Funcionamiento de un sistema de frío para baja temperatura.

Uno podría pensar que basta comprar un túnel de congelados con su sistema de frío y después olvidarse de todos estos aspectos técnicos, pero la realidad nunca es así. Incluso en un sistema perfecto siempre hay que hacer mantención, ajustes, revisiones y reparaciones. Y mientras menos uno se preocupa de los equipos después de su compra, más costosas van a ser las reparaciones a largo plazo. Por lo tanto creemos que es imprescindible que todo el personal, incluyendo a los gerentes de la planta quienes no están directamente involucrados con aspectos técnicos de funcionamiento, tengan conocimientos básicos de como opera un sistema de frío y de que consiste.
Por lo tanto aquí vamos a presentar una descripción e imagenes de un circuito frigorífico típico para baja temperatura.
El compresor comprime el gas refrigerante. En este proceso el gas se calienta. Luego, el gas pasa por un dispositivo llamado condensador, donde el gas se enfría debido a que la temperatura del gas es mayor que la del ambiente, condensa y se convierte en líquido debido a que la temperatura del gas es mayor que la del ambiente. Luego, el refrigerante ya en forma líquida llega por una tubería al evaporador que se encuentra en la cámara donde necesitamos mantener una temperatura más baja. A la entrada al evaporador hay una válvula de expansión, al pasar por la cual el líquido se convierte de nuevo en gas y baja en este momento su temperatura. Luego, este gas pasa por el evaporador y debido a que su temperatura ahora es menor del ambiente, extrae el calor del aire. Finalmente, el gas refrigerante se devuelve al compresor donde se repite el ciclo.
En términos físicos, la unidad de frío se divide en dos bloques, bloque del compresor - condensador que se encuentra en la sala de máquinas y bloque del evaporador (con válvula de expansión) que se encuentra en la sala que queremos enfriar.
Vamos a partir con la descripción del bloque compresor - condensador

Compresor.

El compresor tiene dos líneas principales para el refrigerante, la entrada, o línea de succión, por donde el gas refrigerante entra al compresor, y la salida, o línea de descarga, por donde el gas comprimido sale del compresor. En la entrada, la presión es baja, puede variar por lo general en un rango de 1 a 2 bares. En la salida, la presión es alta, puede típicamente estar en un rango entre 10 y 16 bar. Debido a que el gas a 10 bar es más denso que a 2 bar, las tuberías de descarga (salida) son bastante más chicas que las tuberías de succión (entrada) para reducir resistencia al flujo de gas.
Vista posterior del compresor, con caja de bornes, válvula de succión, línea de succión, motor, cabezales
En esta foto se puede ver que la línea de succión entra al compresor. Uno puede cortar el flujo mediante una válvula de succión que se acciona mediante un vástago (en la foto se ve la tapa plástica de protección). Luego el refrigerante atraviesa la parte donde se encuentra el motor eléctrico y entra al compresor propiamente tal (en la parte media del equipo). Desde el armario de control llegan por un ducto flexibles cables de alimentación y cables de control que entran a la caja de bornes.
Vista frontal del compresor, con válvula de descarga, mirilla de aceite, bomba de aceite, ojal, compresor, cabezales, cárter, calefactor del cárter
En esta foto se puede ver la parte delantera del compresor. Podemos ver dos filas de cilindros del compresor en V, en total 6 cilindros, cárter donde se acumula el aceite. Uno puede revisar el nivel y la calidad de aceite a través de una mirilla de vidrio y también purgar el aceite mediante una tapa tipo perno. El aceite se recircula mediante una bomba de aceite. El gas refrigerante comprimido sale por la válvula de descarga.

Presostato.

