Capítulo Presentación:
Introducción a la Refrigeración Industrial
Damos la bienvenida a nuestra página de divulgación e información de temas referentes a Refrigeración.
Esperamos que sea de su interés y que atraiga su atención para lectura y discusión en cualquier ocasión.
Estamos enfocados en brindar información en los distintos aspectos que hacen al conocimiento y desarrollo de la refrigeración, incluyendo actualizaciones y novedades de la industria.
Es nuestro deseo estar en contacto con todos aquellos vinculados a nuestra industria y establecer una relación de ida y vuelta de mutuo enriquecimiento.
Diariamente desarrollamos nuestra tarea involucrando la mayor cobertura posible de todos los aspectos que componen a una industria tan amplia e importante como la nuestra.
La Refrigeración abarca múltiples aplicaciones y tecnologías, tan amplio es su campo de aplicación que muchas veces estando absorbidos por nuestra aplicación individual no tenemos conciencia plena de lo extenso que es el panorama de la misma.
Es el principal recurso para conservación de todo tipo de alimentos, preservación de sus calidades y sanidad, para el tratamiento de producciones lácteas saludables e higiénicas, producción de bebidas, cervezas, vinos y gaseosas, procesamiento de alimentos tan sensibles como los relativos a la pesca, los frutos delicados, floricultura, todos los procesos de la industria cárnica, comidas pre cocidas y preparadas, cadena de frío con supermercados, grandes centros de distribución y almacenamiento en todos los rangos de temperaturas, etc.
A pesar del desarrollo de otras tecnologías (radiación, esterilización, altas compresiones, deshidratación, etc.) sigue siendo el método más adecuado, eficiente y económico para asegurar la vida de los alimentos.
Debemos considerar además que la Refrigeración tiene por delante nuevos desafíos en este campo.
Actualmente, en una etapa del desarrollo humano en que gran parte de los habitantes del planeta sufren hambre, simultáneamente en muchas partes sub desarrolladas del globo se pierde más de un 30% de las producciones de alimentos por carecer de refrigeración en los primeros momentos de su cosecha.
Suministrar nuevos sistemas de refrigeración simples, eficientes y de bajo consumo, combinados con sistemas de generación de energía sustentables puede ser la solución para sacar de la desnutrición a vastas poblaciones sub alimentadas.
Es también importante la refrigeración para plantas marinas, ya sea para buques pesqueros procesadores o para grandes navíos de transporte. Desde los primeros buques frigoríficos de principios de siglo pasado con plantas de CO2 y amoníaco, hasta los actuales, que luego de más de un siglo cierran el círculo volviendo a ser plantas con refrigerantes naturales amigables con el medio ambiente.
Innumerables procesos químicos requieren instalaciones frigoríficas con altas exigencias de precisión y seguridad, como también lo requieren las plantas de la industria de Gas y Petróleo con hidrocarburos como refrigerante.
Instalaciones importantes para pre enfriamiento de aire de admisión a turbinas de plantas generadoras de energía; recondensación de gases en almacenamiento, licuefacción de CO2, son otros ejemplos de aplicaciones en las cuales la refrigeración es el factor primordial.
Hasta las plantas de tratamiento de aire (ya sea de procesos o de confort) han evolucionado de manera tal que actualmente son sistemas típicamente industriales con refrigerantes naturales que están minimizando la contaminación y el calentamiento global que producían los gases refrigerantes sintéticos que resultaron ser nocivos para el medio ambiente.
Todos estos (y muchos más) interesantes y atractivos aspectos de nuestra industria nos motivan a este acercamiento con todos los que de una manera u otra estamos involucrados con la misma y tratar de establecer un foro en el cual nos retroalimentemos y divulguemos conocimientos, experiencias, casos dignos de estudio, ideas y proyectos para el desarrollo de la misma.
Esperamos que nuestro blog, con el apoyo de ustedes, tenga una evolución dinámica y continua y no sea solamente un espacio inocuo y estático de lectura.
Invitamos a ustedes a tomar contacto con nosotros, expresar vuestras inquietudes, ideas, comentarios, sugerencias o solicitar información por medio de los links incluidos más abajo.
Capítulo 1:
Fundamentos
Refrigeración
Principios básicos
El efecto refrigeración puede ser obtenido/producido por medio de varios procesos.
Nuestra industria usa mayoritariamente el ciclo de compresión de vapor, el cúal ha sido la base de la industria de refrigeración por más de un siglo.
El proceso termodinámico consiste en la compresión del vapor (el gas refrigerante o fluido refrigerante) seguido por su licuefacción (condensación) a alta presión durante la cual el refrigerante cede calor a un medio externo que es normalmente aire o agua. Este efecto de calentamiento es el que también es utilizado en las denominadas “bombas de calor”
Posteriormente a la condensación la presión es rebajada a través de un dispositivo de expansión. La mezcla de vapor/líquido resultante es evaporada a baja presión extrayendo calor de un medio y produciendo por lo tanto un efecto de enfriamiento, el cual es utilizado para obtener la “refrigeración”. El gas o vapor es nuevamente comprimido para así completar el ciclo.
