Evaporadores,en refrigeración. (parte IX)

Evaporadores, clasificaciones 
Clasificación de los Evaporadores :
Los evaporadores son unos intercambia dores de calor en los que tiene lugar la evaporación del fluido frigorígeno sustrayendo calor del espacio que queremos que se enfríe. Están constituidos por un haz de tuberías en las que se evapora el fluido frigorígeno extrayendo calor de los alrededores, que es en esencia el fenómeno de producción de frío, o potencia frigorífica, que se desea conseguir.

El evaporador consiste en un recipiente metálico, (carcasa), al que llega el fluido frigorígeno procedente de la válvula de estrangulamiento, parcialmente vaporizado, produciéndose en el mismo la ebullición de la parte licuada, a baja presión, lo que origina la extracción de calor del medio que le rodea, es decir, de la cámara frigorífica.
Al final del proceso de vaporización de las últimas gotas de líquido, se produce vapor saturado seco.
La temperatura de este vapor puede aumentar, produciéndose un recalentamiento a expensas del calor extraído al medio exterior, e incluso del propio rozamiento del vapor a su paso por el evaporador.
Los evaporadores pueden ser de tipos variados, ya que la técnica del frío industrial abarca una muy amplia gama de aplicaciones, al tiempo que deben acomodarse a diferentes condiciones de trabajo que dependen, sobre todo de las temperaturas y del grado de humedad, del vapor a la entrada del evaporador.

En función de los diferentes requisitos de las distintas aplicaciones, los evaporadores se fabrican con una amplia variedad de criterios, tipos, formas, tamaños y materiales, pudiéndose clasificar en la siguiente forma, según:
– El tipo de funcionamiento
– El tipo de construcción
– La fase a enfriar

Clasificación de los evaporadores según el funcionamiento:
a) Evaporadores de expansión seca
b) Evaporadores inundados

a) Evaporadores de expansión seca.-

En los evaporadores de expansión seca, la alimentación del fluido frigorígeno se realiza mediante un dispositivo de expansión de forma que el líquido se evapora totalmente a lo largo del evaporador del cual sale, generalmente, con un ligero sobrecalentamiento; el líquido frigorígeno está en la proporción estrictamente necesaria, para formar un vapor saturado seco, que va a proporcionar un buen funcionamiento en el compresor.

La válvula de laminación controla el ritmo de admisión del fluido frigorígeno en el evaporador de tal forma que todo el líquido se evapora a lo largo de la longitud del evaporador, del cual puede salir en forma de vapor saturado seco, o como ocurre generalmente, en forma de vapor recalentado.

Fig 2.- Evaporador de expansión seca

En el evaporador de expansión seca la cantidad de fluido frigorígeno líquido varía con la carga térmica; cuando la carga es pequeña, la cantidad de líquido en el evaporador será pequeña; al aumentar la carga, el líquido en el evaporador aumentará para ser capaz de absorber con su evaporación la mayor carga térmica. En el evaporador de expansión seca la eficiencia de transmisión de calor es máxima cuando la carga sea mayor al corresponder esta situación a una mayor superficie interna mojada por el fluido frigorígeno líquido.

La ventaja fundamental de los evaporadores de expansión seca es la mayor facilidad de arrastre del aceite que llega hasta él. Sin embargo necesitan mayores superficies de intercambio y la pérdida de carga al circular por ellos mayor cantidad de fluido frigorígeno es más importante que en los inundados.Con este tipo de evaporadores, en el caso de utilizar refrigerantes no miscibles con el aceite, ó no miscibles en las condiciones del evaporador, deben utilizarse separadores y otros accesorios que aseguren el retorno de aceite al compresor.

 Evaporadores inundados.-

En los evaporadores inundados, su interior se encuentra siempre  completamente lleno de fluido frigorígeno líquido, regulándose la alimentación del mismo mediante una válvula de flotador, que mantiene constante el nivel de líquido en el evaporador; son una variante
del modelo anterior, pero con una expansión del líquido frigorígeno más rápida y uniforme, mediante tubos unidos en derivación a unos colectores de distribución.

