Llegamos a la decimoséptima y ultima clase del curso de instalaciones frigoríficas; en esta lección vamos a hablar de aspectos a tener en cuenta a la hora de supervisar la puesta en servicio de la instalación cuando ejercemos de dirección facultativa. Trataremos las siguientes cuestiones:
Prueba de presión
Prueba de estanqueidad.
Ensayo funcional de los dispositivos de seguridad.
Conformidad del conjunto de la instalación.
Vacío.
Carga de refrigerante.
Vídeo de la lección
A continuación encuentras el vídeo de la lección; debajo del mismo puedes encontrar un enlace a un artículo del blog en el que he hablado de manera detallada sobre Cómo hacer vacío en una instalación frigorífica.
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En la clase número 16 del curso de instalaciones frigoríficas veremos cómo funciona el dispositivo de expansión empleado con más frecuencia en las instalaciones frigoríficas comerciales e industriales: la válvula de expansión termostática.
Además de analizar su principio de funcionamiento, veremos en que casos procede instalarla con igualador externo, y dónde colocar el bulbo y realizar la conexión del igualador. Sigue leyendo para obtener un poco más de contexto.
Dispositivos de expansión
Hemos estudiado ya que el dispositivo de expansión es uno de los cuatro elementos básicos de toda planta frigorífica que funciona de acuerdo con un ciclo de compresión de vapor. La función del dispositivo de expansión permitir el paso del refrigerante desde la zona de alta presión hacia la zona de baja presión, manteniendo las presiones diferentes.
En el dispositivo de expansión el refrigerante líquido caliente procedente del condensador es obligado a pasar por un orificio de diámetro muy pequeño. Al pasar, el refrigerante sufre una gran pérdida de presión que provoca que, a la salida del dispositivo, parte del líquido se vaporice, absorbiendo calor del líquido que lo rodea. Esta formación de vapor provoca una reordenación de la energía interna del refrigerante de modo que, por cada kilo de líquido caliente que entra al dispositivo de expansión, a la salida obtenemos una fracción de liquido y otra fracción de vapor a baja presión y baja temperatura, y en condiciones de saturación.
Válvulas de expansión
Las válvulas de expansión son dispositivos de expansión que, además de realizar la función descrita en el apartado anterior, tienen algún tipo de órgano de mando que permite regular el caudal de refrigerante que entra al evaporador.
Clasificación de los dispositivos de expansión
Los tipos de dispositivos y válvulas de expansión más habituales son los siguientes:
Dispositivos de expansión fijos (sin regulación de caudal), que encontramos de dos tipos:
Tubos capilares, propios de los muebles refrigerados y las máquinas de aire acondicionado de gama básica y poca potencia.
Restrictores fijos, tapones con orificios calibrados propias de algunas máquinas de aire acondicionado de pequeña potencia.
Válvulas de expansión, que permiten el ajuste del caudal inyectado en el evaporador, y que pueden ser:
Manuales: La posición del órgano de mando y la diferencia de presiones entre alta y baja determinan el caudal.
Presostáticas o automáticas: El mecanismo de mando ajusta el caudal de forma mecánica, tratando de mantener constante la temperatura de evaporación. Solo son adecuadas en aplicaciones con carga frigorífica constante en las que se requiera temperatura de evaporación constante.
Termostáticas: Ajustan el caudal en función del recalentamiento útil, son las de uso más común, ya que se comportan bien ante variaciones de la carga térmica.
Electrónicas: Dotadas de solenoides o motores paso a paso, su grado de apertura se determina en función de la programación de un automatismo. Indicadas donde se requiera elevada eficiencia energética.
De flotador: existen versiones para instalar en las zonas de alta o baja presión. Están indicadas en instalaciones inundadas (amoniaco o CO2) y tratan de mantener constante el nivel en un recipiente.
Vídeo de la lección
A continuación encuentras el vídeo de la lección en el que profundizamos en el funcionamiento de una válvula de expansión termostática.
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Dedicaremos la decimoquinta lección del curso de instalaciones frigoríficas a hablar de los presostatos. Podemos definir un presostato como un interruptor o un conmutador eléctrico accionado por la presión. En las instalaciones frigoríficas son habituales los presostatos de baja y alta presión, los presostatos combinados y los presostatos diferenciales de aceite.
