evaporadores
TRANSCRIPT
Para equipamiento de procesos químicos, véase Categoría:Evaporadores.
Evaporadores inundados para amoníaco en cámara frigorífica para frutas
Se conoce por evaporador al intercambiador de calor que genera la transferencia de energía térmica contenida en el medio ambiente hacia un gas refrigerante a baja temperatura y en proceso de evaporación. Este medio puede ser aire o agua.
Estos intercambiadores de calor se encuentran al interior de neveras, refrigeradores domésticos, cámaras de refrigeración industrial, vitrinas comerciales para alimentos y un sinfín de aplicaciones en procesos para la industria de alimentos, así como en procesos químicos. De igual manera, también se encuentran al interior una diversa gama de equipos de aire acondicionado. Es debido a esto que el evaporador tiene un diseño, tamaño y capacidad particular conforme la aplicación y carga térmica.
Contenido
[ocultar]
1 Principio 2 Tipos de evaporador
o 2.1 Según alimentación de refrigerante 2.1.1 - De Expansión Directa o Expansión Seca (DX) 2.1.2 - Inundados 2.1.3 - Sobrealimentados
o 2.2 Según tipo de construcción 2.2.1 - Tubo descubierto 2.2.2 - De superficie de Placa 2.2.3 - Evaporadores Aleteados
o 2.3 Evaporadores para Enfriamiento de Líquido 2.3.1 - Enfriador de doble tubo 2.3.2 - Enfriador Baudelot 2.3.3 - Enfriador tipo tanque sherman
2.3.4 - Enfriador con serpentín en casco azul 2.3.5 - Enfriador acorazado armado
3 Véase también 4 Referencias
[editar] Principio
En los sistemas frigoríficos el evaporador opera como intercambiador de calor, por cuyo interior fluye el refrigerante el cual cambia su estado de líquido a vapor. Este cambio de estado permite absorber el calor sensible contenido alrededor del evaporador y de esta manera el gas, al abandonar el evaporador lo hace con una energía interna notablemente superior debido al aumento de su entalpía, cumpliéndose así el fenómeno de refrigeración.
El flujo de refrigerante en estado líquido es controlado por un dispositivo o válvula de expansión la cual genera una abrupta caída de presión en la entrada del evaporador. En los sistemas de expansión directa, esta válvula despide una fina mezcla de líquido y vapor a baja presión y temperatura. Debido a las propiedades termodinámicas de los gases refrigerantes, este descenso de presión está asociado a un cambio de estado y, lo que es más importante aún, al descenso en la temperatura del mismo.
De esta manera, el evaporador absorbe el calor sensible del medio a refrigerar transformándolo en calor latente el cual queda incorporado al refrigerante en estado de vapor. Este calor latente será disipado en otro intercambiador de calor del sistema de refrigeración por compresión conocido como condensador dentro del cual se genera el cambio de estado inverso, es decir, de vapor a líquido.
[editar] Tipos de evaporador
Esquema de evaporador de expansión seca.
Esquema de evaporador inundado.
Esquema de evaporadores sobrealimentados.
Debido a que un evaporador es cualquier superficie de transferencia de calor en la cual se vaporiza un líquido volátil para eliminar calor de un espacio o producto refrigerado, los evaporadores se fabrican en una gran variedad de tipos, tamaños y diseños y se pueden clasificar de diferentes maneras.
[editar] Según alimentación de refrigerante
[editar] - De Expansión Directa o Expansión Seca (DX)
Artículo principal: Evaporador de expansión seca
En los evaporadores de expansión directa la evaporación del refrigerante se lleva a cabo a través de su recorrido por el evaporador, encontrándose este en estado de mezcla en un punto intermedio de este. De esta manera, el fluido que abandona el evaporador es puramente vapor sobrecalentado. Estos evaporadores son los más comunes y son ampliamnete utilizados en sistemas de aire acondicionado. No obstante son muy utilizados en la refrigeración de media y baja temperatura, no son los más apropiados para instalaciones de gran volumen.