Los evaporadores inundados están constituidos por una serie de tubos conectados por un extremo a otro tubo de diámetro mayor, por el que entra el líquido frigorígeno, y por el otro extremo se unen a otro tubo, también de diámetro mayor que el anterior, a través del cual se efectúa de forma homogénea la aspiración del fluido frigorígeno vaporizado, por el compresor. Para que la distribución de líquido
frigorígeno sea uniforme, es necesario que los evaporadores de este tipo se instalen bien nivelados; se suele dotar a los tubos de aletas de refrigeración para mejorar las condiciones de funcionamiento.
Como se aprecia en la Fig 3, el fluido frigorígeno líquido llena completamente el evaporador inundado asegurando la válvula de laminación de flotador el nivel del líquido suficiente para ello. El fluido frigorígeno líquido que llena el evaporador, como consecuencia del calentamiento procedente del exterior, se evapora y el vapor en forma de burbujas asciende por los tubos hasta el depósito alimentador.

El objeto de este depósito es separar el líquido del vapor devolviendo el líquido al evaporador y enviando el vapor saturado seco al compresor; además, el depósito alimentador separa también el vapor que se produce en la válvula de laminación de tal forma que este vapor no circula por el evaporador dirigiéndose directamente al compresor.

Las principales ventajas de los evaporadores inundados son:
– Ritmo elevado de transmisión de calor
– Circulación de menor caudal de fluido frigorígeno por el evaporador
– Aspiración por el compresor de vapor saturado
En efecto la superficie interna del evaporador siempre está en contacto con el fluido frigorígeno líquido lo cual produce una mejora en la transmisión de calor. Además al no circular por el evaporador el vapor producido en la laminación, el caudal de fluido frigorígeno que circula es más pequeño reduciéndose las pérdidas por rozamiento. Por otra parte con este tipo de evaporador queda asegurado que
el compresor aspira siempre vapor saturado.
Las desventajas fundamentales son:
– Carga de fluido frigorígeno elevada en el circuito
– Dificultades de retorno de aceite al compresor
– Elemento de alimentación voluminoso

Al estar todo el evaporador lleno de líquido y ser necesario un depósito alimentador lleno, también de líquido, la cantidad de fluido frigorígeno necesaria en el circuito aumenta.

Debido a la constitución del evaporador inundado el aceite de lubricación que a él llega tendrá gran dificultad en salir debido a
la baja velocidad del fluido frigorígeno aún en el caso de tratarse de refrigerantes miscibles con el aceite. Cuando ésto sucede, el aceite forma una película dentro del evaporador que reduce la capacidad de transmisión del calor y puede dar lugar a una disminución de la cantidad de aceite en el cárter del compresor por debajo de la necesaria para su correcta lubricación.

Para evitar dichos problemas se suele instalar un separador de aceite en la línea de descarga entre el compresor y el condensador.

CLASIFICACIÓN DE LOS EVAPORADORES SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN:

a) De tubo liso
b) De placa
c) De aletas

a) Evaporadores de tubo liso.- Los evaporadores de tubo liso están constituidos por un tubo, al que se da la forma que resulte más práctica, (zigzag abierto o cerrado, forma oblonga, etc.), y van colocados indistintamente tanto en el techo como en las paredes,  se utilizan en aquellas aplicaciones donde sea fundamental la limpieza, el fácil desescarche y el enfriamiento de líquidos por debajo
de 1ºC ya que en estos casos no queda afectada la capacidad del evaporador por la formación de escarcha sobre su superficie.

Los materiales más empleados para la fabricación de los evaporadores de tubo liso o desnudo son el acero y el cobre; el tubo de acero se utiliza en el caso de evaporadores grandes por motivos económicos y para evaporadores que se utilizan con amoniaco como fluido frigorígeno. Los de tubería de cobre se utilizan en evaporadores pequeños y nunca con amoníaco por atacar este fluido frigorígeno al cobre
en presencia de humedad.

