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Manual de Refrigeración Copyright © Juan Manuel Franco Lijó

DISEÑO Y MAQUETACIÓN: REVERTÉ-AGUILAR, S. L.

Propiedad de: EDITORIAL REVERTÉ, S. A. Loreto, 13-15. Local B 08029 Barcelona. ESPAÑA Tel: (34) 93 419 33 36 [email protected] www.reverte.com

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Edición en español: © Editorial Reverté, S. A., 2006

Edición en papel ISBN: 978-84-291-8011-4

Edición e-book (PDF) ISBN: 978-84-291-9211-7

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Prólogo

Cuando tuve la ocasión de leer este libro, que en ese momento aún era un borra-dor, entendí perfectamente la influencia, en todo su desarrollo, que tuvieron estu-diantes, profesionales del sector y profesores a los que el autor impartió cursos dela especialidad, ya que fueron ellos los que le animaron a recopilar en un libro lostemas impartidos en las clases.

Su experiencia docente y profesional han sido determinantes para compaginarestas dos actividades en el libro, ya que de una parte el contenido se adapta a losprogramas oficiales de enseñanza (media y superior), y por otra, es un libro deapoyo y consulta para los profesionales del sector.

Por ello, creo que en el intento de encontrar ese equilibrio entre ambas activi-dades en todos los temas, está este resultado de tratar de una manera práctica lossistemas de refrigeración.

No es necesario tener conocimientos en la materia, ya que todos los temas setratan desde un nivel de iniciación con un lenguaje sencillo y práctico, y profun-dizando en su estudio a medida que se desarrollan. Además hay que destacar elconstante recurso del autor a los gráficos y esquemas, así como a los numerososejemplos de aplicaciones en todos los temas para facilitar su comprensión.

Se puede decir que el libro está constituido por tres partes perfectamentedefinidas:

Una primera, que abarca hasta el capítulo siete, donde se estudian los elemen-tos fundamentales, los complementarios, así como los de seguridad y control deuna instalación. Todo ello se trata, a modo de introducción, desde sus conceptosmás básicos, como su funcionamiento, principales características, montaje, pará-

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Prólogo

metros de actuación, cálculo y proceso de selección. Aquí se expone también laimportancia del conocimiento y manejo del diagrama de Mollier, y su aplicaciónen las instalaciones.

La segunda parte es totalmente práctica y está dedicada al manejo de las ins-talaciones, recogida en el capítulo octavo y que trata, entre otros, de la interpreta-ción de los manómetros, ya que a través de los mismos obtenemos unainformación muy importante del estado de las instalaciones, los útiles más em-pleados, su funcionamiento y aplicaciones (bombas de vacío, dosificadores, ana-lizadores, etc.). También se abordan las operaciones más frecuentes que serealizan, tales como meter refrigerante en estado de gas o líquido, carga de aceite,comprobación de la hermeticidad del circuito o la realización del vacío, así comoel estudio y manejo de las válvulas de servicio, de gran importancia para el co-rrecto funcionamiento de las instalaciones.

Finalmente, una tercera parte, que comprende los tres últimos capítulos. Elprimero de ellos, el capítulo 9, está dedicado principalmente al mantenimiento delas instalaciones, cuya aplicación es cada día más importante. Aquí se estudian losobjetivos, los distintos tipos que se pueden aplicar, la elaboración de un plan demantenimiento y los medios para recabar la información necesaria con objeto decontrolar su ejecución y establecer las mejoras necesarias. El capítulo 10 trata delos fluidos refrigerantes alternativos, definitivos, y su ámbito de aplicación en lasinstalaciones. Por último, el capítulo 11 hace referencia a la conducción de las ins-talaciones, donde se recogen las averías más frecuentes y comunes a los distintossistemas, los motivos que las originan y sus soluciones.

