Varios sistemas HVAC requieren que las tuberías de refrigeración de campo se diseñen e instalen en el sitio. Los ejemplos incluyen unidades de condensación, serpentines de expansión directa (DX) en manejadores de aire, evaporadores remotos con enfriadores enfriados por aire y enfriadores con condensadores enfriados por aire remotos. Esta guía cubre el R-22, R-407C, R-410A y R-134a utilizados en sistemas de aire acondicionado comerciales. No se aplica a sistemas de refrigeración industrial y/o de volumen de refrigerante variable (VRV).
La información contenida en esta Guía de Aplicación está basada en el Capítulo 2 del Manual de Refrigeración de ASHRAE y la buena experiencia de McQuay con este tipo de equipos.
Un sistema de tuberías de refrigerante correctamente diseñado e instalado debería:
- Proporcione un flujo de refrigerante adecuado a los evaporadores, utilizando tamaños prácticos de tubería de refrigerante que limiten la caída de presión.
- Evite atrapar el exceso de aceite para que el compresor tenga suficiente aceite para funcionar correctamente en todo momento.
- Evite los golpes de refrigerante líquido.
- Estar limpio y seco.
Lista de verificación del diseño de tuberías de refrigerante
El primer paso en el diseño de tuberías de refrigerante es recopilar información sobre el producto y el lugar de trabajo. A continuación se proporciona una lista de verificación para cada uno. A lo largo del resto de esta guía se explicará cómo se utiliza esta información.
Información del Producto
- Número de modelo de los componentes de la unidad (sección de condensación, evaporador, etc.)
- Capacidad máxima por circuito frigorífico
- Capacidad mínima por circuito frigorífico
- Cargo operativo unitario
- Capacidad de bombeo de la unidad
- Tipo de refrigerante
- Opciones de unidad (bypass de gas caliente, etc.)
- ¿El equipo incluye válvulas de aislamiento y puertos de carga?
- ¿La unidad tiene bombeo?
Información del lugar de trabajo
- Bosquejo de cómo se ejecutarán las tuberías, que incluye:
- Distancias
- Cambios de elevación
- Diseño del equipo
- Guarniciones
- Detalles específicos para conexiones de tuberías del evaporador.
- Condiciones ambientales donde se instalarán las tuberías.
- Rango operativo ambiental (¿funcionará el sistema durante el invierno?)
- Tipo de carga de refrigeración (confort o proceso)
- Aislamiento de la unidad (aisladores de resorte, caucho en corte, etc.)
Diseños típicos de tuberías de refrigerante
Esta figura muestra una unidad condensadora montada sobre rasante conectada a un serpentín DX instalado en una unidad de tratamiento de aire montada en el techo.
- Una línea de líquido suministra refrigerante líquido desde el condensador a una válvula de expansión térmica (TX) adyacente al serpentín.
- Una línea de succión proporciona gas refrigerante a la conexión de succión del compresor.
Esta figura muestra una enfriadora enfriada por aire montada en el techo con un evaporador remoto dentro del edificio.
- 1. Hay dos circuitos de refrigeración, cada uno con una línea de líquido que suministra refrigerante líquido desde el condensador a una válvula TX adyacente al evaporador, y una línea de succión que devuelve gas refrigerante desde el evaporador a las conexiones de succión del compresor.
- 2. Hay un tubo ascendente de doble succión en uno de los circuitos.
Esta figura muestra un enfriador interior con un condensador enfriado por aire remoto en el techo.
- 1. La línea de descarga de gas va desde el lado de descarga del compresor hasta la entrada del condensador.
- 2. La línea de líquido conecta la salida del condensador a una válvula TX en el evaporador.
- 3. La línea de derivación de gas caliente en el circuito va desde la línea de descarga del compresor hasta la conexión de la línea de líquido en el evaporador.
Conceptos básicos del diseño de tuberías
Un buen diseño de tuberías da como resultado un equilibrio entre el costo inicial, la caída de presión y la confiabilidad del sistema. El costo inicial se ve afectado por el diámetro y la disposición de la tubería. La caída de presión en la tubería debe minimizarse para evitar afectar negativamente el rendimiento y la capacidad. Debido a que casi todos los sistemas de tuberías de campo tienen aceite de compresor que pasa a través del circuito de refrigeración y regresa al compresor, se debe mantener una velocidad mínima en la tubería para que regrese suficiente aceite al sumidero del compresor en condiciones de carga completa y parcial.