Evaporadores de tubo desnudo
b) Evaporadores de placas.-

Son de dos tipos:
– De chapas estampadas
– De tubo entre chapas

El evaporador de tubos circulares entre placas estampadas, está formado por una tubería plana, normalmente en zigzag, embutida entre
dos chapas metálicas soldadas entre sí en los extremos.
Si el espacio entre la tubería y las chapas se llena de una solución eutéctica permite una capacidad de reserva. Este tipo de evaporador, con
solución eutéctica, se utiliza en aplicaciones de carga momentáneamente grandes, puesto que la reserva de capacidad almacenada en la solución permite la utilización de un equipo de menor capacidad con un ahorro de inversión y de costo operativo.
Los evaporadores de placa de chapas son una variante del tipo de placa de tubo, y consisten en dos placas metálicas acanaladas, unidas mediante soldadura, a las que se da la forma más conveniente para que por las mismas circule el fluido frigorígeno, conformando así una estructura interior de tubos en los que se produce la vaporización del líquido frigorígeno.
Este sistema es muy utilizado en frigoríficos domésticos, conformando el congelador; también se usa el formado por placas de mayor tamaño en armarios conservadores o en expositores industriales, formando el propio armario de almacenamiento.

c) Evaporadores de sistema seco de tubos y aletas.-

Los evaporadores de sistema seco de tubos y aletas, son sistemas generalmente utilizados en el enfriamiento de armarios, cámaras y muebles.
Los tubos son de cobre y se les da forma de horquilla o zigzag, acoplándolas unas aletas, generalmente de aluminio, de formas y tamaños muy variados, que proporcionen una buena conductividad térmica entre ellos y que dependerán de las condiciones en que vayan a trabajar; las aletas deberán tener una separación adecuada que facilite la circulación del aire entre las mismas e impida la formación de escarcha, que actuaría como un aislante térmico.

Los evaporadores de aletas, se emplean en aquellos casos en que se dispone de poco espacio. En ese caso la adición de aletas al tubo desnudo aumenta la superficie efectiva total del evaporador lo que da lugar a un aumento del calor transmitido por unidad de longitud del tubo. Las aletas en el exterior de los tubos aumenta el intercambio térmico en evaporadores de enfriamiento de gases por lo que los
evaporadores con aletas son frecuentes en enfriamiento de aire.
En el caso de enfriamiento de líquido no es conveniente la utilización de evaporadores con aletas exteriores. Únicamente en casos en que la velocidad del líquido sea muy grande, en el exterior del evaporador es conveniente la utilización de aletas en el interior de los tubos que conducen el fluido frigorígeno, fundamentalmente en el caso de operar con refrigerantes halogenados de bajo coeficiente de película.

Los evaporadores de aletas son muy sensibles a la suciedad que se acumula en forma de polvo y pelusa del aire adhiriéndose a las superficies externas húmedas lo cual produce una rápida disminución de la velocidad de transmisión de calor.

Los evaporadores de aire en convección forzada, son muy utilizados, y presentan grandes ventajas debido a su reducido tamaño, forma compacta, fácil instalación, temperatura uniforme y una regulación del grado de humedad relativa, que se consigue mediante la inclinación de las palas del ventilador, colocación de persianas regulables a la salida del aire, o variando la velocidad del motor que acciona el compresor.

CLASIFICACIÓN DE LOS EVAPORADORES SEGÚN LA FASE EN QUE SE ENCUENTRA  LA  MATERIA  A  ENFRIAR

a) Para enfriamiento de sólidos
b) Para enfriamiento de gases
c) Para enfriamiento de líquidos
a) Evaporadores para enfriamiento de sólidos.-

a) Evaporadores para enfriamiento de sólidos.-En el enfriamiento de sólidos únicamente se emplean evaporadores de placas que toman el calor de la materia a enfriar por conducción. La razón de emplear este tipo de evaporadores es que se prestan bien a modelar su forma, en concordancia con la de la superficie exterior del objeto a enfriar, aumentando al máximo el contacto entre ambos y evitando en lo posible la formación de zonas de superficies separadas que disminuyen el intercambio térmico entre el material a enfriar y el fluido frigorígeno.

b) Evaporadores para enfriamiento de gases.- La aplicación más importante de los evaporadores de este tipo es el enfriamiento del aire en cámaras frigoríficas y en climatización.
Existen dos subtipos fundamentales:
– De convección natural
– De convección forzadal

– Evaporadores de convección natural.- Se utilizan en refrigeradores domésticos, vitrinas de exposición de productos refrigerados, cuartos de almacenamientos grandes, y en general en aquellas aplicaciones en que se desean bajas velocidades del aire y una deshidratación mínima del producto, se ve muy influenciada por la forma tamaño y localización del evaporador. En evaporadores pequeños se usan frecuentemente deflectores para asegurar una buena circulación del aire. El aislamiento se coloca para evitar condensaciones que goteen sobre el producto almacenado.
– Evaporadores de convección forzada.- Están formados por tubos aleteados, dentro de una cámara
metálica y con uno o varios ventiladores para conseguir una circulación forzada del aire. La formación de escarcha reduce la capacidad de un evaporador de convección forzada por lo cual, cuando el aire se enfríe por debajo de 1ºC se debe emplear un sistema de desescarche automático.