En definitiva, con este libro se ha conseguido recopilar conceptos y aplicacio-nes prácticas muy importantes de los sistemas de refrigeración, que pueden ayu-dar a ver “alguna luz en el túnel, y no solamente el referido al de congelación”, yademás de tal manera que su lectura se hace cómoda y agradable.

Ramón Gómez Rodríguez

Profesor Numerario del Área de Conocimientode Máquinas y Motores Térmicos

Departamento de Energía y Propulsión MarinaUniversidad de La Coruña

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Índice analítico

Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v

Índice analítico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii

CAPÍTULO 1

Sistemas de refrigeración por compresión . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Elementos fundamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.1 Funciones principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.2 Fluido refrigerante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Alta y baja presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Elementos de seguridad y control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3.1 Presostatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.2 Termostato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.3 Válvula de solenoide (o electroválvula) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.4 Presostato diferencial de aceite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 Funcionamiento de la instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.5 Elementos complementarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.5.1 Resistencia calefactora (del cárter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5.2 Separador de aceite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5.3 Recipiente de líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

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Índice analítico

1.5.4 Filtros de humedad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.5.5 Visor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.5.6 Acumulador de aspiración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.5.7 Intercambiador de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

CAPÍTULO 2

Diagrama de Mollier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1 Estudio del diagrama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.1.1 Proceso de realización del ciclo estándar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2 Ciclo práctico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.3 Ciclo real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

CAPÍTULO 3

Compresor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.1 Estudio de los compresores alternativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.1.1 Elementos del compresor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.1.2 Terminología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.1.3 Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.1.4 Lubricación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.1.5 Valores fundamentales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.1.6 Despiece de un compresor alternativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.2 Compresores herméticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.2.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.2.2 Características del funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.2.3 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.2.4 Dispositivos de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.2.5 Conceptos eléctricos fundamentales

de los compresores herméticos483.3 Compresores semiherméticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.3.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.3.2 Ácidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.3.3 Filtro de aspiración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.4 Compresores abiertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.4.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.4.2 Características de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.4.3 Compresores de doble etapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.5 Unidades condensadoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.6 Compresores rotativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.6.1 De excéntrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.6.2 De paletas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.7 Compresores helicoidales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.7.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

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Índice analítico

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3.7.2 Importancia del aceite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.7.3 Valores de la relación de compresión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.8 Determinación de la temperatura de descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.9 Potencia frigorífica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.10 Regulación de la potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.10.1 Sistemas de regulación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.11 Variaciones de las presiones y su repercusión en las potencias . . . . . . . . 713.12 Funcionamiento en régimen seco y en régimen húmedo . . . . . . . . . . . . . 74

CAPÍTULO 4

Condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.1 Introducción y conceptos genéricos de su funcionamiento . . . . . . . . . . . . 774.2 Capacidad de un condensador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.3 Tipos de condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.3.1 Por agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.3.2 Por aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.3.3 Mixtos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.4 Torres de refrigeración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914.4.1 Bomba de circulación del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.5 Diferencias en el montaje de una torre o un condensador evaporativo . . . 954.6 Importancia y efectos del subenfriamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.7 Cálculo de la capacidad de un condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974.8 Selección del condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.9 Determinación del caudal de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

CAPÍTULO 5

Evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5.1 Capacidad del evaporador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.2 Clasificación de los evaporadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.2.1 Evaporadores según el estado del fluido refrigerante en su interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.2.2 Evaporadores según su construcción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1065.3 Expansión directa e indirecta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

5.3.1 Expansión directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085.3.2 Expansión indirecta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5.4 Salto térmico en los evaporadores (Dt). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1135.5 Determinación de la capacidad de un evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1135.6 Selección de un evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155.7 Desescarche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.7.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1175.7.2 Tipos de desescarche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.8 Efectos de la presión de aspiración en el evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . 1245.9 Influencia del aceite en el evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

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CAPÍTULO 6

Dispositivos de expansión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

6.1 Tubos capilares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1286.1.1 Sustitución del tubo capilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

