36th Annual Meeting International Institute of Ammonia...

Technical Papers36th Annual Meeting

International Institute of Ammonia Refrigeration

March 23–26, 2014

2014 Industrial Refrigeration Conference & Heavy Equipment ShowNashville, Tennessee

ACKNOWLEDGEMENT

The success of the 36th Annual Meeting of the International Institute of Ammonia

Refrigeration is due to the quality of the technical papers in this volume and the labor of its

authors. IIAR expresses its deep appreciation to the authors, reviewers and editors for their

contributions to the ammonia refrigeration industry.

ABOUT THIS VOLUME

IIAR Technical Papers are subjected to rigorous technical peer review.

The views expressed in the papers in this volume are those of the authors, not the

International Institute of Ammonia Refrigeration. They are not official positions of the

Institute and are not officially endorsed.

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2014 Industrial Refrigeration Conference & Heavy Equipment Show

Nashville, Tennessee

© IIAR 2014 1

Abstracto:

Diseñar los sistemas de refrigeración por amoníaco con la carga de refrigerante más baja posible tiene muchos beneficios potenciales. Las normas de seguridad locales y nacionales por lo general llegan a ser menos restrictivas a medida que disminuye la carga de amoníaco. Los riesgos asociados con la exposición de las personas y los productos al amoníaco también se reducen con la disminución de la carga de amoníaco.

Tradicionalmente los Sistemas de Refrigeración Industrial han utilizado alimentación por líquido recirculado o inundado para distribuir el refrigerante en los evaporadores. Este tipo de sistema ofrece un sin número de beneficios operacionales y utiliza al máximo posible la carga del sistema, en un rango de 25 Lbs/ TR /3.0 kg/kW). Usando expansión directa (DX) en lugar de recirculación por bombas, se puede reducir la carga de amoníaco en los evaporadores hasta 50 veces y reducir la carga del sistema hasta una cantidad tan baja como 5.5 lbs/TR (0.7 kg/kW). Otros beneficios son:

• Controles simplificados

• Línea de succión seca energéticamente eficiente

• Evacuación de refrigerante más rápida y ciclo de desescarche más corto

• Reducción en el diámetro de las tuberías

• Eliminación de las bombas de recirculación

A pesar de los beneficios potenciales asociados con el uso de amoníaco DX, no ha sido ampliamente aplicado debido al bajo rendimiento del evaporador y la dificultad para controlar el flujo de líquido. La identificación de las causas del bajo rendimiento del evaporador y el retorno de líquido así como la aplicación de nuevos diseños que abordan estas dificultades son el tema de este artículo.

Trabajo técnico #2

Reduciendo La Carga de Amoníaco en Sistemas de Refrigeración Industrial

Usando Expansión DirectaBruce I. Nelson, P.E.

Colmac Coil Manufacturing Inc.Colville, Washington

Trabajo técnico #2 © IIAR 2014 3

Reduciendo La Carga de Amoníaco en Sistemas de Refrigeración Industrial Usando Expansión Directa

Antecedentes:El amoníaco es ampliamente reconocido como un excelente refrigerante por varios

motivos:

- Ambientalmente benigno (0.0 ODP – daño a capa ozono, 0.0 GWP –efecto

invernadero)

- Energéticamente eficiente en máquinas de compresión de vapor

- Bajo Costo

- Excelentes características como transmisor de calor

- Componentes ampliamente disponibles para amoníaco

Desafortunadamente, el amoníaco es tóxico.

Tradicionalmente los Sistemas de Refrigeración Industrial han usado diseños con

alimentación de evaporadores por líquido recirculado (con bombas mecánicas o

recipientes con bombeo con gas alta presión) o inundado (con trampas de succión).

Ambos diseños utilizan típicamente evaporadores con alimentación de líquido al

serpentín por debajo, con lo que alimenta el amoníaco líquido desde la parte más

baja del circuito del serpentín y provoca que el amoníaco fluya en sentido ascendente

y “filtrarse” a través del serpentín en pasos ascendentes hasta la salida del mismo,

ubicada en la parte más alta del circuito. Este tipo de diseño típicamente utiliza

diámetros de tuberías mayores lo que significa un volumen interno del serpentín

relativamente grande. Mientras que los sistemas inundados y recirculados son

eficaces y fáciles de operar, la combinación de alimentación de refrigerante, el

circuitaje y el diámetro del tubo, da como resultado un posible mayor inventario de

carga de refrigerante en el evaporador.

Debido a que el amoníaco es toxico, los usuarios de los sistemas de refrigeración

han incrementado su interés en reducir la carga de amoníaco en los evaporadores

(y en la totalidad del sistema) para minimizar el riesgo de fugas de amoníaco para

los trabajadores y productos asociados. Una manera eficaz de reducir la carga

considerablemente es diseñar y operar evaporadores con circuitaje y controles con

4 © IIAR 2014 Trabajo técnico #2

2014 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition – Heavy Equipment Show, Nashville, TN

expansión directa (DX). Utilizar amoníaco DX puede reducir la carga del evaporador

hasta 30 o incluso 50 veces comparado con diseños inundados o recirculados.