La mayoría de los sistemas de frío se controla y se proteger mediante presostatos.
Presostato de control
Un presostato básico es simplemente un switch que puede abrirse o cerrarse dependiendo de la presión. Por lo general, tiene un contacto central y dos bornes. En reposo, el contacto está conectado a un borne y desconectado del otro. Cuando se aplica una presión suficiente para accionar el contacto, el contacto se desconecta de un borne y se conecta al otro. Esta presión de accionamiento se puede ajustar mediante un tornillo de ajuste de presión (este tornillo actúa sobre un resorte que aumenta o baja la presión del resorte contra la presión de línea). Supongamos que un presostato está ajustado a 14 bar (tal como es el caso en la foto). Cuando la presión supera este valor, el switch se cambiará. Pero si la presión baja un poco, no se desconecta de inmediato. Hay otro ajuste, la diferencial de presión. En caso de este presostato tiene un rango de 2 a 6 bar y está ajustado a 2 bar. Cuando la presión baja en dos bar, es decir llega a 12 bar, recien entonces el switch se cambiará de nuevo de posición. Este es un presostato de control, ya que se supone que se encenderá y apagará algún equipo en forma continua, según se cambia la presión.
Hay presostatos donde no queremos que el presostato se reactive en forma automática una vez que la presión baje (o sube). Estos presostatos se usan para protección contra presiones extremas. Estos son los presostatos de protección. Una vez que llegan a un valor preseteado, cortan y hay que reposicionarlos en forma manual. En un sistema típico podemos encontrar dos de estos: presostato de protección conta presión excesiva de descarga y presostato de protección contra presión baja de aceite.
Presostatos de protección, presostato combinado de alta y baja y presostato diferencial de aceite
El primero protege el sistema contra presión alta, por ejemplo, si se bloquea o se cierre la válvula de descarga, el compresor va a superar su presión de descarga máxima permitida y se dañaría. Para esto se ajusta este presostato para que corte a unos 22 bar (en caso de este sistema concreto). Si el presostato dispara, el operario debe verificar primero la razón porque se activo el presostato y luego resetearlo mediante un botón manual. En caso contrario (si fuera un presostato de control), el sistema se encendería y se apagaría en forma continua e igualmente se dañaría a la larga. En la foto se ve un presostato combinado, donde la presión baja es de control, es decir con ajuste de diferencial de presión, y la presión alta no tiene ni ajuste ni tampoco escala de diferencial de presión y uno puede solamente resetear el presostato de alta mediante el botón verde.
En caso de presostato diferencial de presión baja de aceite, el presostato viene ajustado para una cierta diferencia de la presión entre dos entradas, y si la diferencia de presión baja por debajo de cierto nivel, se dispara el presostato. En este caso, de nuevo, el operario debe confirmar primero la razón porque se corto (falta aceite, mucho refrigerante en el cárter, etc.) y solamente entonces resetear.
Vista de conexiones de presostatos del compresor, con presostato diferencial de aceite, presostato de protección de alta, presostato combinado
En esta foto se pueden observar las diferentes conexiones a los presostatos.
Vista de todos los presostato del sistema
Aquí se muestran todos los presostatos del sistema de frío. El uso de los dos presostatos para control de ventiladores se explicará adelante.

Flujo del refrigerante en la unidad compresor - condensador.

Vamos a revisar en detalle el flujo de refrigerante a través del sistema de frío y explicar las funciones de diferentes dispositivos.
Líneas en la unidad compresor - condensador
Resumen del flujo. Se muestran las líneas principales de la unidad compresor - condensador. La línea de color azul es el retorno de gas refrigerante desde el compresor. Está a baja presión (1-2 bar) y baja temperatura (-15º C). La línea de color naranja es el gas refrigerante comprimido, está a alta presión (12-16 bar) y alta temperatura (60 - 100º C). La línea de color verde el el líquido refrigerante comprimido, está a alta presión (11-15 bar) y temperatura intermedia (30-45º C).

Flujo del refrigerante en la línea de succión.

