CAP 2C Evaporadores

7/25/2019 CAP 2C Evaporadores

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CAPITULO 2 C

EVAPORADORES


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El evaporador es el componente del sistemaEl evaporador es el componente del sistemade refrigeracin en donde se alcan!a elde refrigeracin en donde se alcan!a el

o"#etivo$ la remocin de calor del medio %&eo"#etivo$ la remocin de calor del medio %&ese desea enfriar' En este cap(t&lo sese desea enfriar' En este cap(t&lo sedisc&ten los tipos de evaporadores) s&disc&ten los tipos de evaporadores) s&constr&ccin * los factores %&e afectan s&constr&ccin * los factores %&e afectan s&f&ncionamiento'f&ncionamiento'

E+iste &na gran variedad de formas *E+iste &na gran variedad de formas *disposiciones de los evaporadores para finesdisposiciones de los evaporadores para fines

especiales' Se ,ace ,incapi- en lasespeciales' Se ,ace ,incapi- en lascaracter(sticas ".sicas * alg&nas de lascaracter(sticas ".sicas * alg&nas de lasc&estiones m.s importantes de dise/o *c&estiones m.s importantes de dise/o *

operacin'operacin'


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TRA0S1ERE0CIA DE CALOR E0 LA

RE1RIERACI30

La transferencia de calor constituye un proceso esencial

en la refrigeracin. El objetivo del evaporador es

transferir calor desde el medio que se desea enfriar. Seanalizarn algunos principios bsicos referentes a la

transferencia de calor. Es necesario poseer estos

conocimientos para poder determinar, el funcionamiento

del equipo, calcular las cargas de refrigeracin, conocerla manera de operar los sistemas eficientemente y

reducir a un mnimo el consumo de energa.


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!reviamente se defini el calor como la forma de

energa que fluye o se transfiere de un cuerpo a

otro, como resultado de una diferencia de

temperatura entre los mismos. La transferencia

de calor puede tener lugar en tres formas

distintas" conduccin, conveccin y radiacin.


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a4Conduccin

Es &na forma de transferencia de calor a trav-s de &nEs &na forma de transferencia de calor a trav-s de &nc&erpo) * %&e tiene l&gar sin movimiento alg&no dec&erpo) * %&e tiene l&gar sin movimiento alg&no dedic,o c&erpo5 es el res&ltado de &na accin molec&lar odic,o c&erpo5 es el res&ltado de &na accin molec&lar oelectrnicaelectrnica..

La cond&ccin es m&* com6n en la transferencia deLa cond&ccin es m&* com6n en la transferencia decalor a trav-s de los slidos5 por e#emplo) c&ando elcalor a trav-s de los slidos5 por e#emplo) c&ando elc&erpo met.lico de &na olla se calienta en &na est&fa) elc&erpo met.lico de &na olla se calienta en &na est&fa) elcalor fl&*e por el mango) para llegar ,asta la mano' Lacalor fl&*e por el mango) para llegar ,asta la mano' La

transferencia de calor por cond&ccin p&ede tam"i-ntransferencia de calor por cond&ccin p&ede tam"i-ntener l&gar a trav-s de los l(%&idos * los gases5 sintener l&gar a trav-s de los l(%&idos * los gases5 sinem"argo en los fl&idos p&ede oc&rrir &na formaem"argo en los fl&idos p&ede oc&rrir &na formaadicional de transferencia de calor) la c&al se llamaadicional de transferencia de calor) la c&al se llama

conveccinconveccin.


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b) Conveccin

Es la forma de transferencia de calor %&e res&lta delEs la forma de transferencia de calor %&e res&lta delmovimiento total de los l(%&idos o los gases'movimiento total de los l(%&idos o los gases'

Un e#emplo com6n de conveccin es el delUn e#emplo com6n de conveccin es el del

calentador de ag&a) %&e calienta el aire encerrado encalentador de ag&a) %&e calienta el aire encerrado en&na ,a"itacin'&na ,a"itacin' El calor se transfiere al aire ad*acente a la s&perficieEl calor se transfiere al aire ad*acente a la s&perficie

met.lica) a&mentado s& temperat&ra' L&ego) estemet.lica) a&mentado s& temperat&ra' L&ego) esteaire se m&eve verticalmente ,acia arri"a) p&esto %&eaire se m&eve verticalmente ,acia arri"a) p&esto %&e

a,ora es menos denso 7m.s ligero4 %&e el airea,ora es menos denso 7m.s ligero4 %&e el airecirc&ndante m.s fr(o'circ&ndante m.s fr(o'


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De este modo) el aire se m&eve contin&amente por elDe este modo) el aire se m&eve contin&amente por el

espacio'espacio'

Esta forma de conveccin se llama nat&ral) de"ido aEsta forma de conveccin se llama nat&ral) de"ido a%&e el fl&ido se m&eve por las f&er!as nat&rales de%&e el fl&ido se m&eve por las f&er!as nat&rales dela gravedad) creadas por las diferencias dela gravedad) creadas por las diferencias de

densidad'densidad'

La parte menos densa del fl&ido se eleva * la m.sLa parte menos densa del fl&ido se eleva * la m.sdensa 7m.s pesada4 desciende' El movimiento deldensa 7m.s pesada4 desciende' El movimiento delfl&ido) creado por los efectos de la conveccinfl&ido) creado por los efectos de la conveccin

nat&ral generalmente es m(nimo) * por consig&ientenat&ral generalmente es m(nimo) * por consig&ientela transferencia de calor tam"i-n es m(nima'la transferencia de calor tam"i-n es m(nima'


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El movimiento del fl&ido) * por tanto laEl movimiento del fl&ido) * por tanto la

transferencia de calor) p&ede a&mentarsetransferencia de calor) p&ede a&mentarse&tili!ando &n ventilador en el caso de los&tili!ando &n ventilador en el caso de losgases) o &na "om"a en el caso de losgases) o &na "om"a en el caso de losl(%&idos' A este tipo de conveccin se lel(%&idos' A este tipo de conveccin se le

llama conveccin for!ada'llama conveccin for!ada'


