Esta guía se centra en sistemas que usan refrigerante-22 (R-22). Si bien los requisitos generales son los mismos para los sistemas que usan otros refrigerantes, las velocidades y las caídas de presión diferirán.
Revisar los cambios físicos que el refrigerante sufre dentro del ciclo de refrigeración ayudará a demostrar ciertas demandas que el diseño de la tubería debe cumplir.
Refrigeración de vapor-compresión
La siguiente figura ilustra un ciclo básico de refrigeración de vapor-compresión. El refrigerante ingresa al evaporador en forma de una mezcla fría y de baja presión de líquido y vapor (A). El calor se transfiere al refrigerante del aire relativamente cálido que se está enfriando, lo que hace que el refrigerante líquido hierva. El vapor de refrigerante resultante (B) se bombea desde el evaporador por el compresor, lo que aumenta la presión y la temperatura del vapor.
El vapor de refrigerante (C) de alta presión resultante ingresa al condensador donde el calor se transfiere al aire ambiente, que está a una temperatura más baja que el refrigerante. Dentro del condensador, el vapor de refrigerante se condensa en un líquido y está subenfriado. Este refrigerante líquido (d) luego fluye desde el condensador hasta el dispositivo de expansión. Este dispositivo crea una caída de presión que reduce la presión del refrigerante al del evaporador. A esta baja presión, una pequeña porción del refrigerante hierve (o flashes), enfriando el refrigerante líquido restante a la temperatura del evaporador deseada. La mezcla fría de refrigerante líquido y vapor (A) ingresa al evaporador para repetir el ciclo.
Interconexión de tuberías de refrigerante
Estos componentes individuales están conectados por tuberías de refrigerante. La línea de succión conecta el evaporador al compresor, la línea de descarga conecta el compresor al condensador y la línea líquida conecta el condensador al dispositivo de expansión. El dispositivo de expansión generalmente se encuentra al final de la línea líquida, en la entrada al evaporador.
Hay más en el diseño de tuberías de refrigerante que mover el refrigerante de un componente a otro. Independientemente de la atención ejercida en la selección y aplicación de los componentes del sistema de refrigeración, se pueden encontrar problemas operativos si la tubería de interconexión está diseñada o instalada de manera incorrecta.
Requisitos de tuberías de refrigerante
- Devolver aceite al compresor
- Ensure that only liquid refrigerant enters the expansion device
- Minimize system capacity loss
- Minimize refrigerant charge
When a refrigeration system includes field-assembled refrigerant piping to connect two or more of the components, the primary design goals are generally to maximize system reliability and minimize installed cost. To accomplish these two goals, the design of the interconnecting refrigerant piping must meet the following requirements:
- Return oil to the compressor at the proper rate, at all operating conditions
- Ensure that only liquid refrigerant (no vapor) enters the expansion device
- Minimize system capacity loss that is caused by pressure drop through the piping and accessories
- Minimize the total refrigerant charge in the system to improve reliability and minimize installed cost
The first requirement is to ensure that oil is returned to the compressor at all operating conditions. Oil is used to lubricate and seal the moving parts of a compressor. For example, the scroll compressor shown in Figure above uses two scroll configurations, mated face-to-face, to compress the refrigerant vapor. The tips of these scrolls are fitted with seals that, along with a thin layer of oil, prevent the compressed refrigerant vapor from escaping through the mating surfaces. Similarly, other types of compressors also rely on oil for lubrication and for providing a seal when compressing the refrigerant vapor.
Característicamente, parte de este aceite lubricante se bombea junto con el refrigerante en todo el resto del sistema. Si bien este aceite no tiene función en ningún otro lugar del sistema, la tubería de refrigerante debe diseñarse e instalarse para que este aceite regrese al compresor a la velocidad adecuada, en todas las condiciones de funcionamiento.
Devolución de aceite a los compresores
Volviendo al esquema del sistema, las gotas de aceite se bombean del compresor junto con el vapor de refrigerante caliente y de alta presión. La velocidad del refrigerante dentro de la línea de descarga debe ser lo suficientemente alta como para transportar las pequeñas gotas de aceite a través de la tubería hasta el condensador.
Dentro del condensador, el vapor de refrigerante se condensa en un líquido. El refrigerante líquido y el aceite tienen afinidad el uno por el otro, por lo que el aceite se mueve fácilmente junto con el refrigerante líquido. Desde el condensador, esta mezcla de refrigerante líquido y aceite fluye a través de la línea líquida hasta el dispositivo de expansión.
