Evaporadores

Evaporador

Un evaporador es un intercambiador de calor entre fluidos, de modo que mientras uno de ellos se enfría, disminuyendo su temperatura, el otro se calienta aumentando su temperatura, pasando de su estado líquido original a estado vapor (cabiendo la posibilidad de un calentamiento ulterior, con lo que se dice que alcanza el estado de vapor sobrecalentado). A fin de cuentas un evaporador, es un cambiador de calor más complejo, en el que además de producirse el cambio de fase pueden darse otros fenómenos asociados a la concentración de la disolución, como la formación de sólidos, la descomposición de sustancias, ...

Los evaporadores se fabrican en muy diversos tamaños y con distintas disposiciones, siendo profusamente empleados en gran cantidad de procesos térmicos.

Los evaporadores, deben funcionar siempre a vacio parcial, pues esta medida reduce la temperatura de ebullición en la cámara de evaporación.

Otro punto a tener en cuenta es que cuando se procede a la instalación de cascadas de etapas en serie, estas deben de ir en vacio sucesivo, es decir en la cámara de cada evaporador debe haber siempre menos presión que en el anterior, y en el primero de ellos siempre menos de la atmosférica. De no ser así la evaporación no tendría efecto.

Componentes básicos de un evaporador

La operación en un evaporador puede ser:

A) Intermitente. Las operaciones de llenado, evaporación y vaciado se ejecutan es pasos sucesivos.

B) semi-intermitente. La alimentación se lleva a cabo en forma continua, pero la descarga se efectúa hasta que alcanza la concentración final.

C) Continua-intermitente. La alimentación es continua y, en ciertas partes del ciclo, las descarga también es continua.

D) Continua. La alimentación y descarga son continuas, permaneciendo la concentración de la alimentación y del producto prácticamente constante.

Con objeto de ahorrar energía se tienen diferentes arreglos de los evaporadores:

A) Recompresión de Vapor.- Mecánica- Por eyección de vapor

B) Bomba calorimétrica con fluido auxiliar.

C) Múltiple efecto- Alimentación hacia adelante- Alimentación hacia atrás- Alimentación en paralelo- Alimentación mixta

Tipos de evaporadores

Tipos de evaporadores

Método de alimentación del liquido refrigerante

Tipo de construcción

Procedimiento de circulación del aire o

liquido

Aplicación

ENFRIADORES DE AIRE:

El enfriamiento se realiza por convección natural o como por forzada, la cual el segundo tipo es el mas utilizado por sus ventajas que presenta.

Se distinguen dos grupos:

Enfriadores de aire seco

Enfriadores de aire húmedo

ENFRIADORES DE AIRE SECO:

Son aquellos en las que el aire y el fluido frigorigeno intercambian calor de forma indirecta (existe una paredes metálica de separación)

Se divide en :

RADIARORES: Es una batería de tubos lisos o con aletas, dentro de los cuales se evaporizan el fluido frigorífico y se encuentra dispuestos en un espacio cerrado fuera del recinto frigorífico a enfriar

BATERIAS POR CONVECCION FORZADA: Es una carcasa metálica con una serie de tubos con aletas que normalmente lleva ventiladores.El coeficiente global de transferencia de calor U esta comprendido entre 12-15 w/m2 C.

ENFRIADORES DE AIRE HUMEDIO:

Son enfriadores de aire en las cuales el aire esta en contacto con el medio refrigerante, normalmente el agua

DESVENTAJAS• Son caros en cuanto a su costo de copra y requieren alta

inversión y mantenimiento• Necesitan un espacio considerable• Tiene un consumo energético superior al de los evaporadores

secos

VENTAJAS• Se puede obtener una humedad relativa más alta en el recinto.• Se pueden utilizar grandes volúmenes de aire sin que el producto sufra

proceso de secado alguno

La diferencia de temperaturas entre el aire y el agua puede no ser superior a 0.5 C. para conseguir valores de humedad relativa en torno del 90%, se deben aplicar diferencia de temperaturas de 0,1 y 0,2C. Para obtener las mejores resultados, el aire debe ser soplado directamente sobre el producto.

La selección de un enfriador de aire húmedo (método de ensayo y error) se realiza en base a lo siguiente:

Flujo de aire.Condición del mismo.Dimensiones de la superficie libre intercambio

velocidad del aire.Coeficiente de transferencia de materia y energía.Temperatura del agua y característica del producto a

enfriar.

4. SISTEMAS DIRECTOS E INDIRECTOS DE ENFRIAMIENTO

• EXPANSION DIRECTA: Cualquier superficie de transferencia de calor en la que tiene lugar la expansión y la revaporizacion de un liquido volátil(refrigerante) con el objeto de producir un enfriamiento y el liquido que se evapora se le llama ´´refrigerante de expansión directa´´.

