La selección del refrigerador de recirculación adecuada consta de cuatro factores:
- La carga térmica generada por el dispositivo que se refrigera (Q)
- La temperatura máxima aceptable del fluido que sale de la fuente térmica (TOUT)
- Caudal de fluido disponible
- Condiciones operativas del ambiente (V̇)
A menudo, el fabricante del equipo especificará la temperatura de ajuste y el caudal del refrigerador requerido. En este caso, es simple seleccionar un refrigerador de recirculación. Solo tiene que marcar la intersección de la capacidad de refrigeración deseada y la temperatura de ajuste en el gráfico del refrigerador. Cualquier refrigerador con una curva de rendimiento por encima o igual a este punto tendrá la capacidad suficiente. Después, use el gráfico de la bomba para seleccionar la bomba para su refrigerador de recirculación que sea compatible con el caudal que se desea tener.
Ejemplo 1
Un refrigerador necesita suministrar 2 gpm a 20 °C a un tubo de rayos X que genere 2,000 W de calor. El suministro de energía es de 60 Hz. Al marcar este punto en el gráfico del refrigerador, se puede ver que un RC022 sería la opción adecuada. Cuando se observan las curvas de la bomba, se puede ver que una bomba BE suministraría el caudal necesario.
Si se conoce la carga térmica (Q) pero el caudal no, se puede usar la siguiente ecuación para determinar el caudal necesario.
Ejemplo 2
El cabezal de un láser genera 2,000 vatios (6,824 BTU/H) de calor. La temperatura del fluido no debe exceder los 20 °C (68 °F). Con un fluido refrigerante de agua, una potencia de 60 Hz y una temperatura ambiente de 20 °C, ¿cuál es el refrigerador de recirculación adecuado?
Con los gráficos de rendimiento térmico (Figura 1), trace una línea horizontal en la carga térmica requerida (2000 W). Como se ve, el RC022 debería coincidir con este requisito a 13 °C (55 °F). Esto es TIN (la temperatura que sale del refrigerador de recirculación). Por lo tanto, el cálculo es el siguiente:
Luego, determine si el refrigerador de recirculación puede alcanzar el caudal necesario. Como se muestra en el gráfico de bomba del sistema (Figura 2), la bomba de desplazamiento positivo de 1.3 gpm (estándar en el RC022) sería más que adecuada para el requisito del caudal.
Vea más información acerca de las opciones de refrigeradores de recirculación en nuestra sección de refrigeradores de recirculación
Aspectos clave de condiciones ambientales y diseños de refrigeradores que afectan la capacidad de enfriamiento total
Los refrigeradores de recirculación son sistemas de refrigeración líquida que se emplean en numerosas industrias, entre ellas, la médica, la militar, la de láser y la de instrumentación analítica. Los refrigeradores se utilizan para mantener un componente, como el cabezal de un láser, un panel detector u otro dispositivo sensible a la temperatura, a una temperatura constante y/o para eliminar el calor residual y evitar así el sobrecalentamiento de componentes críticos.
Al seleccionar un refrigerador de recirculación, se recomienda considerar varios factores que podrían afectar la capacidad de enfriamiento. Estos factores incluyen la temperatura ambiente del aire o la temperatura del agua en las instalaciones, la temperatura de ajuste del refrigerador, el fluido del proceso, el mantenimiento del refrigerador y más. Por lo general, los fabricantes de refrigeradores ofrecen índices de capacidad de enfriamiento con base en una temperatura del suministro de agua de 20 °C y una temperatura ambiente de 20 °C. Sin embargo, ¿qué sucede si la temperatura ambiente es superior o inferior a 20 °C? ¿Qué ocurre si el refrigerante se le suministra al proceso a 5 °C en vez de 20 °C? ¿Qué ocurre si se utiliza un refrigerante que no sea agua? ¿Cómo afectan todas estas variaciones la capacidad de enfriamiento de un refrigerador?
Los refrigeradores de recirculación y el ciclo de refrigeración
Para lograr entender cómo estos factores pueden afectar la capacidad de enfriamiento de un refrigerador, es necesario entender primero cómo funciona uno de estos aparatos. Un refrigerador de recirculación basado en un compresor funciona al utilizar las propiedades de calor latente de un refrigerante para eliminar así el calor de un proceso y expulsarlo al aire ambiente o al agua de las instalaciones. (Ver Figura 1). Para poder transferir el calor de este proceso al aire ambiente o al agua de las instalaciones, el sistema de refrigeración debe suministrar una temperatura por debajo de la del fluido del proceso para enfriarse. Más adelante en el proceso, el sistema debe elevar la temperatura del refrigerante a un nivel por encima de la temperatura del medio que se utiliza para expulsar el calor.