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c) Radiacin

La radiacin t-rmica es la forma de transferencia deLa radiacin t-rmica es la forma de transferencia decalor %&e se efect6a entre dos c&erpos separador)calor %&e se efect6a entre dos c&erpos separador)como res&ltado de &n medio llamado radiacincomo res&ltado de &n medio llamado radiacinelectromagn-tica) llamada a veces movimientoelectromagn-tica) llamada a veces movimiento

ond&latorioond&latorio.. Como s&cede con todas las formas de transferenciaComo s&cede con todas las formas de transferencia

de calor) &n c&erpo de"e ,allarse a &na temperat&rade calor) &n c&erpo de"e ,allarse a &na temperat&ram.s alta %&e el otro'm.s alta %&e el otro'

El calor se transfiere entre los dos c&erpos) a&n en elEl calor se transfiere entre los dos c&erpos) a&n en elcaso de e+istir &n vac(o 7la a&sencia de toda materia4caso de e+istir &n vac(o 7la a&sencia de toda materia4entre ellos'entre ellos'


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#uando un gas se encuentra presente entre los cuerpos,a$n %ay transferencia de calor, pero por lo general enuna proporcin menor. &o obstante, la presencia de unobjeto slido opaco entre los cuerpos impedir la

radiacin.

#omo ejemplos comunes de radiacin se tienen el calorque recibe nuestro cuerpo cuando permanece frente deun fuego, y el calor que se recibe del sol.


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Resistencia trmica:

La transferencia de calor por conduccin a trav's de un cuerpose determina mediante la siguiente ecuacin"

DTARQ **1

=

Donde:

8

(ransferencia de calor en )tu*%rR +esistencia t'rmica del cuerpo en %rpie-/*)tuA 0rea superficial del cuerpo a trav's del cual fluye el

calor en pie-

DT 1iferencia de temperatura a trav's del cuerpo en/


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El significado de esta operacin es muy importante para

comprender los factores que afectan el funcionamiento de un

sistema de refrigeracin, especialmente con respecto a la

utilizacin de la energa.

La resistencia trmica, +, es una propiedad de una sustancia

que afecta la cantidad de calor transferido a trav's de la misma.

Los materiales que tienen una elevada resistencia t'rmica

transmiten el calor en una proporcin baja.

Estos materiales son buenos aisladores. Los materiales cuyo

valor de + es bajo, son buenos conductores del calor. En las

paredes de un refrigerador se puede incluir una materia como el

uretano, que tiene una alta resistencia t'rmica, puesto que as

se reduce la transferencia de calor, y consecuentemente

tambi'n se reduce el uso de energa requerida en el sistema de

refrigeracin.


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!or otra parte, en un evaporador se puede utilizar tubera de

cobre, la cual tiene una resistencia muy baja. Esto dar por

resultado una buena transferencia de calor desde el medio que

se desea enfriar. En la tabla 2.3 se muestran las resistencias

t'rmicas de algunos materiales.

La ecuacin anterior muestra que los valores elevados de +

indican una baja transferencia de calor, puesto que + aparece

en el denominador. 4uestra asimismo que la transferencia de

calor es directamente proporcional al rea superficial 0. Si se

desea aumentar la capacidad de refrigeracin de un evaporador,

ser necesario utilizar ms tubos. La transferencia de calor es

asimismo directamente proporcional a la diferencia de

temperatura. 4ientras mayor sea la deferencia de temperatura,

mayor ser la cantidad de calor transferido.


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Cond&ctancia * cond&ctividad"

La conductancia, #, de un cuerpo se define como el inverso de

la resistencia"

# 5 3*+

En donde # son unidades de )tu*%rpie-

/. La conductanciat'rmica de un material puede considerarse como su

capacidad de conducir el calor, y tiene el significado opuesto

de la resistencia t'rmica.

Es conveniente definir otro t'rmino ms, relacionado con losanteriores. La conductividad trmica k de un cuerpo es suconductancia por unidad de espesor, e6presada generalmente

en las unidades )tu*%rpie- /, por pulgada.


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Las tablas indican a menudo la conductividad de los

materiales. La conductancia se puede %allar mediante laecuacin"

# 5 7*L

Donde:

C #onductancia en )tu*%rpie- /

9 #onductividad en )tu*%rpie-/ por pulg de espesor

L Espesor del material en pulg


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Ejemplo 1"

Se aplican cuatro pulgadas de aislamiento cuya conductividadt'rmica 7 5 8,-2 )(9*%rpie- / por pulgada, a las paredes de

una cmara frigorfica. :#ul es la conductancia y resistencia

del aislamiento;

Solucin:

lg4

lg_*25,0

2

pu

puFpiehr

BTU

L

kC ==

# 5 8,82 )(9*%rpie-/


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Conductancia de una pelcula de l!uido o de "as

#uando la transferencia de calor tiene lugar entre la superficie de

un slido y un fluido


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En el caso de un slido, el $nico factor que afecta la

resistencia t'rmica es la composicin del propio material,

e6cepto que e6isten algunos cambios que pueden afectar laresistencia. !or ejemplo, si se comprime el aislamiento de

fibra de vidrio, disminuye su resistencia.

&o obstante, la resistencia de una pelcula de fluido depende

de muc%os factores, adems de su composicin. Las

impurezas presentes en el fluido por lo general aumentan la

resistencia. (ambi'n afecta la condicin de la superficie. Los

recubrimientos sobre la superficie de transferencia de calor,

tales como las incrustaciones o el aceite, por lo com$naumentan la resistencia. Es por este motivo que es de vital

importancia mantener limpias las superficies de los tubos, as

como proveer un buen retorno de aceite en los sistemas.


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9n factor importante que afecta a la resistencia de la pelcula deun fluido es la velocidad del fluido por sobre la superficie. La

resistencia t'rmica disminuye a medida que aumenta la velocidad.

Es por este motivo que la conveccin forzada mejora la

transferencia de calor en comparacin, con la conveccin natural.