Presostato de baja presión
En nuestra instalación el presostato de baja presión actúa como interruptor pensado para arrancar y para el compresor. Cuando la presión es mayor que un determinado valor, llamado presión de arranque, el compresor permanece en funcionamiento. Si la presión en el evaporador disminuye por debajo de un valor llamado presión de parada, el presostato deja de alimentar el contactor del compresor, que permanece en reposo.
La diferencia entre la presión de arranque y la de parada se llama diferencial o histéresis, y nos permite garantizar que el compresor trabaja en ciclos largos, lo que es deseable para evitar arranques demasiado frecuentes del compresor.
El presostato descrito tendría rearme automática, arrancando y parando el compresor cuando se necesite. Algunas instalaciones pueden contar con varios presostatos de baja para controlar varios compresores en paralelo, un compresor con regular de capacidad, o por seguridad, para evitar presiones de trabajo demasiado bajas que podrían dar lugar a congelación de intercambiadores de líquido o entrada de aire en la instalación.
Presostato de alta
En nuestra instalación el presostato de alta es un elemento de seguridad que para el compresor en caso de que en la zona de alta presión se supere un determinado valor, para evitar que se produzcan sobrepresiones peligrosas. Cuando un presostato hace esta función también se le llama limitador de presión, y suele ser de rearme manual, a no ser que la instalación este gestionada remotamente.
Además de un presostato de alta actuando como elemento de seguridad limitador de presión, las instalaciones frigoríficas pueden contar con presostato de alta de rearme automático pensados para regular la presión de alta, arrancando o parando ventiladores, si el medio condensante es aire, o bombas de agua, si este es el medio condensante empleado.
Presostato combinado
El presostato combinado es un elemento que combina en el mismo cuerpo un presostato de baja y un presostato de alta presión, con los contactos eléctricos puestos en serie internamente. Se emplean mucho por cuestión de coste, aunque como puedes ver en el vídeo de la lección, desaconsejo su uso cuando el presostato de alta hace de limitador de presión, pues nos resta posibilidades a la hora de forzar maniobras de forma manual.
Presostato diferencial de aceite
El presostato diferencial de aceite es presostato con un funcionamiento un tanto diferente. Se emplea en compresores que cuentan con bomba de aceite (que puede ser interna) y funciona comparando la presión de descarga de la bomba de aceite con presión del cárter del compresor. Si la diferencia entre ambas presiones no es lo suficientemente grande porque la bomba no está impulsando aceite, el presostato inicia una cuenta atrás. Si la cuenta atrás concluye sin que se haya restablecido la diferencia de presiones, el presostato para el compresor y señaliza la parada de emergencia.
Vídeo de la lección
A continuación encuentras el vídeo de la lección en el que hacemos un repaso del funcionamiento y la regulación del presostato de alta y del presostato de baja.
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En la lección número 14 del curso de instalaciones frigoríficas hablamos de la relación entre el termostato ambiente y la válvula solenoide de líquido.
Funcionamiento con recogida de refrigerante
Resulta habitual que en las instalaciones frigoríficas industriales o comerciales de expansión directa trabajemos recogiendo el refrigerante en la zona de alta presión antes de parar los compresores. En este tipo de instalaciones la aportación de refrigerantes a un evaporador o grupo de evaporadores se controla mediante una válvula solenoide instalada en la línea de líquido, gobernada por un termostato que regula la temperatura del medio a enfriar en cada uno de los recintos o intercambiadores a refrigerar.
Válvula solenoide de líquido
La válvula solenoide de líquido o electro válvula de líquido es una válvula accionada mediante un señal eléctrica; habitualmente se trata de una válvula todo – nada normalmente cerrada. Esto significa que la válvula solo tiene dos posibles posiciones, cerrada y 100% abierta, y que en reposo, con la bobina sin alimentación eléctrica, permanece cerrada.
Termostato
Podemos definir el termostato como un conjunto de contactos eléctricos accionado por la temperatura. En su aplicación a instalaciones de frío, el termostato tiene un elemento sensible a la temperatura (sonda si es digital o bulbo si es mecánico) que mide la temperatura del medio a enfriar. Si la temperatura medida es mayor que la temperatura consignada en el termostato, este conmuta un contacto eléctrico, que mediante la lógica de control adecuada, abre la solenoide dejando entrar refrigerante al evaporador. Una vez alcanzada la temperatura de consigna, el contacto del termostato vuelve al reposo, propiciando el cierre de la válvula solenoide.
Todos los termostatos poseen una histéresis o diferencial entre la temperatura de alimentación y corte de la solenoide. En algunos modelos este diferencial puede ser configurado por el usuario, mientras que en otros modelos, viene determinado por el fabricante, resultando transparente para el operador. El valor de este diferencial suele estar en torno a 2 .. 3ºC. Así en una instalación en la que se determine como punto de consigna de -21ºC negativos y que trabaje con un diferencial de 3ºC, la solenoide cerraría cuando en el recinto a refrigerar se alcancen los -21ºC y volvería a abrir cuando la temperatura suba 3ºC, hasta los -18ºC.
En el vídeo puedes encontrar una explicación de cómo se relacionan la válvula solenoide y el termostato en una instalación con recogida de refrigerante.
Vídeo de la lección
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Dedicamos la lección 13 del curso de instalaciones frigoríficas a hablar del foco caliente de la instalación, el condensador, que es un intercambiador de calor en el que el refrigerante cede calor a un medio externo, que llamaremos medio condensante.
En las instalaciones domésticas o comerciales solemos emplear como medio condensante el aire ambiente. En instalaciones industriales podemos emplear agua procedente de una torre de refrigeración o de una fuente de agua natural (con las consiguientes implicaciones medioambientales) o combinar aire y agua en un condensador evaporativo. En cualquier caso la función del condensador es la misma, retirar del refrigerante el calor ganado en el evaporador y durante el proceso de compresión. Dentro del condensador tienen lugar tres transformaciones, que puedes ver en el diagrama siguiente:
Desrecalentamiento
El primer proceso que tiene lugar en el condensador es el desrecalentamiento, que en la figura vemos entre el punto 1 y el punto 2. El compresor descarga el refrigerante como vapor recalentado a alta presión y alta temperatura. La temperatura del vapor en este punto (que es el más caliente de la planta frigorífica) es muy superior a la temperatura de condensación a la presión de alta. Por tanto lo primero que debemos hacer es desrecalentar el vapor, eliminando el exceso de temperatura.
Condensación
En el punto 2 el vapor alcanza la temperatura de rocío, convirtiéndose en vapor saturado. Entre el punto 2 y el punto 3 el vapor saturado cede calor al medio condensante transformándose en líquido saturado, en un proceso de cambio de estado llamado condensación. La condensación ocupa la mayor parte de la superficie del condensador.
Para los refrigerantes puros (R0xx, R1xx, R2xx, R6xx, R7xx) y las mezclas azeotrópicas (R5xx) la condensación se produce a temperatura constante, coincidiendo la temperatura de rocío (al principio de la condensación) con la temperatura de burbuja (al final de la condensación). Sin embargo para las mezclas zeotrópicas (R4xx) durante la condensación se da un ligero descenso de temperatura.
Al finalizar la condensación en el punto 3 todo el refrigerante se ha transformado en líquido saturado, que todavía está más caliente que el medio condensante.
Subenfriamiento
La última etapa que tiene lugar en la superficie final del condensador es el subenfriamiento del líquido. En el punto 3 tenemos líquido saturado, que como he dicho, todavía se encuentra a mayor temperatura que el medio condensante. Entre el punto 3 y el punto 4 enfriamos el líquido, que al dejar el punto 3 pasa a ser líquido subenfriado. El subenfriamiento depende mucho del tipo de planta frigorífica y de la temperatura del medio condensante, y puede estar entre 3 y 10ºC. En términos generales, subenfriar es beneficioso, pues garantiza que no se forman burbujas en la línea de líquido que puedan interferir con el funcionamiento del dispositivo de expansión y mejora la producción frigorífica por kg de refrigerante, al reducir el porcentaje de vapor formado durante la expansión (que en tanto por uno se llama título de vapor).
La posibilidad de subenfriar el líquido en el condensador viene condicionada por la aproximación en temperatura que puedo tener entre el líquido a la salida del condensador y la temperatura del medio condensante a la entrada. Aproximaciones menores de 5ºC suelen incrementar de modo radical la superficie del condensador, y no suelen considerarse en diseño. Así si tengo el medio condensante a 30ºC lo normal es que trabaje con una temperatura de burbuja de en torno a 40º y que subenfríe 5ºC, obteniendo refrigerante líquido a 35ºC a la salida del condensador. Aproximaciones mayores en temperatura pueden resultar antieconómicas.
En el vídeo vemos estos aspectos con detalle.
Vídeo de la lección
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En la lección número 12 del curso de instalaciones frigoríficas hablaremos del evaporador, que el el foco frío de la planta, un intercambiador de calor en el que el refrigerante absorbe calor del medio que queremos enfriar.
En las cámaras frigoríficas los evaporadores enfrían el aire ambiente del interior de la cámara; en las máquinas enfriadoras de agua, los evaporadores son normalmente intercambiadores de placas en los que el refrigerante enfría el agua. En función de la naturaleza del medio a enfriar tendremos distintos tipos de evaporadores.
Evaporadores de expansión directa
En instalaciones con evaporadores de expansión directa solemos tener dispositivos de expansión del tipo tubo capilar o válvula de expansión termostática. Estas plantas están diseñadas para que todo el refrigerante que entra en el evaporador termine por evaporarse, obteniéndose a la salida del evaporador vapor recalentado, que te recuerdo que es como se llama al vapor que está a una temperatura mayor de la del cambio de estado. Podemos ver el funcionamiento de los evaporadores de expansión directa en la siguiente figura:
El refrigerante entra al evaporador procedente del dispositivo de expansión, como mezcla de líquido y vapor saturados. La mezcla se encuentra fría y a baja presión. Al iniciar su recorrido por el evaporador, el refrigerante recibe calor del medio a enfriar, calor que es empleado en evaporar el líquido. A medida que avanzamos por el evaporador tenemos más vapor y menos líquido, a este proceso le llamamos evaporación, y en la gráfica empieza en el punto 1 y finaliza en el punto 2.
Para los refrigerantes puros (R0xx, R1xx, R2xx, R6xx y R7xx) y las mezclas azeotrópicas (R5xx) la evaporación tiene lugar sin cambio de temperatura; si el refrigerante es una mezcla zeotrópica (R4xx) durante la evaporación aumenta la temperatura. Para algunos zeótropos este aumento es poco significativo, pero para otros es importantes.
Una vez finalizada la evaporación, en el punto 2, tenemos todo el refrigerante en forma de vapor saturado. Este vapor todavía está frío, a una temperatura menor que la del medio a enfriar; aprovechamos esto para recalentar ligeramente el vapor en un proceso llamado recalentamiento útil, que en el gráfico vemos desde el punto 2 hasta el punto 3.
El recalentamiento útil es una solución de compromiso. Tiene como ventajas que protege al compresor frente a la entrada de líquido y que aumenta la producción de calor específica (por kg de refrigerante) y como inconvenientes que hace aumentar el volumen específico en la aspiración del compresor, afectando al rendimiento volumétrico, y que provoca mayores temperaturas de descarga. En las instalaciones de expansión directa este recalentamiento útil suele ser del orden de 4 – 5ºC. En instalaciones de amoniaco resulta muy perjudicial por lo que buscamos otros regímenes de funcionamiento.
Evaporadores en régimen inundado
En las instalaciones de amoniaco el recalentamiento útil resulta perjudicial para el ciclo frigorífico. Si a esto le sumamos que el amoniaco tiene un coste asequible, que es menos denso que el lubricante y no se mezcla con el mismo, tenemos una serie de condicionantes que nos invitan a trabajar en régimen inundado o semi inundado.
En este tipo de instalaciones contamos con dispositivos de expansión de flotador, electrónicos controlados por nivel, o manuales. El amoniaco se expansiona a un depósito en la zona de baja presión donde decantamos el líquido y el compresor aspira el vapor saturado que se forma en la parte alta del depósito. El liquido saturado de la parte baja inunda los evaporadores simplemente por gravedad (régimen semi inundado) o es forzado a circular por ellos con bombas de refrigerante líquido, como te muestro en la siguiente figura. Si tenemos bombas de refrigerante decimos que trabajamos en régimen inundado:
Vídeo de la lección
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