La magnitud de esta reducción de la carga de amoníaco también podría mitigar

los requerimientos regulatorios y potencialmente reducir los costos de las primas

de seguros. En los Estados Unidos los sistemas de refrigeración con amoníaco con

cantidades mayores a 10,000 lbs (4536 kg) o más, están sujetos a:

• Más escrutinio de OSHA (la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional)

bajo los requisitos de PSM (Gerencia de seguridad de procesos) e inspecciones

NEP (el Programa nacional de énfasis)

• Más requisitos bajo RMP (el Programa de manejo de riesgos) de la EPA (la

Agencia de protección ambiental)

• Cumplimiento con CFATS (las Normas anti-terrorismo para instalaciones

químicas) del DHS (el Departamento de seguridad interior)

En Europa los sistemas de refrigeración con amoníaco con cantidades mayores a

6,000 lbs (3,000 kg) o más están sujetas a implementar y cumplir las siguientes

regulaciones:

• Los requisitos de la Norma EN378 para el aislamiento de almacenes (Seguridad a

Personas y Medio Ambiente)

• Regulaciones más estrictas en algunos países (como Francia)

Aplicando amoníaco con DX permite que las plantas frigoríficas con cargas de

refrigeración de entre 1,500 a 1,800 TR sean diseñadas con una carga de amoníaco

en el sistema bajo 10,000 libras (5,000 kg).



Nuevas tecnologías permiten la aplicación de amoníaco DX a bajas temperaturas

El amoníaco DX se ha utilizado durante algún tiempo en los sistemas de media y alta

temperatura (temperaturas de succión por encima de +20° F (-6.6°C)) con cierto

éxito (Nelson 1998). Sin embargo, a pesar de las ventajas de reducción de carga

antes mencionadas, hasta la fecha el amoníaco DX no se ha aplicado con éxito a

temperaturas de congelación. A temperaturas de succión por debajo de unos +20°F

(-6.6°C), las siguientes características particulares del amoníaco resultan en un mal

desempeño de los evaporadores a menos que sea atendido y mitigado:

1. La separación de las fases líquida y vapor. A temperaturas por debajo de

aproximadamente +20° F (-6.6°C), la muy alta proporción de vapor al

volumen específico de líquido de amoníaco a bajas temperaturas, combinada

con su muy alto calor latente de vaporización, provoca una separación

inevitable de fases vapor y líquida dentro de los tubos del evaporador DX

(Cotter 2008). Esta separación de fases hace que el amoníaco líquido presente

se desplace a lo largo de los tubos solo por la parte inferior, dejando la parte

superior de los tubos completamente “seco”. El resultado es un muy pobre

rendimiento del evaporador y temperaturas menores a las esperadas durante la

operación. Para resolver este problema, se ha desarrollado una nueva técnica

de mejora de la superficie (Nelson 2011), la cual, cuando se aplica a la parte

interior de tubos del evaporador, hace que el amoníaco líquido presente cubra

por acción capilar toda la superficie interior de los tubos. Con esta nueva

tecnología del tubo mejorado, el rendimiento y eficiencia de los evaporadores

de amoníaco DX a bajas temperaturas se aproxima al rendimiento de los

equipos de recirculación bombeados con alimentación de líquido por la parte

inferior del circuito.

2. Agua en el amoníaco. Tal como se describe en otro documento (Nelson

2010), incluso pequeñas cantidades de agua en el amoniaco (1%-3%)



penalizará significativamente el rendimiento del evaporador de amoníaco DX.

El agua debe ser eliminada de manera efectiva durante el funcionamiento,

particularmente en sistemas de congelación que funcionan a presiones de

aspiración debajo de una atmósfera (en vacío). Actualmente, la única manera

efectiva de eliminar el agua del amoníaco es con el uso en un recipiente de

destilación que calienta el amoníaco. Este muy negativo efecto de pequeñas

cantidades de agua en el rendimiento del evaporador no ha sido plenamente

reconocido en el pasado, pero debe ser abordado durante el diseño del sistema

de amoníaco DX. A continuación se explica cómo diseñar el sistema para

la gestión y la eliminación continua de agua de la carga de amoníaco del

sistema.

Estimando la carga de operación en evaporadores de amoníaco

Dado que los evaporadores son los componentes del sistema de refrigeración

que están cerca de las personas y los productos, la cantidad contenida en los

evaporadores durante la operación es una importante consideración.

La carga de amoníaco en el evaporador puede ser calculada basada en correlaciones

fraccionaras anulares de los flujos en dos fases tanto en los tubos horizontales

(Steiner 1993) como en los verticales (Rouhani 1970). Fracción anular en un flujo de

dos fases, es definida como la fracción del volumen del tubo ocupado por vapor (el

volumen remanente es ocupado por el líquido). La fracción anular puede ser usada

para calcular una “instantánea” del volumen del vapor y líquido en los tubos del

evaporador en un momento dado y así puede ser usado para determinar la masa de

refrigerante (la carga) en el evaporador en aquel momento específico. Fracción anular

es una función solida de la relación de vapor a la densidad del líquido y la relación

de deslizamiento (velocidad relativa del vapor y las fases de líquido). Dado que la

relación líquido a densidad de vapor es muy alta en el amoníaco, la fracción anular



se incrementa rápidamente mientras se forma vapor debido a la ebullición en los

tubos del evaporador.

Para ilustrar el uso de la fracción anular, la carga de amoníaco para un evaporador de

baja temperatura (-40°F / -40°C) es calculada por un sistema bombeado de relación

4:1 y un sistema con operación en expansión directa. Típicamente en un sistema

bombeado, el volumen de la bomba se mantiene constante en relación con la carga

de refrigeración. Esto resulta en una fricción anular baja e incrementa la carga de

refrigeración cuando la carga cae, esto comparado con un sistema de operación

en expansión directa donde el ajuste de la válvula de expansión reduce el flujo de

refrigerante en respuesta a la caída de la carga.

Ejemplo:

• (2) x serpentines @ 60TR c/u (120 TR total)

• tubos de 7/8” (22 mm) de diámetro

• 26 tubos de altura (58.5” alto) x (200” de largo)

• 16 hileras de profundidad

• DX: 8 pasos en circuitaje (alimentación superior)

• 4:1 bombeado: 4 pasos circuitaje (alimentación inferior)

El cálculo de la fricción anular para DX vs amoníaco bombeado (alimentación

inferior) es mostrado en la figura 1, líneas abajo. La fricción anular se incrementa a

través del circuito del evaporador cuando el amoníaco calienta y fluye de la entrada

hacia la salida (de izquierda a derecha). Es evidente en la figura 1 que el “flash gas”

a la entrada del evaporador DX actúa para producir una elevada fricción anular a

través de la longitud del circuito del evaporador. Esta es la razón fundamental de la

muy baja carga vista en operación con DX versus operación con bombeado (recir

abajo).



Figura 1: Fracción anular vs. calidad del vapor (fracción másica), NH3 @ -40°F vs. 4:1 recirculado alimentación abajo

Como se menciona líneas arriba, los evaporadores de recirculación por abajo, tienden

a “subir carga” cuando la carga de refrigeración cae. La figura 2, abajo, muestra este

efecto y la diferencia de carga para el ejemplo sobre un rango de capacidad (% a

plena carga).

Figura 2: Inventario de carga vs. carga de ref. (2) x 60 TR tubo, evaporadores de 7/8” ‘40°F NH3 DX vs. 4:1 recirculado alimentación abajo



Tabla 1, abajo, muestra el resumen de la comparación en la carga de amoníaco DX

versus bombeado (alimentación abajo).

Alimentación

inferiorDX

Capacidad % 4:1 (Xent = 0.1)

100 201 12

50 290 14

25 417 19

Tabla 1: Inventario en lbs 120 TR capacidad evaporación

La carga del evaporador de amoníaco DX puede ser estimada usando ecuaciones

de fracción anular de dos fases, como se explicó anteriormente. La tabla 2, abajo,

muestra la carga de amoníaco DX como un porcentaje del volumen interno.

Presión succión (psia)

temperatura saturación

(°F)

Evaporador amoníaco

DX carga inventario,

lbs/ft3 de volumen

interno

48.2 (+20°F) 1.01

30.4 (+0.0°F) 0.83

18.3 (-20.0°F) 0.63

10.4 (-40.0°F) 0.52

Tabla 2: Carga inventario evaporador amoníaco DX

Ejemplo:

Un evaporador amoníaco DX operando a una temperatura de succión de -20°F tiene

un volumen interno de 12 ft3. ¿Cuál es la estimada carga de operación de amoníaco

DX?



Respuesta:

Carga estimada de amoníaco DX del evaporador = 12 ft3 x 0.63 = 7.6 lbs

Cálculo de la carga inicial del amoníaco del sistema

El cálculo de arriba ilustra una dramática reducción de la carga de amoníaco del

evaporador, pero ¿cuál es la expectativa de la reducción de amoníaco en el sistema

entero? ¿Y cómo se puede comparar la base del costo inicial del sistema de amoníaco

DX comparado con el amoníaco bombeado?

Para responder a estas preguntas, el inventario detallado de la carga y el costo inicial

para una instalación de almacenamiento en frío con amoníaco fueron calculados

(Welch 2013). Se elaboró un diseño genérico para un espacio de almacenes de

producto congelado para alquilar con un área de 100,000 ft2, incluyendo seis

congeladores tipo ráfaga y andenes de recepción y embarque. El sistema de

refrigeración fue diseñado como un sistema convencional de recirculación en dos

etapas y un diseño alternativo con la misma capacidad fue completado usando la

tecnología del amoníaco DX.

El mismo modelo de compresor y condensador fue seleccionado para los dos

sistemas, reflejando la misma carga de refrigeración de ambos. Los evaporadores

de alimentación de amoníaco recirculado fueron sustituidos por evaporadores

de amoníaco DX. Los recipientes recirculadores fueron retenidos y modificados

levemente en dimensiones debido a la reducción de la carga de amoníaco por todo

el sistema. Todas las bombas de recirculación de los congeladores ráfaga, almacén

de producto congelado y andenes, fueron eliminadas. El sistema DX requirió la

adhesión de un sub-enfriador de líquido para mantener el líquido a alta presión hacia

los evaporadores, un destilador de agua para crear amoníaco puro y un sistema de

transferencia para acomodar el excedente de líquido acarreado. Las estaciones de



válvulas fueron rediseñadas para un método de alimentación diferente y los diseños

de los colectores fueron alterados de acuerdo a las nuevas condiciones.

Se redujo la carga de refrigerante amoníaco de lado de baja de cerca de 12,000 lbs

a menos de 3,000 lbs. Se muestra un análisis detallado del inventario de carga de

amoníaco para ambos tipos de sistemas en la Tabla 2 y Figura 3 abajo.

Carga de Amoníaco en Kgs

Enfriador Aceite termosifónEnfriador Aceite

Glicol

Componente Recirculado DX%

ReducciónDX % Reducción

Evaporadores Congeladores

c/válvulas990 299 70% 299 70%

Colectores Congeladores 156 46 70% 46 70%

Recipientes Congeladores 1281 227 82% 227 82%

Evaporadores Cámara

Congelados c/válvulas 839 201 76% 201 76%

Colectores Cámara

Congelados252 113 55% 113 55%

Recipientes Cámara

Congelados574 23 96% 23 96%

Evaporadores Andenes

c/válvulas 192 58 70% 58 70%

Colectores Andenes 120 4 97% 4 97%

Intercooler 1003 311 69% 311 69%

Compresores & Colectores 79 79 0% 79 0%

Condensadores & Colectores 460 460 0% 460 0%



Recibidor carga mínima

Termosifón317 317 0% 0 100%

Colectores y Tuberías

Termosifón609 609 0% 0 100%

Recibidor (Enfriador Aceite

Glicol) 30"x12'N/A 52 N/A

Total 6872 2747 60% 1873 73%

Tabla 3: Resumen de la carga de amoníaco

Figura 3: Distribución de la carga de amoníaco

La Figura 3 encima muestra que la mayor parte de la reducción de carga para el

sistema de amoníaco DX tiene lugar en los evaporadores, que es la parte del sistema

más cercano a las personas y productos, mejorando de este modo la seguridad

general del sistema y reduciendo el riesgo.



El costo inicial estimado del sistema de refrigeración DX está dentro de 1-2% del

sistema de recirculación, siendo con esto esencialmente el mismo. Los evaporadores

DX son inherentemente más grandes debido a las necesidades de sobrecalentamiento

y llevan un costo adicional para la aplicación de la tecnología de tubos realzados para

DX (se explica más adelante). Los grupos de válvulas DX son más caros debido a los

controles de la válvula de expansión electrónica y la tubería de gas caliente separada

para la bandeja y serpentín. Esto se compensa en su mayoría con ahorros por

tuberías y recipientes con el diseño DX y la eliminación de bombas de recirculación.

Dependiendo del tipo de sistema y el refinamiento del diseño, el costo del lado de

baja del diseño DX puede ser igual al costo de un sistema de recirculado.

Consideraciones de diseño del sistema

Eliminación del agua

Como se explicó en detalle en otro lugar (Nelson 2010), la presencia de agua en el

amoníaco, incluso en pequeñas cantidades, tiene un efecto negativo en el desempeño

de evaporadores de expansión directa. Desafortunadamente, es muy difícil remover

completamente el agua del sistema de refrigeración industrial por un sin número

de razones: residuos de agua que quedan en recipientes a presión de las pruebas

hidráulicas, evacuación incompleta del sistema antes de arrancar, fugas en algunas

secciones de sistemas que normalmente operan en vacío, etc.

Estos residuos de agua van mezclados con el amoníaco y elevan la temperatura del

punto de ebullición (punto de burbujeo). En una concentración del 20% (en masa)

de agua en amoníaco, el punto de ebullición se eleva aproximadamente 10 °F por

encima del punto de ebullición del amoníaco puro a la misma presión. Ver Figura 13

abajo.



A medida que la mezcla de agua-amoníaco entra en el circuito del evaporador,

ésta comienza a hervir. Debido a la gran diferencia de presiones de vapor entre el

amoníaco y el agua, solo se generará el vapor de amoníaco durante el proceso de

evaporación, dejando el agua detrás en el líquido residual. Entonces, el proceso

de evaporación da un incremento en la concentración de agua y un incremento

correspondiente en el punto de ebullición del refrigerante a medida que pasa por el

circuito del serpentín. Para el caso de un evaporador operando con una diferencia de

temperatura de 10 °F, el refrigerante dejará de hervir una vez que la concentración

de agua alcance aproximadamente un 20% ya que el punto de ebullición se habrá

incrementado 10 °F. Este cese del hervor ocurrirá en algún punto a lo largo de

la longitud del circuito del evaporador, el punto en el cual se detendrá el hervor

dependerá de la concentración inicial de agua y la presión de succión. En el momento

donde el incremento de la concentración de agua ha causado un incremento en el

punto de ebullición igual a la diferencia de temperatura del serpentín, el refrigerante

líquido saldrá del evaporador y entrará a la línea de succión.

Un ejemplo del incremento de la temperatura del punto de ebullición a través del

circuito de un evaporador, representado por el cambio de la calidad del vapor,

se muestra abajo en la Figura 4 para una concentración inicial de agua en el

amoníaco del 3% a una presión de 10.4 psia (-40 °F SST). En este ejemplo, el punto

de ebullición (Tbub) se ha incrementado en 10 °F con una calidad de vapor de

aproximadamente 0.89.



Figura 4: Incremento punto ebullición vs. calidad vapor NH3, T Sat = -40°F

Este incremento del punto de ebullición reduce significativamente la diferencia de

temperatura media y por lo tanto la capacidad de enfriamiento del evaporador es

reducida como lo muestra la Figura 5.

FIGURA 5: Reducción capacidad vs. % agua, evaporador amoníaco DX, -20°F SST, -10°F aire entrada



Además de la penalidad vista en el desempeño cuando cantidades relativamente

pequeñas de agua están presentes en el amoníaco, esto también significa que

la proporción en masa (1 – 0.89) o 11% de la masa del refrigerante saliendo del

evaporador como líquido tendrá que capturarse abajo en el acumulador de succión.

Es importante que el diseñador entienda que la mezcla agua-amoníaco con una

concentración de agua de aproximadamente 20% inevitablemente saldrá del

evaporador aun cuando pequeñas cantidades de agua estén presentes. Por lo tanto

el acumulador de succión debe estar diseñado adecuadamente para llevar a cabo las

siguientes funciones:

i. Separar el refrigerante líquido y vapor y solamente dejar pasar vapor al

compresor,

ii. Capturar y destilar (por medio de calor) agua-amoniaco líquido a una

concentración que pueda ser removida de forma segura del sistema para

eliminación,

iii. Transferir el exceso de líquido atrapado al recibidor de alta presión, o a la

línea de líquido de baja presión.

1. Separación

La separación de líquido-vapor en acumuladores de succión es un asunto que se

entiende bien y los métodos de diseño son bien documentados. Consulte los métodos

reconocidos y publicados de dimensionamiento y diseño (Stoecker 1988, Wiencke

2002).

2. Destilación

El amoníaco es altamente soluble en agua debido a la polaridad de las moléculas

de amoníaco y su habilidad para formar enlaces de hidrógeno muy fuertes (Nelson

2010). Esta alta solubilidad hace del agua / amoníaco una buena pareja como fluido

de trabajo en máquinas de refrigeración por absorción, aprovechando las grandes

diferencias de presión de vapor entre el vapor de amoníaco y una solución ligera. Sin



embargo, este mismo comportamiento hace que la extracción de agua de los sistemas

de refrigeración con amoníaco sea algo difícil.

Como se mencionó arriba, la mezcla de agua /-amoníaco con una concentración de

agua de aproximadamente 20% regresará de los evaporadores por medio de la línea

de succión para ser atrapada en el acumulador de succión. Esta solución acuosa de

amoníaco, llamada hidróxido de amonio, a una concentración del 80% de amoníaco

(20% agua) sería seguramente muy difícil removerla del sistema para eliminación.

Además de la destilación de la solución, es necesario llevar la concentración de

amoníaco en la solución hasta el mínimo posible antes de ser removido.

La única forma práctica para destilar el hidróxido de amonio es por calentamiento

en un recipiente de destilación independiente llamado “destilador”. El hidróxido

de amonio atrapado en el acumulador de succión drena por gravedad al destilador

donde es calentado a una temperatura correspondiente al punto en un diagrama Fase

Equilibrio donde la pendiente del punto de rocío cambia rápidamente desde casi

vertical a casi plana. Este punto se muestra en la Figura 6 como “Punto A”. Debajo

de esta temperatura (entre 100 y 120 °F), el vapor de amoníaco casi puro saldrá del

destilador e irá a través de la línea de venteo de regreso al acumulador de succión

donde será llevado de nuevo al compresor. Por encima de esta temperatura, el

vapor de agua comenzará a separarse de la mezcla de hidróxido de amonio y saldrá

del destilador por la línea de venteo donde regresará a mezclarse con el amoníaco

liquido presente en el acumulador de succión. Basado en esto, el elemento calefactor

en el destilador tiene que ser controlado para llevar la temperatura de la mezcla hasta

un máximo de 100 a 120 °F, punto en el que está listo para ser removido de manera

segura a un recipiente de almacenamiento para su posterior procesamiento y/o

eliminación.



Figura 6: Diagrama fase equilibrio (amoníaco-agua), temperatura vs. composición

La Figura 6 también nos muestra que la máxima concentración de agua en la mezcla

de hidróxido de amonio calentado a 100 °F varía con la presión de succión. Las

máximas concentraciones de agua posibles se muestran como los puntos B, C, D y E,

en la Figura 6, y se enlistan en la Tabla 4 de abajo. Es evidente a partir de la figura

y la tabla que el destilador puede alcanzar concentraciones de agua más altas a

presiones de succión más bajas.

Presión de succión, psia

(temp saturación, °F)

Concentración agua, %

en masa

Concentración

amoníaco, % en masa48.2 (+20 F) 57.5 42.5

30.4 (0 F) 65.0 35.0

18.3 (-20 F) 72.5 27.5

10.4 (-40 F) 80.0 20.0

Tabla 4: Concentraciones de agua-amoníaco @ 100 °F vs. presión de succión



Usando la información de arriba, ahora se puede hacer una estimación del volumen

de la mezcla de hidróxido de amonio la cuál será generada por el destilador para

una carga de amoníaco de un sistema dado con un contenido determinado de agua

inicial. La Tabla 5 debajo nos muestra el volumen esperado de la mezcla de hidróxido

de amonio por libra de la carga inicial de amoníaco que tendrá que ser removido por

el destilador y retirado con el fin de remover completamente el agua del sistema de

refrigeración.

Contenido

inicial de

agua, %

Presión de succión saturada, psia (temperatura de

saturación, °F)

48.2 (+20 °F) 30.4 (0 °F) 18.3 (-20 °F) 10.4 (-40 °F)

0 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000

1 0.00246 0.00211 0.00183 0.00161

3 0.00738 0.00633 0.00550 0.00484

5 0.01230 0.01055 0.00917 0.00807

10 0.02460 0.02109 0.01835 0.01614

20 0.04920 0.04218 0.03669 0.03229

Tabla 5: Volumen esperado de la mezcla destilada de hidróxido de amonio @ 100°F (galones por libra de la carga inicial de amoníaco)

Ejemplo:

Un sistema de amoníaco tiene una carga inicial de 5,000 lbs con un contenido de

agua de 3%. El destilador está instalado en el acumulador de succión de -20 °F

¿Cuál será el volumen total de hidróxido de amonio destilado a ser drenado por el

destilador?

Respuesta:

Concentración final destilada de amoníaco para ser eliminado (de la tabla 7): 27.5%

Volumen esperado de la mezcla destilada por libra (de la tabla 8): 0.0055 gal/lbs



Volumen total esperado de 27.5% hidróxido de amonio para su eliminación:

5,000 lbs x 0.0055 gal/lbs = 27.5 galones

3. Transferencia de Líquido

El refrigerante líquido dejará el evaporador y se almacenará en el acumulador de

succión durante la operación por un número de razones:

a) Regreso de líquido debido al agua en el amoníaco (vea la explicación

mencionada arriba),

b) Regreso de líquido debido a un cambio rápido en la presión del sistema y/o de

la carga,

c) Líquido condensado del desescarche por gas caliente.

Un sistema de transferencia de líquido capaz de manejar el volumen total anticipado

de refrigerante líquido que llega al acumulador de succión tiene que ser incluido en

el diseño del sistema. Para dimensionar correctamente el sistema de transferencia, se

deben hacer estimaciones de la cantidad de líquido que regresa de los evaporadores

por las razones anteriormente expuestas.

i. Regreso de líquido debido al agua en el amoniaco

El volumen previsto de agua-amoniaco líquido saliendo del evaporador (o los

evaporadores) en base a una concentración promedio de 20% de agua en la

salida del evaporador ha sido calculado y se muestra en la tabla 6 de abajo.

Multiplicar el valor mostrado en la tabla por la capacidad del sistema en

toneladas (TR) para determinar el volumen agua-amoniaco líquido que regresa al

acumulador de succión.



Contenido de agua en

el amoníaco, %

Flujo volumétrico de agua-

amoníaco (20% concentración de

agua) saliendo de evaporadores

DX, ft3/h/TR

0.5 0.01

1.0 0.02

3.0 0.07

5.0 0.12

10.0 0.24

Tabla 6: Volumen de agua-amoníaco líquido saliendo de evaporadores DX

Ejemplo:

Se ha determinado que el amoníaco alimentado a evaporadores de 200 TR de

capacidad total tiene un contenido de agua del 3%. Si los evaporadores están

operando con expansión directa (DX), ¿Cuánto agua / amoníaco líquido se espera

que regrese de los evaporadores al acumulador de succión?

Respuesta:

Volumen de retorno de líquido debido al agua = 200TR x 0.07 ft3/h/TR = 14 ft3 /h

= 1.8 gal/min

En un sistema adecuadamente diseñado y operado, este tipo de regreso de líquido

solo sucede inicialmente durante el arranque ya que el agua en el sistema será

capturada en el destilador y después eliminada.

ii. Regreso de líquido debido a un cambio rápido en la presión del sistema y/o de

la carga

Es difícil predecir este tipo de regreso, pero afortunadamente es (o debería ser)

relativamente pequeño. En el “peor de los casos” se debe seguir la siguiente regla

que un promedio de 10% de la masa del refrigerante sale como líquido de un 25%



de los evaporadores. En este caso, el sistema de transferencia necesitaría manejar un

volumen de líquido aproximado por la siguiente formula:

Dónde:

= Capacidad Total del Evaporador, TR

hfg = Calor Latente de Vaporización, Btu/lbm

dx = Cambio en la calidad del vapor a través del evaporador

v = Volumen específico (líquido), ft3/lbm

Ejemplo:

Un evaporador de amoníaco con 200TR de capacidad a una temperatura de succión

de -25 °F está conectado a un acumulador de succión. ¿Cuál es el volumen promedio

de líquido esperado que regresa al acumulador debido al retorno del liquido

Respuesta:

Calor Latente de Vaporización, hfg = 550 Btu/lbm

Cambio en la calidad del vapor a través del evaporador, dx = 0.8

Volumen específico (líquido), v = 0.024 ft3/lbm



iii. o condensado debido al deshielo por gas caliente

Si hay cualquier presencia de agua en el amoníaco que entra al evaporador durante

la operación a baja temperatura, éste será mantenido y destilado en los poros de la

estructura que absorbe en el interior de los tubos del evaporador. Este proceso de

destilación local afecta negativamente el desempeño del evaporador reduciendo la

diferencia de temperatura media local (MTD). El deshielo por gas caliente es muy

importante para remover este líquido “rico en agua” de la estructura absorbente. El

gas caliente del amoníaco que viene del recibidor de alta presión (ver las Figuras 9 a

11) está esencialmente libre de agua y libre de aceite. Este vapor puro de amoníaco

se condensa en el inerior del tubo, diluye el líquido “rico en agua” y lo envía ya sea

al enfriador intermedio o al acumulador de succión de baja presión donde puede ser

destilado en el destilador de amoníaco y eliminado del sistema.

Este proceso de “purgado” de los evaporadores y el sistema de agua durante el

deshielo por gas caliente solo debería suceder al comienzo durante la fase de

arranque para los sistemas que operan con una baja presión de succión por encima

de una atmosfera (0 psig) y luego solo periódicamente para sistemas con baja

presión de succión que operan a presión de vacío (congelación ráfaga). Durante el

arranque del sistema, una válvula en la línea de retorno del condensado de deshielo

se abre para dejar pasar el condensado a la línea de succión y al acumulador (véase

Figuras 9 a 11). En el acumulador el amoníaco cargado de agua es atrapado en el

destilador de agua, destilado y eliminado del sistema. Después de que el agua ha sido

completamente eliminada de la carga inicial del amoníaco (después de un número

de ciclos de deshielo) y el amoníaco está “seco”, la válvula en la línea de retorno

de condensado a la succión se cierra y se abre la válvula en la línea de retorno de

condensado a la línea de líquido.



Durante el arranque, el exceso de condensado del deshielo el cual no es capturado

en el destilador de agua tiene que ser transferido al lado de alta presión del sistema.

El volumen del condensado del deshielo que sale del evaporador puede estimarse

usando la siguiente formula:

Dónde:

= Capacidad de enfriamiento total del evaporador, Btu/lbm

hfg = Calor latente de vaporización, Btu/lbm

SHR = Relación de calor sensible

v = Volumen específico (líquido), ft3/lbm

∅ = Eficiencia del deshielo (tipicamente 0.15)

Ejemplo:

Un evapor capacidad de 200 TR, y la cámara a 10 °F / HR 85%, se conecta al

acumulador de succión. ¿Cuál es el volumen promedio que se espera del condensado

del deshielo (líquido) regresando al acumulador?

Respuesta:

Calor latente de vaporización, hfg = 550 Btu/lbm

Relación de calor sensible (SHR) de la Tabla 1 = 0.87

Volumen específico (líquido), v = 0.024 ft3/lbm

Eficiencia del deshielo = 0.15



Por lo tanto, el acumulador de succión y el recipiente de transferencia de líquido

deben ser diseñados para manejar la cantidad total del líquido que regresa de los

evaporadores debido al agua + retorno normal + condensado del deshielo.

Separación de aceite

Lubricantes no-miscibles son recomendados sobre los lubricantes miscibles para

sistemas de refrigeración industrial con amoníaco DX, sobre todo por las siguientes

razones:

• Menor costo

• Operación sencilla

• Relativamente insensible a contaminantes (agua, suciedad, escoria)

A pesar de que los aceites inmiscibles se prefieren sobre los tipos miscibles por

las razones expuestas anteriormente, cualquier aceite que llega al evaporador

puede potencialmente recubrir el interior de los tubos y severamente degradar el

rendimiento de la transferencia de calor debido a:

• Resistencia adicional a la transferencia de calor como explicado y mostrado en la

figura 7 y

• Falla en la adecuada estructura capilar que impida que el amoníaco líquido

recubra el interior de los tubos por acción capilar.

Incluso una capa fina de aceite puede recubrir el interior de los tubos del evaporador

con lo que se añade resistencia al flujo de calor, como se muestra a continuación.



Figura 7: Factor ensuciamiento interior vs. espesor película de aceite

En un sistema típico de DX con amoníaco, este factor de ensuciamiento causa una

reducción significante en capacidad de enfriamiento, tal como se muestra en la

figura 8.

Figura 8: Reducción de capacidad vs. espesor película de aceite, evaporador amoníaco -15°F SST,-5°F aire entrada



Es evidente por las figuras 7 y 8 que es altamente deseable, en términos de eficiencia

energética, evitar que el aceite lubricante del compresor llegue a los evaporadores.

Para lograr esto, los siguientes elementos deberían ser cuidadosamente considerados

y especificados en el diseño del sistema:

a. Tipo de aceite lubricante del compresor

b. El diseño y la eficiencia del separador de aceite del compresor

c. Captura de aceite y manejo del mismo en la salida del condensador

d. Captura de aceite en el o los acumuladores de succión

e.Separación de aceite en el (o los) evaporador(es)

Subenfriamiento

El refrigerante líquido saliendo del condensador es comúnmente cercano a la presión

y temperatura de saturación. Si el líquido no es enfriado antes y entra así a la línea

de líquido, cualquier caída de presión o entrada de calor va a causar que el líquido

se caliente y provoque la formación de vapor instantáneo (¨flash gas¨). Dado que

el volumen es mayormente ocupado por vapor comparado con líquido, el flash gas

va a incrementar la velocidad del refrigerante y causará una caída de presión en la

línea de líquido. Esto hace que se reduzca la capacidad afectando la operación de

la válvula de expansión, y consecuentemente reducirá la capacidad del sistema. Un

adecuado subenfriamiento del líquido prevendrá la formación de flash gas en las

líneas.

Por tanto, subrenfriando el líquido después de que sale del recibidor es necesario

para la operación correcta del sistema. Note que cualquier subenfriamiento hecho

en el condensador o entre el condensador y el recibidor será eliminado en el

recibidor debido a la línea de igualación. La cantidad de subenfriamiento requerido

corresponde a la caída de presión y ganancia de calor en la línea de líquido. La caída

de presión es la suma de 1) la caída de presión debida a la elevación de la línea de



líquido, 2) la caída de presión en la línea de líquido debido a la fricción y 3) la caída

de presión a través de las válvulas de control y servicio.

Un método comúnmente utilizado para el subenfriamiento de líquido es el

denominado subenfriamiento mecánico. Este es el método más RECOMENDADO

para el subenfriamiento de líquido y se refiere a utilizar una porción del refrigerante

líquido saturado de la línea de líquido no enfriado para evaporar y enfriar el líquido

remanente. Un intercambiador de líquido (comúnmente un tipo placas semi-

soldadas) es instalado en la línea de líquido de forma que éste enfría el refrigerante

líquido en un lado del intercambiador evaporando una cantidad relativamente

pequeña del refrigerante en el otro lado del intercambiador. El lado de refrigerante

evaporado es controlado por una válvula de expansión termostática o válvula

motorizada según sea la temperatura de la línea de líquido y entonces el refrigerante

evaporado regresa a la línea de succión. Este método de subenfriamiento produce

resultados previsibles bajo cualquier condición y es requerido para asegurar la

operación adecuada de los controles de los evaporadores DX. Con subenfriamiento

mecánico, no hay pérdidas netas del efecto refrigerante ni de la eficiencia energética

del sistema.

Estabilidad del Sistema

Con sistemas recirculados o inundados, el retorno de líquido al recipiente

recirculador o a la trampa de succión es normal y esperado a través de la línea

de succión húmeda. La trampa o el recipiente del recirculador separan en forma

efectiva el retorno de líquido del vapor y asegura que la línea de aspiración seca lleve

solamente vapor al compresor.

Por otro lado, los sistemas DX son diseñados para operar con líneas de succión secas

y son por definición, más sensibles a los retornos de líquido. Se debe incorporar

un acumulador de succión en los sistemas industriales DX para prevenir la llegada



de amoníaco líquido a los compresores durante un evento de retorno de líquido;

sin embargo, un excesivo retorno de líquido de los evaporadores puede causar una

alarma de alto nivel y el sistema se protegerá hasta que el excedente de líquido

en el acumulador de succión sea devuelto al lado de alta presión del sistema.

Una operación estable y ordenada del sistema y de la válvula (s) de expansión

del evaporador es crítica para prevenir retornos de líquido. La inestabilidad o

cambios rápidos en las presiones de succión o descarga durante la operación son la

causa típica de la operación inestable de las válvulas de expansión y deberían ser

consideradas cuidadosamente por el diseñador y los operadores del sistema.

Cambios repentinos en la presión de descarga del sistema pueden causar

inestabilidad en varias formas. Una reducción súbita en la presión de descarga puede

resultar en una no deseada evaporación instantánea del refrigerante líquido en las

líneas de líquido y puede inclusive venir acompañado de un síntoma, aunque en

menor grado, de reducción en la presión de succión. Un incremento súbito en la

presión de descarga también provocará un síntoma de menor grado de aumento de la

presión de succión. Un incremento en la presión de succión, si es lo suficientemente

rápido y grande, suprimirá la ebullición en los evaporadores que puede conducir

directamente al retorno de líquido de los evaporadores al acumulador de succión.

Cambios rápidos en la presión de descarga normalmente son causados por uno o más

de los siguientes eventos:

a. El encendido y apagado de los ventiladores de condensadores

b. El encendido y apagado de las bombas de agua del condensador

c. Inicio del ciclo de desescarche del evaporador(s)

d. Paro/arranque del compresor (s)

NOTA: Diseñar el sistema para limitar el cambio en la temperatura de condensación a

no más de 5°F /minuto.



Cambios rápidos en la presión de succión del sistema pueden resultar en

inestabilidad o rendimiento pobre. Son los cambios súbitos de la presión de succión

que tienen el potencial más alto de regreso de líquido de los evaporadores DX.

Estos cambios súbitos en la presión de succión incrementan la temperatura del

evaporador, reduce la carga impuesta y provoca una salida de refrigerante líquido del

evaporador antes de que la válvula de expansión pueda responder y reducir el flujo

de refrigerante entrando en forma ordenada al evaporador.

Cambios rápidos en la presión de succión normalmente son causados por:

a) El arranque / paro o ciclado de los compresores

b) El prendido y apagado de múltiples válvulas solenoides

c) El arranque / paro de los ventiladores en evaporadores

d) Inicio o final del ciclo de desescarche en evaporadores

e) Cambios bruscos en la carga impuesta en los evaporadores

**NOTA: Diseñar el sistema para limitar el rango de cambio de la temperatura de

succión de no más de 2°F /minuto.

Tuberías – General

Limpieza. Los diminutos pasajes internos encontrados en las válvulas de expansión

(y en otras válvulas de control) en los sistemas de amoníaco DX son particularmente

sensibles a ensuciamiento y obstrucción con pequeñas partes de suciedad o



escombros. Por esta razón, se debe tener mucho cuidado durante la instalación de

las tuberías del sistema y asegurar una limpieza para minimizar la introducción de

escoria de soldadura, polvo o cualquier otra impureza que provoque fallas.

Evacuación antes de la carga de amoníaco al sistema. Debido a que el desempeño de

los evaporadores DX es dramáticamente afectado por agua, aún con cantidades muy

pequeñas, es muy importante seguir buenos procedimientos de prueba de presión y

de evacuación antes de cargar el sistema con amoníaco.

Más detalles del diseño de las tuberías y arreglos pueden encontrarse en el

documento “DX Ammonia Piping Handbook” (Nelson 2013).

Diagramas de Tuberías del Sistema

Figuras 9 a 11 muestran los diagramas recomendados y típicos de tuberías para

diseños de sistemas DX exitosos, atendiendo los siguientes puntos críticos:

1. Subenfriamiento

2. Separación de aceite

3. Separación y remoción de agua

4. Transferencia de líquido

Conclusión

Se describió un nuevo enfoque en el diseño de los sistemas de refrigeración de

baja carga de amoníaco usando expansión directa utilizando una nueva técnica

que mejora la transferencia de calor en los evaporadores y permite la operación DX

amoníaco incluso a temperaturas bajas (hasta -40 °F). El uso de DX en sistemas

de refrigeración de amoníaco permite el diseño de sistemas que tengan una carga

específica de amoníaco tan baja como 5.5 a 6 libras / TR.



Referencias:

Cotter, D.J., Missenden, J.F., y Maidment, G.G., 2008. “An Experimental Investigation

of Two Phase Ammonia in Tubes and Bends”. 8th IIR Gustav Lorentzen Conference on

Natural Working Fluids, Copenhagen. International Institute of Refrigeration, Paris,

Francia.

Nelson, B.I., 1998, “Designing Air Coolers for Direct Expansion with Ammonia”,

International Institute of Ammonia Refrigeration, Alexandria, VA. Proceedings of the

IIAR 1998 Annual Meeting, pp 137-155.

Nelson, B.I., 2010, “Thermodynamic Effects of Water in Ammonia on Evaporator

Performance”, International Institute of Ammonia Refrigeration, Alexandria, VA.

Proceedings of the IIAR 2010 Annual Meeting, pp 201-236.

Nelson, B.I., 2011, U.S. Patent 7,958,738, “Direct Expansion Ammonia Refrigeration

System and a Method of Direct Expansion Ammonia Refrigeration”.

Nelson, B. 2013. “DX Ammonia Piping Handbook”, Colmac Coil Manufacturing Inc.,

Colville, WA.

Rouhani, Z. y Axelsson, E. (1970). Calculation of Volume Void Fraction in the

Subcooled and Quality Region, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 13, pp. 383-393.

Steiner, D. (1993). VDI-Warmeatlas (VDI Heat Atlas), Verein Deutscher Ingenieure,

VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurewesen (GCV), Dusseldorf,

Chapter Hbb.

Stoecker, W.F. 1988, “Industrial Refrigeration Handbook”, Business News Publishing

Company, Michigan.

Welch, J. 2013. “DX Evaporator Installation – Final Report” Welch Engineering

Corporation. Ponte Vedra Beach, FL.

Wiencke, B. 2002, “Sizing and Design of Gravity Liquid Separators in Industrial

Refrigeration”, International Institute of Ammonia Refrigeration, Alexandria, VA.

Proceedings of the IIAR 2002 Annual Meeting, pp 63-133.

36th Annual Meeting International Institute of Ammonia...

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