• Un sistema de expansión directa es aquel que el evaporador, utilizando un refrigerante de expansión directa, esta en contacto directo con el espacio o material que va hacer enfriado.

VENTAJAS EN LA REFRIGERACION INDIRECTA:

Instalaciones con grandes distancias entre el equipo condensador y la zona de enfriamiento. Las tuberías largas de expansión directa no son prácticas : son caras de instalar, presentan problemas de pérdidas de carga, necesitan una gran cantidad de refrigerante.

El uso de sistemas indirectos resulta ventajosos en cualquier instalación en las que las fugas de refrigerante y o aceite en las tuberías pueden causar contaminación o daños en el producto almacenado.

REFRIGERANTES SECUNDARIOS:

• Agua.• Salmuera de cloruro de calcio y cloruro sódico.• Etilenglicol y propilenglicol.• Metanol.• Glicerina .

EL AGUA

Es el refrigerante secundario mas utilizado en las grandes instalaciones de aire acondicionado y también en instalaciones frigoríficas, en la cual la TEMPERATURA se mantiene por encima de O °C.

Es considerado un excelente refrigerante secundario, debido:• Fluidez• Alto calor especifico y alto coef iciente de conductividad térmica.

Además presenta la ventaja que es barato y no es corrosiva.

También se utiliza como refrigerante secundario en el caso de pequeñas industrias de bebidas y en los equipos de refrigeración empleados en la industria lácteas.

SALMUERAS

• Es el nombre que se da a la soluciones resultante de la solución de diversas sales en agua.

• Una solución de cualquier sal en agua presenta un cierto valor de concentración para el cual la temperatura de congelación es la mas baja posible, la solución a la concentración critica es denominada solución eutéctica.

cloruro de calcio.cloruro de

sódico.

TIPOS QUE SE EMPLEAN EN

REFRIGERACION

• La salmuera de cloruro cálcico se utiliza principalmente en procesos de refrigeración industrial, y en congelación y almacenamiento, y otras aplicaciones donde se requieren temperatura por debajo de -30 °C, la T de congelación mas baja que se puede obtener en una salmuera de cloruro cálcico es de -55 °C.

• El principal inconveniente de la salmuera de cloruro cálcico, es su efecto deshidratante y su tendencia a impartir un sabor amargo en el producto cuando se pone en contacto con el.

• La salmuera de cloruro sódico se utiliza en los procesos en las cuales la de cloruro cálcica no se pueden utilizar debido a los problemas de contaminación

• Son empleados de forma intensas en instalaciones de refrigeración y congelación de carne, pescado y otros productos por medio de una unidad de pulverización de salmuera.

• La temperatura mas baja que se puede obtener con la solución de cloruro sódico es aproximadamente de -21 C, para esta T de congelación la concentración de sal en la solución es aproximadamente de 23% en peso.

SOLUCIONES ANTICONGELANTES

Son compuestos solubles en agua, se emplean con frecuencia para disminuir el punto de congelación del agua .

Los mas utilizados:• Etilenglicol, • Propilenglicol, • metanol y la glicerina.

El propilenglicol es el agente anticongelante mas usado en las instalaciones frigoríficas, a diferencia de las salmueras , las soluciones glicoladas no son corrosivas siendo compuestos extremadamente estables .

Las soluciones glicoladas, estas están reemplazando a las salmueras en un numero importante de instalaciones, fundamentalmente en industrias cerveceras y lacteas .

CAPACIDAD FRIGORIFICA DEL EVAPORADOR.

• Es la cantidad de calor que pasa a través de su superficie de intercambio procedente del recinto o producto a refrigerar, y que se invierte fundamentalmente en la vaporización del liquido refrigerante .

 

 

La capacidad frigorifica de un evaporador depende por lo tanto, de los siguientes factores:

Coeficiente global de transmision de calor.

Superficie del evaporador( tanto primarias como secundarias).

Diferencia de temperaturas media logaritmica.

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSMISIÓN DE CALOR

El coeficiente global de transmisión de calor depende de cuál de las superficies (interior o exterior) es la empleada en la ecuación anterior.

 

 

 

• Es deseable una alta velocidad de transferencia de calor a través de las paredes del evaporador.

• El valor del coeficiente global de transferencia de calor debe ser tan alto como sea posible.

 

• El metal que constituye las paredes del evaporador es el menos significativo de los factores de la anterior ecuación.

• La capacidad de resistencia al flujo de calor ofrecida por el metal es tan pequeña, especialmente en el caso del cobre y del aluminio.

• El coeficiente U se determina principalmente en función de los valores de los coeficientes de película interior y exterior.