>tro %ec%o que reviste importancia en lo que respecta a las

pelculas de los fluidos, es que la resistencia t'rmica de los

lquidos es muc%o menor que la de los gases. Esto e6plica por qu' un evaporador inundado es superior a un

evaporador del tipo de e6pansin seca.


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(odos estos puntos que conciernen a la resistencia de la

pelcula del fluido, estn relacionados con el problema

de la utilizacin de la energa.

0l disminuir la resistencia t'rmica se aumenta latransferencia de calor en el evaporador


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Resistencia y conductancia totales

La transferencia de calor que tiene lugar en la refrigeracin ocurregeneralmente de un fluido a otro, a trav's de pelculas de fluidos yde slidos, como la pared de un tubo metlico o la pared de unedificio. La resistencia t'rmica completa o total es, en tales casos,la suma de las resistencias individuales en serie, como se e6presaen la siguiente ecuacin"

Rt : R; < R2 < R= < >

Donde:

Rt +esistencia t'rmica totalR;) R2) R= +esistencias

t'rmicas individuales

!or ejemplo, si se tuviera el muro de un edificio compuesto de dos

materiales en serie


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Resistencia t-rmica total de varias resistencias en serie


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#a conductancia trmica total, 9"

#onocida tambi'n como coeficiente de transferencia total decalor, se obtiene mediante la ecuacin"

U = 3*Rt

Donde:

U #onductancia t'rmica total en )tu*%rpie-/

Rt +esistencia t'rmica total en %rpie-

/*)tu


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El $actor de incrustacin.

La condicin que guarda el agua en un cambiador de calor

tiene un efecto considerable sobre la resistencia t'rmica de la

pelcula de agua. Los depsitos minerales del agua pueden

recubrir la superficie del tubo, aumentando la resistenciat'rmica. (ambi'n pueden ocurrir otras formas de

contaminacin. El procedimiento normal para representar

estos efectos es introduciendo una resistencia t'rmica

apropiada, conocida como el factor de incrustacin o

resistencia por incrustacin. En el caso del agua dulce ylimpia utiliza en un circuito cerrado, como en un enfriador de

agua, el factor de incrustacin es + 5 8,888A )tu*%rpie-/.


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#uando se utiliza agua dulce en un condensador

provisto de una torre de enfriamiento y con un buen

sistema de tratamiento de agua, se tiene como factortpico de incrustacin + 5 8,883. En toda aplicacin, el

factor de incrustacin que se %a de utilizar deber

determinarse antes de seleccionar los cambiadores de

calor.


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#a ecuacin de trans$erencia de calor:

La siguiente ecuacin se utiliza para calcular la transferencia decalor en los evaporadores de los enfriadores de lquido y en los

condensadores enfriados por agua.

B 5 9 C 0 C 1(4E

Donde:

8 (ransferencia de calor en )tu*%r

U

#oeficiente de transferencia total de calor en)tu*%rpie-/

A Superficie de transferencia de calor de la tubera en pie-

DT?E1iferencias de temperatura media efectiva entre fluidosen /


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El significado de los t'rminos de esta ecuacin debe e6plicarse.

#uando el refrigerante est por fuera de los tubos


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0 diferencia de una pared plana, el rea de la tubera es diferente

en la superficie e6terior e interior. En la ecuacin se utiliza la

superficie interior del tubo. Es por esta razn que la resistencia

de la pelcula e6terior se corrige multiplicndola por la relacinentre la superficie e6terior y la interior, r. !or supuesto que en el

caso de un muro plano, r 5 3.


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%i$erencia de temperatura media e$ectiva:

La temperatura de un fluido en un evaporador o condensador

est en continuo proceso de cambio, u por consiguiente la

diferencia de temperatura entre los dos fluidos no es

constante, como se ve en la /ig. [email protected]. Es preciso determinar

el diferencial de temperatura media para ser utilizado en laecuacin respectiva.

1e primera intencin, podra parecer que se debera utilizar la

diferencia promedio aritm'ticamente de la temperatura. Sin

embargo, esto no sucede as, debido a que la temperatura del

fluido cambia con mayor rapidez al principio y luego ms

gradualmente, como se indica.


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Se %a encontrado que la diferencia de temperatura media

efectiva (DTM!para la transferencia de calor, conocida tambi'n

como la diferencia de temperatura media lo"artmica# (DTML!

es igual a"

B

A

BA

TD

TD

DTDTDTME

ln

=

1onde"

DT?E 1iferencia de temperatura media efectiva para la

transferencia de calor en /DTA 1iferencia de temperatura en un e6tremo delcambiador de calor en /

DT@ 1iferencia de temperatura en el otro e6tremo delcambiador de calor en /


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Ejemplo &:

9n enfriador enfra el agua de 2? a A8/, con el

refrigerante a una temperatura de evaporacin de ?8/.

allar la 1(4E y compararla con la diferencia de

temperatura promedio aritm'tica.

Solucin.$ En la /ig. ?.@.@ se muestra un esquema de la

disposicin.


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1(0 5 2??8 5 -?/

1() 5 A8?8 5 38/

B

A

BA

TD

TD

DTDTDTME

ln

=

FDTME 16

10

24ln

1024=

=

La temperatura promedio

aritm'tica es"1(prom5 F17

2

1024=

+


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Se observar que la 1(4E es menor que la 1( promedio. Si

se utiliza la 1( promedio, la transferencia de calor calcula,

ser mayor que el valor real.

!or conveniencia, en la (abla [email protected] se muestra una lista de

valores de 1(4E para algunas combinaciones de deferencias

de temperatura.


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Diferencia de temperat&ra media efectiva 7DT?E4


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Contra $lujo y $lujo paralelo:

#uando los dos fluido circulan en la misma direccin en un

cambiador de calor, se dice que se trata de un flu%o paralelo.

#uando fluyen en direcciones opuestas, se dice que la

disposicin es a contra flu%o. 0mbas disposiciones se

muestran en la /ig. ?.@.?, para un cambiador de calor de casco

y tubos, en donde cambia la temperatura de ambos fluidos. En

el caso del flujo paralelo, los fluidos entran y salen por el

mismo e6tremo del cambiador de calor, en el caso del contra

flujo, los fluidos entran y salen por lados opuestos.