[editar] - Inundados
Artículo principal: Evaporador inundado
Los evaporadores inundados trabajan con refrigerante líquido con lo cual se llenan por completo a fin de tener humedecida toda la superficie interior del intercambiador y, en consecuencia, la mayor razón posible de transferencia de calor. El evaporador inundado está equipado con un acumulador o colector de vapor el que sirve, a la vez, como receptor de líquido, desde el cual el refrigerante líquido es circulado por gravedad a través de los circuitos del evaporador. Preferentemente son utilizados en aplicaciones industriales, con un número considerable de evaporadores, operando a baja temperatura y utilizando amoníaco (R717) como refrigerante.
[editar] - Sobrealimentados
Artículo principal: Evaporador sobrealimentado
Un evaporador sobrealimentado es aquel en el cual la cantidad de refrigerante líquido en circulación a través del evaporador ocurre con considerable exceso y que además puede ser vaporizado.
[editar] Según tipo de construcción
[editar] - Tubo descubierto
Evaporador de tubo descubierto de cobre para enfriamiento de agua
Los evaporadores de tubo descubierto se construyen por lo general en tuberías de cobre o bien en tubería de acero. El tubo de acero se utiliza en grandes evaporadores y cuando el refrigerante a utilizar sea amoníaco (R717), mientras para pequeños evaporadores se utiliza cobre. Son ampliamente utilizados para el enfriamiento de líquidos o bien utilizando refrigerante secundario por su interior (salmuera, glicol), donde el fenómeno de evaporación de refrigerante no se lleva a cabo, sino más bien estos cumplen la labor de intercambiadores de calor.
[editar] - De superficie de Placa
Existen varios tipos de estos evaporadores. Uno de ellos consta de dos placas acanaladas y asimétricas las cuales son soldadas herméticamente una contra la otra de manera tal que el gas refrigerante pueda fluir por entre ellas; son ampliamente usados en refrigeradores y congeladores debido a su economía, fácil limpieza y modulación de fabricación. Otro tipo de evaporador corresponde a una tubería doblada en serpentín instalada entre dos placas metálicas soldadas por sus orillas. Ambos tipos de evaporadores, los que suelen ir recubiertos con pintura epóxica, tienen excelente respuesta en aplicaciones de refrigeración para mantención de productos congelados.
[editar] - Evaporadores Aleteados
Evaporador de serpentín aleteado y convección forzada para baja temperatura, sin bandeja de condensados.
Evaporador de serpentín aleteado al interior de equipo de aire acondicionado tipo Split.
Los serpentines aleteados son serpentines de tubo descubierto sobre los cuales se colocan placas metálicas o aletas y son los más ampliamente utilizados en la refrigeración industrial como en los equipos de aire acondicionado. Las aletas sirven como superficie secundaria absorbedora de calor y tiene por efecto aumentar el área superficial externa del intercambiador de calor, mejorándose por tanto la eficiencia para enfriar aire u otros gases.
El tamaño y espaciamiento de las aletas depende del tipo de aplicación para el cual está diseñado el serpentín. Tubos pequeños requieren aletas pequeñas y viceversa. El espaciamiento de la aletas varía entre 1 hasta 14 aletas por pulgada, dependiendo principalmente de la temperatura de operación del serpentín. A menor temperatura, mayor espaciamiento entre aletas; esta distancia entre las aletas es de elemental relevancia frente la formación de escarcha debido a que esta puede obstruir parcial o totalmente la circulación de aire y disminuir el rendimiento del evaporador.
Respecto de los evaporadores aleteados para aire acondicionado, y debido a que evaporan a mayores temperaturas y no generan escarcha, estos pueden tener hasta 14 aletas por pulgada. Ya que existe una relación entre superficie interior y exterior para estos intercambiadores de calor, resulta del todo ineficiente aumentar el número de aletas por sobre ese valor (para aumentar superficie de intercambio optimizando el tamaño del evaporador), ya que se disminuye la eficiencia del evaporador dificultando la circulación del aire a través de este.
Esta circulación de aire se realiza de dos maneras: por convección forzada por ventiladores –bien sean centrífugos o axiales, mono o trifásicos, conforme la aplicación- y de manera natural por diferencia de densidades del aire, fenómeno conocido como convección natural.
[editar] Evaporadores para Enfriamiento de Líquido
[editar] - Enfriador de doble tubo
Es un serpentin que enfria liquido que suministra gran rango de transferencia de calor entre el refrigerante y el liquido que va a ser enfriado. El camino del refrigerante puede ser a traves de uno u otro de los tubos aunque usualmente la salmuera o liquido que va a ser enfriadose hace circular a traves del tubo interior y el refrigerante que remueve el calor esta entre los dos tubos. Este tipo de serpentin para intercambio de calor se usa tambien en el diseño de condensadores.pipas
[editar] - Enfriador Baudelot
Puede usarse para enfriar agua, u otros liquidos o para varios usos industriales, y es frecuentemente usado como enfriador de leche. La tuberia del evaporador se coloca verticalmente, y el liquido que va enfriarse se hace circular sobre los serpentines de enfriamientos mediante el flujo de gravedad desde el arreglo colocado encima de los serpentines. El liquido es recogido en una bandeja la cual puede ser recirculado por el enfriador baudelot o bombeado a su destino en el proceso industrial
[editar] - Enfriador tipo tanque sherman
[editar] - Enfriador con serpentín en casco azul
[editar] - Enfriador acorazado armado
TIPOS DE EVAPORADORESPara determinar las condiciones óptimas de diseño, se deben tener en cuenta una gran cantidad de factores para obtener de esta manera, un equipo que tenga una relación óptima entre rendimiento de evaporación, economía y calidad del producto. Estos factores se pueden resumir de la siguiente forma:
Evaporador de película descendienteEstos tipos de evaporadores son los más difundidos en la industria alimenticia, por las ventajas peracionales y económicas que los mismos poseen. Estas ventajas se pueden resumir de la siguiente forma: Alta eficiencia, economía y rendimiento. Alta flexibilidad operativa. Altos coeficientes de transferencias térmicos. Capacidad de trabajar con productos termosensibles o que puedan sufrir deterioro parcial o total de sus propiedades. Limpieza rápida y sencilla (CIP) En estos evaporadores la alimentación es introducida por la parte superior del equipo, la cual ha sido normalmente precalentada a la temperatura de ebullición del primer efecto, mediante intercambiadores de calor adecuados al producto. Se produce una distribución homogénea del producto dentro de los tubos en la parte superior del evaporador, generando una película descendente de iguales características en la totalidad de los tubos. Este punto es de suma importancia, ya que una insuficiente mojabilidad de los tubos trae aparejado posibles sitios en donde el proceso no se desarrolla correctamente, lo cual lleva a bajos rendimientos de evaporación, ensuciamiento prematuro de los tubos, o eventualmente al taponamiento de los mismos. Dentro de los tubos se produce la evaporación parcial, y el producto que esta siendo concentrado, permanece en íntimo contacto con el vapor que se genera. Los dos fluidos, tanto el producto como su vapor, tienen igual sentido de flujo, por lo que la salida de ambos es por la parte inferior de los tubos.
Evaporador de película ascendiente
En estos tipos de evaporadores la alimentación se produce por la parte inferior del equipo y la misma asciende por los tubos. El principio teórico que tienen estos evaporadores se asimila al 'efecto sifón', ya que cuando la alimentación se pone en contacto con los tubos calientes, comienza a producirse la evaporación, en donde el vapor se va generando paulatinamente hasta que el mismo, empieza a ejercer presión hacia los tubos, determinando de esta manera, una película ascendente. Esta presión, también genera una turbulencia en el producto que está siendo concentrado, lo que permite mejor la transferencia térmica, y por ende, la evaporación. En estos evaporadores existe alta diferencia de temperaturas entre la pared y el líquido en ebullición. Cabe mencionar que la altura de los mismos es limitada, ya que la capacidad del vapor en arrastrar la película formada hacia la parte superior del equipo no es suficiente y determina la altura máxima posible para el diseño. Son evaporadores en los cuales se puede recircular el producto concentrado, donde el mismo es
enviado nuevamente al interior del equipo, y de esta forma, asegurar un correcto caudal de alimentación.
Evaporador de circulación forzada
Los evaporadores de circulación forzada pueden no ser tan económicos, pero son necesarios cuando los productos involucrados en la evaporación tienen propiedades incrustantes, altas viscosidades, precipitaciones, cristalizaciones o ciertas características térmicas que imposibilitan una circulación natural. Son equipos en donde el producto es calentado a través de un intercambiador de calor (los intercambiadores puede ser horizontales o verticales), luego se envía a un separador, donde la evaporación se lleva a cabo gracias a la presión reinante dentro del mismo, produciéndose de esta forma una evaporación flash y por ende un enfriamiento del producto. La velocidad de circulación del producto dentro de los tubos es un factor esencial a tener en cuenta para cada tipo de producto.
