tipos_condensadores

1. CLASIFICACIÓN DE LOS CONDENSADORES

Podemos clasificar los condensadores según sea el medio de enfriamiento, esto es aire, agua o aire-agua, resultando los siguientes tipos:

Estáticos (Tiro natural)

CONDENSADORES ENFRIADOS POR AIRE

Dinámicos (Tiro forzado) De doble tubo

CONDENSADORES ENFRIADOS POR AGUA

De inmersión Multitubulares Condensadores evaporatívos

CONDENSADORES ENFRIADOS POR AIRE Y AGUA

Aéreo-refrigeradores híbridos

Tabla 1: Clasificación de los evaporadores

1.1 CONDENSADORES DE AIRE

El aire es el medio de enfriamiento más barato que existe, ya que es gratis. Su bajo calor específico obliga a mover grandes volúmenes de aire y superficies de intercambio elevadas, razón por la que este tipo de condensadores no se utiliza en grandes instalaciones. En la práctica la temperatura de condensación Tc se sitúa de 7 ºC a 9 ºC por encima de la temperatura del aire de salida To. Por otro lado el grado de calentamiento del aire que entre Ti y pasa a través del condensador aumenta entre 5 ºC y 7 ºC.

7ºC < (Tc - To) < 9ºC

5ºC < (To - Ti) < 7ºC

1.1.1 Condensadores de aire estáticos

Son utilizados en los frigoríficos domésticos. Son intercambiadores de calor de tubo desnudo a través del cual circula el fluido frigorígeno y sobre los cuales montan en su superficie unas aletas, cuyo objetivo es aumentar la superficie de intercambio de calor (a mayor superficie de intercambio mayor cantidad de calor puede ceder al aire).

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El aire atmosférico en contacto con los tubos y las aletas se calienta, dando lugar a una corriente de aire ascendente que transporta el calor retirándolo del condensador. La cantidad de aire que se desplaza (muy pequeña), unido al bajo calor especifico del aire, hace que se requiera una gran superficie de intercambio térmico, aun para pequeñas potencias intercambiadas. Se comercializan dos tipos de condensadores estáticos:

Fig. 1: Condensador estático de tubo y aletas de hilo en un frigorífico domestico a)

Tipo tradicional que consiste en un tubo desnudo en zigzag sobre el que se colocan, transversalmente, hilos que, a modo de aletas, mejoran el intercambio térmico.

b) Una versión mas moderna en la que los tubos van unidos a una placa de chapa de hierro de 0,4 mm de espesor provista de ranuras. En este tipo de condensadores, la correcta circulación del aire resulta trascendental, ya que de lo contrario dificulta la evacuación del calor, provocando el funcionamiento del compresor durante mucho más tiempo, aumentando el consumo de energía y no alcanzando la temperatura en el espacio a refrigerar los valores previstos. Fig. 2: Condensadores estático de tubos y placas en un refrigerador doméstico.

1.1.2 Condensadores de aire dinámicos

Su estructura típica es la de un intercambiador de tubo con aletas y provisto de uno o varios ventiladores. El tubo puede ser de cobre, en la mayoría de los casos, o de acero si la instalación trabaja con amoniaco. Van colocados al tresbolillo, suelen tener 10, 12 ó 16 mm de diámetro y llevan incorporadas aletas de aluminio, generalmente corrugadas, separadas entre si 2-4 mm. El aire impulsado por los ventiladores, en contacto con los tubos y aletas del condensador, absorbe el calor que cede el refrigerante que circula por el interior de los tubos. Cuanto mayor sea la cantidad de m3 de aire que se hace circular por el condensador, mayor será la cantidad de calor extraído del refrigerante.

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La batería de tubos se presenta protegida por una carcasa o coraza dotada de las embocaduras precisas para colocar los ventiladores que pueden ser axiales o centrífugos, dando lugar así, a la clasificación de los equipos en función del tipo de ventilador incorporado. Con el fin de prevenir posibles accidentes generados por las palas de los ventiladores, se colocan rejillas protectoras delante de las embocaduras. Existen en el mercado modelos para pequeñas instalaciones que pueden ir suspendidos y equipos de mayor tamaño que llevan patas incorporadas para su ubicación sobre el suelo. Los condensadores de tipo mural, ya sean suspendidos o colocados sobre soportes, generalmente van equipados con ventiladores que producen un flujo de aire en dirección horizontal. En cambio, los condensadores que se disponen sobre el piso, soportados por sus propias patas, llevan los ventiladores montados de modo que el aire es impulsado verticalmente, tomándolo cerca del suelo. Resulta evidente que estos equipos deben instalarse sobre superficies limpias, para evitar la aspiración de suciedad que se depositaría sobre el serpentín y sus aletas dificultando la transmisión del calor.