En el ciclo o proceso tradicional (cualquiera sea el gas refrigerante utilizado) el proceso de condensación ocurre a temperaturas por debajo de la temperatura crítica del refrigerante utilizado, de allí la denominación de “ciclo sub crítico”
Esto requiere que la temperatura crítica del refrigerante utilizado sea superior a la temperatura del medio (aire-agua) al cual cede el calor.
El refrigerante condensado tiene entonces una presión que es inferior a su presión crítica.
En este ciclo la presión y temperatura de condensación están ligadas a una relación, la que depende según el refrigerante utilizado.
Con algunas excepciones este es el ciclo usual que utiliza refrigerantes por debajo de sus presiones críticas.
En los llamados ciclos transcríticos la “condensación” del refrigerante se produce por encima de su presión crítica y la evaporación se produce a una presión inferior a su presión crítica.
Componentes
En la práctica real, la realización del ciclo por medio de compresión mecánica requiere de una serie de elementos que constituirán un sistema o circuito frigorífico completo.
Los componentes básicos son:
– Compresor
– Condensador
– Evaporador
– Dispositivo de expansión
– Recipientes de presión varios
– Bombas
– Controles
– Accesorios
– Tableros eléctricos
Compresor
Es el componente encargado de elevar la presión del gas refrigerante; los compresores comúnmente utilizados pueden ser de varios tipos, dependiendo de las dimensiones de los sistemas, los gases refrigerantes utilizados y las condiciones de presión y temperatura. Los normalmente utilizados son del tipo reciprocantes o de pistón, rotativos de tornillos, scroll, centrífugos multietapas o rotativos de paletas. Mayoritariamente son accionados por motores eléctricos acoplados directamente o por transmisión (polea/correa), o de forma integral con los compresores (tipo herméticos o semiherméticos).
Puede ser también accionados por motores de explosión en casos sobre todo de aplicaciones en Gas y Petróleo, raramente accionados por turbinas de gas o vapor. En otras épocas solían ser accionados por motores alternativos de vapor (sobre todo en aplicaciones de envergadura en las que se aprovechaba vapor remanente de procesos industriales).
Condensadores
Dependiendo de las condiciones ambientales, el tipo de gas refrigerante utilizado, el tipo de proceso, el tipo de compresor y otras variables, los condensadores del gas caliente a presión originado por el compresor que se utilizan puede ser de los siguientes tipos:
Condensadores de casco y tubos, o de placas, refrigerados por agua, ya sea de caudal a pérdida obtenida de fuentes naturales o pozos, o agua en circuitos cerrados enfriada en torres de enfriamiento.
Condensadores evaporativos con serpentinas de tubos o bancos de placas, que operan por el efecto enfriador de la evaporación de agua en el medio ambiente similares a los procesos de torres de enfriamiento.
Condensadores evaporativos en versión híbridos, con serpentinas separadas y que en condiciones
ambientales favorables operan “secos” sin agua, cuando las condiciones ambientales lo requieren pasan parcialmente a operar con agua.
Otra versión son los condensadores adiabáticos encaminados a operar como condensadores por aire y ocasionalmente, según las condiciones ambientales, con escaso volumen de agua.
Estas últimas versiones surgen a efectos de disminuir el consumo de agua en regiones que así lo requieren.
En instalaciones con gases refrigerantes y equipos que lo toleran, y en las que las condiciones ambientales son favorables se utilizan condensadores enfriados en forma directa y solamente por aire, estos simplifican la instalación pero normalmente implican mayores consumos de energía.
Evaporadores
La evaporación del refrigerante líquido a alta presión es la fase en la que el refrigerante absorberá calor del medio a enfriar.
Las aplicaciones de enfriamiento son muy amplias. Gran diversidad de productos, requerimientos particulares, condiciones de temperaturas, tiempos de procesamiento y composiciones disímiles hacen que los tipos de evaporadores sean múltiples.
Una primera división básica es según el enfriamiento del producto se produzca directamente por el fluido refrigerante primario o si se utiliza un fluido refrigerante secundario.
En este caso el refrigerante primario “enfriará” a un líquido intemediario, que podrá ser agua, alguna solución de líquido con bajo punto de congelación, o algún tipo de “brine” salmuera. El refrigerante secundario se enfriará en intercambiadores de calor de placas, casco y tubos o casco y placas; para ser circulado por medio de bombas a los enfriadores de los consumidores de todo tipo.
En el caso en que el refrigerante primario sea el medio directo de enfriamiento a los consumidores, los evaporadores/enfriadores serán del tipo adecuado al requerimiento del producto/consumidor.
Serán de casco y tubos, placas, casco y placas, serpentinas, etc. en caso de enfriarse un producto líquido. Tratándose de cámaras frigoríficas se utilizan aeroenfriadores con serpentinas para circulación del refrigerante y ventiladores para proyectar el aire frío sobre los productos. En ocasiones se realiza el enfriamiento o congelación de productos (líquidos o sólidos) por contacto directo de los productos con placas en el interior de las cuales circula el refrigerante primario (en algunos casos puede ser el refrigerante secundario).
