El evaporador correcto para la aplicación correcta

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Si bien la refrigeración comercial e industrial comparten elementos y equipos, difieren en requerimientos y necesidades. ¿Cómo saber cuál es el evaporador que dará los mejores resultados de acuerdo con el tipo de aplicación? En esta primera entrega te decimos todo lo que debes de saber acerca del funcionamiento del evaporador cúbico

Raúl Alanis

Existe una gran cantidad de factores que deben tomarse en cuenta para la instalación de cámaras frigoríficas, como el diseño del sistema de refrigeración y sus diferentes componentes: compresores, tuberías, válvulas, condensadores, aislamiento y, por supuesto, evaporadores.

Estos últimos son intercambiadores de calor, los cuales se definen como dispositivos que tienen el objetivo de intercambiar calor entre dos o más fluidos, si se considera que el calor se transfiere del fluido con mayor temperatura al de menor. En el caso de los evaporadores, el calor se transfiere desde el aire hacia las aletas, de éstas hacia el tubo y, por último, hacia el refrigerante que absorbe el calor.

A diferencia de la mayoría de los elementos que conforman un sistema de refrigeración, deben cumplir con una serie de características para mantener una atmósfera controlada en el espacio refrigerado. Las cámaras frigoríficas también se extienden en todo un rango de aplicaciones, capacidades, tamaños y tipos. Lo anterior supone un reto para la selección de equipo para refrigeración, pero también para la selección del evaporador.

Es posible clasificarlos de distintas maneras e, incluso, integrarlos en diferentes familias. En este artículo se hablará específicamente de los evaporadores utilizados en cámaras frías, con aplicaciones de refrigeración comercial e industrial (Figura 1).

Figura 1. Diferentes procesos de refrigeración industrial y comercial expresados para la cadena de frío del producto cárnico. Cada aplicación requiere su propia solución particular de evaporador.

DOS PROCESOS DE ENFRIAMIENTO
Refrigeración industrial

  • Pertenece a los primeros eslabones de la cadena de frío.
  • Presente en los procesos iniciales de transformación de la materia prima (alimentos y bebidas, principalmente).
  • Contribuye a una gran cantidad de procesos industriales de producción en serie (cuando un producto sufre una serie de procesos y transformaciones para obtener un valor agregado y un nuevo subproducto que dará origen a más procesos de transformación hasta quedar listo para la refrigeración comercial).

Refrigeración comercial

  • Empleada en la preservación de productos alimenticios que se encuentran al alcance del público en general.
  • Involucra procesos de transformación del producto (éste se encuentra prácticamente en su estado final de oferta al público). Es decir, está en los últimos eslabones de la cadena de frío.
  • Tiene el objetivo de prolongar la vida en anaquel (ésta puede variar dependiendo de los productos alimenticios).

Frío comercial e industrial
La refrigeración industrial y comercial son eslabones de la cadena de frío y cada una tiene sus propios puntos constitutivos. Cada proceso implicado, una vez iniciada esta cadena, involucra una serie de requerimientos específicos que acompañan las transformaciones de los nuevos subproductos obtenidos que, a su vez, exigen nuevos procesos de enfriamiento. Hay una gran variedad de aplicaciones y, según las necesidades de los espacios refrigerados, existen también varios tipos de evaporadores para atender las distintas necesidades de la industria y el comercio.

Para fines prácticos, los evaporadores más empleados en cámaras frías están constituidos por dos elementos principales: el serpentín y el o los ventiladores. Esta configuración corresponde a la de un intercambiador de calor por convección forzada, debido a que el ventilador impulsa el aire a pasar por el serpentín, contrario a lo que se conoce como convección natural que comporta el movimiento natural del aire por efectos de los cambios de densidad.

Figura 2. Corte virtual de sección del serpentín donde se aprecian los elementos base del evaporador: tubos y laminillas (aletas)

SERPENTÍN
En este componente, a menudo oculto, fluye el refrigerante en el interior de los tubos para ser evaporado a una temperatura específica, en función de los requerimientos frigoríficos de cada cámara, así como de las condiciones de diseño del sistema de refrigeración. Las laminillas o aletas cubren los tubos mediante un collar o anillo (obtenido durante su proceso de fabricación), y se encargan de extender la superficie de éstos que, en conjunto, conforman la superficie de intercambio de calor.