Fig. 3: Tipos de condensadores de aire de tiro forzado (Fuente Friga-Bohn).

El montaje de un condensador ha de realizarse de forma correcta y lo mejor es seguir las instrucciones de montaje que especifica el fabricante. No obstante hay que tener en cuenta siempre nociones básicas, por ejemplo, en los condensadores de tipo mural (montaje en vertical) la entrada de refrigerante (línea de descarga) se realiza por la parte superior y la salida (línea de liquido) por la parte inferior. ¿Cuál es la razón de hacerlo así? Pues muy sencillo, el refrigerante al condensarse cae por gravedad. Los condensadores instalados al aire libre se deben colocar con orientación hacia el norte. Otro factor a tener en cuenta es el sentido de giro de los ventiladores, el cual debe ser el correcto de lo contrario el rendimiento del condensador diminuye mucho pudiendo parar la maquina frigorífica al activarse la protección que incorporan.

Fig. 4: Condensador mural.

Así pues podemos decir que la eficacia de los condensadores de aire depende de: La aspectos constructivos (tipo de tubos empleados, aletas, … ) La temperatura ambiente, ya que al aumentar ésta, disminuye el flujo de calor transferido al medio de enfriamiento, debido a que el diferencial térmico disminuye. La ventilación (la velocidad de giro de los ventiladores). Cuanto mayor sea la velocidad de giro, más elevado será el caudal de aire (medio de enfriamiento) que pasará a través del condensador y mayor capacidad existirá de absorber calor al refrigerante. La limpieza del condensador. Si las aletas se encuentran con suciedad o existe una película de aceite por el interior de los tubos aumentará la resistencia al intercambio térmico. La limpieza del condensador es una tarea muy importante, ya que la suciedad y el polvo como acabamos de ver, actúan como aislantes, y por ello se reduce su capacidad de un 40 a un 60%, aumentando la presión de alta de 2 a 3,4 bar por encima de la presión normal, y como consecuencia tenderá a subir la presión en el lado baja y todo ello hará disminuir la producción frigorífica y aumentar el gasto energético. El RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas) y el RSIF (Reglamento de Seguridad de Instalaciones Frigoríficas) aluden al mantenimiento de las instalaciones frigoríficas, estableciendo la periodicidad con la que se deben de limpiar los condensadores. En equipos comerciales se utilizan unidades condensadoras, como la mostrada en la figura 5, que están compuestas principalmente de un condensador un compresor y un depósito de líquido (estudiaremos estos dos últimos componentes en otro apartado más adelante).

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Fig. 5: Unidad condensadora

2. CONDENSADORES DE AGUA

Cuando la cantidad de calor a eliminar es grande, se utilizan los condensadores enfriados por agua. Esto es debido a que el calor especifico del aire a la presión atmosférica es de 1 kJ/(kg K) y el del agua de 4,18 kJ/(kg K), por lo tanto, los condensadores que utilizan el agua como medio de enfriamiento requieren menor superficie de intercambio para eliminar la misma potencia térmica. Existen varios tipos de condensadores refrigerados por agua: Condensadores de inmersión. Condensadores de doble tubo. Condensadores multitubulares. En los condensadores de agua, el refrigerante se condensa normalmente 5 º C por encima de la temperatura del medio de enfriamiento saliente (agua de salida), y por otro lado el agua sufre un aumento de temperatura al pasar por el condensador de 5 a 30 ºC.

Tcondensación = Tsalida aire + 5 ºC 5ºC < Tsalida aire – Tentrada aire < 30ºC Debe tenerse encuentra que los condensadores de agua no pueden trabajar con temperaturas por debajo de 0 º C ya que tendríamos problemas de congelación del agua.

2.1 Condensadores de inmersión

Los condensadores de inmersión están formados por un tubo en forma de serpentín por el que circula el agua de refrigeración que va colocado en el interior de un recipiente que hace las veces de condensador y recipiente de líquido (figura 6). Estos condensadores pueden adoptar diversas formas constructivas y sólo se emplean en máquinas de poca potencia, hasta unos 4.000 watios. En la figura 7 aparece una imagen del serpentín por el que circula el agua.

Fig. 7: Serpentín condensador inmersión.