 

 

Donde: 

El fenómeno de ebullición nucleada se caracteriza por la formación en el interior de los tubos del evaporador de burbujas de vapor que aumentan paulatinamente de tamaño, se desprenden y ascienden hasta la superficie del líquido, donde estallan liberando el vapor.

Es muy interesante elegir un valor de salto térmico del evaporador tal que el proceso de vaporización del refrigerante en el interior de los tubos del evaporador se efectúe por ebullición nucleada debido a las ventajas que este tipo de ebullición presenta.

 

 

Donde: 

 

• En el caso de un enfriador de aire con HFC como refrigerante el valor de U puede estar comprendido entre 13 y 15 w/m2°C.

• La suciedad y la escarcha se acumulan en la superficie exterior de intercambio del evaporador dificultan el buen desarrollo de la transferencia de calor.

• En el enfriamiento de líquidos hay formación de incrustaciones y corrosión.

• La suciedad en el interior de tubos es debida a la presencia de aceite, procedente del compresor.

Todos estos factores deben ser tenidos en cuenta en el cálculo del valor del coeficiente global de transmisión de calor en el evaporador, el cual adopta una nueva expresión.

 

Donde: 

Debido al efecto que tienen los coeficientes de película interior y exterior sobre el coeficiente global de transmisión de calor, el valor de “U” para un evaporador depende de:

 

VENTAJAS DE LAS ALETAS

Se realiza un aumento de superficie por medio del desarrollo de superficies adicionales o superficies extendidas a partir de la superficie primaria de intercambio, de esta forma se ahorra espacio ocupado por el evaporador y se disminuye el coste del equipo.

Estas superficies extendidas actúan unidas a la superficie primaria, tratando de obtener el mayor contacto térmico posible, por lo que pueden:

Ser desarrolladas a partir de la misma pieza de superficie primaria.

Estar soldadas a ella.

Estar embutidas a presión en ella.

Estar ajustada (dientes mordientes) sobre ella.

El objetivo de añadir aletas a una superficie es el de aumentar la superficie disponible para la transmisión de calor por convección al fluido envolvente.

Por lo tanto, si el efecto del aumento del área superficial es mayor que el de la disminución de la temperatura superficial media, entonces, las aletas acentuaran el proceso de intercambio de calor.

La eficacia de la aleta es función de sus dimensiones y de la conductividad térmica del material del que está hecho.En relación con las proporciones de la aleta, la longitud la cual se mide perpendicularmente a la superficie a la cuál esta unida, es grande comparada con su espesor.

Dimensiones de las aletas:

Espaciado

• Depende de la temperatura de operación.

• Los evaporadores diseñados para trabajar a bajas temperaturas, deben tener un amplio espaciado entre aletas para minimizar los peligros de bloqueo de circulación de aire por hielo. (6.5 a 8 mm)

• Para altas temperaturas, donde no hay problemas de acumulación de hielo ( 1,5 a 2 mm).Altura:

Relación:Área de la aleta/ área del tubo desnudo = 15:1 a 20:1

 

Siendo:

 

Para el caso de un haz de tubos con aletas sencillas transversales, y flujo cruzado a los tubos, se puede tener una buena aproximación del coeficiente de convección en la aleta con la ecuación obtenida por Briggs y Young:

El número de Reynolds se evalúa para el tubo desnudo, asumiendo que las aletas no existen.

Cuando se usan estos coeficientes se debe modificar la expresión general del coeficiente de transmisión de calor sustituyendo:

 

Donde:  

SALTO TÉRMICO EN EL EVAPORADOR

La temperatura del aire o de cualquier otro fluido disminuye de forma progresiva a medida que éste pasa a través del evaporador. Se ha comprobado que la caída de temperatura no es lineal, sino que es mayor al cruzar la primera hilera del serpentín y disminuye a medida que éste pasa por las demás hileras.

La caída de temperatura se ve mejor representada por una curva.El punto medio de la curva expresa la temperatura media real del aire.

La diferencia de temperatura media logarítmica :

 

Donde:

 

Figura 5.13- Caída de temperatura del aire a través de un evaporador de tres capas.

• La temperatura d evaporación, como temperatura del vapor

saturado (algunos autores).

• Se deberá definirla como la temperatura de saturación del

refrigerante a la presión que haya a la salida del evaporador.

• La temperatura real de evaporación es la temperatura a la

cual la evaporación tiene lugar en el evaporador, pero esta

temperatura no es constante .

• La definición de temperatura de evaporación propuesta

anteriormente fue elegida para el diseño de los

evaporadores.

Debemos estar de acuerdo acerca del valor de la Te, ya que existen varios puntos de vista:

La mayoría de los fabricantes, siguiendo las últimas disposiciones del CECOMAF establecen que debe tomarse como dato la diferencia de temperatura media aritmética.  