EVAPORADORES INUNDADOS
VALVULAS DE FLOTADOR DE
ALTA Y BAJA PRESION
Evaporadores según alimentación de refrigerante
Los evaporadores pueden ser clasificados de acuerdo al método de alimentación del líquido como de expansión seca, inundados, o líquidos sobrealimentados. Con el método de expansión seca la cantidad de líquido refrigerante alimentado al evaporador está limitada a la cantidad que pueda ser completamente vaporizado durante el tiempo de llegada hasta el extremo final del evaporador, de tal manera que solo llegue vapor a la línea de succión. La válvula generalmente empleada con este método para el control del flujo de refrigerante es de expansión termostática o de tubo capilar. Para estar seguro de tener completa vaporización del refrigerante en el evaporador y prevenir así el llevar líquido en la tubería de succión al compresor, se permite un sobrecalentamiento de 10°F al final del evaporador, esto requiere aproximadamente del 10% al 20% de la superficie total del evaporador.
Una parte de cada masa unitaria de refrigerante circulado se vaporiza en la válvula del control del refrigerante a medida que la presión es reducida desde la presión condensante hasta la presión del evaporador. Con el evaporador de alimentación de expansión seca el gas resultante entra al evaporador junto con el líquido resultante, el cual se vaporiza progresivamente a medida que el refrigerante pasa a través del evaporador. De lo anterior, es evidente que el refrigerante en la última parte del evaporador no trabaja tan efectivamente como la parte a la entrada del evaporador en donde se tiene una gran parte del refrigerante en la fase del líquido.
Es por está razón que en un evaporador de expansión seca, la superficie del serpentín siempre es mas bajo en la parte a la entrada del refrigerante y su valor mas alto se tiene cerca de la salida, a pesar del hecho de que la temperatura de saturación del refrigerante es
mas baja en la salida debido a la caída de presión que experimenta el refrigerante al fluir a través del evaporador.
En tanto que los evaporadores de expansión seca son algo menos eficiente que el de tipo inundado o de sobrealimentación del líquido, son por lo general mucho más simples en su diseño, su costo inicial es mas bajo, requiere mucho menos carga de refrigerante y tienen menos problemas que los demás en lo que respecta al regreso del aceite. Por estas razones el evaporador de expansión seca es el tipo más popular. Esto en particular es cierto para sistemas que emplean refrigerantes halocarburos, ya que con los evaporadores inundados a veces es difícil el regreso del aceite.
Los evaporadores inundados trabajan con refrigerante líquido con lo cual se llenan por completo a fin de tener humedecida toda la superficie interior del tubo y en consecuencia la mayor razón posible de transferencia de calor. El evaporador inundado está equipado con un acumulador o colector de vapor que sirve como receptor líquido desde el cual el refrigerante líquido es circulado por gravedad a través de los circuitos del evaporador. El nivel del líquido en evaporador se mantiene más bajo o más alto mediante un control de flotador y, el vapor generado por la acción de ebullición del refrigerante en los tubos se separa del líquido en la parte superior del acumulador de donde es sacado directamente a través de la línea de succión con el gas que se forma como consecuencia de la reducción de presión del refrigerante desde la presión en el condensador hasta la presión que se tiene en el evaporador. Se debe observar que el gas instantáneamente formado no circula por la parte de transferencia de calor del evaporador.