Fig. 6: Condensador de inmersión

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Un caso particular de este tipo de condensadores es el mostrado en la figura 8 cuya función es aprovechar el calor del condensador para calentar agua, y que suelen colocarse entre el compresor y el condensador de aire. En este caso, el recipiente del condensador de inmersión almacena el agua y la calienta con el refrigerante que circula a una temperatura elevada por el interior del tubo de cobre procedente del compresor. De este modo, el refrigerante disminuye su temperatura y pasa posteriormente al condensador de aire. Este es un ejemplo de un sistema de recuperación de calor, como por ejemplo en los tanques de enfriamiento de leche, donde el calor del refrigerante se utiliza para producir agua caliente sanitaria (ACS). En instalaciones grandes, como es el caso de hipermercados y hoteles, también se emplea el calor contenido en el refrigerante tras la compresión para calentar agua, que posteriormente se almacena en unos termos, disponiendo de esa forma de agua caliente sanitaria (ACS).

Fig. 8: Condensador de inmersión para sistema de recuperación de calor en ACS

2.2 Condensadores de doble tubo

Los condensadores de doble tubo se utilizan en sistemas de pequeña potencia, hasta unos 8.000 vatios, como por ejemplo en enfriadoras de agua compactas y en sistemas de climatización refrigerados por agua. Actualmente esta desplazado por los condensadores multitubulares.

Fig. 9: Condensador de doble tubo o coaxial (Cortesía doucette industries, inc) Están formados por dos tubos concéntricos en los que el fluido refrigerante circula por el espacio anular comprendido entre ambos tubos y el agua por el interior del tubo central realizando una verdadera circulación a contracorriente.

Fig. 10: Condensador de doble tubo.

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2.3 Condensadores multitubulares

Los condensadores multitubulares están formados por una carcasa que tiene en su interior una serie de tubos paralelos colocados longitudinalmente. Por el interior de los tubos circula el agua de refrigeración, y por el exterior se produce la condensación del refrigerante, siendo utilizada la carcasa como recipiente del líquido refrigerante. En la figura 11 se muestra un condensador de este tipo en el cual puedes ver cómo circularían los flujos de los líquidos por el interior del mismo. Así la entrada del agua de refrigeración se realiza por un extremo mientras que la salida se efectúa por el extremo contrario.

Fig. 11: Circulación a contracorriente en el interior de un condensador multitubular. Fíjate que en los condensadores multitubulares la entrada de refrigerante se produce por la parte superior, mientras que la salida se realiza por la parte inferior, de esta forma se asegura que sólo enviamos líquido a la válvula de expansión. En la figura 12 puede apreciarse la válvula de salida para el refrigerante líquido. Para conseguir una mejor transferencia de calor los tubos pueden ser aleteados con distintas formas constructivas. En la figura 13 se muestran algunos de estos tubos.

Fig. 13: Detalles de distintos tubos de condensadores de agua (Wolverine Tube).

Fig. 12: Válvula salida para refrigerante.

Como hemos visto, los tubos del condensador están dispuestos de forma paralela y colocados longitudinalmente con relación a la carcasa del equipo. Están sujetos mediante unas tapas laterales y pueden disponer de placas intermedias en caso de que los tubos sean muy largos. En la figura 14 aparece un condensador multitubular en el que se puede apreciar este tipo de montaje. En algunos casos los tubos se montan en U desapareciendo una de las tapas del condensador, tal como se muestra en la figura 15. En este caso la entrada y la salida están en la única tapa de que dispone el condensador. El otro extremo del mismo va cerrado con un fondo soldado. Todos los condensadores de agua presentan el inconveniente de formación de depósitos minerales y costras que se forman gracias al calor que hay en las proximidades de la línea de descarga. Para la limpieza de los condensadores de inmersión y de doble tubo se debe realizar por medios químicos, mientras que en los condensadores tubulares pueden emplearse procedimientos mecánicos a base de cepillos adecuados para limpiar los tubos de agua por dentro.

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Fig. 15: Condensador multitubular de tubos en U.

Fig. 14: Condensador multitubular.