6.2 Válvulas de expansión termostáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1296.2.1 Funcionamiento de la válvula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1306.2.2 Recalentamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1326.2.3 Colocación del bulbo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1376.2.4 Carga del bulbo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

6.3 Válvulas de expansión termostáticas con igualador externo de presión . . . . . 1396.3.1 Montaje del igualador externo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1426.3.2 Caídas de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1426.3.3 Filtro y tobera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

6.4 Boquillas distribuidoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1436.5 Válvulas de expansión termostáticas con MOP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1446.6 Selección de La válvula de expansión termostática. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1456.7 Conceptos genéricos de las válvulas de expansión termostáticas . . . . . . . 1476.8 Válvulas de expansión de flotador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

6.8.1 Válvula de baja presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1486.8.2 Válvula de alta presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1496.8.3 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

CAPÍTULO 7

Reguladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

7.1 Regulador de presión de evaporación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1517.2 Regulador de presión de aspiración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1547.3 Regulador de presión de condensación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1557.4 Regulador de capacidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1567.5 Válvulas para control de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

CAPÍTULO 8

Manejo de las instalaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

8.1 Manómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1598.2 Analizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1618.3 Botellas de refrigerante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1628.4 Dosificador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1638.5 Bomba de vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1648.6 Válvulas de intervención . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1658.7 Detectores de fugas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1668.8 Válvulas de servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

8.8.1 Válvulas de servicio de aspiración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

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8.9 Comprobación de la hermeticidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1768.9.1 Realización de la prueba de vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1778.9.2 Prueba de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

CAPÍTULO 9

Mantenimiento de las instalaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

9.1 Mantenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1869.1.1 Objetivos del mantenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1869.1.2 Tipos de mantenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1869.1.3 Diferencias entre los mantenimientos preventivo y predictivo . . . 1899.1.4 Ejemplo de aplicación del mantenimiento preventivo . . . . . . . . . . 189

9.2 Estadillos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

CAPÍTULO 10

Fluidos refrigerantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

10.1 Gases refrigerantes alternativos al R-12 y el R-502 . . . . . . . . . . . . . . . . 19810.2 Gases refrigerantes definitivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19910.3 Codificación de los fluidos refrigerantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

10.3.1 Mezclas azeotrópicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20110.3.2 Fluidos refrigerantes inorgánicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

CAPÍTULO 11

Averías y soluciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

11.1 Averías más comunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20311.1.1 Aumento excesivo de la presión de descarga . . . . . . . . . . . . . . . . 20411.1.2 Presión de descarga muy baja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20411.1.3 Presión de aspiración muy alta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20511.1.4 Presión de aspiración muy baja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20511.1.5 Presión de aceite muy alta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20611.1.6 Presión de aceite muy baja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20611.1.7 El compresor carga y descarga intermitentemente . . . . . . . . . . . . 206

Apéndice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

Índice alfabético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

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1

C A P I T U L O

1

S

istemas de refrigeración por compresión

Introducción

Los sistemas de refrigeración por compresión son los más empleados en la in-dustria de la refrigeración y, por lo tanto, el objeto de este libro. Empezaremos suestudio por los elementos fundamentales que los constituyen, a los que iremosañadiendo los de regulación y control y, posteriormente los complementariospara ver, paso a paso, sus principales características, la relación entre ellos y, en-tender cómo se realizan los procesos de arranque y paro de la instalación.

Este capítulo servirá de base para desarrollar los posteriores en los que es-tudiaremos en profundidad los principales elementos.

1.1

ELEMENTOS FUNDAMENTALES

Los sistemas de refrigeración por compresión constan, básicamente, de cuatroelementos que consideramos fundamentales a través de los cuales circula un flui-do refrigerante.

Por lo tanto, vamos a ver de una parte los elementos fundamentales y sus prin-cipales funciones y, por otra, cómo circula el fluido refrigerante a través de ellos.

