Subenfriamiento de líquido refrigerante

En el campo de la Refrigeración por el sistema de Compresión, que utiliza un compresor para aspirar los vapores formados en el evaporador, aumentando su presión y así descargarlos al condensador para su condensación o licuefacción, permitiendo su reutilización en un ciclo continuo de Aspiración – Compresión – Condensación - Expansión-Evaporación, el grado de subenfriamiento reduce la cantidad del líquido condensado que se alimenta al dispositivo de expansión para su posterior evaporación en el evaporador para una capacidad frigorífica determinada.

Este efecto queda ilustrado en los datos mostrados en el diagrama de Mollier para un ciclo normal SIN subenfriamiento y CON subenfriamiento. Comparando los datos se puede ver que, utilizando R-507, para la misma capacidad frigorífica, en las mismas condiciones básicas de evaporación y condensación, la inclusión del efecto de subenfriamiento de 15 º C reduce el caudal másico, volumen de gas bombeado y consumo al 80 %  de los valores básicos.

Esto varía con el grado de subenfriamiento, y la reducción de consumo, etc, se hace mayor cuanto mayor es el grado de subenfriamiento.

Diferentes sistemas para conseguir el subenfriamiento del líquido

Lo detallado anteriormente es de sobra conocido en la industria frigorífica desde el comienzo, pues es un hecho físico que se apreció en las primeras etapas de recolección de los datos termodinámicos relativos a los fluidos utilizados, para determinar la capacidad refrigerante de los mismos en las diferentes condiciones de utilización.

Sin embargo, los métodos y dispositivos utilizados para este fin, han tenido un efecto limitado en los niveles obtenidos de subenfriamiento con verdadero ahorro de consumo. Aquí hay que considerar que la utilización del subenfriamiento en un sistema de refrigeración tiene otros efectos positivos, además del potencial ahorro energético: Al reducirse el caudal másico de refrigerante circulado se puede reducir el tamaño de las tuberías de interconexión, tanto en el lado de gas como en el de líquido, se reduce el tamaño de compresor utilizado al bombear menos caudal de gas y se requiere una menor carga de fluido refrigerante. Adicionalmente, cuando la tubería de líquido condensado tiene que seguir un camino ascendente hasta su punto de utilización (Evaporador), se requiere vencer el efecto de la columna de líquido, lo cual reduce la presión inicial, con el efecto negativo de que parte del líquido se vaporiza, al ver reducida su presión por debajo de la de saturación correspondiente a la temperatura de condensación.

Por ello, se ha llegado a la utilización de sistemas y medios de subenfriamiento “ad hoc”, que no producen el ahorro energético teóricamente posible, al utilizar un sistema exterior de refrigeración adicional con el propósito específico de obtener un determinado grado de subenfriamiento en el sistema principal, que precisa una energía adicional para conseguir dicho sub-enfriamiento del líquido, que hay que sumar a la del sistema principal.

Sí es cierto que las condiciones de trabajo de este nuevo sistema adicional son más favorables en general que las de los sistemas principales a los que se ayuda. Esto se comprueba en los sistemas que operan en Refrigeración y Congelación,  siendo mayor el efecto en los casos que operan con una menor temperatura de evaporación. En sistemas de Alta temperatura, como en la Climatización, los beneficios obtenidos no son apreciables en rendimiento, pero quizás sí son apreciables otros beneficios colaterales, al evitar la revaporización indeseable en las líneas verticales ascendentes, motivo por el cual puede ser recomendable e incluso imprescindible en determinados casos, recurrir al subenfriamiento, para poder trabajar correctamente.

Es de sobra conocido por los practicantes de la técnica frigorífica que la formación de gas en la línea de líquido antes del dispositivo de expansión que alimenta al evaporador, reduce su capacidad y por tanto impide al conjunto obtener  su capacidad máxima realmente posible.

De esta forma, los sistemas externos de subenfriamiento podemos decir que, SÍ que pueden alcanzar niveles de subenfriamiento aceptables, pero NO conseguir el nivel de ahorro energético máximo potencial.

Los sistemas de subenfriamiento utilizados hasta ahora han de adaptarse al tipo de condensador utilizado:

Refrigerados Por Agua

La siguiente figura muestra el sistema utilizado por estos condensadores.
En este tipo de condensador el subenfriamiento se obtiene añadiendo una sección de tubos por los que circula el agua refrigerante entrante.
Estos quedan sumergidos en el líquido condensado, reduciendo que así ve reducida temperatura por debajo de la saturada de condensación hasta un nivel limitado por la temperatura del agua y la superficie disponible.

Esta disposición impide la utilización de recipiente acumulador de líquido aguas abajo del condensador so pena de perder el subenfriamiento obtenido al acumularse en un recipiente sujeto a la temperatura ambiente, más caliente que el líquido. El líquido sub-enfriado ha de enviarse directamente al evaporador para poder aprovechar el efecto conseguido.

Refrigerados Por Aire

La figura 2 muestra el sistema utilizado por estos condensadores. En este tipo de condensador el subenfriamiento se obtiene añadiendo una sección de intercambiador en paralelo al principal por la que circula el aire refrigerante entrante.  

El líquido condensado, es acumulado a su salida de la sección principal en un depósito acumulador de líquido en el que se separa el gas y líquido, permitiendo, únicamente,  la salida de líquido saturado, que pasa a la sección de sub-enfriamiento para su envío posterior directo al evaporador.

Al igual que en el caso anterior, no debe de acumularse en ningún punto intermedio por el riesgo de perder el beneficio obtenido al recalentarse.