3. CONDENSADORES EVAPORATIVOS

Los condensadores evaporativos se han impuesto por la necesidad de reducir el consumo de agua de condensación que precisan los otros tipos de condensadores. Podemos considerarlo como una torre de refrigeración en cuyo interior se aloja el condensador de tubo con aletas. Todo el sistema está dentro de una envolvente metálica prismática, que optimiza la circulación del aire que entra y evita pérdidas de agua por salpicaduras, lo que posibilita el montaje interior (ver figura 16). La entrada de aire se realiza por una de las partes laterales inferiores y la salida se lleva a cabo por la parte superior, forzada por ventiladores. Este tipo de condensadores son de tamaño más reducido que las torres de refrigeración y presentan la ventaja de que se pueden instalar en la propia sala de máquinas evacuando el aire hacia el exterior por medio de conductos ya que deben instalarse cerca del compresor debido a la dificultad que supondría bombear el refrigerante a distancias grandes. Presentan el inconveniente de que, al evaporarse parcialmente el agua sobre los tubos del condensador, termina formándose sobre ellos sarro, que disminuye la capacidad de intercambio térmico, e incluso lodos corrosivos que pueden terminar provocando fugas. Además de los inconvenientes citados pueden desarrollarse organismos vegetales como consecuencia del alto grado de humedad y de la temperatura del agua. Al igual que las torres de refrigeración deben incorporar una purga para el agua en continuo, reduciendo así la concentración de minerales debido a la evaporación. En la parte baja del condensador se dispone de un depósito para agua, cuyo nivel se mantiene constante gracias a una válvula de flotador. El agua es tomada de éste depósito y, por medio de una bomba, conducida a unas toberas pulverizadoras colocadas sobre el condensador, tal como puede apreciarse en la figura 17. Sobre las toberas van colocadas unas placas eliminadoras (separador de gotas), que impiden que el agua pueda ser arrastrada por el aire y mandada a la atmósfera, pues chocan con estas placas y se precipitan al fondo.

Fig. 16: Condensador evaporativo (Fuente www.spx.com)

El funcionamiento de este tipo de condensación es el siguiente: El aire que entra por la parte inferior del aparato es aspirado por el ventilador y obligado a atravesar los serpentines del condensador, para ser expulsado por la parte superior. Por otro lado el agua es bombeada desde el recipiente situado en la parte inferior hasta los pulverizadores colocados en la parte superior.

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Ello va a originar que la masa de aire ascendente que se desplaza a contracorriente con la de agua pulverizada, propicie la vaporización de parte del líquido que, absorberá calor del resto del agua, enfriándola, y absorberá calor latente de la propia superficie caliente del serpentín del condensador, enfriándola también. Además tiene lugar un intercambio de calor sensible con la citada superficie del serpentín, por parte del agua no vaporizada que retorna al depósito. Ambos fenómenos originan el enfriamiento del serpentín y, en consecuencia, el del fluido frigorígeno que circula por su interior, dando lugar a su condensación y cambio de fase. En este tipo de condensadores, la temperatura del medio de enfriamiento permanece constante debido al cambio de estado que sufre parte del agua. La cantidad de agua que puede pasar a vapor, será en el mejor de los casos, la necesaria hasta que el aire alcanza el estado saturado. Dicha cantidad dependerá del estado higrométrico del mismo, siendo mayor cuanto más seco esté el aire, es decir, que cuanto menor sea la humedad relativa del aire, mayor cantidad de agua se evaporará.

Fig. 17: Instalación de un condensador evaporativo. La temperatura que reinará alrededor de los tubos será sensiblemente la del aire saturado de salida a la temperatura del agua pulverizada. Por consiguiente, el incremento de temperatura que se considera en la transmisión del calor será: ∆T = Tc – Th, siendo Tc la temperatura de condensación y Th la temperatura alrededor de los tubos. Por lo tanto, en base a la expresión de cálculo de la potencia calorífica que cede un condensador, podemos decir que el rendimiento de los condensadores evaporativos depende de: La humedad relativa del aire, que como es lógico, cuanto menor sea, mayor será el rendimiento del condensador, debido a que al poder evaporar mas agua, ésta podrá absorber mas cantidad de calor. La temperatura de condensación del fluido, que cuanto mayor sea mejor rendimiento tendrá (∆T mayor). Mantener la superficie exterior del serpentín libre de depósitos e incrustaciones, por lo que hay que contrarrestar el peligroso bicarbonato cálcico que todas las aguas llevan disueltas (aumentar el factor de transmisión de calor K). Para determinar la potencia de estos condensadores se puede hacer el siguiente balance energético:

Qc = calor del aire saliente - Calor del aire entrante - calor del agua de reposición Primeramente medimos la temperatura y HR del aire de entrada, luego los mismo en el aire de salida. Con estos valores determinamos, por ejemplo en un diagrama psicrométrico, sus respectivas entalpías, con lo cual tendremos determinados los calores totales. Por otro lado, la temperatura del agua pulverizada tiende a ser igual a la del aire saliente (o viceversa), una vez la maquina haya alcanzado su régimen de trabajo y ésta será la que reina en el interior del aparato. El calor del agua de reposición se calcula fácilmente, midiendo su temperatura y la cantidad consumida.

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El rendimiento de estos aparatos depende del estado higrométrico del aire. Generalmente la temperatura de condensación está entre 10 ºC y 12 ºC por encima de la del aire ambiente.

Tcondensación = Tambiente + ∆ T

10 ºC < ∆ T < 12 ºC

4. AERO-REFRIGERADORES HIBRIDOS

Una nueva forma de refrigeración son los aero-refrigeradores híbridos en seco que son utilizados en aplicaciones de refrigeración industrial, incluyendo la refrigeración industrial y de proceso, la climatización y el control de la temperatura ambiental de los edificios. También son ideales para proyectos dónde el espacio disponible es limitado, donde se exigen bajos niveles de ruido y la conservación del agua y el bajo consumo energético son los requisitos principales. Estos aero-refrigeradores incluyen 4 partes principales: armazón en acero inoxidable, intercambiadores de calor aislados con aletas, ventiladores muy silenciosos y un sistema de humectación. Su base de funcionamiento combina dos formas conocidas de transmisión de calor, por una parte la refrigeración seca y por otra la refrigeración por evaporación. Los aero-refrigeradores híbridos consumen solamente energía eléctrica en el modo seco y energía eléctrica y agua en el modo híbrido. De entre las ventajas que podemos destacar de este tipo de aparatos tenemos: Reducción de tamaño y coste de la unidad: Con esta sencilla opción se consigue una optimización del rendimiento de la unidad. Es sabido que un condensador o enfriador de líquido clásico se debe seleccionar con unas dimensiones y potencia que le permita rendir en las peores condiciones de la época estival, pero la consecuencia es que el resto del año la unidad está sobredimensionada, trabajando muy sobrada de tamaño y capacidad. Con el sistema de pulverización de agua se puede seleccionar una unidad más pequeña que trabaje en seco la gran parte del año y en los momentos más cálidos complementar el rendimiento con el rociado del agua sobre la batería, que provoca el enfriamiento adiabático del aire del exterior al entrar en contacto con las aletas humedecidas de la batería, aumentando como consecuencia la diferencia de temperatura entre el aire y el refrigerante y mejorando el intercambio térmico. Bajo consumo de agua, por utilizarse el sistema de batería húmeda solamente en los momentos del año más calurosos y pulverizarse solo el agua que es capaz de absorber la batería, sin pérdidas ni acumulaciones. Bajas presiones de trabajo de los difusores de agua, entre 1 y 6 bares, por lo que el sistema funciona directamente con la línea de suministro de aguas, sin necesidad de bombas adicionales para elevar la presión. Totalmente válido desde el punto de vista sanitario. Al no haber estancamientos de aguas cálidas, no existe riesgo de generación de Legionella. El funcionamiento de un aero-refrigerador (figura 18) es el siguiente: a)

Refrigeración seca: El fluido caliente que se desea refrigerar, por ejemplo proveniente de un condensador de agua, se hace circular por medio de una bomba (6) en el circuito cerrado de refrigeración formado por la fuente de calor (5, en nuestro caso el condensador) y los serpentines de tubos en V con aletas (3). En un proceso de contracorriente, los dos fluidos, agua y aire de refrigeración (11) impulsada por los ventiladores (12) se intercambian calor (el agua se enfría y el aire se calienta). Este proceso de refrigeración seca es suficiente bajo condiciones climáticas frías y en la noche.

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Fig. 18 : Aero-refrigerador en V b) Refrigeración húmeda: Al contrario, para elevadas temperaturas exteriores pueden presentarse caídas de potencia que no puede absorber una refrigeración seca. El refrigerador híbrido utiliza el principio de evaporación para alcanzar un mayor rendimiento. A través de un circuito de humectación (7) una bomba instalada en la cubeta colectora de agua (9) transporta agua al extremo superior del elemento refrigerador (serpentín de tubos aleteados en V). El elemento refrigerador es humectado de forma uniforme por el agua que cae. El aire que fluye permite la evaporación del agua en circulación sobre la superficie de las aletas y evacua calor de la aleta y con ello enfría el fluido que circula por su interior (agua procedente del condensador). A causa de la evaporación del agua baja el nivel. El nivel del agua no debe bajar de un determinado valor para proteger la bomba humectadora. Para ello se alimenta agua a través de una válvula (8). En caso de que la concentración de sales disueltas en el agua sea alta, se dispone de un gripo de purga (10) para eliminarla. Este sistema mixto de trabajo en seco o húmedo es una alternativa muy ventajosa a los condensadores evaporativos y las torres de refrigeración por su bajo consumo de agua.

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