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2

Capítulo

1

Sistemas de refrigeración por compresión

Estos elementos son (Fig. 1.1):a. Compresor b. Condensador c. Dispositivo de expansión d. Evaporador

1.1.1

Funciones principales

La función principal de cada uno de ellos es la siguiente:

Compresor

: Aspira el fluido refrigerante a la presión de baja establecida y locomprime elevando su presión y temperatura hasta unos valores tales que se pue-da efectuar la condensación. La descarga la efectúa al condensador

Condensador:

Es el elemento de la instalación que se encarga de pasar el estadode vapor del fluido refrigerante a estado líquido. El fluido refrigerante entra en elcondensador en estado de gas (vapor recalentado) y sale en estado líquido a latemperatura que se condensó o incluso a una temperatura menor si se produce su-benfriamiento.

El fluido refrigerante cede su calor al agente condensante (aire o agua).

Dispositivo de expansión

: Hace que el fluido, que entra en estado líquido, sufrauna caída de presión (y temperatura) hasta la necesaria en el evaporador. Tambiéncontrola la cantidad de fluido refrigerante que debe entrar en el evaporador.

Evaporador:

Se encarga de enfriar o acondicionar la cámara. Puede estar den-tro o fuera de la misma. Su misión es que el fluido refrigerante, que entra a bajapresión y temperatura, efectúe el enfriamiento de la cámara.

Figura 1.1

Elementos fundamentales de un sistema de refrigeración.

CondensadorCompresor

Altapresión

Bajapresión


Evaporador

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1.2 Alta y baja presión

3

Es el elemento de la instalación donde el fluido refrigerante se evapora, ro-bando calor del exterior del evaporador debido a la diferencia de temperaturas(entre la que tiene el fluido refrigerante a baja presión y temperatura, y la que ro-dea al evaporador).

Dada la importancia que tienen estos cuatro elementos, en los siguientes capítuloslos trataremos con mayor profundidad.

1.1.2

Fluido refrigerante

El fluido refrigerante está sometido a cambios de estado a lo largo del circuito:

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En el compresor entra en estado de gas, a baja presión y temperatura, y salecon presión y temperatura más altas (recalentado), que es como entra en elcondensador.

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Del condensador sale en estado líquido y entra en el dispositivo de expansión.

� Del dispositivo de expansión sale en forma de mezcla de líquido y gas(expansión), a baja presión y temperatura, y entra en el evaporador.

� Del evaporador sale en estado de gas, a baja presión y temperatura, de dondees aspirado por el compresor, y se inicia un nuevo ciclo.

Como sabemos, al aumentar la presión de un fluido se eleva su punto de ebulli-ción, y al disminuir la presión, también disminuye su punto de ebullición. Esta esuna de las claves de la refrigeración.

Para una mejor comprensión de lo que esto representa, supongamos que elfluido que circula por estos elementos es el R-134 a, que a la presión atmosféricahierve a –27º C.

� Si se somete a una presión de 1 kg/cm2, hierve a –10 ºC

� Si se somete a una presión de 0,2 kg/cm2, hierve a –23 ºC

� Si la presión es de 9 kg/cm2, hierve a 39 ºC

Recordemos que el agua a la presión atmosférica hierve a los 100 ºC.

1.2 ALTA Y BAJA PRESIÓN

Anteriormente hemos comentado que el fluido está sometido a cambios de pre-sión. Por lo tanto, debemos diferenciar la parte del circuito que está sometida auna presión alta, y la que se encuentra a baja presión (Fig. 1.1).

La parte correspondiente a la alta presión está comprendida entre la descar-ga del compresor y la entrada del dispositivo de expansión.

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4 Capítulo 1 Sistemas de refrigeración por compresión

Hay que resaltar que la temperatura del fluido refrigerante no es la misma entodo ese tramo:� Entre la salida del compresor y la entrada del condensador el fluido está en

estado de gas (vapor recalentado).� Se condensa a una temperatura menor y sale del condensador a esa misma

temperatura o menor si se subenfría, con lo cual, la temperatura del fluido ala entrada del dispositivo de expansión puede ser igual o menor que la de con-densación.

La instalación dispone de un manómetro para saber en cada momento la presión.La parte que corresponde a la baja presión, es la comprendida entre la salida

del dispositivo de expansión y la entrada del compresor. La instalación disponedel manómetro de baja presión para conocer su valor en cada momento.

En este tramo, también la temperatura varía (aumenta) desde el evapo-rador hasta la entrada del compresor, tal como estudiaremos en capítulosposteriores.

1.3 ELEMENTOS DE SEGURIDAD Y CONTROL

La figura 1.2 representa los cuatro elementos fundamentales para el estudio desus principales características a los que se añaden los elementos de seguridad ycontrol.

Figura 1.2 Elementos fundamentales de un circuito frigorífico en los que se añaden los dispositivos de seguridad y control.

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Manómetro de baja presión

Manómetro de alta presión

Presostato de baja presión Presostato de alta presión

Compresor

Evaporador


Válvula de solenoide

Condensador

Termostato

Cámara

1.3 Elementos de seguridad y control 5

Hemos comentado que en un circuito frigorífico existen dos zonas bien dife-renciadas, que están sometidas a distintas presiones. Pero puede ocurrir que du-rante el funcionamiento normal de la instalación esas presiones alcancen valoresque afecten al rendimiento de la misma o, incluso, a la propia seguridad de las per-sonas.

Para evitar que estos hechos se produzcan, la instalación dispone de pre-sostatos.

1.3.1 Presostatos

Son unos aparatos que, activados por presión, tienen la función de abrir o cerrarun circuito mediante uno o varios contactos normalmente ya sean abiertos o ce-rrados. De manera práctica, se puede decir que son unos interruptores eléctricosque funcionan por presión.

Pueden ser:

a. Presostatos de alta presiónSe conectan a la descarga del compresor, y su función es impedir que en lazona de alta presión, se alcancen valores que afecten al rendimiento de la ins-talación o a la propia seguridad de las personas. Se regulan a una determinadapresión, y cuando la instalación alcanza ese valor, entonces el presostato parael compresor.

b. Presostatos de baja presión

Se conectan a la aspiración del compresor, y su función es evitar que la presión,en la zona de baja, pueda “caer” por debajo de la presión atmosférica y evitar tam-bién que la presión descienda por debajo de la normal de funcionamiento, ya queafectaría al rendimiento. De hecho, su regulación debe estar siempre por encimade la presión atmosférica.

Cuando la presión descienda hasta la correspondiente al valor de regulación,el presostato parará el compresor.

Si actúa el presostato de alta presión, antes de pulsar el botón de rearme,se debe detectar la causa de ese aumento anormal de presión y solucionar laanomalía.

Los presostatos de alta y baja presión no tienen que instalarse necesaria-mente por separado, ya que también se pueden instalar los dos formando unsolo elemento, llamado presostato combinado, tal como se representa en lafigura 1.3.

Tal como se observa en dicha figura, además de las escalas respectivas dealta y baja presión hay una tercera escala llamada diferencial de presiones. Enesta se fija la diferencia entre la presión de arranque y la de paro.

En el siguiente ejemplo, veremos cómo se realiza el ajuste.

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Ejemplo de aplicación

¿Cuál será el valor del diferencial del presostato combinado de una instalación, si quere-mos que el presostato corte a –23 ºC y arranque a –18 ºC? El fluido refrigerante es R-22.

Mediante las tablas del mismo fluido o en los manómetros correspondientes, ve-mos que:

� A la temperatura de –23 ºC, le corresponde una presión de 1,22 kg/cm2 (que es la pre-sión de paro).

� A la temperatura de –18 ºC, le corresponde una presión de 1,7 kg/cm2 (que es la pre-sión de arranque).

Diferencial = 1,7 kg/cm2 – 1,22 kg/cm2 = 0,48 kg/cm2

Figura 1.3 Presostato combinado.

Figura 1.4 Conexionado de un presostato combinado al circuito.

Tornillo de regulación de baja presión

Rearme manual de alta presión

Escala de baja presión

Escala de alta presión

Escala diferencial de presión

Conexión de baja presión

Conexión eléctrica Conexión

de alta presión

Tornillo de regulación del diferencial

Tornillo de regulación de alta presión

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DescargaAspiración

Compresor

1.3 Elementos de seguridad y control 7

1.3.2 TermostatoEs el elemento que controla la temperatura de la cáma-ra (Fig. 1.5).

Abre o cierra un contacto conectado a un circuitoeléctrico cuando alcanza la temperatura de regulación. Sepuede decir que es un interruptor o conmutador eléctricoque funciona por temperatura. Dentro de los distintos ti-pos existentes, para mejor comprensión de su funciona-miento, comentaremos los de “depósito de gas”.

El termostato con depósito de gas, se basa en que éstesufre variaciones de presión en relación a la temperaturaque rodea al depósito que lo contiene. Si una de las pare-des del depósito es de membrana, sufrirá deformacionesa consecuencia de esos cambios de temperatura. Si ade-más actúa sobre unos contactos, bien sea directa o indi-rectamente, los abrirá o cerrará de acuerdo a la regulación establecida.

Como los presostatos, disponen de un diferencial (diferencia entre las tempe-raturas de arranque y de paro) que puede ser fijo o variable. Por lo general sueleser de ±3.

Ejemplo de aplicación

Queremos mantener una temperatura de –20 ºC en la cámara y el diferencial establecidoes de ±3 ºC.

Ello quiere decir que la instalación se parará cuando la temperatura alcance los –23 ºC,pues el termostato, en ese momento, cerrará la válvula de solenoide.

Debido a la transmisión de calor, la temperatura en el interior de la cámara aumentaráhasta alcanzar los –17 ºC y entonces el termostato abrirá la válvula de solenoide, y se pon-drá de nuevo en funcionamiento el compresor.

En el circuito de la figura 1.2, que hemos puesto como ejemplo para facilitar la com-prensión en este capítulo, el termostato actúa sobre la válvula de solenoide (Fig. 1.6).

1.3.3 Válvula de solenoide (o electroválvula)

Aunque no es un elemento de regulación ni de control, debe-mos comentar sus principales características para poder en-tender mejor el siguiente apartado.

Se coloca antes del dispositivo de expansión (Fig 1.2). Talcomo se aprecia en la figura 1.6, es una válvula que contiene ensu parte superior una bobina, dentro de la cual se desliza el vás-tago de la válvula.

Si se hace pasar una corriente eléctrica a través de un hiloconductor enrollado en un núcleo de hierro, se forma un elec-

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Figura 1.5 Termostato.

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Figura 1.6 Válvu-la de solenoide.


troimán. El núcleo puede ser atraído por el campo magnético creado al conectarla bobina y desplazado por un resorte alojado en un extremo del núcleo de hierro.

Su funcionamiento es de todo o nada, no es de regulación proporcional. Cuan-do está activada por el campo magnético, levanta el vástago de la válvula y dejapasar el fluido. Cuando se desactiva, cesa la imanación (no hay campo magnéti-co), el vástago de la válvula cae y corta el paso del fluido refrigerante.

Va conectada en serie con el termostato, por decirlo de una manera práctica;el termostato deja pasar o corta la corriente eléctrica a la bobina, con lo cual laválvula se abre o cierra, según las necesidades térmicas.

1.3.4 Presostato diferencial de aceiteEs un elemento de seguridad; de hecho es un interruptor de seguridad (Fig. 1.9).Protege al compresor contra una presión de aceite demasiado baja. Se conecta ala aspiración y a la descarga de la bomba de lubricación (Fig. 1.8).

La presión de aceite de lubricación, es la diferencia entre la presión de impul-sión del aceite y la de aspiración, que es la del cárter. El presostato actúa segúnesta diferencia, que como dato orientativo no suele ser menor que 1 bar.

Lleva incorporado un relé temporizador, de modo que si en un intervalo de60, 90 ó 120 segundos la presión del aceite no alcanza el valor de regulación,para el compresor. Por ejemplo en el arranque, como ese valor no se alcanza demanera instantánea, el compresor se pararía al momento.

Figura 1.7 A: Válvula de solenoide. B: Termómetro-termostato electrónico. Es decir, mide la temperatura en el interior del local y además controla la tempe-ratura necesaria.

A B

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1.4 Funcionamiento de la instalación 9

Otro tipo de control de presión diferencial de aceite, muy empleado con losnuevos fluidos refrigerantes, es el mostrado en la siguiente figura 1.10.

El sensor de control se enrosca directamente en la carcasa de la bomba delcompresor. Unos canales internos enlazan el control a los puertos de aspiración ydescarga de la bomba de aceite. Este tipo de controles, se puede sustituir sin ne-cesidad de intervenir en el circuito frigorífico. También dispone de un tiempo deretardo para su actuación.

1.4 FUNCIONAMIENTO DE LA INSTALACIÓN

Relacionando los elementos citados, el funcionamiento de la instalación es comosigue:1. Cuando la instalación entra en funcionamiento, la temperatura en el interior

de la cámara empieza a disminuir hasta que alcanza la que queremos obtener.

Figura 1.8 Conexionado de un presostato diferen-cial de aceite al compresor.

Figura 1.9 Presostato diferencial de aceite.

Figura 1.10 Control de presión diferen-cial de aceite montado en un compresor.

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2. En ese momento el termostato, que ya la detectó, corta la corriente a la válvulasolenoide y ésta cierra. Como ya no pasa fluido, el compresor en su funciona-miento, cada vez tiene menos fluido que aspirar, con lo que su presión de as-piración empieza a “caer” hasta que alcanza el valor fijado en el presostato debaja y éste para el compresor.

3. Debido a la entrada de calor del exterior (transmisión por paredes, techo, sue-lo, puertas), la temperatura en el interior de la cámara empieza a subir. Caberesaltar, que la mayor parte de las horas que trabaja un compresor, lo hacepara eliminar el calor que entra por transmisión.

4. El termostato detecta ese aumento de temperatura y al cerrar sus contactos da pasode corriente a la válvula solenoide y ésta se abre. El fluido, que se encuentra a laentrada de la misma a alta presión, pasa al dispositivo de expansión (está abierto)y entra en el evaporador. A medida que va entrando, roba calor del interior de lacámara y su presión y temperatura aumentan hasta alcanzar un valor tal que co-rresponda al fijado en el diferencial del presostato y arranca el compresor.

1.5 ELEMENTOS COMPLEMENTARIOSUna instalación podría trabajar con los elementos anteriormente citados, pero,evidentemente, necesita de otros elementos complementarios para que el ciclo detrabajo se pueda efectuar con el mayor rendimiento posible.

En el siguiente esquema (Fig. 1.11) se representan los más importantes y sudisposición en las instalaciones.

Figura 1.11 Instalación de los elementos fundamentales, de seguridad y control, y complementarios.

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Compresor

Manómetro de baja presión Manómetro de alta presión

Separador de aceite

Presostato de baja presión Presostato de alta presión

Válvula de paso recto

Recipiente de líquido

Visor de líquido

Válvula de paso recto

Filtro deshidratador

Válvula de carga

Válvula de solenoideTermostato

(de la cámara)

Válvula de expansión

Evaporador

CondensadorAcumulador de aspiración

1.5 Elementos complementarios 11

1.5.1 Resistencia calefactora (del cárter) Cuando las temperaturas que rodean al compresor (temperatura ambiente) son muybajas, en los tiempos de parada del compresor puede ocurrir que el fluido refrige-rante depositado en el cárter se condense, por lo que en el momento del arranque seproduce una vaporización rápida del fluido que conlleva un arrastre de aceite.

También la baja temperatura ambiente afecta a la viscosidad del aceite, ya quesi es muy baja, ésta aumenta las resistencias a vencer en el arranque. Para evitarestas circunstancias se instalan en el cárter unas pequeñas resistencias eléctricasque lo mantienen a cierta temperatura, de tal manera que cuando para el compre-sor, entran en funcionamiento.

1.5.2 Separador de aceite Se instala en la tubería de descarga, después del compresor.El fluido refrigerante sale del compresor mezclado con elaceite de lubricación y éste debe retornar al cárter principal-mente por dos razones:

1. porque el nivel de aceite del cárter iría disminuyendo y

2. porque el aceite, cuando llegue al circuito de baja pre-sión, podría tener problemas de retorno (deja de ser mis-cible y crea problemas en los evaporadores, por ejemplode transmisión o taponamientos).

Los hay de varios tipos. Por ejemplo los que aprovechan lafuerza centrífuga de la descarga del compresor para efectuarla separación (Fig. 1.13) o bien la caída de velocidad a la en-trada del separador para efectuar la separación.

Figura 1.12 Bloque de un compresor con resistencia eléctrica en el cárter.

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Resistencia

Conexión eléctrica

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Figura 1.13 Separa-dor de aceite.

Salida

Entrada

Retorno


El aceite se va decantando en el fondo del separador hasta alcanzar un niveltal que el regulador, por ejemplo un flotador de nivel, lo detecta y abre el paso deretorno hacia el cárter.

Una representación del retorno de aceite (Fig. 1.14) es la siguiente:

Cuando el nivel del aceite en el interior del separador alcanza el nivel estipu-lado, el regulador de nivel abre la electroválvula y el aceite retorna al cárter. Elaceite retorna porque la presión en el interior del separador (presión de alta) essuperior a la presión reinante en el cárter.

No tienen una eficacia del 100%, pero es bueno que una pequeña cantidad deaceite circule por la instalación ya que mantiene engrasados elementos comoválvulas, electroválvulas, etc.

El fabricante indica grabado en la envolvente cuáles son las conexiones de en-trada y salida.

1.5.3 Recipiente de líquido

Conocido también como acumulador de líquido (Figs. 1.15 y 1.17). Puede servertical u horizontal. Se coloca a la salida del condensador, aunque los hay deltipo condensador-recipiente que forman un solo elemento.

El líquido que sale del condensador no va directamente al evaporador, salvocomo veremos más adelante si se usan tubos capilares, sino que se “almacena” enel recipiente. Mantiene una reserva de líquido para restituirlo según la demanda.

Su capacidad varía con las características de la instalación; si se trata de unacon varios evaporadores, su capacidad será por lo menos 1,25 veces la capacidaddel evaporador mayor.

Al ser un recipiente de alta presión, debe llevar sus dispositivos de seguridadpara evitar que se alcancen presiones peligrosas.

Figura 1.14 Línea de retorno de aceite.

Aspiración DescargaDescarga

Visor

Electroválvula Filtro

Compresor

Enfriador de aceite (no es obligatorio)

Regulador de nivel

Separador de aceite

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1.5 Elementos complementarios 13

Estos dispositivos (Fig. 1.16) pueden ser válvulas de seguridad o tapones fusibles.En este último caso llevan en su interior un material fungible que cuando alcanzauna alta temperatura determinada se funde y deja salir el fluido al exterior.

Figura 1.15 Recipiente de líquido horizontal.

Figura 1.16 Válvulas de seguridad.

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