Funcionamiento de un evaporador en un sistema de refrigeración de cámaras frigoríficas
Introducción
El aire de la cámara frigorífica actúa como elemento transmisor del calor y de la humedad entre el género almacenado y el evaporador.El evaporador de un circuito frigorífico absorbe calor del aire, provocando la evaporación del refrigerante que circula por su interior, a la vez que se enfría el aire que circula externamente a su través.
Una curva de estado es una serie de puntos de la carta o diagrama psicrométrico, que representan los estados del aire al pasar por el serpentín del evaporador. A primera vista, puede parecer que la curva de estado sería la curva 1-2-3 en la figura de más abajo. El aire entra al evaporador con las condiciones del punto 1, la temperatura entonces comienza a caer, manteniendo constante la humedad. Este proceso sigue hasta llegar al punto 2, momento en el que el aire ha llegado a la saturación y no puede contener más agua. Desde 2 a 3, el estado del aire sigue a lo largo de la línea de saturación, perdiendo agua, hasta que sale del serpentín. Sin embargo, realmente no tiene lugar la trayectoria 1-2-3, debido a la película de aire que se mueve lentamente y que se adhiere a la superficie del evaporador.
Si la superficie del serpentín está a una temperatura uniforme, que es igual o menor que el punto de rocío del aire a la entrada, la curva de estado es la línea recta que une el estado del aire a la entrada, punto 1, con un punto sobre la línea de saturación a la temperatura de la superficie mojada, punto s. En un serpentín real, la temperatura de la superficie no es uniforme , pero el estudio basado en la suposición de que lo es sirve para explicar su funcionamiento.
La observación del proceso de enfriamiento en el diagrama psicrométrico pone de manifiesto que en el aire se produce, por una parte, una disminución de la humedad absoluta, siendo, por tanto, necesario que parte del vapor de agua que contiene se condense; por el contrario, la humedad relativa del aire a la salida es superior que la del aire a la entrada. Estos dos efectos, que podrían parecer contradictorios, no lo son, puesto que aunque es cierto que se produce una pérdida de agua en valor absoluto, la humedad relativa aumenta porque al ser inferior la temperatura de salida, también lo es la capacidad del aire para contener vapor de agua.
Deben tenerse en cuenta dos tipos de fenómenos: aquél en que solamente hay condensación que se evacúa naturalmente por gravedad y el que presenta la subsiguiente solidificación de la parte condensada que permanece adherida a las paredes. En todos los casos, la secuencia de los fenómenos físicos es la misma.
Estudio del fenómeno ideal
Consistiría en un intercambio de calor por enfriamiento de un gas húmedo mediante una superficie sólida en la que se mantiene constante la temperatura con valores inferiores a los de puntos de rocío del gas. Se forma una capa de condensado (rocío en el caso del aire húmedo) sobre la pared fría y el intercambio de calor se conforma con una parte de calor sensible y otra de calor latente. Si solo se considera el calor sensible intercambiado, puede escribirse:
y también:
siendo h el coeficiente de convección, S la superficie, Δtm la diferencia de temperaturas entre la superficie y el gas, m el gasto másico de gas y Δθ la diferencia de temperatura de enfriamiento, Δtm y Δθ se vinculan por la ecuación
Sustituyendo entre las ecuaciones anteriores, se obtiene:
La siguiente figura representa sobre un diagrama de gas húmedo el fenómeno de enfriamiento, partiendo del punto A y terminando en B, en presencia de la superficie fría a la temperatura C.
La relación entre los segmentos CB y AC representa la inversa de la última expresión. Esta relación se denomina coeficiente de by-pass de la superficie, ya que desde el punto de vista del calor sensible, todo ocurre como si en B se recuperase una mezcla de dos corrientes gaseosas, una proporcional al segmento CB que pasará sobre la superficie sin ser afectada, permaneciendo en el estado representado por el punto A y la otra proporcional al segmento AB, que llega al estado de saturación representado por el punto C.
Fenómeno real
El proceso real difiere del ideal por varias razones, entre ellas dos principales: en primer lugar, la temperatura de la superficie fría nunca es constante, tanto en el tiempo como en el espacio. Por otra parte, las superficies frías utilizadas en la práctica son provistas de aletas de espesor constate y la temperatura de las superficies de las aletas difieren de la de la pared del tubo y además varían de la periferia a la base. El perfil de temperaturas depende del valor del coeficiente de convección. De donde, si hay condensación el coeficiente de convección experimenta un considerable cambio y puede ocurrir que toda la superficie de la aleta (hacia la periferia, más caliente) no sea lugar de condensación.Puede apreciarse la complejidad de este proceso. Es necesario definir por medio de la experimentación y para cada forma geométrica de batería una temperatura media equivalente de la superficie fría, que en realidad será deducida del estado del gas húmedo a la salida de la batería.
El conocimiento del coeficiente de by-pass es necesario para calcular con precisión los problemas delicados que implica el secado, pero también es conveniente para tratar las cuestiones no tan complejas de las instalaciones frigoríficas corrientes. En efecto, el porcentaje de calor latente viene dado por la pendiente de la evolución del estado del aire al pasar de A a B. El punto A es conocido y sólo existe un punto B que pueda resolver el problema si es que se ha fijado el flujo de aire. Ahora bien, para llevar el punto B al estado deseado, debe saberse determinar, a la vez, el punto C (temperatura equivalente de la superficie fría) y el coeficiente de by-pass.
Determinación del coeficiente de by-pass
Viene dado por: BP=Flujo de aire que no contacta con los tubos / Flujo total de aire
Muy frecuentemente se busca tener un valor de BP lo más reducido posible, para que a igualdad de otras condiciones, se disminuya el caudal de aire y el costo operativo y por otra parte, la carga frigorífica. El coeficiente disminuirá cuando:
-h aumente, es decir, que los intercambios sean más intensos.
-S sea elevada, ya que así se intensifica y prolonga el contacto.
-m cp disminuya, es decir, que la carga térmica sea reducida.
Un valor elevado de S puede obtenerse ya sea utilizando una separación de aletas pequeña o, si la separación está limitada por cualquier razón, aumentando el número de tubos en serie sobe el flujo de aire.
En una batería real, la evolución del estado del aire de A a B no sigue una línea recta sino una curva, como se muestra en la línea punteada de la figura. El trazado real depende de numerosos factores, muy difíciles de analizar, pero su conocimiento no es de gran interés para nuestros fines.
Sólo los ensayos pueden suministrar valores absolutamente seguros de rendimientos de las baterías.
Condensaciones
La condensación se presenta aun cuando la mayor parte del aire no esté saturado. Siempre se condensa alguna humedad aun a la entrada del serpentín.Si se trabaja con temperaturas negativas de evaporación, el condensado se congela y se deposita sobre la batería en forma de escarcha.
Cuando la temperatura ambiente desciende a +1 ºC o menos, debe recurrirse a intervenciones de distintos tipos para eliminar la escarcha, cuya acumulación es perjudicial para la economía del funcionamiento de las instalaciones. La práctica usual con el descarchado automático consiste en adoptar separaciones entre aletas de 6 a 10 mm. El espesor de la escarcha crece con el tiempo según una forma vagamente hiperbólica, muy rápidamente al principio, estabilizándose luego, lo que se traduce en una disminución en el tiempo, del porcentaje de calor latente absorbido. La situación es bastante compleja, puesto que la experiencia ha demostrado que la escarcha, según la velocidad de formación principalmente, posee una conductibilidad aparente muy variable.
La cantidad de agua que se recoge en el evaporador proviene, por una parte, del producto y, por otra, de las infiltraciones del aire procedente del exterior que se haya introducido en la cámara.