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En el caso de los cambiadores de calor en los cuales cambia

la temperatura de ambos fluidos, como en los serpentines de

agua fra para enfriar el aire, y en las torres de enfriamiento, la

seleccin de la disposicin de flujo paralelo o a contra flujoinfluye considerablemente tanto en la capacidad del equipo

necesario como en el consumo de energa.


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!ara un conjunto dado de condiciones requeridas, el contra flujo

dar por resultado un mayor valor de la 1(4E que el flujo

paralelo. Esto quiere decir que se requerir un rea superficial

menor


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Ejemplo ':

#on el fin de enfriar aire de GA a AA/, se desea utilizar un

serpentn de enfriamiento a base de agua fra, la cual

entra a ?8/ y sale a A-/. 1eterminar el valor de la

1(4E tanto para la disposicin a contra flujo como para

el flujo paralelo.

Solucin.$ En la /ig. [email protected] se muestra las disposiciones de

los flujos.


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!ara el contra flujo" 1(0 5 GAA- 5 @@/

1() 5 AA?8 5 3A/

FDTME 8,22

15

33ln

1533=

=

!ara el flujo paralelo" 1(0 5 GAH?8 5 ?A/

1() 5 AAA- 5 @/

FDTME 5,15

3

45ln

345=

=


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La disposicin a contra flujo puede asimismo permitir en algunos

casos, una reduccin del consumo de energa.

Este punto se puede ilustrar utilizando las condiciones

mostradas.

Se observar que con la disposicin a contra flujo, la

temperatura mnima posible a la que podra enfriarse el aire sera

de ?8 /, debido a que el agua fra y el aire fro se %allan en elmismo e6tremo del cambiador de calor.


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En la disposicin de flujo paralelo, el aire slo se podra

enfriar a A- /. Si fuera necesario reducir la temperatura

del aire pro debajo de A- /, podra ser necesario reducir

la temperatura del agua fra de suministro por debajo de

?8 /.

!ara poder obtener este valor, podra ser necesario

reducir la temperatura de evaporacin en el enfriador de

agua, lo que dara por resultado un aumento en la

potencia del compresor.


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En el caso de los evaporadores y condensadores, la disposicin

a contra flujo no constituye una ventaja, ya que el refrigerante se

%alla


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Esta disposicin puede, sin embargo, ser inconveniente,

debido a que no contribuye en forma considerable a

efectuar el sobrecalentamiento del refrigerante que sale

no recibe calor del aire que tiene una temperatura ms

alta.

!or las razones e6puestas, los serpentines de agua fra

utilizados para enfriamiento de aire, generalmente se

conecta en una disposicin a contra flujo.


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En realidad, el flujo no es meramente a contra flujo, debido a que

en cada fila de tubos el agua y el aire fluyen mutuamente en

ngulo recto. Esta condicin se conoce como flu%o cru&ado. Sin

embargo, la direccin en general sigue siendo apro6imadamente

a contra flujo. El flujo cruzado constituye una disposicin com$n

en el caso de algunas torres de enfriamiento.

Las ecuaciones de la transferencia de calor se utilizan solamente

en aplicaciones especiales con el fin de determinar la capacidad

requerida de un cambiador de calor en los clculos de

refrigeracin. &o es nada sencillo determinar la conductanciatotal, 9.

E i f t t di di i l d l i d l


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Es necesario efectuar un estudio adicional de la mecnica de los

fluidos para resolver el problema de esta manera. 1ic%o estudio

queda fuera del alcance de esta obra, y afortunadamente no es

necesario. En la mayora de las aplicaciones, los fabricantes

presentan la capacidad nominal y el funcionamiento de sus

equipos en forma tabular o grfica.

El motivo por el cual se menciona la ecuacin de la transferencia

de calor y su importancia, tiene dos fines.

En primer lugar, es necesario poseer esta informacin para

poder comprender de un modo adecuado los datos que

proporcionan los fabricantes.

En segundo lugar, se necesita para seleccionar el equipo

adecuadamente, teniendo en cuenta la conservacin de la

energa. Ia se presentaron algunos ejemplos al respecto, y se

presentarn a$n ms.


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Es asimismo necesario %acer notar que la transferencia de

calor en los serpentines de enfriamiento en el aire

acondicionado, es todava ms compleja que en losenfriadores de lquidos, ya que generalmente tiene lugar la

des%umidificacin


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1U0CI30 DEL EVAPORADOR

El evaporador constit&*e 7#&nto con el condensador4El evaporador constit&*e 7#&nto con el condensador4&n e#emplo del tipo de e%&ipo conocido como&n e#emplo del tipo de e%&ipo conocido comocam"iador de calor' Tiene como o"#etivo proveercam"iador de calor' Tiene como o"#etivo proveer&na transferencia contin&a * eficiente de calor desde&na transferencia contin&a * eficiente de calor desde

el medio %&e se desea enfriar) al fl&ido refrigerante'el medio %&e se desea enfriar) al fl&ido refrigerante'El medio %&e se desea enfriar p&ede ser &n gas) &nEl medio %&e se desea enfriar p&ede ser &n gas) &nl(%&ido) o &n slido' El aire * el ag&a son lasl(%&ido) o &n slido' El aire * el ag&a son lass&stancias %&e com6nmente se enfr(an con loss&stancias %&e com6nmente se enfr(an con los

evaporadores' En los evaporadores m.s com&nes elevaporadores' En los evaporadores m.s com&nes elrefrigerante fl&*e por los t&"os) mientras %&e el airerefrigerante fl&*e por los t&"os) mientras %&e el aire%&e se desea enfriar fl&*e por el e+terior de los%&e se desea enfriar fl&*e por el e+terior de losmismos'mismos'


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0 estos tubos, construidos a menudo en forma de serpentines,

se les llama la superficie de transferencia de calor.