Línea de succión con filtro de succión, separador de líquido, manometro
En la entrada desde el evaporador debe haber una válvula de paso con la cual podemos aislar partes del circuito en caso de averías, fugas o para mantención preventiva.
Válvula de paso de bola en la línea de succión
Después de la válvula de paso se encuentra un filtro, filtro de succión por lo general de malla fina, cuyo propósito es prevenir que entre la suciedad al compresor.
Filtro de succión
Luego viene un separador de líquido. El objetivo principal del acumulador de líquido es prevenir que el refrigerante en forma líquida pueda entrar al compresor. Por lo general, el refrigerante en la línea de succión debe estar en forma gaseosa, pero bajo ciertas condiciones de funcionamiento, en caso de mal ajuste o falla en la válvula de evaporación, el refrigerante puede llegar en forma de líquido, lo que ocasionaría inevitablemente un golpe hidráulico y falla mecánica total del compresor (líquido, a diferencia de gas, no es comprimible, y por lo tanto cuando un pistón trataría comprimirlo, hará un golpe fuerte contra el cabezal que destrozará el cabezal o la biela o las dos). El separador de líquido es simplemente un estanque con una tubería de entrada y otra tubería de salida. Esta tubería tiene su toma en la parte alta del estanque de tal forma que mientras el acumulador no está 100 % lleno, la tubería succionaría solamente el gas, no el líquido.
Separador de líquido en funcionamiento
En la tubería de succión está puesto un manómetro para indicar la presión de succión y también hay una tubería para conectar un presóstato de baja.
Manometro de baja
Un detalle interesante de los manometros a saber que se ocupan en la refrigeración. Tienen varias escalas, por lo general en bar y psi, pero también en las temperaturas que corresponden a la temperatura de saturación (o temperatura a la cual hierve un refrigerante). Por ejemplo, en la foto se muestra el manómetro con indicación de 4 bar o 60 psi (escala negra). La escala roja es la escala para refrigerante R404. Muestra -5º C. Esto significa que el refrigerante R404 a la presión que está en la tubería estaría a la temperatura de saturación de -5º C. Si moderamos la temperatura en la tubería, y ésta arrojaría un valor de 0º C, esto significaría que la tubería lleva refrigerante en forma de gas sobrecalentado por 5 grados K. En cambio, si medieramos -12º C, esto significaría que el refrigerante se encuentra en estado líquido y está subenfriado por 7º K. Si la temperatura medida fuera de -5º, esto significaría que el refrigerante se encuentra en una fase de transición entre gas y líquido. En la línea de succión el refrigerante debe ser en forma de gas, y por seguridad, este gas debe estar sobrecalentado por unos 5 a 10º K. En caso contrario se corre el riesgo de que entre en forma de líquido al compresor y produciría un golpe hidráulico.
Luego la línea de succión pasa por un flexible o antivibrador cuyo objetivo es reducir las vibraciones generadas por el motor y el compresor. Estas vibraciones pueden debilitar a la larga las soldaduras de las uniones de las tuberías.

Flujo del refrigerante en la línea de descarga.

En la salida del compresor (descarga) también hay conexión para una tubería para un presóstato de alta. La línea de descarga pasa por un antivibrador, está equipada con un manómetro de alta y luego entra al separador de aceite.
Línea de descarga con manometro y separador de aceite
El separador de aceite tiene por objetivo separar el aceite del refrigerante gaseoso y enviarlo de regreso al compresor por una tubería delgada que entra en la línea de succión.
La línea de descarga sale del separador de aceite, pasa por una válvula de bola de paso y va a los condensadores. Un condensador es simplemente un radiador con varios ventiladores eléctricos, muy parecido a un radiador de un vehículo. El refrigerante entra en forma gaseosa al condensador, luego pasa por tuberías delgadas donde se enfría por un flujo forzado de aire (en caso de esta sistema concreto de 4 ventiladores) y se condensa y sale como líquido del condensador. Después entra al acumulador del líquido.
Condensadores

Flujo del refrigerante en la línea de líquido.

Acumulador del líquido
Acumulador de líquido está dimensionado de tal forma que puede acumular todo o casi todo el refrigerante del sistema. Es un estanque, en este caso de 60 l, con dos llaves, uno en la entrada y otro en la salida.
Llave del acumulador del líquido
Detalle de la llave en la salida del acumulador del líquido.
Línea de líquido
La línea de líquido sale del acumulador, baja a un filtro de humedad que extrae humedad del refrigerante, luego pasa por un visor de líquido. Este visor permite ver el estado del sistema, es decir, si se se observan burbujas, puede indicarnos si hay una fuga en el sistema, o funcionamiento irregular (por ejemplo, presión demasiado baja). Además, posee un indicador de humedad, un elemento que cambia de color dependiendo si hay o no hay humedad en el sistema.
Línea de líquido
Visor de líquido. El color amarillo del centro indica que hay humedad en este sistema.

Evaporador y válvula de expansión.

La línea de líquido lleva el refrigerante en forma líquida hacia el evaporador. En la línea se coloca una válvula solenoide. Esta válvula está operada por el controlador. Cuando se abre, el refrigerante puede seguir por el circuito hasta la entrada a la válvula de expansión.

Válvula de expansión.