Una buena regla general es un mínimo de:
- 500 pies por minuto (fpm) o 2,54 metros por segundo (mps) para líneas de succión horizontal y gas caliente.
- 1000 fpm (5,08 mps) para tubos ascendentes de succión y gas caliente.
- Menos de 300 fpm (1,54 mps) para evitar que se produzcan golpes de líquido cuando el solenoide cierra las líneas de líquido.
Los tubos de cobre estirado duro se utilizan para sistemas de refrigeración con halocarbonos. Los tipos L y K están aprobados para aplicaciones de aire acondicionado y refrigeración (ACR). El tipo M no se utiliza porque la pared es demasiado delgada. El tamaño nominal se basa en el diámetro exterior (OD). Los tamaños típicos incluyen 5/8 de pulgada, 7/8 de pulgada, 1-1/8 de pulgada, etc.
Los tubos de cobre destinados a aplicaciones ACR son deshidratados, cargados con nitrógeno y taponados por el fabricante (consulte la figura a continuación).
Con los tubos de cobre estirados en duro se utilizan accesorios formados, como codos y tees. Todas las uniones son soldadas con sopletes de oxiacetileno por un técnico calificado. Como se mencionó anteriormente, los tamaños de las líneas de refrigerante se seleccionan para equilibrar la caída de presión con el costo inicial, en este caso de la tubería de cobre, y al mismo tiempo mantener suficiente velocidad del refrigerante para transportar el aceite de regreso al compresor. Las caídas de presión se calculan sumando la longitud de la tubería requerida a los pies (metros) equivalentes de todos los accesorios de la línea. Luego se convierte a PSI (kPa).
Caída de presión y cambio de temperatura
A medida que el refrigerante fluye a través de las tuberías, la presión cae y cambia la temperatura de saturación del refrigerante. Las disminuciones tanto en la presión como en la temperatura de saturación afectan negativamente el rendimiento del compresor. El diseño adecuado del sistema de refrigeración intenta minimizar este cambio a menos de 2°F (1,1°C) por línea. Por lo tanto, es común escuchar que se hace referencia a la caída de presión como “2°F” versus PSI (kPa) cuando se combinan los componentes del sistema de refrigeración.
Por ejemplo, una unidad de condensación puede producir 25 toneladas (87,9 kW) de enfriamiento a una temperatura de succión saturada de 45 °F (7,2 °C). Suponiendo una pérdida de línea de 2°F (1,1°C), el evaporador tendría que dimensionarse para entregar 25 toneladas (87,9 kW) de enfriamiento a una temperatura de succión saturada de 47°F (7,2°C).
La siguiente tabla compara las caídas de presión en temperaturas y presiones para varios refrigerantes comunes. Tenga en cuenta que los refrigerantes tienen diferentes caídas de presión para el mismo cambio de temperatura. Por ejemplo, muchos documentos se refieren a una caída de presión aceptable de 2°F (1,1°C) o aproximadamente 3 PSI (20,7 kPa) para R-22. El mismo cambio de 3 PSI en R-410A da como resultado un cambio de temperatura de 1,2 °F (0,7 °C).
Nota Caídas de presión de succión y descarga basadas en 100 pies equivalentes (30,5 m) y una temperatura saturada de 40 °F (4,4 °C).
Líneas de líquido
Las líneas de líquido conectan el condensador al evaporador y transportan refrigerante líquido a la válvula TX. Si el refrigerante en la línea de líquido se convierte en gas porque la presión cae demasiado o debido a un aumento en la elevación, entonces el sistema de refrigeración funcionará mal. El subenfriamiento líquido es el único método que evita que el refrigerante se convierta en gas debido a caídas de presión en la línea.
El tamaño real de la línea no debe proporcionar una caída de presión superior a 2 a 3 °F (1,1 a 1,7 °C). La caída de presión real en PSI (kPa) dependerá del refrigerante.
Se desaconseja sobredimensionar las líneas de líquido porque aumentará significativamente la carga de refrigerante del sistema. Esto, a su vez, afecta la carga de petróleo.
A medida que el refrigerante líquido se eleva desde el condensador al evaporador, la presión del refrigerante disminuye. Los diferentes refrigerantes tendrán diferentes cambios de presión según la elevación. Consulte la Tabla 2 para conocer refrigerantes específicos. La caída de presión total en la línea de líquido es la suma de la pérdida por fricción más el peso de la columna de refrigerante líquido en el tubo ascendente.