!or sencillez, la e6plicacin que se presenta a continuacin de lafuncin del evaporador, se refiere a esta disposicin en

particular.

&o obstante, es preciso enterarse de que e6isten muc%as otras

disposiciones y construcciones de evaporadores, y que elm'todo de transferencia de calor es el mismo en todos ellos.


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El refrigerante entra en la tubera del evaporador a bajatemperatura y baja presin, como resultado de la

e6pansin que e6perimenta al pasar a trav's deldispositivo de control de flujo.

9na pequeFa porcin del refrigerante se evapora debidoa la s$bita cada de presin, enfriando el lquido restante,as como el propio gas de vaporizacin s$bita.

La temperatura del refrigerante se controla a un valordeseado, por debajo de aquel al que se desea enfriar elaire, mediante la seleccin del equipo apropiado y el usode dispositivos de control.


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1ebido a que el aire se encuentra a una temperatura ms

elevada que la del refrigerante, el calor fluye desde este aire,

a trav's de la superficie de transferencia de calor delevaporador, %asta llegar al refrigerante.

El refrigerante lquido que entra al evaporador est a su

temperatura de saturacin


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CLASI1ICACIO0 DE LOSEVAPORADORES

Una manera de clasificar los evaporadores esUna manera de clasificar los evaporadores es

seg6n la cantidad relativa de refrigerante enseg6n la cantidad relativa de refrigerante en

forma de l(%&ido * vapor %&e fl&*e a trav-s delforma de l(%&ido * vapor %&e fl&*e a trav-s delevaporador$evaporador$

Evaporadores de e(pansin secaEvaporadores de e(pansin seca

Evaporadores inundadosEvaporadores inundados


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a= Evaporador de e+pansin seca

En el tipo de evaporador de e(pansin seca,la cantidad de refrigerante alimentado por eldispositivo de control de flo es #&stamente

la s&ficiente para %&e se evapore en s&totalidad antes de salir del evaporador' La fig&ra '='= m&estra &n e#emplo de este

tipo de evaporador) el c&al &tili!a &n

serpent(n t&"&lar a trav-s del c&al fl&*e elrefrigerante'


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C&ando se &tili!a &n serpent(n de esta manera) setrata de &n serpentn de e(pansin directa E%)'

Constit&*e &na caracter(stica importante de este tipo

de serpent(n) el ,ec,o de %&e la pared del t&"o noest. completamente c&"ierta con refrigerantel(%&ido'

C&ando el refrigerante entra al serpent(n) *a se

enc&entra algo de gas de vapori!acin s6"ita)a&mentado la proporcin de vapor a medida %&e elrefrigerante fl&*e'


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1ebido a que la cantidad de vapor es grande y la cantidad de

lquido es pequeFa, el lquido alcanza a mojar solamente una

parte de la superficie del tuboJ el resto de la superficiesolamente %ace contacto con el vapor. Si el refrigerante se

sobrecalienta, una parte del tubo del evaporador no se moja

en absoluto.

La importancia de esta condicin estriba en que la

transferencia de calor de la superficie del tubo al lquido es

muc%o mayor que la transferencia al gas. El uso efectivo de la

superficie que no se moja es muc%o menor. E6plicado de otra

manera, se requiere una superficie mayor, que en el caso enque se mojara una mayor parte de la superficie del tubo, o

mejor a$n, si se mojara toda ella.


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Es posible remediar esta desventaja utilizando un

evaporador inundado, como se ve en la /igura.

La caracterstica esencial de este evaporador, estriba en

que el refrigerante lquido moja la mayor parte o el totalde la superficie de transferencia de calor.

En la disposicin particular que se muestra, el

refrigerante lquido est fuera de la tubera, dentro delcasco.


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Se &tili!a s&ficiente refrigerante de manera%&e los t&"os est-n siempre s&mergidos enel refrigerante l(%&ido) aseg&rando %&e se

mo#e toda la s&perficie de la t&"er(a'

El l(%&ido procedente del condensador entraa trav-s del dispositivo de control de flo)%&e generalmente es &na v.lv&la de flotador'


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El medio que se desea enfriar, un lquido fluye por

dentro de los tubos. Las burbujas de vapor del

refrigerante en ebullicin se desprenden del lquido en el

espacio en la parte superior del casco y fluyen %acia la

lnea de succin. Este tipo de evaporador inundado se

conoce como un evaporador de casco ' tuos

inundados. Se usa a menudo en los sistemas de

enfriamiento de lquidos de gran capacidad.


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b= Evaporador de serpent(n in&ndados

(ambi'n se dispone de un arreglo de un evaporador

inundado, en el cual el refrigerante fluye por dentro delos tubos, en vez de por fuera de los mismos. 0 este

tipo de evaporador se le conoce como evaporador de

serpentn inundado (/ig. [email protected]!


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El refrigerante lquido sale del recibidor o condensador, pasa

a trav's de una vlvula de flotador a baja presin, la cual sirvecomo dispositivo de control de flujo, y se %ace llegar a un

tanque de almacenamiento, llamado trampa de succin#

acumulador# o c)mara de compensacin.

El gas de vaporizacin s$bita que se forma cuando disminuyela presin del refrigerante al entrar 'ste al acumulador, se

e6trae por la parte superior y fluye directamente a la lnea de

succin del compresor.

Slo refrigerante lquido entra al serpentn de evaporador.