Dispositivos de expansión
La amplia diversidad de los tipos de evaporadores y sus tipos de intercambiadores y sistemas de operación implica que también sean diversificadas las características de los dispositivos de expansión. Según el tipo de intercambiador, de proceso, el de operación, los sistemas de control, supervisión y tipo de refrigerante, se utilizarán dispositivos tipo válvulas de regulación manual, válvulas de expansión termostáticas, válvulas de expansión electrónicas, válvulas modulantes eléctricas, válvulas a flotante, válvulas motorizadas, etc.
En algunas aplicaciones especiales se utilizan circuitos y componentes de control neumáticos.
Las mismas serán controladas, accionadas desde las formas más sencillas (manual) a las más sofisticadas.
COMPONENTES AUXILIARES
Recipientes a presión
En distintos puntos de los circuitos de refrigeración se deben instalar recipientes a presión para cubrir funciones que surgen de los tipos de circuitos, de los gases refrigerantes utilizados y de las características de las aplicaciones de los procesos. Estos recipientes se diseñan en función de las presiones de trabajo en que van a operar según su ubicación en los circuitos, las condiciones de cada gas utilizado, las normas de seguridad reconocidas internacionalmente o las particulares locales o nacionales.
Generalmente se incluyen los siguientes tipos:
Recibidores de alta presión
Son tanques ubicados en la parte de alta presión de los circuitos, su propósito es almacenar el gas refrigerante posterior a su condensación para su disponibilidad en la etapa posterior de evaporación y enfriamiento. Se pueden utilizar como depósitos principales con capacidad de reserva, con capacidad para almacenar todo o parte de la carga de refrigerante total del circuito para efectuar reparaciones, pueden ser también utilizados con circuitos con cargas de refrigerante optimizadas actuando como tanques piloto con cargas mínimas.
Son recipientes de alta presión con controles de seguridad, válvulas de maniobra, sistemas de control de nivel, válvulas automáticas de cierre remoto, controles de nivel visuales de seguridad, sistemas de conección a purgadores de aire manuales o automáticos, sistemas de drenaje de aceite. Su ejecución puede ser vertical u horizontal.
Una variante adicional a los recipientes de alta presión son los tanques de alta presión dedicados a los sistemas de enfriamiento de aceite de los compresores del tipo termosifón. Estos tanques están en conección directa con los recibidores principales y tienen requerimientos constructivos y normativos similares.
Recipientes de media y baja presión
Ubicados en la parte de baja presión de los circuitos:
Se incorporan varios tipos de recipientes según las características de los circuitos.
Son también recipientes a presión pero con requerimientos de menores presiones que los recibidores de alta, aun cuando en muchas oportunidades se diseñan con los mismos requerimientos que los recibidores principales.
Según su ubicación y función pueden ser:
Separadores de succión: diseñados para evitar que el retorno de gases evaporados previos a su entrada a los compresores arrastre partículas de gas líquido que afecten mecánicamente a las partes de los mismos.
Separadores para distintos intercambiadores de calor de los procesos; con la misma función que los anteriores.
Separadores-acumuladores para intercambiadores que al operar por inundado de refrigerante almacenan y alimentan con refrigerante líquido de baja presión y temperatura a los intercambiadores de proceso, ya sean de tubos o de placas.
Separadores-acumuladores similares a los anteriores pero que almacenan refrigerante líquido a baja presión y temperatura que alimentan a bombas circuladoras de refrigerante líquido a los distintos procesos.
Bombas
Como accesorios en los sistemas de refrigeración es normal la inclusión de bombas para la circulación de fluidos auxiliares: agua a los condensadores, agua a circuitos secundarios de enfriamiento, soluciones glicoladas o salmueras para sistemas indirectos. Generalmente son bombas estándar sin requerimientos especiales.
Sin embargo, según el tipo de sistema de refrigeración y refrigerante utilizado también se incorporan bombas esenciales de características distintivas para su aplicación.
Son las bombas incluídas en sistemas por “recirculación de refrigerante líquido” a los consumidores. Son de diseños específicos para su función y para las características de los refrigerantes utilizados, mayoritariamente amoníaco, pero también refrigerantes sintéticos en algunos casos.
Generalmente son bombas centrífugas, ya sean del tipo abiertas o herméticas con motores aptos para ser refrigerados por el mismo líquido que recirculan.
Controles y accesorios
Los circuitos de refrigeración se completan con accesorios y elementos de control del proceso de refrigeración.
Los accesorios incluirán tuberías, válvulas, accesorios de tuberías, aislaciones. Todos los accesorios deben responder a estándares de alta calidad y satisfacer las normativas de las distintas organizaciones de control. Esto es válido para todas las instalaciones, independientemente de la aplicación y del tipo de refrigerante utilizado.
Controles: la variedad de los controles es extensa, y constituye un ítem de características excluyentes. Los controles responderán a las exigencias que planteen los distintos procesos y requerimientos.
Pueden ser sistemas básicos hasta sistemas completos para control total automático de los procesos con monitoreo externo de todas las funciones, controles históricos, programas de supervisión, mantenimiento y programación de tareas, vinculados a sistemas superiores de gestión de las empresas.