Un refrigerador es un sistema complejo, pero los componentes básicos son el compresor, el condensador, la válvula de expansión termostática (TXV) y el evaporador. Comenzando desde el compresor, el refrigerante que proviene del evaporador se comprime de un gas saturado a un gas de alta temperatura y presión. El gas ahora caliente pasa por el condensador, donde se enfría y se condensa en un líquido saturado al expulsar el calor al aire ambiente más frío (condensador refrigerado por aire) o al agua en las instalaciones (condensador refrigerado por agua). Luego, el refrigerante pasa por la TXV, a través de la cual su presión y temperatura bajan de manera considerable. Ahora, la temperatura del refrigerante es más baja que la del fluido del proceso y, como resultado, el calor se transfiere del fluido del proceso al refrigerante lo que provoca que se evapore en un gas de baja presión. El ciclo se repite una vez más mientras el gas regresa al compresor.
El condensador y el evaporador son intercambiadores que transfieren el calor de un medio a otro. En el caso de un condensador refrigerado por aire, habitualmente se usa un intercambiador de calor líquido-aire con un tubo de cobre que tiene aletas de aluminio para expulsar el calor del gas refrigerante caliente al aire ambiente. Por otro lado, un condensador refrigerado por agua utiliza un intercambiador de calor de líquido a líquido para transferir el calor del gas refrigerante caliente al agua de las instalaciones. En el caso del evaporador, se suele utilizar un intercambiador de calor de líquido a líquido para transferir el calor del fluido del proceso al refrigerante. El rendimiento de un intercambiador de calor depende de muchos factores, como por ejemplo el fluido del proceso utilizado, las temperaturas de los fluidos entrantes, los caudales, los materiales de construcción y el diseño del intercambiador de calor. En igualdad de condiciones, la fuerza impulsora detrás de la transferencia de calor de un fluido a otro es la diferencia en las temperaturas de los fluidos entrantes.
Ambient Air and Facility Water Temperature Effect
La temperatura del aire ambiente o la del agua de las instalaciones juegan un rol importante en la capacidad de enfriamiento de un refrigerador. Para que el condensador expulse el calor total (carga térmica del proceso más calor de compresión) al aire ambiente o al agua de las instalaciones, la diferencia de temperatura entre el gas refrigerante caliente y el aire ambiente o el agua de las instalaciones debe ser suficiente. Por ejemplo, los enfriadores de Boyd generalmente operan a temperaturas de condensación entre 32.2 ° C (90 ° F) y 43.3 ° C (110 ° F) y rechazan el calor a 20 ° C (68 ° F) de aire ambiente o 24 ° C (75 ° F) de agua de instalación (Figura 2). Los condensadores refrigerados por agua pueden expulsar la misma cantidad de calor a una mayor temperatura del agua de las instalaciones ya que el agua es un fluido de transferencia térmica mucho mejor que el aire y no requiere una diferencia de temperatura tan grande entre los dos fluidos entrantes.
A medida que aumenta la temperatura del aire ambiente o del agua de las instalaciones, se reduce la capacidad del condensador del refrigerador para transferir el calor del proceso desde el refrigerante hacia el aire ambiente o al agua de las instalaciones, lo cual produce presiones de condensación más altas que podrían disminuir el rendimiento del sistema. Por lo tanto, si el refrigerador de recirculación estará expuesto a temperaturas ambiente por encima de los 20 °C, se recomienda calcular las dimensiones a fin de determinar la capacidad de enfriamiento requerida. De manera similar, si la temperatura ambiente disminuye, el rendimiento mejorará a causa del diferencial más alto de temperatura inicial.
A la hora de medir un refrigerador, es fundamental que conozca la temperatura ambiente máxima o la temperatura del agua de las instalaciones para poder seleccionar un refrigerador con la capacidad de enfriamiento suficiente como para satisfacer las necesidades de su aplicación. Consulte a un ingeniero en aplicaciones si necesita ayuda para medir un refrigerador.
Set Temperature Effect
Al igual que el condensador, el rendimiento del evaporador disminuye si se reduce la diferencia de temperaturas de entrada entre el refrigerante líquido y la temperatura del agua del proceso de retorno. Esto sucede si el refrigerador está configurado para funcionar a baja temperatura, como 5 °C en vez de 20 °C. La temperatura del agua del proceso de retorno será inferior si la temperatura de suministro del refrigerador es más baja y habrá un diferencial de temperatura menor para impulsar la transferencia de calor.El rendimiento de un refrigerador disminuye a medida que baja la temperatura de ajuste. De manera similar, el rendimiento del refrigerador mejorará a medida que la temperatura de ajuste ascienda hasta el nivel máximo dentro del rango recomendado. (Ver Figura 2.).
