Una de las tareas del proyectista de las tuberías de un sistema de refrigeración es seleccionar el tamaño de los distintos tramos de tubería del sistema y especificar los materiales de la tubería, su trazado, su pendiente y sus soportes. La preocupación habitual es asegurarse de que la tubería sea lo bastante grande, pero hay varias situaciones en las que debe mantenerse una velocidad mínima del refrigerante en la tubería, lo que fija un tamaño máximo de tubería.
Caída de presión en las tuberías de un sistema de refrigeración
Los proyectistas de sistemas de refrigeración realizan la mayoría de sus selecciones de diámetro de tubería con diagramas de caída de presión específicos. Existe un diagrama distinto para cada refrigerante y, por lo general, solo hay que trabajar con un número limitado de refrigerantes. En el caso de los vapores, la caída de presión depende del nivel de presión, indicado por la temperatura de saturación. Sin embargo, puede haber situaciones que los diagramas estándar no cubren, como los refrigerantes nuevos o los refrigerantes secundarios. En esos casos, resulta útil recurrir a ecuaciones básicas de caída de presión como la de Darcy-Weisbach.
Diámetro óptimo de la tubería
El cálculo de la caída de presión del refrigerante que circula por una tubería es solo un paso del proceso de decisión para seleccionar el diámetro de la tubería. En última instancia, la decisión sobre el diámetro de una tubería de vapor es económica: se compara el coste adicional de una tubería mayor con el ahorro de energía del compresor a lo largo de la vida útil del equipo.
Caída de presión en los accesorios
Además de la caída de presión que se produce en los tramos rectos, los accesorios como codos y tes también provocan caída de presión. La disposición física del sistema de tuberías determina dónde se sitúan los codos y las tes de derivación. Además, las válvulas producen caídas de presión apreciables, incluso cuando están totalmente abiertas. Hay que decidir con criterio dónde instalar las válvulas y qué tipo de válvula elegir. Incluso las válvulas que rara vez se cierran pueden ser muy valiosas, en casos excepcionales, para aislar un componente concreto o incluso otra válvula. Por otro lado, las válvulas adicionales colocadas en las líneas de vapor pueden suponer una demanda constante de potencia adicional del compresor siempre que el sistema esté en funcionamiento.
Selección del diámetro de las tuberías de un sistema de refrigeración
Poder determinar la caída de presión en una línea de refrigerante puede ser fundamental, pero sigue quedando la decisión de cuánta caída de presión (o caída de la temperatura de saturación) especificar. Aunque el proceso de optimización descrito sería lo ideal, los proyectistas suelen recurrir a algunas convenciones que, al menos, dan diámetros de tubería razonables. Los distintos tramos de tubería se tratan por separado:
1 – Aspiración al compresor
La caída total de la temperatura de saturación suele elegirse entre 0,5 y 2 °C (0,9 a 3,6 °F). Las excepciones son las columnas ascendentes verticales, tanto en la expansión directa con halocarburos como en los evaporadores de amoníaco con sobrealimentación de líquido. En los sistemas de expansión directa con halocarburos, la velocidad del vapor de refrigerante debe ser lo bastante alta para devolver el aceite al compresor. En los evaporadores de amoníaco con sobrealimentación de líquido, la velocidad del vapor en la columna ascendente debe ser lo bastante alta para expulsar el líquido de modo que no llene la columna.
2 – Descarga del compresor al condensador
La caída total de la temperatura de saturación suele elegirse entre 1,0 y 3,0 °C (1,8 a 5,4 °F). Una determinada caída de la temperatura de saturación en la tubería de descarga penaliza algo menos la potencia del compresor que la misma caída de temperatura en el lado de aspiración.
3 – Líquido de alta presión
Una caída de presión en este tramo puede no suponer penalización alguna en el rendimiento del sistema, porque la caída de presión que no se produce en la tubería tendrá lugar en el dispositivo de expansión o en la válvula de control de nivel. El dispositivo de expansión realiza la reducción final de la presión hasta la presión intermedia (en la compresión de dos etapas) o hasta la baja presión (en la compresión de una etapa). La preocupación por la caída de presión en esta línea consiste sobre todo en garantizar que la presión no descienda hasta la presión de saturación correspondiente a la temperatura del refrigerante existente. Si la presión descendiera hasta ese punto, el líquido se evaporaría súbitamente, agravaría el gradiente de presión y posiblemente restringiría el caudal a través del dispositivo de expansión. Las velocidades del refrigerante elegidas para las líneas de líquido van de 1 a 2,5 m/s (3 a 8 ft/s)
4 – Retorno de líquido/vapor desde los evaporadores al recipiente de baja presión
La línea que va de los evaporadores al recipiente de baja presión en los sistemas de recirculación de líquido transporta una mezcla de líquido y vapor. Los cálculos de caída de presión en el flujo de mezclas de líquido y vapor, aunque posibles, son complejos. Para evitar cálculos engorrosos y aun así tener en cuenta la presencia de líquido, algunos proyectistas eligen el diámetro de la línea determinando primero el diámetro adecuado como si la tubería transportara solo vapor y pasando después al siguiente diámetro de tubería para tener en cuenta el flujo combinado de líquido
5 Líneas de desescarche por gas caliente.
Para elegir con criterio el diámetro de la tubería, debe conocerse el caudal necesario de gas caliente en función del tamaño del evaporador. Una estimación aproximada es que el caudal de gas caliente es el doble del caudal de refrigerante utilizado durante el servicio de refrigeración. Con esta hipótesis, los diámetros recomendados de las derivaciones de gas caliente de amoníaco propuestos por Hansen toman como base una velocidad de 15 m/s (3000 fpm) con gas caliente a 21 °C (70 °F). Esta velocidad sería adecuada para las derivaciones de gas caliente que sirven a un solo evaporador de un grupo de evaporadores desescarchados al mismo tiempo. Las líneas principales de gas caliente pueden dimensionarse para transportar la mitad del total de todos los evaporadores conectados, suponiendo que no se desescarchará más de la mitad de los evaporadores a la vez.
Fuente: Industrial Refrigeration Handbook
