión de succión con el compresor operando en

los límites, lo cual resultará en un funcionamiento aceptable del sistema.

“Bypass” a la entrada del evaporador

En evaporadores sencillos, conectados a sistemas cerrados, es posible frecuentemente introducir

el gas caliente a la entrada del evaporador inmediatamente después de la válvula de expansión.

Los distribuidores son proporcionados con aberturas a los lados para la entrada de gas caliente. La

desviación a la entrada del evaporador hacia el efecto de crear una carga de refrigeración

artificial. Puesto que el sistema normal de la válvula de expansión controlará la alimentación

requerida para mantener el ajuste de sobrecalentamiento, el problema de retorno de gas

refrigerante al compresor a temperaturas normales de operación y el problema del calentamiento

del motor no se consideran.


40

Las altas velocidades se mantienen en el evaporador, ayudando al retorno de aceite. Debido a

estas ventajas, este tipo de control es el más sencillo, el menos costoso y el más satisfactorio

(figura 4.10).

Compresor

Condensador

NC

Evaporador

Válvula de Bypass

de gas caliente

VTERecibidor

Válvula solenoide de la

línea de gas caliente

normalmente cerrada

Línea de succión

Figura 4.10: Esquema típico de conexión “Bypass” a la entrada del evaporador

“Bypass” en la línea de succión

Puede necesitarse un “Bypass” de gas caliente hacia la línea de succión:

donde son conectados evaporadores múltiples a un compresor, o

donde la unidad condensadora se conecta en forma remota al evaporador.

Las presiones de succión pueden ser controladas adecuadamente con este método, pero una

válvula de expansión de sobrecalentamiento es necesaria para limitar el refrigerante líquido hacia

la línea de succión, con el propósito de mantener la temperatura del gas refrigerante que retorna al

compresor dentro de los límites permitidos.

Es completamente necesario mezclar el gas caliente “bypasseado”, el refrigerante líquido y el gas

de retorno de modo que la mezcla que entra al compresor tenga la temperatura correcta.

Una cámara de mezclado es recomendada para este propósito, y un acumulador en la línea de

succión puede servir como una excelente cámara de mezclado a la vez que protege al compresor

de una inundación de líquido. En la figura 4.11 se muestra una instalación típica.


41

Compresor

Condensador

H

Evaporador 3

Válvula de Bypass

de gas caliente

VTE

Recibidor

Válvula solenoide de la

línea de gas caliente

Línea de succión

Evaporador 2

Evaporador 1

L

C

B

A

Válvula solenoide en

la línea de líquido

Válvulas solenoide en


Acumulador de

succión

NC

NC

NC

NC

NC

Línea de

líquido

H

Protecciones

del motor

L

C

B

A

Control de

baja presión

Contactor de bobina

mantenidaTermostato

del estator

Control de

presión de aceite

Relay de control de la válvula solenoide

Termostato del

evaporador 1

Termostato del

evaporador 2

Termostato del

evaporador 3

Bobina de la válvula

solenoide de la línea

de líquido

L1 L2


solenoide de gas

caliente

Bobina de la válvula solenoide

de la línea de líquido

Figura 4.11: Sistema típico del control de Bypass de gas caliente con Bypass en la línea de succión


42

Otro método de mezclado comúnmente usado consiste en instalar la tubería de tal forma que una

mezcla de gas de descarga y refrigerante líquido sea introducida dentro de la línea de succión a

cierta distancia del compresor, si es posible en un cabezal de succión (figura 4.12).

Compresor

L

Válvula de expansión de

desobrecalentamiento



Línea de succión

Tee de

mezcla Válvula de “Bypass”

de gas caliente

Compresor

L

Válvula de expansión de

desobrecalentamiento



Línea de succión

Tee de

mezcla Válvula de “Bypass”

de gas caliente

Figura 4.12: Método de alternaciones de “Bypass” hacia la línea de succión

Una válvula solenoide es también recomendada delante de la válvula de expansión de

sobrecalentamiento, para prevenir fugas y permitir el sistema de bombeo completo. Ambas

válvulas solenoides serán del tipo normalmente cerradas y conectadas para desenergizarse cuando

el compresor no esté operando.

Válvula de expansión de desobrecalentamiento

Si una válvula de expansión de desobrecalentamiento es requerida, ésta deberá ser del tamaño

adecuado para reducir la temperatura del gas de descarga a un nivel apropiado bajo condiciones

de “bypasseo” máximo.

El bulbo sensor de temperatura de la válvula de expansión deberá localizarse de tal manera que

pueda censar la temperatura del gas de retorno al compresor después de la entrada del gas caliente

y el líquido del desobrecalentador. La entrada del gas de succión al compresor en condiciones de

carga no deberá ser más alta de 65 ºF para baja temperatura o de 90 ºF para alta temperatura.

Sistema de control típico de evaporadores múltiple

Un sistema de control típico de “bypass” de gas caliente de tres evaporadores es ilustrado en la

figura 4.11. Los termostatos de doble polo cierran al existir una demanda de refrigeración y

mientras cualquiera de los evaporadores demande enfriamiento operan al compresor y la válvula

de “Bypass” de gas caliente regula el flujo necesario para impedir que la presión de succión no

disminuya por debajo del punto de ajuste fijado.


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Si todos los evaporadores están saturados, todos los termostatos están abiertos, las válvulas

solenoides en la línea de líquido y de gas caliente están desenergizadas y por lo tanto cerradas. El

compresor terminará su ciclo por el control de baja presión hasta que los termostatos cierran

nuevamente.

Para proteger al compresor contra el peligro de inundación de líquido en el momento de

operación de un dispositivo de seguridad del compresor, un ajuste debe ser hecho en el circuito de

alambrado para desenergizar las válvulas solenoides en la línea de líquido y de gas caliente si el

compresor no está operando.

Si se desea la operación continua del compresor pueden usarse termostatos de un polo y las

válvulas solenoides en la línea de líquido y de gas caliente serán conectadas directamente al lado

de carga del contactor del compresor. En el caso de que los tres evaporadores estén saturados, el

compresor opera en un 100 % de desviación de gas caliente hasta que el enfriamiento sea

requerido nuevamente.

Los compresores equipados con protección inherente pueden ciclar a través del protector

inherente independientemente del contactor. Para evitar la inundación del compresor con

refrigerante líquido en el caso de que el contactor inherente operara las válvulas solenoides de la

línea de líquido y de gas caliente serán conectadas a través de un relay de solenoide sensible a la

corriente como se muestra en la figura 4.13

Compresor



de líquido

L1 L2 L3

T1 T2 T3


solenoide de gas

caliente

Compresor



de líquido

L1 L2 L3

T1 T2 T3


solenoide de gas

caliente

Relay

Relay de

corriente

a) b)

Compresor



de líquido

L1 L2 L3

T1 T2 T3


solenoide de gas

caliente

Compresor



de líquido

L1 L2 L3

T1 T2 T3


solenoide de gas

caliente

Relay

Relay de

corriente

a) b)

Figura 4.13: Esquema típico de conexión de operación continua con protección a) inherente y b) piloto

unidad iv refri

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