Process Fluid Effect
El fluido del proceso que se emplea en el refrigerador de recirculación también causa un impacto en el rendimiento. Normalmente, la capacidad de enfriamiento de los refrigeradores se basa en el uso de agua como fluido del proceso, de modo que usar otro podría reducir la capacidad de enfriamiento. Por ejemplo, algunos refrigeradores de recirculación han sido diseñados para ser compatibles con la polialfaolefina (PAO) como fluido del proceso. Normalmente, la PAO se utiliza en aplicaciones militares debido a sus propiedades dieléctricas y/o su amplio rango de temperatura de funcionamiento. Sin embargo, en igualdad de condiciones, la capacidad de enfriamiento de un refrigerador con PAO será inferior a la de un refrigerador de agua ya que la PAO tiene un menor calor específico, menor densidad y menor conductividad térmica que el agua.
Chiller Operation and Maintenance Effect
Otro factor que afecta el rendimiento del refrigerador es el mantenimiento del condensador y del evaporador. La acumulación de polvo en condensadores refrigerados por aire, o la suciedad de los tubos o los conductos de flujo en condensadores o evaporadores refrigerados por agua conduce a un rendimiento inferior del refrigerador. Cuando el polvo o los desechos se acumulan en las aletas y las aspas del ventilador de los condensadores refrigerados por aire se restringe el flujo de aire, lo que genera una pérdida en la capacidad de enfriamiento del refrigerador. Si el refrigerador va a funcionar en un entorno lleno de polvo o suciedad, se aconseja programar limpieza o mantenimiento de rutina y/o procurar que el refrigerador sea de tamaño muy grande. Los condensadores refrigerados por agua también pueden ensuciarse debido a la formación de sarro, la corrosión y/o el desarrollo de microorganismos por la mala calidad del agua. La suciedad forma una capa aislante en las paredes internas de los tubos que impide la transferencia de calor entre el refrigerante y el agua, lo cual deteriora la eficiencia del refrigerador. Al utilizar agua limpia con inhibidores de corrosión, se puede minimizar el riesgo de suciedad. Vea nuestra nota de aplicación "Puesta a punto de los refrigeradores de recirculación: operación y mantenimiento de su equipo de refrigeración" para obtener más información.
Otros factores
En los casos excepcionales en los que un refrigerador de recirculación enfriado por aire se encuentre en un lugar de gran altitud, la menor densidad del aire afectará a la capacidad de enfriamiento. Debido a que el caudal de masa equivale al caudal volumétrico multiplicado por la densidad, si la densidad disminuye, el ventilador del condensador debe suministrar un mayor caudal volumétrico a fin de brindar la misma capacidad de enfriamiento que tendría a nivel del mar. Una opción es aumentar el tamaño del refrigerador de recirculación para garantizar que se satisfagan así las necesidades de capacidad de enfriamiento.
La humedad es otro factor que afecta el rendimiento del refrigerador cuando la temperatura del refrigerante del proceso de suministro está por debajo del punto de rocío ambiental. En tales casos, si los conductos del refrigerador, el evaporador y la bomba no están aislados, es posible que se forme condensación en estas superficies, causando así una pérdida de capacidad de enfriamiento. La superficie de metales no tratados también pueden sufrir daños a causa de la corrosión. Por lo tanto, se recomienda fervientemente el uso de aislamiento.
También se debe tener en cuenta que un refrigerador de 230 VAC y 50 Hz tiene alrededor de un 17 % menos de capacidad de enfriamiento que un refrigerador de 230 VAC y 60 Hz debido a la frecuencia más baja con la que giran los motores de la bomba, el compresor y el ventilador (Figura 3).
El rendimiento de un refrigerador depende de la temperatura del aire ambiente o la del agua de las instalaciones, la temperatura de ajuste del refrigerador, el fluido del proceso, la operación y el mantenimiento, y mucho más. Es fundamental considerar todos estos factores a la hora de seleccionar un refrigerador así como al momento de operar uno. Esto le permitirá garantizar el tiempo de funcionamiento del equipo que está enfriando el refrigerador.
Consulte nuestra sección sobre refrigeradores de recirculación para comparar opciones por su cuenta o comuníquese con nuestro Equipo de Ingeniería para determinar cuánta refrigeración necesita para su sistema.