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La cantidad de refrigerante %&e circ&la a trav-s delserpent(n es m&c,o ma*or %&e la necesaria para lacarga re%&erida de refrigeracin) de manera %&e lapared del t&"o se mo#a completamente con ell(%&ido'

Las "&r"as de vapor %&e forman al ,ervir elrefrigerante) no constit&*en &na cantidad s&ficientepara ,acer contacto en forma significativa con lasparedes del t&"o) considerando la gran cantidad derefrigerante'

El refrigerante l(%&ido %&e no se evapora) serecirc&la n&evamente a trav-s del ac&m&lador)mientras %&e el vapor se separa en la parte s&periordel mismo * fl&*e ,asta la l(nea de s&ccin'


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El evaporador de serpent(n in&ndado es generalmentem.s costoso %&e el tipo de serpent(n de e+pansindirecta'

Es necesaria &na gran cantidad de refrigerante a fin deaseg&rar el nivel apropiado de l(%&ido) lo %&e ,ace

necesario proveer &n ac&m&lador con s&correspondiente t&"er(a'

Estos ac&m&ladores no son necesarios en losserpentines de e+pansin directa'


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&o obstante, los evaporadores de serpentn inundado

poseen evidentes ventajas de operacin en los sistemas

que trabajan a bajas temperaturas. 1ebido al gran

espacio destinado al vapor en el acumulador, es difcil

que el lquido penetre en la lnea de succin. Es

conveniente controlar el retorno del aceite del

compresor. Este se puede %acer retornar directamente

desde el acumulador, en lugar de %acerlo pasar a trav's

del evaporador.


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El sistema de serpentn inundado puede asimismo ser ms

eficiente en cuanto al uso de la energa. Es posible tener un

menor diferencial de temperatura entre el fluido enfriado y elrefrigerante que se evapora. 9na temperatura de evaporacin

ms elevada representa menos potencia en el compresor.

La fuerza necesaria para %acer circular el refrigerante a trav's delserpentn inundado procede de la carga esttica del lquido en el

acumulador. 0 veces se utiliza una bomba para el refrigerante, a

fin de activar la circulacin todava ms, mejorando as el torrente

en el serpentn. Esta variacin del serpentn inundado se conoce

como el sistema de sorealimentacin del l*uido.

TIPOS DE SUPER1ICIE DE LOS


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TIPOS DE SUPER1ICIE DE LOS

EVAPORADORES

Si bien probablemente e6isten cientos de formas ydisposiciones diferentes de la superficie de transferenciade calor del evaporador, casi siempre puedenclasificarse en dos tipos" de forma tuular o de placa.

Las superficies tubulares de transferencia de calor sepueden sub clasificar en tipos de tuo liso ' tuo conaletas. Se utiliza las aletas en los tubos o tuberas conel fin de aumentar el rea superficial, aumentando as la

transferencia de calor por unidad de longitud del tubo. 0la superficie comprendida por las aletas se le llamasuperficie secundaria# y a la superficie desprovista dealetas


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Alg&nos tipos de s&perficies t&"&lares con aletas para evaporadores


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#uando se le utiliza para enfriar el aire por debajo de @-/, el vapor

de agua que se condensa del aire se congela y se acumula sobre

el tubo y entre las aletas. #on el fin de impedir la rpida

obstruccin al flujo del aire entre las aletas, se limita el n$mero de

'stas por unidad de longitud a apro6imadamente cuatro o menos

por pulgada. El %ielo que se forma tambi'n aumenta la resistenciat'rmica a la transferencia de calor. La descongelacin peridica

resulta por tanto necesaria, tanto en la construccin con tubo liso

como en la tubera con aletas, por debajo de @-/, a fin de

mantener suficiente refrigeracin.


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Los intervalos entre la descongelacin pueden tenermayor duracin en el caso de la tubera lisa, puesto que

no e6iste una obstruccin sistemtica al flujo de aire. El

tubo liso se usa a menudo en las bodegas de

refrigeracin. Sin embargo, a$n en este tipo deaplicacin, %oy en da se utilizan con mayor frecuencia

los tubos con aletas, debido al muc%o menor espacio

necesario para el evaporador, y a su costo generalmente

menor.


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Las aletas slo resultan convenientes cundo e6iste una gran

diferencia en el coeficiente de transferencia de calor de lapelcula entre los dos fluidos. Las aletas siempre se colocan en

el lado que tiene la mayor resistencia t'rmica, puesto que la

superficie adicional compensa la mayor resistencia.

El evaporador del tipo de placa


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Evaporadores del tipo placa


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Este tipo de evaporador posee la ventaja adicional de

servir como un componente estructural, como, por

ejemplo, las paredes de un refrigerador dom'stico o de

un estante refrigerado, cuando se le construye en formade caja. En seguida se describen algunas disposiciones

de evaporadores, tales como los de serpentn de

e6pansin directa, de doble tubera, de casco y tubos,

de casco y serpentn, y el enfriador )audelot.

B 3


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SERPE0TB0 DE EPA0SI30 DIRECTA 7ED4

Este tipo de evaporadores se utiliza para enfriar el aire,

tanto en el intervalo de temperaturas que cubre el aire

acondicionado como para temperaturas ms bajas. Se

trata de un evaporador del tipo de e6pansin seca, en el

cual una mezcla de lquido y vapor se alimenta por lostubos, sin que %aya recirculacin de lquido. El

dispositivo de control de flujo es por lo general una

vlvula de e6pansin termosttica o un tubo capilar.


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La forma ms com$n es la de un serpentn plano, con

tubos rectos y curvas de retorno, provisto del n$mero

requerido de %ileras. Esta disposicin se utiliza en

unidades de manejo de aire que utilizan la conveccinforzada mediante un ventilador. Se utilizan tambi'n

formas especiales, como cajas, a fin de ajustarse a

aplicaciones convenientes de refrigeracin.

S t( d i di t 7ED4


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Serpent(n de e+pansin directa 7ED4

En el caso de serpentines de circuitos m$ltiples se deben


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En el caso de serpentines de circuitos m$ltiples, se deben

tomar precauciones a fin de asegurar que una cantidad igual de

refrigerante fluya a cada circuito, y con la misma proporcin de

lquido y de gas de vaporizacin s$bita en cada uno de ellos.

abr una mayor cada de presin en las lneas que alimentan

a los circuitos ms alejados de la vlvula de e6pansin, lo que

resultar en ms gas de vaporizacin s$bita y una cantidad

insuficiente de lquido, motivando que la alimentacin enalgunos circuitos sea escasa. 0dems, e6iste el problema de

que debido a la mayor densidad del refrigerante lquido, una

proporcin mayor de 'ste fluya a los circuitos en la parte inferior

del serpentn, y una proporcin mayor de gas de vaporizacin

s$bita alimente los circuitos de la parte superior.