c) Evaporadores para enfriamiento de líquidos.- Existen una serie de evaporadores para enfriamiento de líquidos, como:
– De doble tubo
– Baudelot
– De tanque
– De carcasa y serpentín
– De carcasa y tubos
– De atomizador
– Evaporador de doble tubo.- Consiste en dos tubos concéntricos; el fluido frigorígeno circula por el espacio entre los dos tubos, y el líquido a enfriar por el tubo interior en contra corriente. Este tipo de evaporador, que puede ser inundado o de expansión seca,
permite una transferencia de calor elevada y se utiliza en las industrias vinícola y cervecera, en unidades enfriadoras de agua compactas comerciales de pequeña capacidad, etc.
– Enfriador Baudelot.- Puede funcionar inundado o en expansión seca; consiste en una serie de tubos horizontales colocados uno debajo de otro, por cuyo interior circula el fluido frigorígeno y por el exterior circula, por gravedad, el líquido a enfriar formando una delgada película, cayendo desde la superficie del tubo superior hasta el inferior donde se recoge en un canal colector. Este tipo de enfriador es ideal para las aplicaciones en que la aireación del líquido a enfriar sea un factor importante,  tiene la ventaja de obtener temperaturas próximas al punto de congelación, sin peligro de dañar el evaporador en el caso de una congelación imprevista. Se utiliza para el enfriamiento de leche, vino, caldo de cerveza, y agua carbónica en plantas embotelladoras.

– Enfriador de tanque.- El enfriador de tanque consiste en un serpentín de fluido frigorígeno de tubo desnudo, instalado dentro de un gran tanque que contiene el líquido a enfriar. Hay que observar que el serpentín está separado por un medio deflector de la masa principal del líquido, circulando éste a través del serpentín movido por un agitador motorizado.
Este enfriador se utiliza en aquellos casos en que la sanidad no sea un factor importante, en las aplicaciones de grandes y frecuentes
fluctuaciones de la carga, dada su gran inercia, y en las aplicaciones en que el líquido entra en el enfriador a temperaturas relativamente
altas. Se emplea mucho para enfriamiento de agua, salmuera y otras líquidos refrigerantes secundarios.

– Enfriador de carcasa y serpentín.- Está formado por uno o más serpentines encerrados en una carcasa de acero, pudiendo funcionar de dos formas:

a) El fluido frigorígeno pasa en expansión seca por el serpentín y el líquido a enfriar circula por la carcasa, teniendo este sistema la ventaja de su inercia térmica
b) Se utiliza con el fluido frigorígeno en la carcasa, en régimen inundado,  y el líquido a enfriar en el serpentín; a este tipo se le denomina enfriador instantáneo de líquidos; no se puede utilizar en aplicaciones donde se requieran enfriamientos por debajo de los 3,5ºC, ante el peligro de grave deterioro en el caso de congelación.

– Evaporador para enfriamiento de líquidos de carcasa y tubos.- Es el tipo que más se utiliza, por :

Tener una eficiencia alta
Requerir poco espacio
Su facilidad de mantenimiento
Su adaptabilidad a casi todas las aplicaciones de enfriamiento de líquidos

Consiste en una carcasa cilíndrica de acero en cuyo interior se disponen tubos rectos horizontales paralelos sujetos en su lugar en los extremos por placas perforadas.

– Evaporador atomizador.- Tiene una construcción similar al de carcasa y tubos, con la diferencia de existir sobre los tubos superiores unas boquillas de atomización que lanzan refrigerante líquido sobre los tubos, por cuyo interior circula el fluido frigorígeno a enfriar, del cual la fracción no evaporada se recoge en la parte inferior del enfriador, desde donde es bombeada de nuevo a las boquillas.
Las ventajas de este tipo de enfriador son:
su elevada eficacia
la baja carga de fluido frigorígeno necesaria

Sus desventajas son:
la necesidad de una bomba de re-circulación de líquido frigorígeno y su alto costo.