Refrigerante | Caída de presión PSI/pie (kPa/m) Tubo ascendente |
R-22 | 0,50 (11,31) |
R-407C | 0,47 (10,63) |
R-410A | 0,43 (9,73) |
R-134a | 0,50 (11,31) |
En esta situación, solo el refrigerante líquido subenfriado evitará las chispas en la válvula TX. Si el condensador se hubiera instalado encima del evaporador, el aumento de presión debido al peso del refrigerante líquido en la línea habría impedido que el refrigerante se evaporara en una línea del tamaño adecuado sin subenfriamiento.
Es importante tener algo de subenfriamiento en la válvula TX para que la válvula funcione correctamente y no falle prematuramente. Siga las recomendaciones del fabricante. Si no hay ninguno disponible, proporcione de 4 a 6 °F (2,2 a 3,3 °C) de subenfriamiento en la válvula TX.
Las líneas de líquido requieren que se seleccionen e instalen en el campo varios componentes y/o accesorios de la línea de refrigerante (Figura siguiente). Se requieren válvulas de aislamiento y puertos de carga. Generalmente, es deseable tener válvulas de aislamiento para dar servicio a los componentes básicos del sistema, como una unidad condensadora o un condensador. En muchos casos, los fabricantes suministran válvulas de aislamiento con su producto, así que asegúrese de verificar qué se incluye. Las válvulas de aislamiento vienen en varios tipos y formas.
Refiriéndose a esta figura :
- Trabajando desde el condensador se dispone de un filtro secador de la línea de líquido. El filtro secador elimina los residuos del refrigerante líquido y contiene un desecante para absorber la humedad del sistema. Los filtros secadores son desechables o permanentes con núcleos reemplazables.
- A continuación hay una mirilla que permite a los técnicos ver el estado del refrigerante en la línea de líquido. Muchas mirillas incluyen un indicador de humedad que cambia de color si hay humedad presente en el refrigerante.
- Después de la mirilla está la válvula TX.
Los posibles accesorios para este sistema incluyen:
- Un puerto de derivación de gas caliente. Este es un accesorio especial que se integra con el distribuidor: un conector lateral auxiliar (ASC).
- Una válvula solenoide de bombeo. Si se utiliza un bombeo, la válvula solenoide estará ubicada justo antes de la válvula TX, lo más cerca posible del evaporador.
- Receptores en la línea de líquido. Estos se utilizan para almacenar el exceso de refrigerante para bombeo o servicio (si el condensador tiene un volumen inadecuado para mantener la carga del sistema), o como parte de un enfoque de control de ambiente bajo inundado. Generalmente se evitan los receptores porque eliminan el subenfriamiento del condensador, aumentan el costo inicial y aumentan la carga de refrigerante.
Las líneas de líquido deben tener una pendiente de 1/8 de pulgada por pie (10,4 mm/m) en la dirección del flujo de refrigerante. La captura es innecesaria.
Líneas de succión
Las líneas de gas de succión permiten que el gas refrigerante del evaporador fluya hacia la entrada del compresor. Un tamaño insuficiente de la línea de succión reduce la capacidad del compresor al obligarlo a operar a una presión de succión más baja para mantener la temperatura deseada del evaporador. Sobredimensionar la línea de succión aumenta los costos iniciales del proyecto y puede resultar en una velocidad insuficiente del gas refrigerante para mover el aceite desde el evaporador al compresor. Esto es particularmente importante cuando se utilizan elevadores de succión verticales.
Las líneas de succión deben dimensionarse para una pérdida de presión máxima de 2 a 3 °F (1,1 a 1,7 °C). La caída de presión real en PSI (kPa) dependerá del refrigerante.
Detalles de la tubería de la línea de succión
Mientras está en funcionamiento, la línea de succión se llena con vapor de refrigerante y aceite sobrecalentados. El aceite fluye por el fondo de la tubería y es movido por el gas refrigerante que fluye por encima. Cuando el sistema se detiene, el refrigerante puede condensarse en la tubería dependiendo de las condiciones ambientales. Esto puede provocar golpes si el refrigerante líquido ingresa al compresor cuando se reinicia el sistema.
Para promover un buen retorno de aceite, las líneas de succión deben tener una inclinación de 1/8 de pulgada por pie (10,4 mm/m) en la dirección del flujo de refrigerante. Las conexiones del evaporador requieren cuidado especial porque el evaporador tiene el potencial de contener un gran volumen de refrigerante condensado durante los ciclos de inactividad. Para minimizar el golpe de refrigerante condensado, los evaporadores deben aislarse de la línea de succión con una trampa invertida como se muestra en las figuras a continuación:
La trampa debe extenderse por encima de la parte superior del evaporador antes de llegar al compresor.