Un evaporador sobrealimentado es aquel en el cual la cantidad de refrigerante líquido en circulación a través del evaporador ocurre con considerable exceso y que además puede ser vaporizado. El exceso del líquido es separado del vapor en un receptor de baja presión o acumulador y es recirculado hacia el evaporador, mientras que el vapor es extraído por la succión del compresor. Los rangos de razón de circulación son desde un valor de 2 a 1 hasta valores altos de 6 ó 7 a 1, se usan los rangos altos con amoniaco y los bajos con los refrigerantes 12, 22, y 502. Un rango de circulación de 3 a 1 indica que se tiene en circulación tres tantos de líquido circulando que pueden ser vaporizados, en cuyo caso la composición de refrigerante en el cubo de regreso al acumulador estará compuesta por peso, de dos partes de líquido y una parte de vapor. Con una recirculación adecuada del líquido el humedecimiento de la superficie interior del tubo y el rendimiento en los evaporadores sobrealimentados son similares a los que se tienen con aquellos que trabajan completamente inundados. La razón óptima de recirculación para tener el mejor rendimiento en el evaporador, varía con un gran número de factores y a veces es difícil de predecirlas. A fin de lograr el rendimiento estipulado, es importante que el fabricante de evaporadores haga recomendaciones lo más aproximadas posibles. Como en el caso de evaporadores de expansión seca, el flujo de líquido en los evaporadores sobrealimentados es controlado por algún dispositivo de medición, por lo general una válvula de expansión manual o un orificio diseñado o ajustado para obtener el flujo máximo necesario para cuando se tengan las cargas pico.
Los evaporadores sobrealimentados son mas comúnmente utilizados en sistemas de evaporador múltiple, resultando más económicos. Mientras que para un evaporador simple
se tienen pocas dificultades para controlar la razón de recirculación, el balanceo en un sistema de evaporador múltiple es más tedioso, pero se facilita más al aumentarse la razón de recirculación. Por este motivo, las razones de recirculación generalmente son mayores para un sistema de evaporador múltiple que para un evaporador simple. A fin de prevenir una sobrealimentación excesiva en los evaporadores activos, se instala una válvula de desahogo en el lado de descarga de la bomba para regresar líquido al receptor de baja presión cuando no están funcionando uno o más de los evaporadores del sistema.
Control en el Evaporador Inundado
Los controles de flujo refrigerante empleados con evaporadores inundados son por lo general tipo flotador. El control de flotador consiste en un miembro boyante (bola hueca de metal, cilindro o cuenco) el cual es responsable del nivel del líquido refrigerante, por lo que también actúa para abrir y cerrar la válvula a fin de admitir una mayor o menor cantidad de refrigerante, de acuerdo a los cambios en el nivel de líquido que se tiene dentro de la cámara del flotador. La cámara del flotador puede quedar localizada ya sea en el lado de baja o alta presión del sistema. Cuando el flotador está localizado en el lado de baja presión del sistema, el control del flotador se le llama control de flotador de baja presión. Cuando el flotador está localizado en el lado de alta presión del sistema se le conoce como control de flotador de alta presión.
La principal ventaja del evaporador inundado estriba en la capacidad y alta eficiencia del evaporador así obtenida. Con funcionamiento inundado el refrigerante predominantemente está líquido en todas partes del evaporador, con lo que se obtiene un alto coeficiente refrigerante en la superficie del tubo en el lado del refrigerante, en comparación con el obtenido en el evaporador tipo expansión seca, donde predominantemente el refrigerante está en estado de vapor, sobre todo en la última parte del evaporador. Por esta razón, los controles del flotador (evaporadores inundados) son muy usados en instalaciones grandes para enfriamiento de líquidos donde se aprovecha la ventaja del alto valor del coeficiente de conductancia en el lado del refrigerante. Por otra parte, este tipo de control raras veces se usa en instalaciones pequeñas, debido a su volumen y a la carga grande necesaria de refrigerante, en estos casos se usa la válvula de expansión termostática o el tubo capilar, el cual es muy simple y económico.
Control de flotador de presión baja
El control de flotador de presión baja (flotador en el lado de baja presión) actúa para mantener un nivel constante de líquido en el evaporador inundado regulando el flujo de refrigerante líquido hacia la unidad, de acuerdo con la rapidez a la cual el suministro de líquido está siendo agotado por vaporización. Este responde sólo al nivel del líquido del evaporador y mantendrá lleno de refrigerante líquido al evaporador hasta el nivel deseado, para todas las condiciones de carga e independientemente de la temperatura y presión que se tenga en el evaporador.
La operación del flotador de presión baja puede ser continua o intermitente. Para operación continua, la válvula de flotador de presión baja tiene una acción estranguladora en la que esta modula hacia la posición de abrir o cerrar para suministrar más o menos líquido hacia
el evaporador en respuesta directa a los cambios mínimos que se tengan en el nivel del líquido del evaporador. Para operación intermitente, la válvula está diseñada para que responda sólo a los niveles mínimos y máximos del líquido, en cuyos puntos la válvula podrá estar completamente abierta o cerrada de acuerdo a la posición que se tenga en el mecanismo Togle que acciona la válvula.