A continuación, la mezcla de refrigerante -aceite se mide a través del dispositivo de expansión hacia el evaporador, donde el refrigerante líquido absorbe el calor y se vaporiza. Nuevamente, la velocidad del vapor de refrigerante dentro de la línea de succión debe ser lo suficientemente alta como para transportar las gotas de aceite a través de la tubería de regreso al compresor.
Sin una velocidad adecuada y una instalación de tubería adecuada, el aceite puede quedar atrapado en el sistema. Si esta condición es lo suficientemente grave, el nivel reducido de aceite en el compresor podría causar problemas de lubricación y, potencialmente, falla mecánica.
Válvula de expansión termostática (TXV)
El segundo requisito del diseño de tuberías de refrigerante es garantizar que solo el refrigerante líquido ingrese al dispositivo de expansión. Existen varios tipos de dispositivos de expansión, incluidas válvulas de expansión (termostáticos o electrónicos), tubos capilares y orificios.
Además de mantener la diferencia de presión entre los lados de alta presión (condensador) y baja presión (evaporador) del sistema, una válvula de expansión termostática (TXV) también controla la cantidad de refrigerante líquido que ingresa al evaporador. Esto asegura que el refrigerante se vaporice por completo dentro del evaporador y mantenga la cantidad adecuada de sobrecalentamiento en el sistema.
subenfriamiento
Dentro del condensador, después de que todo el vapor de refrigerante se haya condensado en líquido, el refrigerante se subenfrece para reducir aún más su temperatura. Este refrigerante líquido subenfriado deja el condensador (a) y experimenta una caída de presión a medida que fluye a través de la línea de líquido y los accesorios, como un secador de filtro y una válvula solenoide, instalada aguas arriba del TXV. En la tabla de presión de presión, figura a continuación en la página 5, esto mueve la condición del refrigerante hacia la curva líquida saturada (B). Si esta caída de presión es lo suficientemente alta, o si el condensador no ha subcomeado lo suficiente, una pequeña porción del refrigerante puede hervir (o parpadear), lo que resulta en una mezcla de líquido y vapor (c) que ingresa el dispositivo de expansión.
La presencia de vapor refrigerante aguas arriba del dispositivo de expansión es muy indeseable. Las burbujas de vapor desplazan el líquido en el puerto del TXV, reduciendo la velocidad de flujo de líquido a través de la válvula, lo que reduce sustancialmente la capacidad del evaporador. Esto da como resultado una operación de válvula errática.
El diseño del sistema de tuberías debe garantizar que solo el refrigerante líquido (sin vapor) ingrese al dispositivo de expansión. Esto requiere que el condensador proporcione un subenfriamiento adecuado en todas las condiciones de funcionamiento del sistema, y que la presión caiga a través de la línea de líquido y los accesorios no sean lo suficientemente altos como para causar parpadeo. El subenfriamiento permite que el refrigerante líquido experimente una caída de presión a medida que fluye a través de la línea de líquido, sin el riesgo de parpadear.
Caída de presión en una línea de succión
El tercer requisito del diseño de tuberías de refrigerante es minimizar la pérdida de capacidad del sistema. Para lograr la capacidad máxima del sistema, el refrigerante debe circular a través del sistema de la manera más eficiente posible. Esto implica minimizar cualquier caída de presión a través de la tubería y otros componentes del sistema.
Cada vez que un fluido fluye dentro de una tubería, se experimenta una caída de presión característica. La caída de presión es causada por la fricción entre el líquido en movimiento (o vapor) y las paredes internas de la tubería. La caída de presión total depende del diámetro y la longitud de la tubería, el número y el tipo de accesorios y accesorios instalados en la línea, y la velocidad de flujo de masa, la densidad y la viscosidad del refrigerante.
Como ejemplo, el gráfico en la figura anterior demuestra el impacto de la caída de la presión, a través de la línea de succión, en la capacidad y la eficiencia del sistema. Para este sistema de ejemplo que funciona con el refrigerante-22, el aumento de la caída de presión total en la línea de succión de 3 psi (20.7 kPa) a 6 psi (41.4 kPa) disminuye la capacidad del sistema en aproximadamente un 2.5 por ciento y disminuye la eficiencia del sistema en aproximadamente un 2 por ciento.
Esto revela un compromiso con el que el diseñador del sistema debe tratar. El diámetro de la línea de succión debe ser lo suficientemente pequeño como para que la velocidad del refrigerante resultante sea lo suficientemente alta como para transportar gotas de aceite a través de la tubería. Sin embargo, el diámetro de la tubería no debe ser tan pequeño que cree una caída de presión excesiva, reduciendo demasiado la capacidad del sistema.