- Con evaporadores múltiples, la tubería de succión debe diseñarse de manera que las caídas de presión sean iguales y el refrigerante y el aceite de un serpentín no puedan fluir hacia otro serpentín.
- Se pueden usar trampas en la parte inferior de los elevadores para atrapar el refrigerante condensado antes de que fluya hacia el compresor. Las trampas intermedias son innecesarias en un tubo ascendente del tamaño adecuado ya que contribuyen a la caída de presión.
- Por lo general, con los equipos de aire acondicionado producidos comercialmente, los compresores están "preconectados" a una conexión común en el costado de la unidad.
- Hay filtros secadores de línea de succión disponibles para ayudar a limpiar el refrigerante antes de que ingrese al compresor. Debido a que representan una caída de presión significativa, solo deben agregarse si las circunstancias lo requieren, como después de que se queme el compresor. En este caso, el filtro secador de succión a menudo se retira después del período de rodaje para el compresor de reemplazo. Los filtros secadores de succión atrapan cantidades significativas de aceite, por lo que deben instalarse según las especificaciones del fabricante para promover el drenaje del aceite.
Líneas de descarga
Las líneas de gas de descarga (a menudo denominadas líneas de gas caliente) permiten que el refrigerante fluya desde la descarga del compresor hasta la entrada del condensador. Un tamaño insuficiente de las líneas de descarga reducirá la capacidad del compresor y aumentará el trabajo del mismo. El sobredimensionamiento de las líneas de descarga aumenta el costo inicial del proyecto y puede resultar en una velocidad insuficiente del gas refrigerante para transportar el aceite de regreso al compresor. Figuras a continuación.
Detalles de la tubería de la línea de descarga
Las líneas de descarga transportan tanto vapor de refrigerante como aceite. Dado que el refrigerante puede condensarse durante el ciclo de apagado, la tubería debe diseñarse para evitar que el refrigerante líquido y el aceite regresen al compresor. Se pueden agregar trampas en la parte inferior de los elevadores para atrapar el aceite y el refrigerante condensado durante los ciclos de inactividad, antes de que regrese al compresor. Las trampas intermedias en los tubos ascendentes son innecesarias en un tubo ascendente del tamaño adecuado ya que aumentan la caída de presión. Las líneas de descarga deben tener una inclinación de 1/8 de pulgada por pie (10,4 mm/m) en la dirección del flujo de refrigerante hacia el condensador.
Siempre que se ubique un condensador encima del compresor, se debe instalar una trampa invertida o una válvula de retención en la entrada del condensador para evitar que el refrigerante líquido fluya hacia atrás hacia el compresor durante los ciclos de apagado. En algunos casos (es decir, con compresores alternativos), se instala un silenciador de descarga en la línea de descarga para minimizar las pulsaciones (que causan vibraciones). El aceite queda atrapado fácilmente en un silenciador de descarga, por lo que debe colocarse en la parte horizontal o de flujo descendente de la tubería, lo más cerca posible del compresor.
Múltiples circuitos de refrigeración
Para control y redundancia, muchos sistemas de refrigeración incluyen dos o más circuitos de refrigeración. Cada circuito debe mantenerse separado y diseñarse como si fuera un solo sistema. En algunos casos, un único circuito de refrigeración sirve a varios evaporadores, pero nunca se deben conectar varios circuitos de refrigeración a un solo evaporador. Un error común es instalar unidades condensadoras de dos circuitos con un serpentín evaporador de un solo circuito.
Esta figura muestra bobinas DX comunes que incluyen múltiples circuitos. El entrelazado es el más común. Es posible tener baterías individuales, cada una con un único circuito, instaladas en el mismo sistema y conectadas a un circuito de refrigeración dedicado.
Si bien las aplicaciones de aire acondicionado más comunes tienen un evaporador para cada circuito, es posible conectar varios evaporadores a un solo circuito de refrigeración.
La siguiente figura muestra un único circuito de refrigeración que sirve a dos serpentines DX. Tenga en cuenta que cada bobina tiene su propio solenoide y válvula de expansión térmica. Debe haber una válvula TX para cada distribuidor. Se deben utilizar solenoides individuales si los evaporadores van a funcionar de forma independiente (es decir, para control de capacidad). Si ambos evaporadores funcionan al mismo tiempo, entonces se puede utilizar una válvula de solenoide única en una tubería común.