Dimensionamiento y selección del evaporador de refrigeración

El evaporador es un componente crítico en cualquier sistema de refrigeración, que sirve como el corazón del proceso de enfriamiento. El tamaño y la selección adecuados de evaporadores impacta directamente en la eficiencia del sistema, los costos operativos y el rendimiento de enfriamiento. Este informe examina el enfoque metódico para el tamaño y la selección del evaporador, combinando principios de ingeniería con consideraciones prácticas para el diseño óptimo del sistema.

Fundamentos de los evaporadores en sistemas de refrigeración

El evaporador sirve como el componente donde el efecto de enfriamiento real tiene lugar en los sistemas de refrigeración. Funciona al permitir que el refrigerante evapore y se expanda en un entorno controlado. A medida que el refrigerante líquido ingresa al evaporador, se encuentra con baja presión, lo que hace que vaporice y absorba el calor del aire o medio circundante que requiere enfriamiento. Esta absorción de calor elimina efectivamente el calor del espacio refrigerado, bajando su temperatura.

Dentro del ciclo de refrigeración más amplio, el evaporador funciona en concierto con el compresor, el condensador y la válvula de expansión. Cada componente juega un papel específico en el proceso termodinámico:

1. El compresor bombea vapor refrigerante del evaporador y lo comprime, aumentando su presión y temperatura
2. El condensador rechaza el calor no deseado del sistema al entorno externo
3. La válvula de expansión expande el refrigerante, bajando su presión y temperatura
4. El evaporador absorbe el calor del espacio que se está enfriando

Comprender este ciclo es crucial para el tamaño adecuado del evaporador, ya que el evaporador debe coincidir correctamente con los otros componentes para un rendimiento óptimo del sistema.

El proceso termodinámico

Desde una perspectiva termodinámica, la operación del evaporador implica cuatro puntos clave en el ciclo de refrigeración:

1. Entre el evaporador y el compresor (baja temperatura, baja presión)
2. Como el refrigerante deja el compresor (alta temperatura, alta presión)
3. Cuando el refrigerante deja el condensador (temperatura media, alta presión)
4. Después de la válvula de expansión, antes de ingresar al evaporador (baja temperatura, baja presión)

Para cada punto, se deben considerar las propiedades que incluyen temperatura, presión, entropía y entalpía para diseñar adecuadamente el sistema y seleccionar componentes apropiados.

Metodología del tamaño del evaporador

El proceso de tamaño para los evaporadores sigue los cálculos de ingeniería sistemáticos basados ​​en los requisitos de carga de enfriamiento y los parámetros del sistema.

Cálculo de carga de calor

El primer paso para dimensionar un evaporador es determinar la carga de calor que debe retirarse del espacio o producto. Esto implica calcular:

1. Carga de transmisión: La ganancia de calor a través de las paredes, el piso, el techo y las ventanas debido a la diferencia de temperatura entre el entorno interior y exterior.
2. Carga de productos: La eliminación de calor del producto que se enfría, que puede incluir el calor generado por el propio producto, así como cualquier calor transferido al producto desde el entorno circundante.
3. Carga interna: El calor generado por fuentes internas como:
   • Luces
   • Gente (calor metabólico)
   • Equipo (maquinaria, computadoras, etc.)
4. Carga de infiltración: La ganancia de calor debido al intercambio de aire cuando se abren las puertas, lo que permite que el aire exterior ingrese al espacio y al aire interior para escapar.

Estos cálculos proporcionan la carga de calor total en BTU/HR (unidades térmicas británicas por hora) o kilovatios, que sirve como base para dimensionar el evaporador.

Fórmula de cálculo de carga de calor

La carga de calor total se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

Componente	Fórmula
Carga de transmisión	Q_trans = u * a * Δt
Carga de productos	Q_prod = m * c_p * Δt
Carga interna	Q_int = Q_LIGHTS + Q_People + Q_Equipment
Carga de infiltración	Q_inf = ρ * v * c_p * Δt

donde:

• Q = carga de calor (BTU/HR o KW)
• U = coeficiente de transferencia de calor general (BTU/hr · ft² · ° F o W/m² · K)
• A = área de superficie (ft² o m²)
• ΔT = diferencia de temperatura (° F o K)
• M = masa de producto (lb o kg)
• C_P = Capacidad de calor específica del producto (BTU/LB · ° F o J/kg · K)
• ρ = densidad del aire (lb/ft³ o kg/m³)
• V = tasa de cambio de aire (ft³/min o m³/s)

Al calcular la carga de calor total, puede determinar el tamaño del evaporador requerido para eliminar eficazmente el calor del espacio o el producto.