E#emplo de dise/o de &n serpent(n de circ&itos m6ltiples


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La longit&d de la t&"er(a en &na disposicin de &n solo circ&ito est.

limitada de"ido a %&e la ca(da de presin a&menta con la longit&d del

t&"o * el flo del refrigerante' Al red&cirse la presin de s&ccin)res&lta disposiciones de circ&itos m6ltiples en paralelo 71ig' '=';24)

en todas las &nidades con e+cepcin de las m.s pe%&e/as'


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Esto tambi'n causa una distribucin irregular. La alimentacin

desigual de los circuitos resulta en una reduccin de la

capacidad, puesto que algunos de los tubos no se utilizan ensu totalidad.

#on el fin de proveer un flujo igual de refrigerante lquido y de

vapor desde la vlvula de e6pansin %asta cada circuito del

serpentn, se utilizan los distriuidores de refrigerante. El

refrigerante lquido y el vapor se mezclan perfectamente en el

cuerpo del dispositivo, y debido a que cada uno de los

distribuidores tiene la misma longitud, todos los circuitos

reciben una alimentacin igual.

Distri"&idor para refrigerante para &n serpent(n ED


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EVAPORADORES DE VE0TILACI30 1ORADA

0 los evaporadores que se utilizan para enfriar el aire, yque estn equipados con ventiladores para %acer pasarel aire entre los serpentines con refrigerante, se lesllama evaporadores de ventilacin for&ada. En estegrupo de evaporadores se incluyen unidades de

enfriamiento# enfriadores de productos# unidades de aireacondicionada# serpentines con ventilador ' difusores defro.


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&o %ay uniformidad en cuanto al uso de estasdenominacionesJ a menudo se usan diferentes nombrespara la misma unidad.

La construccin de los evaporadores de ventilacin

forzada vara de acuerdo con el uso que se les da.

Se muestran algunos ejemplos. Es posible utilizar tantoserpentines de e6pansin directa como serpentinesinundados.

DI1USORES DE 1RIO PARA CA?ARAS


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C?ARA 1RIORB1ICA


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EVAPORADORES F CO0DE0SADORES PARARE1RIERACI30


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#uando se desea evitar la des%idratacin o se desean nivelesmuy bajos de ruido, se utilizan velocidades muy bajas del aire


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&o obstante, se puede utilizar eliminadores del tipo dedeflector para atrapar las gotas de agua. Se utilizan

velocidades muy elevadas


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En lugar de utilizar serpentines secos, algunas unidades deventilacin forzada se modifican para usarse con aspersores

en los serpentines. 9na bomba, tubera, y un cabezal con aspersores forman

parte de la unidad


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E01RIADORES DE LB8UIDOS


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El tipo de evaporador conocido como enfriador del*uidos se utiliza para enfriar agua u otros lquidos.

!ueden ser del tipo de e6pansin seca o del tipo

inundado. Entre ellos se incluyen los enfriadores de

casco ' tuos# casco ' serpentn# de dole tuera# '

+audelot. Sus diferencias estriban primeramente en su

construccin para adaptarse a la aplicacin deseada.

#ada uno de ellos se discute brevemente.


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En el enfriador de e,pansin seca, el refrigerante se alimenta

desde na l la de e pansin termosttica fl e por


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desde una vlvula de e6pansin termosttica, y fluye por

dentro de los tubos. El lquido que se desea enfriar est

dentro del casco. Este enfriador est provisto de deflectores,los cuales se e6tienden parcialmente a trav's del casco en

forma alternada. Los deflectores obligan al lquido a fluir

transversalmente a todos los tubos, asegurndose as que

%ace contacto con todos ellos. 0dems, tambi'n se aumenta

la velocidad del lquido al reducirse el rea de flujo. Estos

efectos aumentan la cantidad de transferencia de calor.

El lado del refrigerante


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El aumento del n$mero de pasos para una cantidad

dada de flujo del refrigerante ocasiona una ms alta

velocidad, y por consiguiente un coeficiente

mejorado de transferencia de calor en el lado del

refrigerante. &o obstante, esto se debe balancearcontra el aumento de la cada de presin al

considerar los costos y la utilizacin de la energa.

0 veces se suministra los tubos con aletas interiores

a fin de aumentar el rea de transferencia de caloren el lado del refrigerante.


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(ambi'n se dispone de un enfriador de e6pansin secadel tipo de casco y tubos, el cual utiliza tubos en 9.

Los tubos se fijan por un solo e6tremo a una placa de

soporte, lo que les permite dilatarse y contraerse,

%aciendo as que este tipo sea especialmente adecuadoa los sistemas de enfriamiento que usan salmuera abaja temperatura.

Si se utiliza enfriadores de tubos rectos, podran ocurriresfuerzos muy severos al dilatarse y contraerse lostubos, dentro del amplio intervalo de temperaturas.


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E*+R-%RES %E C-SC / SER0E*2*, %E


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%3#E 43, 3-4%E# / %E -*54E

El enfriador de casco serpentn tiene un serpentn de

e6pansin directa y forma %elicoidal, dentro de un casco

que contiene el lquido que se desea enfriar. Su costo

es relativamente bajo comparado con el del enfriador del

casco y tubos. Se usa para enfriar el agua potable y

otras bebidas, as como en aplicaciones industriales.


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El enfriador de dole tuoconsiste de un tubo colocado dentro

de otro tubo. 9n fluido circula dentro del tubo interior, y otro

circula en el anillo e6terior entre las paredes de los dos tubos.

Se construye por lo general en una disposicin plana con

curvas de retorno. Su costo relativamente alto y el acceso

difcil a las paredes de los tubos, limitan su uso a aplicacionesespeciales.

El enfriador +audelot consiste en una tubera en forma de

serpentn de e6pansin directaJ los tubos se sit$an

%orizontalmente, uno sobre el otro. El lquido que se deseaenfriar se distribuye sobre el tubo superior, %aciendo contacto

con cada %ilera de tubos, a medida que desciende por

gravedad.