La siguiente definición de salto térmico es también utilizada:

 

Denominado diferencia de temperatura en el evaporador y definido como la diferencia de temperatura entre la temperatura del aire que entra al evaporador y la temperatura de evaporación.

Lo que debe estar claro antes de usar una tabla de elección de evaporadores, es el tipo de definición de salto térmico que ha utilizado el fabricante a la hora de definir o establecer el valor del mismo.

Veamos con un ejemplo los valores que tomas los saltos térmicos anteriormente definidos:

 

De todos los saltos térmicos anteriormente definidos, el que mejor representa la evolución de las temperaturas de los dos fluidos a lo largo del cambiador de calor es la diferencia de temperatura media logarítmica.

 

DIFERENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL EVAPORADOR

EFECTO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA EN EL EVAPORADOR SOBRE LA HUMEDAD DEL ESPACIO A REFRIGERAR

La finalidad el evaporador en una cámara frigorífica es doble: Enfriar el aire de la cámara. Mantener la humedad relativa.

La humedad relativa en una cámara frigorífica es un índice del equilibrio entre el agua del producto y su eliminación del aire cuando este pasa por el evaporador.

La humedad relativa atmosférica de la cámara frigorífica influye sobre la perdida de peso del producto durante su almacenamiento.

El factor más importante que rige la humedad del espacio refrigerado es la diferencia de temperatura del evaporador.

Mientras menor sea el salto térmico entre la temperatura del evaporador y la de la cámara, mayor será la humedad relativa que habrá en el espacio.

 

 

AREA DEL EVAPORADOR:

 

Si: la velocidad del aire = constanteLa capacidad del evaporador “C” será el doble que la capacidad de “A” y mayor que la de B.

 

POSICION DE LOS VENTILADORES

Coanda realizó un seguimiento al aire una vez que dejo el enfriador y descubrió que una corriente de aire impulsada a alta velocidad por un ventilador tiene tendencia a generar una depresión por encima de la misma.

FLUJO DEL AIRE EN EL ALAMCEN FRIGORIFICO

EFECTO COANDA:

El conocimiento exacto de este comportamiento ayudara a escoger la posición correcta de los enfriadores de aire en el almacén frigorifico y a entender el denominado efecto coanda.

Disminución del coeficiente de película exterior.Reducción de volumen efectivo del aire libre.Variación del contenido de humedad adecuado.

Perturbación en la Temperatura y humedad del almacén frigorífico.

Se desperdicia Energía.Los ventiladores requieren un periodo de retraso antes de

entrar en funcionamientoEl calor expande el aire en el almacén frigorífico

ESCARCHE Y DESCARCHE EN LOS EVAPORADORES:

ESCARCHE:

DESCARCHE:

A una T proxima a los O ºC, 8 horas son necesarias para el desescarche del evaporador.

El tiempo de funcionamiento del grupo frigorifico se puede fijar en 18 horas para camaras frigorificas con temperatura negativa (tiempo restante suficiente para el desescarche, 6horas).

DEPENDE: Tipo de EvaporadorNaturaleza de InstalaciónProceso de instalación

Cuanto mas frecuente sea el desescarche, menor será la acumulación de hielo y el tiempo de desescarche requerido.

DURACION PRACTICA DEL FUNCIONAMIENTO DEL COMPRESOR:

FRECUENCIA DEL DESESCARCHE:

Desescarche Naturalo Desescarche con agua, salmueras o

soluciones anticongelantes.o Desescarche Eléctricoo Desescarche con gas caliente

Desescarche con aporte de calor.

Si la Temperatura es cercana a 0ºC, se atomiza agua sobre la superficie de los serpentines del evaporador.

Si la Temperatura es inferiores a -2ºC, se utiliza salmuera o solución anticongelante.

METODOS DE DESESCARCHE:

DESESCARCHE CON AGUA, SALMUERAS O SOLUCIONES ANTICONGELANTES:

Cómodo. Fácil de instalar. Sencillo de regular y

controlar. MV:MOTOVENTILADOR EV:EVAPORADOR RE: RESISTENCIA DE

DESESCARCHE PC: PANEL DE CONTROL AC: ACOMETIDA ELECTRICA VS: VALVULA SOLENOIDE VE: VALVULA DE EXPANSION ST: SONDA TERMOSTATO SD: SONDA DE DESESCARCHE VP: VALVULA DE PRESION

CONSTANT

DESESCARCHE ELECTRICO:

Utiliza como fuente de calor el gas caliente descargado por el compresor para conseguir el desescarche del evaporador.

DESESCARCHE CON GAS CALIENTE: