Principios del Sobrecalentamiento
Para cualquier otro fluido diferente al agua, el comportamiento es similar, sólo que los cambios se llevan a cabo en un rango de temperaturas distinto. En la figura 6.4, se muestran los cambios que se llevan a cabo cuando se aplica calor al refrigerante 12. Como ya sabemos, la temperatura de ebullición del R-12, a la presión atmosférica, es de -30 °C. De manera similar que al agua, cuando todo el líquido se ha evaporado, cualquier cantidad de calor adicional, aumentará la temperatura del vapor por arriba de la de saturación, sobrecalentándolo.
Como podemos ver en la figura 6.4, para aumentar la temperatura de un kilogramo de R-12 líquido desde -40 °C hasta -30 °C, su temperatura de ebullición, se requieren aproximadamente 3.9 kilocalorías. Para evaporar todo el kilogramo de R-12 se requerirán 39.4 kilocalorías más, lo que sería el calor latente de evaporación. Si el vapor formado se sigue calentando, el calor agregado sería calor sensible y sólo serviría para sobrecalentar el vapor. Así, si se eleva la temperatura del vapor hasta -25 °C, tendrá un sobrecalentamiento de (-30)-(-25), es decir, 5 °C.
En conclusión, el sobrecalentamiento no es solamente una temperatura, es una diferencia de temperaturas. Su valor es igual a los grados de temperatura que el vapor tiene por arriba de la temperatura de saturación.
En la práctica real, los refrigerantes no se trabajan a la presión atmosférica, por lo que el ejemplo anterior, es solamente para ilustrar el principio del sobrecalentamiento. También hay que recordar que las relaciones entre la presión y la temperatura para un líquido, son directamente proporcionales; es decir, al aumentar la presión aumenta la temperatura y viceversa. Cuando a un líquido se le reduce su presión, disminuye su punto de ebullición, y para evaporarlo, se requiere más calor. Por el contrario, cuando se aumenta la presión sobre el líquido, aumenta su temperatura de ebullición. En cada uno de estos puntos, tanto el líquido como el vapor, están en una condición de saturación.
Si estas relaciones de presión-temperatura se grafican, al unir los puntos se obtienen las curvas de saturación. En la gráfica de la figura 6.5, se muestran las temperaturas de ebullición del R-22 a diferentes presiones. El eje horizontal representa la temperatura en °C, y el eje vertical representa la presión tanto en psig y pulgadas de mercurio, como en kiloPascales (kPa). Nótese cómo cambia la temperatura de saturación cuando cambia la presión; al aumentar la presión, se requiere mayor temperatura para hervir el refrigerante. Por ejemplo, a una presión de 600 kPa (72.3 psig) el R-22 hierve a 6 °C, y a una presión de 200 kPa (14.3 psig) hierve a -25 °C.
Puesto que cada refrigerante tiene sus propias características de presión-temperatura, al graficarlas se obtendrán curvas diferentes.
Efectos del Sobrecalentamiento en un Sistema de Refrigeración Simple
Una vez definido el principio básico del sobrecalentamiento, lo que sigue a continuación es aplicarlo a un sistema de refrigeración simple, consistente de un compresor, un condensador, un tanque recibidor, un evaporador de expansión directa y el más simple de los dispositivos de control: una válvula de expansión manual.
Para explicar el funcionamiento de la válvula de expansión, utilizaremos un sistema de refrigeración con R-134a. Si al inicio de la operación se abre ligeramente la válvula de expansión manual, alimentará al evaporador una pequeña cantidad de refrigerante líquido a baja presión y a baja temperatura, como se muestra en la figura 6.6. Como la temperatura del aire que pasa a través del serpentín, es más alta que la del refrigerante, este calor causará que primero se caliente y luego se evapore. Como es poco el líquido que está entrando al evaporador, rápidamente se evaporará todo muy cerca de la entrada (punto A). Si la presión dentro del evaporador es de 18 psig (225 kPa), la temperatura de ebullición (saturación) correspondiente a esta presión será de -7 °C.
Una vez en forma de vapor, el refrigerante seguirá su recorrido por el evaporador recogiendo calor sensible, el cual le aumentará su temperatura y lo sobrecalentará. En el punto B, se supone que su temperatura es de -1 °C por lo tanto, su sobrecalentamiento es de 6 °C. A la salida del evaporador (punto C), la temperatura del gas de succión es de 10 °C, por lo que el sobrecalentamiento será la diferencia entre esta temperatura y la de saturación, correspondiente a 18 psig; es decir, 10-(-7)=17 °C.
Hasta aquí, se pueden observar dos cosas: el sobrecalentamiento es muy alto, ya que para un sistema de este tipo lo normal sería de 5 ó 6 °C. Por otro lado, no se está aprovechando al máximo la superficie del evaporador para recoger calor latente, debido a que el refrigerante se evapora casi en la entrada y recorre la mayor parte en forma de vapor, recogiendo calor sensible. Por lo tanto, es necesario alimentar una mayor cantidad de líquido.
Para esto, es necesario abrir un poco más la válvula de expansión manual. Al entrar más líquido al evaporador, aumentará la presión de succión de 18 a 21 psig, ya que aumenta la carga en el compresor, y por lo tanto, aumenta la temperatura de saturación como se muestra en la figura 6.7. Si el aumento del flujo de líquido es tal, que se evapora todo en el punto B, el vapor formado recorre menos distancia dentro del evaporador y su sobrecalentamiento será menor. Si la temperatura del gas de succión en el punto C es de 5 °C, el sobrecalentamiento será de (5)-(-5)=10 °C, el cual todavía es alto.
Si nuevamente abrimos la válvula de expansión manual, pero esta vez lo suficiente para que el evaporador se llene de líquido, como se muestra en la figura 6.8, se presentarán las siguientes condiciones: aumentan la presión y la temperatura, se reduce la capacidad del compresor, se desperdicia refrigerante y no hay sobrecalentamiento, ya que el refrigerante sale a la misma temperatura que entra. Pero lo más preocupante es la probabilidad de un daño al compresor, a causa del regreso de refrigerante líquido.
Por todo lo anterior, se concluye que la condición más adecuada a que debe funcionar un evaporador, es que se evapore totalmente el refrigerante un poco antes de salir de éste. De esta manera, se aprovechará al máximo la superficie de transmisión de calor latente, y se asegurará que al compresor le llegue únicamente vapor sobrecalentado. En la figura 6.9 se muestra esta condición, donde se puede apreciar que el sobrecalentamiento es de 5 °C, lo cual es un valor aceptable.
Antiguamente, cuando la válvula de expansión manual era el único dispositivo de control disponible, era muy complicado y tedioso mantener esta condición en el evaporador, debido a las variaciones en la carga térmica. Un operador debía estar casi permanentemente abriendo o cerrando la válvula para mantener el sobrecalentamiento adecuado. En la actualidad, con la válvula de termo expansión se puede lograr una condición muy aproximada a la ideal, ya que regula de manera automática la alimentación de refrigerante al evaporador, manteniendo un sobrecalentamiento casi constante en la salida.
Como se muestra en la figura 6.10, para que la VTE funcione adecuadamente, el bulbo sensor deberá instalarse en una posición correcta en la línea de succión, a la salida del evaporador.
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