El flotador de presión baja puede instalarse directamente en el evaporador o en el acumulador en cuya unidad se estaría controlando el nivel del líquido o también puede instalarse en un lugar fuera de estas unidades en una cámara de flotador separada.
Para sistemas de gran capacidad, por lo general se instala en un tubo de desviación una válvula de expansión manual cerca de la válvula del flotador a fin de proporcionar refrigeración en el caso de que fallara la válvula de flotador. Generalmente, también se instalan válvulas de cierre manuales a ambos lados de la válvula del flotador de tal modo que esta última puede quedar aislada del sistema sin necesidad de evacuar la carga del refrigerante del evaporador.
Control de flotador de presión alta
Al igual que la válvula de flotador de baja, la válvula de flotador de alta controla el flujo refrigerante para tener un determinado nivel de líquido en el evaporador de acuerdo con la rapidez a la cual el líquido está siendo vaporizado. Sin embargo mientras la válvula de flotador de baja controla directamente el nivel del líquido en el evaporador, la válvula de flotador de alta está localizada en el lado de presión alta del sistema y controla indirectamente la cantidad de líquido en la cámara del flotador la cual se encuentra a alta presión.
El principio de operación de la válvula de flotador de presión alta es relativamente simple. El vapor refrigerante del evaporador se condensa y cambia a liquido en el condensador, después pasa hacia la cámara del flotador haciendo subir el nivel de líquido, causando así que suba la bola del flotador para abrir la lumbrera de la válvula, de manera que una cantidad proporcional de líquido es descargada de la cámara del flotador para suministrar líquido al evaporador. Debido a que siempre se condensa vapor en el condensador a la misma rapidez que el líquido es vaporizado en el evaporador, la válvula de flotador de alta estará continua y automáticamente alimentando el líquido de regreso al evaporador a una rapidez que es proporcional a la rapidez de vaporización independientemente de la carga del sistema. Cuando para el compresor, baja el nivel del líquido en la cámara de flotador y permanece cerrada hasta que nuevamente arranque el compresor.
Debido a que la válvula de flotador de presión alta permite que solo una pequeña cantidad de refrigerante permanezca en el lado de alta presión del sistema, se deduce que el mayor volumen de carga refrigerante siempre estará en el evaporador y que es critica la carga de refrigerante. Una sobrecarga de refrigerante hará que la válvula de flotador sobrealimente al evaporador provocando que una corriente de líquido regrese al compresor. Además si el sistema está muy sobrecargado, la válvula de flotador no estrangulará al flujo del liquido lo suficiente para permitirle al compresor reducir la presión en el evaporador hasta el nivel
bajo deseado. Por otra parte, si el sistema tiene una carga limitada, la operación del flotador será errática y el evaporador quedará limitado.
La válvula de flotador de presión alta puede ser usada con un evaporador de expansión seca o con una de evaporador de tipo inundado.
En el evaporador inundado, el refrigerante líquido es expandido dentro del tambor de oleaje (o receptor de presión baja) desde donde fluirá hacia el evaporador a través del tubo vertical que sale por el fondo del tambor de oleaje. El vapor de la succión es retirado de la parte superior del tambor de oleaje a medida que se forma el gas debido a la expansión del líquido al pasar este a través de la válvula de flotador. Para evitar que el líquido inundado regrese durante los cambios de la carga, el tambor de oleaje deberá tener por lo menos un volumen igual al 25% del volumen del evaporador.
A diferencia del control de flotador de presión baja, el control de flotador de alta, estando independiente del nivel del líquido del evaporador, puede instalarse por arriba o por debajo de dicha unidad. Sin embargo, la válvula de flotador deberá estar localizada tan cerca como sea posible del evaporador y estar siempre colocada en un tubo horizontal con el fin de asegurar la acción libre de la válvula de flotador y del ensamble de la válvula.
Debido a sus características de operación, el control de flotador de presión alta no puede ser usado en múltiple o en paralelo con otros tipos de control de flujo refrigerante.