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9n canal en fondo recoge al lquido enfriador. Este tipo

de enfriador es conveniente para enfriar lquidos cercade su punto de congelacin, ya que una congelacin

total no daFa por lo general al equipo. #omo este

equipo trabaja al descubierto, provee asimismo

aireacin cuando 'sta es deseable. Se utiliza paraenfriar lec%e, as como en otras aplicaciones similares

en la industria alimentaria.


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El enfriador del tipo de tan*uese compone de un serpentn con

refrigerante, inmerso en un tanque rectangular. Se utiliza para

enfriar un lquido en los cascos en que no tiene importancia la

sanidad o la contaminacin. Se puede utilizar para enfriarsalmuera en el tanque. Esta se %ace circular por todo el tanque,

el cual contiene latas selladas llenas de productos tales como

%elado,


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Los enfriadores de e6pansin seca se utilizan ampliamente paraenfriar el agua en el aire acondicionado, con compresores

reciprocantes o de tornillo. El compresor, el evaporador y los

controles pueden montarse y probarse en la fbrica. Esta

combinacin se conoce como un enfriador inte"ral de l*uidos.La mayora de las unidades utilizadas para el enfriamiento del

agua se ofrecen %oy en da como unidades integrales, a fin de

reducir los costos y asegurar una mayor fiabilidad. El enfriador

integral puede asimismo incluir un condensador enfriado poragua.


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En el enfriador in&ndado de casco * t&"osel lquido que sedesea enfriar fluye a trav's de los tubos, y el refrigerante lquido

en el casco. La cantidad de refrigerante es suficiente para que

todos los tubos queden sumergidos, de manera que la superficie

de los mismos se moje en su totalidad. Las burbujas de gas delrefrigerante evaporado suben %asta la superficie y se separan

del lquido. Se debe proveer un espacio suficientemente grande

por encima de los tubos, para que 'ste se acumule el vapor del

refrigerante y se evite el arrastre del lquido a la lnea de

succin.


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0dems se proveen a menudo eliminadores# a fin decaptar las pequeFas gotas de lquido. Estos secomponen de %ojas traslapadas en forma de , o de unmalla que se e6tiende a trav's del casco.

Los dispositivos utilizados para el control del flujo delrefrigerante lquido estn constituidos por vlvulas deflotador de alta o baja presin, o por un orificio. !araasegurar la igual distribucin del refrigerante en toda la

longitud del enfriador, se puede proveer un canalcolector a los largo del fondo del casco.

0lgunos enfriadores inundados tienen una bomba y un cabezal

para rociar lquido a los tubos y %umedecerlos completamente


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para rociar lquido a los tubos y %umedecerlos completamente,

evitndose as la necesidad de utilizar tubos sumergidos. Esta

disposicin se utiliza a veces a bajas temperaturas.

Si se utilizan refrigerantes fluorocarbonados en el enfriador,

entonces por lo general los tubos se fabrican con aletas

integrales e6ternas, con el fin de aumentar el rea de superficie.El lado del agua


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de flujo del agua, a fin de obtener una alta velocidad


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E*+R-%RES %E #254%S

Si bien las capacidades de los evaporadores, comoelementos individuales se pueden obtener de los fabricantes,

tambi'n es posible obtener las capacidades nominales de las

combinaciones de enfriadores tipo integral, incluyendo el

compresor, enfriador y condensador, ya sea que 'ste $ltimo

sea enfriado por agua o por aire. La mayora de lasaplicaciones permiten utilizar equipos integrales. 1ebido a su

costo total ms bajo y a la facilidad de instalacin, es

aconsejable utilizar unidades integrales siempre que sea

posible. En esta seccin se presientan datos de as

capacidades de un grupo de pequeFos enfriadores de lquido

tipo integral, equipados con condensadores enfriados por aire


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9n enfriador integral adecuado para enfriar -8 M!4 deagua, de AA a ?A/. La temperatura ambiente del aire

es de 388/'

Solucin. Se utiliza la ecuacin siguiente, y se

determina que la capacidad requerida es"

tCTGPM

T 3,82410*20

24* ===

Capacidades 0ominales de enfriadores integrados por aire


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LA UTILIACI30 DE LA E0ERBA F LOS

EVAPORADORES


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EVAPORADORES

#uando se estudiaron los evaporadores, se %izo %incapi' en dosfactores generales que mejoran la utilizacin eficiente de la

energa. 9no de ellos es la promocin de un aumento en la

transferencia de calorJ el otro es el mantenimiento de la ms alta

temperatura razonable de evaporacin. Se observar que bajouna de las circunstancias, estos dos factores se oponen. Esto

es, una manera de aumentar la transferencia de calor del

evaporador, consiste en incrementar la diferencia de temperatura

entre el medio que se desea enfriar y el refrigerante que seevapora. Sin embargo, una temperatura de evaporacin ms

baja %ace que la potencia necesaria del compresor sea mayor.


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(eniendo esto en cuenta, todava es posible enumerar

factores especficos que aumentan la transferencia de calor,

sin disminuir la temperatura de evaporacin. Esto quiere

decir, en efecto, que para una capacidad dada de

transferencia de calor


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3. La disposicin a contraflujo aumenta la transferencia de

calor con respecto al flujo paralelo, puesto que la 1(4E

es mayor.

-. La superficie


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A El mantenimiento de las superficies limpias evita lareduccin del coeficiente de transferencia de calor.

2. El aumento del rea de superficie, mediante el uso dealetas o sencillamente con ms tuberas, aumenta latransferencia de calor.

K. 4ediante el aumento de la velocidad del fluido, seaumenta el coeficiente de transferencia de calor tanto enel lado del refrigerante como en el lado del aire o agua.En los enfriadores de lquidos, esta situacin se lograaumentando el n$mero de pasos.

E8UIPO PARA TRA0SPORTE RE1RIERADO


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@A0COS DE GIELO PARA LA I0DUSTRIA DE LARE1RIERACI30


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CAP 2C Evaporadores

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Transcript of CAP 2C Evaporadores