Enfoque de tamaño cuantitativo

Para aplicaciones de refrigeración por agua, el tamaño del evaporador se puede calcular utilizando el siguiente método:

1. Determine el diferencial de temperatura: reste la temperatura saliente del evaporador de su temperatura entrante del agua
2. Multiplicar por la velocidad de flujo volumétrico en galones por minuto
3. Multiplique por 500 para convertir a BTU por hora
4. Dividir por 12,000 para convertir a toneladas de refrigeración

Por ejemplo, si el agua entra a 60 ° F y se va a 46 ° F, con un caudal de 400 galones por minuto:

• Diferencial de temperatura: 60 - 46 = 14 ° F
• Cálculo de BTU/HR: 14 × 400 × 500 = 2,800,000 BTU/HR
• Tonnage: 2,800,000 ÷ 12,000 = 233.33 toneladas

Consideraciones de equilibrio del sistema

Al dimensionar un evaporador, debe coincidir correctamente con la capacidad del compresor y condensador. El rechazo total de calor para el sistema se determina agregando la carga del evaporador (en kW) y la potencia absorbida del motor del compresor. Esta relación asegura que los componentes del sistema funcionen armoniosamente.

Muchos profesionales recomiendan dimensionar evaporadores con un margen de seguridad. Por ejemplo, algunos ingenieros rutinariamente sobresalgan evaporadores en aproximadamente un 20% para proporcionar una capacidad de enfriamiento adicional y mejorar el rendimiento del sistema.

Criterios de selección para evaporadores de refrigeración

Seleccionar el evaporador correcto implica varias consideraciones críticas más allá de los requisitos de capacidad de igualación.

Factores específicos de la aplicación

El proceso de selección debe tener en cuenta varios factores para garantizar que la solución de enfriamiento elegida satisfaga las necesidades específicas de la aplicación. Deben considerarse los siguientes factores:

1. Tipo de aplicación: Esto incluye almacenamiento en frío, enfriamiento de procesos, preservación de alimentos y otras aplicaciones especializadas como:
   • Conservación de peces
   • Almacenamiento farmacéutico
   • Enfriamiento del centro de datos
   • Enfriamiento de procesos industriales
2. Capacidad de enfriamiento deseada: Esto se refiere a la cantidad de calor que debe eliminarse de la aplicación, típicamente medida en unidades de energía como kilovatios (kW) o toneladas de refrigeración.
3. Limitaciones de espacio: Esto incluye el espacio disponible para el equipo de enfriamiento, así como cualquier limitación sobre el tamaño, el peso o la forma.
4. Condición ambiental: Esto abarca la temperatura ambiente, la humedad y otros factores ambientales que pueden afectar el rendimiento del sistema de enfriamiento, como:
   • Rangos de temperatura
   • Niveles de humedad
   • Calidad del aire
   • Exposición a las condiciones climáticas
5. Características del producto: Si la aplicación implica enfriar un producto específico, como alimentos o productos farmacéuticos, se deben considerar las siguientes características del producto:
   • Requisitos de temperatura
   • Sensibilidad a las fluctuaciones de temperatura
   • Contenido de humedad
   • Requisitos de embalaje

Para aplicaciones especializadas como la conservación de los peces, los factores adicionales pueden incluir:

• Requisitos de temperatura específicos Para la preservación del producto, como mantener una temperatura refrigerada consistente para evitar el deterioro
• Condiciones climáticas locales, como alta humedad o temperaturas extremas, que pueden afectar el rendimiento del sistema de enfriamiento y requieren consideraciones de diseño especializadas

La siguiente tabla resume los factores clave específicos de la aplicación a considerar:

Factor	Descripción	Ejemplos
Tipo de aplicación	Tipo de aplicación, como almacenamiento en frío o enfriamiento de procesos	Conservación de pescado, almacenamiento farmacéutico, enfriamiento del centro de datos
Capacidad de enfriamiento deseada	Cantidad de calor a eliminar de la aplicación	10 kW, 5 toneladas de refrigeración
Limitaciones de espacio	Espacio disponible para equipos de enfriamiento	Espacio de piso limitado, altura de techo restringido
Condición ambiental	Temperatura ambiente, humedad y otros factores ambientales	Rango de temperatura: -20 ° C a 30 ° C, Nivel de humedad: 50%
Características del producto	Requisitos de temperatura, sensibilidad a las fluctuaciones de temperatura, contenido de humedad	Requisito de temperatura: 2 ° C a 8 ° C, Contenido de humedad: 10%

Diferencial de temperatura (TD)

El diferencial de temperatura entre el refrigerante del evaporador y el medio que se enfría (aire o líquido) es un factor de selección crítico. Un TD más grande proporciona más capacidad de enfriamiento, pero puede causar una mayor humedad relativa en el espacio enfriado. Por el contrario, un TD más pequeño mantiene una mayor humedad, pero requiere una superficie de evaporador más grande.

Para muchas aplicaciones de almacenamiento de alimentos, mantener los niveles de humedad apropiados es tan importante como el control de la temperatura, lo que hace que TD sea una consideración esencial en la selección del evaporador.

Compatibilidad de refrigerante

La elección del refrigerante afecta significativamente la selección y el tamaño del evaporador. Diferentes refrigerantes tienen propiedades termodinámicas variables, afectando el rendimiento del sistema y la selección de componentes. Por ejemplo:

• R-134A se usa comúnmente en aplicaciones automotrices y comerciales
• R-22 (que se está eliminando en eliminación históricamente en muchas aplicaciones industriales
• Los refrigerantes alternativos como R-152A, R-1234YF y R-290 (propano) tienen diferentes características de rendimiento que requieren diseños de evaporadores específicos

El coeficiente de enfriamiento del rendimiento (COP) varía según la selección del refrigerante, con algunas alternativas que funcionan mejor que las opciones tradicionales.

Tipos de evaporadores y sus aplicaciones

Diferentes tipos de evaporadores sirven varias aplicaciones, cada una con distintas ventajas y consideraciones.

Evaporadores refrigerados por aire

Los evaporadores refrigerados por aire usan ventiladores para circular el aire sobre las bobinas del evaporador donde el refrigerante absorbe el calor. Estos son el tipo más común utilizado en la refrigeración industrial y están disponibles en varias configuraciones:

• Unidades montadas en el techo
• Unidades montadas en el piso
• Unidades montadas en la pared

Los evaporadores refrigerados por aire son versátiles y adecuados para una amplia gama de aplicaciones, desde el almacenamiento en frío hasta el enfriamiento del proceso. Su selección depende de los requisitos del flujo de aire, las limitaciones de espacio y la capacidad de enfriamiento necesaria.

Evaporadores refrigerados por agua

Los evaporadores refrigerados por agua usan agua como medio para absorber el calor del refrigerante. Estos se emplean típicamente en:

• Aplicaciones de enfriamiento de procesos
• Grandes sistemas industriales
• Aplicaciones donde se requiere un control de temperatura preciso

Los sistemas refrigerados por agua a menudo logran una mayor eficiencia, pero requieren infraestructura y gestión de agua adicionales.

Intercambiadores de calor coaxiales

Para las aplicaciones que requieren enfriamiento de otro líquido, los intercambiadores de calor coaxiales sirven como evaporadores efectivos. Estos consisten en un tubo dentro de un tubo, con refrigerante que fluye a través de un pasaje y el líquido que se enfriará fluyendo a través del otro.

Este diseño permite una transferencia de calor eficiente entre los dos fluidos, lo que lo hace ideal para aplicaciones especializadas como equipos de laboratorio, enfriamiento médico o control de temperatura de fluidos de proceso.

Integración del sistema y coincidencia de componentes

La función de evaporador adecuada depende de su integración con otros componentes del sistema y el diseño general del sistema.

Coincidencia de compresor-evaporador

El compresor y el evaporador deben coincidir correctamente para garantizar la eficiencia del sistema. Si el evaporador es de gran tamaño en relación con el compresor:

• El diferencial de temperatura será más bajo que las especificaciones de fábrica
• Los niveles de humedad pueden aumentar ligeramente
• La presión de succión aumentará, mejorando potencialmente la eficiencia energética

Por el contrario, un evaporador de menor tamaño tendrá dificultades para satisfacer las demandas de enfriamiento, obligando al compresor a trabajar más y reducir la eficiencia del sistema.

Consideraciones del condensador

El condensador debe estar dimensionado para manejar el rechazo total de calor, que incluye tanto la carga del evaporador como el calor generado por el compresor. Por ejemplo, si un evaporador maneja 4 kW de enfriamiento y el compresor agrega 1 kW de calor, el condensador debe manejar un total de 5 kW.

Esta relación entre componentes subraya la importancia del diseño de todo el sistema en lugar de centrarse en los componentes individuales de forma aislada.

Selección de dispositivos de expansión

El dispositivo de expansión (válvula o orificio) debe tener el tamaño adecuado para entregar la cantidad adecuada de refrigerante al evaporador. En sistemas con dispositivos de medición de orificio variable como TXV (válvulas de expansión termostática) y EEVS (válvulas de expansión electrónica), se debe administrar una columna sólida de refrigerante líquido para garantizar la medición adecuada.

El dispositivo de expansión controla la tasa de flujo del refrigerante y la caída de presión, afectando directamente el rendimiento del evaporador y la eficiencia del sistema.

Optimización del rendimiento y consideraciones de eficiencia

La optimización del rendimiento del evaporador se extiende más allá del tamaño y selección inicial para incluir parámetros operativos y gestión del sistema.

Control de sobrecalentamiento y subenfriamiento

El sobrecalentamiento adecuado (calentamiento adicional del refrigerante de vapor después de la evaporación) es fundamental para el rendimiento del sistema. Si bien es teóricamente ineficiente, es necesaria algo de sobrecalentamiento para proteger al compresor del daño del refrigerante líquido. El equilibrio óptimo de sobrecalentamiento garantiza:

• Refrigerante líquido adecuado en el evaporador para una transferencia de calor eficiente
• Protección del compresor de la slugging líquido
• Uso maximizado de la superficie del evaporador

Del mismo modo, el subenfriamiento (enfriamiento de refrigerante líquido por debajo de su temperatura de condensación) en el condensador asegura la entrega de líquido adecuada al dispositivo de expansión.

Consideraciones de eficiencia energética

Un evaporador bien diseñado maximiza la transferencia de calor al tiempo que minimiza la entrada de energía, reduce los costos operativos y mejora la sostenibilidad del sistema. Varios elementos de diseño pueden mejorar la eficiencia energética:

1. Espaciado y diseño óptimos de aletas
2. Distribución de refrigerante adecuada
3. Selección eficiente de ventilador o bomba
4. Sistemas de descongelación efectivos (cuando corresponda)
5. Patrones de flujo de aire o fluido apropiados

Los diseños alternativos del sistema, como las configuraciones de evaporador dual, también pueden mejorar la eficiencia. En tales sistemas, un evaporador en el compartimento del refrigerador funciona lo suficientemente frío para la refrigeración, mientras que un evaporador separado maneja las temperaturas del congelador. Esta disposición requiere menos energía por unidad de calor eliminada en comparación con los diseños convencionales.

Conclusión

El tamaño y la selección del evaporador representan elementos críticos en el diseño del sistema de refrigeración. El proceso requiere un enfoque metódico que considere no solo la carga de enfriamiento sino también la integración del sistema, las propiedades de refrigerante, los requisitos de aplicación y los objetivos de eficiencia energética.

Los ingenieros y diseñadores deben equilibrar los cálculos teóricos con consideraciones prácticas, incluidos los márgenes de seguridad, las necesidades de capacidad futura y la flexibilidad operativa. La selección óptima del evaporador resulta de este enfoque equilibrado, considerando tanto los requisitos inmediatos como el rendimiento del sistema a largo plazo.

A medida que la tecnología de refrigeración continúa evolucionando, particularmente con la transición a los refrigerantes más bajos-GWP (potencial de calentamiento global) y un mayor énfasis en la eficiencia energética, el diseño del evaporador y las metodologías de selección deben adaptarse en consecuencia. Los principios fundamentales descritos en este informe proporcionan una base para navegar estos cambios al tiempo que logran un rendimiento y confiabilidad óptimos del sistema.