En el proceso de conservación primeramente, el producto debe equilibrarse con el aire de la cámara, lo que afectará a la cantidad de agua que va a evaporarse y, en segundo lugar, el aire de la cámara debe equilibrarse en una nueva situación a su paso por el evaporador del circuito frigorífico, cediendo una cantidad de agua y, por tanto, secándose de nuevo.
El proceso de evaporación a nivel macroscópico es el siguiente: consideremos el aire a una cierta temperatura, con una humedad relativa y tensión de vapor bajas, en contacto con un producto, en cuya superficie, la tensión de vapor será alta. Dada esta diferencia de presiones, el aire absorbe agua del producto, tendiendo, así, a disminuir el mencionado salto de tensiones de vapor.
Si este aire estuviera en reposo, es decir, no hubiera circulación, la evaporación de agua del producto finalizaría cuando se alcanzara el equilibrio y el proceso de pérdida de peso, a la vez que la disminución de calidad por evaporación del agua, concluirían.
Cuando la refrigeración es por evaporador de convección natural (sin ventilador), el aire que rodea el género llega rápidamente al punto de equilibrio; no obstante, existe un ligera circulación que, junto con la difusión del vapor de agua en el aire, hace que se vaya eliminando agua de forma continua, produciéndose escarcha en el evaporador.
Si en la cámara existe un sistema de circulación del aire, este aire, ya húmedo, es desplazado de su lugar enviado hacia el evaporador, y sustituido a su vez por otro aire más seco que continuará el proceso.
En definitiva, el proceso de enfriamiento afecta al funcionamiento de la cámara en dos vertientes:
a) En primer lugar, será motivo de la formación de hielo en el evaporador (cuando la temperatura de evaporación sea negativa); con ello provocará una disminución de su eficacia con el tiempo (el hielo es un buen aislante térmico), y obligará, por consiguiente, a efectuar un desescarche cuando la situación lo exija.
b) En segundo lugar, el aire más seco (en valor absoluto) estará más ávido de agua una vez en contacto con el género y provocará una mayor evaporación del agua del producto (secado), con los consiguientes problemas, de pérdida de calidad y de peso.
Humidificadores
Ha quedado claro el interés de mantener una humedad relativa elevada en el interior de la cámara. Esto puede conseguirse mediante la incorporación de un humidificador.Un nivel higrométrico mayor supone que en el evaporador se producirá una condensación de vapor más acusada. No nos debe importar que en el evaporador se pierda una gran cantidad de agua, siempre que está no proceda del producto.
Si a una cámara frigorífica le instalamos un humidificador que nos mantenga la humedad de la cámara más alta, la cantidad de agua que quede retenida en el evaporador será mayor; sin embargo, este agua no será debida únicamente al género, sino que fundamentalmente, será aportada por el humidificador, con lo que, las pérdidas de peso en el producto disminuirán, tal como ya se ha puesto de manifiesto.
Circulación de aire dentro de la cámara frigorífica
Debe existir circulación de aire dentro de la cámara, ya que es el medio a través del cual se absorbe calor del género. Además el aire estancado conduce a la formación de mohos y bacterias. Sin embargo, no conviene exagerar esta circulación; como datos orientativos podemos dar las siguientes velocidades para el caso de evaporación de aire forzado:90 metros/minuto para almacenamiento corto (10 días)
150 metros/minuto para almacenamientos aún mas cortos
60 metros/minuto para almacenamientos de varias semanas
A veces es difícil medir la velocidad. En este caso, la experiencia ha demostrado que es satisfactorio que se produzca un movimiento de aire de 1,5 ó 2 veces del volumen de la cámara por minuto.
Para humedades relativas elevadas, puede aceptarse una velocidad del aire más alta que si el aire estuviese seco.
Por otra parte, es necesario recordar que a mayor velocidad del aire que circula por el evaporador, se produce una mayor capacidad del mismo.
Enlaces de interés:
ENLACES RELACIONADOS:
- Diagrama Psicrométrico Online
- Psicrometría y refrigeración.