Igualmente, el grado de sub-enfriamiento posible queda limitado por la temperatura del aire refrigerante y la superficie de intercambio utilizada.

Condensadores Evaporativos

Por último, la figura 3 muestra el sistema utilizado en este tipo de condensadores para sub-enfriar el líquido  condensado.

En este tipo de condensador el subenfriamiento se obtiene añadiendo una sección de intercambiador montada en serie con la sección principal de condensación, sumergida en el agua más fría de la bandeja, donde se aporta el agua fresca de reposición.

Dada la forma constructiva de estos equipos, se suele instalar el recipiente acumulador de líquido a la salida de la sección de condensación y se hace pasar el líquido que sale del recipiente por la sección de sub-enfriamiento, para su envío directo al evaporador, de forma que se aproveche totalmente el beneficio obtenido. Esto obliga a instalar el recipìente de líquido al lado del condensador como muestra la figura 3.

Todos los sistemas de sub-enfriamiento descritos tienen limitada su capacidad de subenfriamiento en las condiciones de máxima demanda a unos 4 – 6 º C por debajo de la temperatura saturada de condensación.

Otros sistemas de Sub-Enfriamiento

Dado el indiscutible beneficio que se consigue al incluir un sistema de sub-enfriamiento de líquido en los sistemas de Refrigeración, y con el fin de maximizar el efecto, como ya se dijo con anterioridad, se han desarrollado sistemas específicos externos para esta aplicación, que son objeto de detalle a continuación.

La figura 4 describe un sistema típico de refrigeración a baja temperatura, con un circuito que es atendido por el compresor principal, cuya línea de líquido condensado pasa a través de un dispositivo sub-enfriador antes de ser entregado al evaporador principal.

El calor absorbido a este flujo principal de líquido se disipa mediante un compresor auxiliar, en el condensador principal, que ha de tener el tamaño y la capacidad adecuada.

En este sistema se consiguen un aumento del rendimiento en el sistema principal directamente proporcional al grado de sub-enfriamiento lo cual redunda en una disminución del consumo específico, pues el compresor principal absorbe la misma potencia. Sin embargo, hay que tener en cuenta la potencia absorbida por el compresor auxiliar y la potencia más elevada requerida por las bombas o ventiladores de mayor tamaño utilizados por el condensador común. Como el consumo específico de cualquier sistema frigorífico es más elevado cuanto más alta es la temperatura de evaporación, utilizando cualquier refrigerante, existe un compromiso entre el beneficio obtenido en el sistema principal y el consumo del circuito auxiliar, lo que implica un análisis minucioso de todos los detalles para determinar en cada caso las condiciones óptimas de diseño particulares y así obtener el grado óptimo de subenfriamiento, para el mínimo consumo global de los dos sistemas, principal y auxiliar.

Estos sistemas utilizan diferentes tipos de intercambiadores de calor para absorber el calor del líquido principal, según detallan a continuación las figuras 5 (Coaxial a contracorriente), 6 (Multitubular), 7 (A Placas) y 8 (A Placas y Envolvente).

Un sistema de subenfriamiento sin recurrir a medios externos ni modificaciones en el condensador es el reflejado en la siguiente figura:

Aquí se subenfria el líquido antes de su expansión mediante el recalentamiento del gas a la salida del evaporador. Este sistema, ampliamente utilizado en refrigeración comercial con los refrigerantes fluorados (sobre todo con R-12 en su momento y con R-404ª/507 en la actualidad) tiene una limitación clara: El grado de mejora obtenida con el subenfriamiento ha de ser netamente superior a la reducción de capacidad del compresor al recalentarse el gas y aumentar su volumen. Además, solo se puede utilizar con refrigerantes con un bajo exponente adiabático para evitar que la temperatura final de compresión supere los límites admisibles.

Su utilización es imposible con Amoniaco, y con R-22 solo se podia utilizar en determinados casos, teniendo en cuenta lo dicho.

Hay que sopesar cuidadosamente el aumento de rendimiento por subenfriamiento y el recalentamiento preciso del gas para absorber dicho calor.

Conclusión

El subenfriamiento es deseable para obtener un mejor C.O.P. y reducir tamaño de tuberías y otros componentes auxiliares

Ejemplo: Para una capacidad de 125 Kw a -10 C de evaporación, con +45 C de condensación, 3 º de recalentamiento útil y 10 total, para un subenfriamiento de 2 º C, utilizando R-407F, se precisa una línea de líquido DN40 para 1 m/s. Si se consigue un subenfriamiento de 10 º C, se puede reducir a DN-32 (64 % de área / volumen) y si se incluye un subenfriamiento de 35 C (fácil de obtener con un equipo de Alta/Climatización) se puede llegar a DN-25 con un solo 39 % de area/volumen.

Además, es imprescindible en cierto grado, para garantizar la alimentación de líquido puro sin burbujas a la válvula de expansión provocadas por la inevitable pérdida de carga que imponen la tubería y los accesorios (filtro-deshidratador, visor, válvulas manuales, válvula solenoide, etc.) que además se agrava si la dirección de la línea de líquido es ascendente, debido a la columna de líquido que ejerce su presión estática en función de la densidad del líquido y la diferencia de altura.

Por ello el catálogo Danfoss de 1956 reflejaba como dato para selección del tamaño de válvula de expansión que el líquido debía de estar (al menos) sub-enfriado 1 º C a la entrada, como garantía de ser líquido puro sin burbujas.

Artículo cedido por: 

Jose Romanillos, Director Tecnico de Hielo y Refrigeracion SL
MASHRAE