Minimice la carga de refrigerante
Los primeros tres requisitos se han mantenido sin cambios durante muchos años. Sin embargo, años de observación y resolución de problemas han revelado que cuanto menor sea la carga del refrigerante del sistema, más confiablemente se desempeña el sistema. Por lo tanto, se ha agregado un cuarto requisito para el diseño de tuberías de refrigerante: minimice la cantidad total de refrigerante en el sistema. Para empezar, esto implica establecer el enrutamiento de tuberías más corto, más simple y más directo. También implica el uso del diámetro de la tubería más pequeño posible, particularmente para la línea de líquido porque, de las tres líneas, afecta la carga de refrigerante más. La tabla de la figura a continuación muestra que la línea líquida es solo superada del condensador en la cantidad de refrigerante que contiene.
Esto revela otro compromiso para el diseñador del sistema. El diámetro de la línea de líquido debe ser lo más pequeño posible para minimizar la carga de refrigerante total. Sin embargo, el diámetro de la tubería no puede ser lo suficientemente pequeño como para crear una caída de presión excesiva que resulte en parpadeo antes de que el refrigerante líquido llegue al dispositivo de expansión.
Involucrar al fabricante
Si se proporciona, use los tamaños de línea de refrigerante recomendados por el fabricante
Esta guía analiza los procesos para dimensionar las tuberías de interconexión en un sistema de aire acondicionado. Parte del fabricante es mejor conocida por el fabricante de la información requerida para seleccionar los tamaños de línea óptimos. Por lo tanto, si el fabricante del equipo de refrigeración proporciona tamaños de línea recomendados o herramientas para seleccionar los tamaños de línea óptimos, le recomendamos que use esos tamaños de línea.
Sin embargo, si el fabricante no proporciona tamaños de línea, los procesos descritos dentro de esta guía podrían usarse para seleccionar los tamaños.
Requisitos generales de tuberías
- Use tubería de cobre Tipo L limpia
- Juntas de cobre a cobre: BCUP-6 sin flujo
- Juntas de cobre a acero (o latón): bolsa-28, flujo sin ácido
- Apoye adecuadamente las tuberías para tener en cuenta la expansión, la vibración y el peso
- Evite instalar tuberías bajo tierra
- Probar un circuito de refrigerante completo para obtener fugas
Antes de discutir el diseño e instalación de la succión, la descarga y las líneas líquidas, hay algunos requisitos generales que se aplican a todas estas líneas.
Primero, el tubo de cobre se usa típicamente para tuberías de refrigerante en sistemas de aire acondicionado. Este tubo está disponible en varios diámetros estándar y espesores de la pared. El diámetro nominal del tubo se expresa en términos de su diámetro exterior. Este tubo debe estar completamente libre de suciedad, escala y óxido. Se recomienda un nuevo tubo de tipo L o tipo ACR que ha limpiado el fabricante y limitado en ambos extremos se recomienda para aplicaciones de aire acondicionado.
El sistema de tuberías está construido por los tubos de cobre soldadura y los accesorios. Al soldar las articulaciones de cobre a cobre, use BCUP-6* sin flujo. Para juntas de cobre a acero o de cobre a látigo, use la bolsa-28* con un flujo no ácido.
Basado en la especificación de la American Welding Society (AWS) para metales de relleno para soldadura y soldadura por fruado, publicación A5.8–1992
La tubería de refrigerante debe ser compatible adecuadamente para tener en cuenta la expansión, la vibración y el peso total de la tubería. Cuando una tubería experimenta un cambio de temperatura, está sujeto a una cierta cantidad de expansión y contracción. Debido a que la tubería de refrigerante está conectada al compresor, las fuerzas de vibración se transmiten a la tubería misma. Finalmente, el peso de la tubería y los accesorios llenos de refrigerante deben ser soportados para evitar que las tuberías se hundan, se doblen o se rompan.
Evite instalar tuberías de refrigerante bajo tierra. Es muy difícil mantener la limpieza durante la instalación o probar fugas. Si la instalación subterránea es inevitable, cada línea debe aislarse por separado, y luego las líneas deben ser impermeabilizadas y protegidas con una carcasa dura (como PVC).
Después de que se haya instalado la tubería, todo el circuito de refrigeración debe probarse para detectar fugas antes de que pueda cargarse con refrigerante. Este proceso generalmente implica presurizar todo el sistema de tuberías con nitrógeno seco para examinar cada articulación soldada en busca de fugas.
Cada uno de estos temas se discute con mayor detalle en el Manual de refrigeración recíproco de Trane.
Referencia
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