En términos simples, se puede pensar de una válvula de expansión como un orificio a través del cual pasa el refrigerante líquido y se convierte en gas durante el trayecto por el evaporador y se enfría en este proceso. Al pasar por el evaporador, el refrigerante en forma de vapor aumenta la temperatura debido a que está a una temperatura menor que la del ambiente de la cámara o túnel.
Si la apertura o el diámetro de este orificio es demasiado grande, entonces el refrigerante no alcanza a convertirse completamente en gas en el evaporador, y puede inundar el evaporador. Una vez que el refrigerante líquido llega al compresor, puede producir daño mecánico severo (golpe hidráulico).
Si la apertura de este orificio es demasiado chico, entonces la cantidad de refrigerante que puede pasar es demasiado pequeña y el sistema no tendrá un rendimiento óptimo.
Para controlar la apertura de este orificio se usan las válvulas de expansión termostática (VET).
Válvula de expansión térmica
En esta foto se puede observar la válvula de expansión termostática con compensación de presión, las conexiones de línea de líquido y succión y el evaporador durante funcionamiento. Se nota claramente el punto a partir del cual baja fuertemente la temperatura de la línea (hielo blanco). A la entrada de la válvula la temperatura del líquido puede oscilar en el rango de 25 - 45º C, pero inmediatamente detrás la temperatura baja hasta -30º o menos.
VáLínea de líquido
Vista general de una válvula de expansión termostática típica.
La VET consiste de un cuerpo de válvula en el cual se encuentra un orificio. Este orificio puede abrirse o cerrarse mediante un vástago (es una pieza interna y no se puede ver en la foto). Este vástago está accionado mediante un diafragma (en la parte superior de la válvula) que aumenta la fuerza sobre el vástago (al igual que un servo del sistema de frenos de un vehículo). La diafragma está conectada mediante un tubo capilar a un bulbo. El bulbo contiene un compuesto (puede ser líquido o gas, dependiendo de tipo de válvula) que se expande cuando el bulbo se calienta. La válvula funciona de modo siguiente: cuando empieza el funcionamiento del sistema, la línea de succión y el bulbo están a una cierta temperatura y la válvula está abierta. Una vez que empieza a funcionar el compresor, empieza a llegar el refrigerante, pasa a través de la válvula y atraviesa el evaporador. Debido a que la válvula está abierta, el refrigerante llega en forma líquida y a una temperatura mucho más fría a la salida. Con esto obviamente se enfría la tubería de succión y el bulbo. El compuesto en el bulbo se contrae y a través del tubo capilar reduce la presión en la diafragma. Esto cierra el paso del refrigerante en la válvula. Cuando la temperatura en la línea de succión aumenta, la válvula de nuevo empezará a abrirse.
VáLínea de líquido
Misma válvula vista de otro lado. Se ve la conexión entre el bulbo y el diafragma.

Evaporador

Evaporador, vista de lado
El evaporador consiste de un sistema de tuberías que pasan a todo largo del evaporador. Están conectadas a las aletas, las que aseguran el intercambio de calor. Este evaporador tiene seis filas de tuberías y el refrigerante tiene que atravesar seis veces todo el largo del evaporador, dando vueltas en los Us que están visibles. Luego el refrigerante se recolecta en el ducto colector y sale a la línea de succión.
Detalle de los ductos del evaporador
En la foto se puede observar el ducto principal que va desde la válvula de expansión. Luego, de este ducto principal salen ductos de reparto se conectan con los ductos del evaporador que atraviesan todo el largo del evaporador.
Evaporador y válvula de expansión térmica
Otro detalle son los calefactores. Debido a que hay humedad en el aire de la cámara, esta humedad se condensa en las aletas y con tiempo puede taparlas por completo. Esto hace necesario efectuar deshielos períodicos. Para el deshielo se ocupan diferentes sistemas, puede inyectarse gas caliente al evaporador o puede calentarse mediante resistencias. En la foto se puede observar las líneas de calefactores interconectadas por los cables y una línea en la parte inferior para la calefacción de la bandeja.
Evaporador y válvula de expansión térmica
Finalmente, en la foto general se pueden observar los ventiladores que soplan el aire a través de las aletas y tubos del evaporador y que aseguran buen intercambio de calor entre el refrigerante y el aire por un lado, y entre el aire y los productos, por otro lado. El alcance de los ventiladores de este evaporador es de 14 metros, es decir, la sala puede tener hasta 14 metros de largo sin que se reduzca significativamente el flujo de aire y por consiguiente la eficacia del sistema.