VENTILADOR
Es el componente eléctrico que tiene la función de mover aire a través del serpentín, en cantidades que dependen del tipo de evaporador y su aplicación. A partir de esto se puede concluir que los ventiladores serán de mayor o menor potencia, según los requerimientos del sistema, lo que también implica una mayor o menor velocidad de viento.

Hay otros componentes que forman parte de un evaporador, como la bandeja de desagüe, la carcasa o cubierta, cajas de conexiones, resistencias eléctricas para deshielo, entre otros, que les dan el aspecto conocido y al que se tiene acceso cuando, por ejemplo, se abre la puerta de una cámara frigorífica en un supermercado o en una tienda de conveniencia.

El evaporador y sus variantes
Estos equipos existen en grandes variedades, tamaños y formas que deben ser elegidas en función de los requerimientos de cada espacio a refrigerar. La atmósfera fría de una cámara debe cumplir con condiciones de temperatura, humedad, uniformidad en la distribución de temperaturas e, inclusive, velocidades de viento con rangos específicos, entre otras.

Son varias las formas de clasificar los evaporadores: por tipo de alimentación (expansión directa, seca y sobre alimentados); por tipo de refrigerante (sintético o natural); o bien, por el sector que atiende (comercial o industrial). La refrigeración industrial difiere de la comercial de manera sustancial en tamaños y capacidades, pero comparten clases de evaporadores y clasificaciones.

Figura 3. Evaporador tipo cúbico

Una de las maneras más simples y mejores de clasificarlos, en términos de uso o aplicación, es por su forma y/o configuración física. ¿Cuáles son estas formas y configuraciones y cuándo se debe emplear cada una de ellas? Para responder a esto, se revisarán las características principales de uno de los equipos disponibles en el mercado: el evaporador cúbico.

Es por mucho el de mayor uso en el mercado, tanto para aplicaciones de cámaras frigoríficas pequeñas, como en las naves industriales refrigeradas más grandes. Se utiliza, principalmente, en cámaras de enfriamiento que necesitan lograr un alcance del tiro de aire considerable, es decir, que requieren que el aire frío proveniente del paso por el serpentín recorra largas distancias. Cabe resaltar que cuenta con una configuración del ventilador típicamente colocado al frente del serpentín con descarga del aire frío por el frente. A esta configuración, en la cual el ventilador genera la succión de aire desde la sección del serpentín, se le conoce como tiro o flujo de aire inducido. El nombre se debe a que el ventilador induce al aire a pasar por el serpentín.

Los equipos de este tipo para aplicaciones de refrigeración comercial se clasifican en tres subtipos: bajo, medio y alto perfil, nombrados todos debido a la altura de la unidad. Su combinación permite cubrir las necesidades de la mayoría de las cámaras frías pertenecientes a este sector.

Figura 4. Vista de sección de un evaporador cúbico. Se aprecia la ubicación del serpentín y componentes como bandeja y carcasa o envolvente

Cada perfil de altura de equipo requiere cámaras de alturas distintas. Por ejemplo, es común ver un equipo de bajo perfil en cámaras de hasta 3.5 metros (m) de altura medidos desde el suelo hasta el techo; y alto perfil en cámaras de 5 m de altura o mayores. El diámetro del ventilador empleado en cada evaporador es otro de los factores que define estas dimensiones, en conjunto con los requerimientos de flujo de aire y dimensiones de la cámara frigorífica.

Figura 5. Configuración de tiro inducido en un evaporador cúbico.

Los equipos de bajo perfil usan comúnmente ventiladores de 300 milímetros (mm) de diámetro o menores, medios perfiles de 400 a 450 mm, y altos de 500 a 650 mm. Esto se encuentra estandarizado, dado que la mayoría de las aplicaciones de enfriamiento comercial se pueden situar dentro de estos rangos.

En refrigeración industrial, donde se requieren mayores capacidades de frío y volúmenes de aire, las dimensiones de los equipos son determinadas por cálculos específicos en función del flujo de aire y potencia frigorífica, afectando una el diámetro y potencia de los ventiladores y la otra cantidad de superficie de intercambio requerida (tamaño del serpentín), respectivamente. El catálogo de productos para este mercado es más variado en dimensiones e, incluso, abre la posibilidad de fabricación de equipos específicos para cada aplicación.

A pesar de las diferencias entre cámaras frías industriales y comerciales, los evaporadores cúbicos comparten gran parte de la esencia de su modo de empleo en ambos sectores. Por lo general, son para instalación en el techo y en uno de los extremos de las cámaras frigoríficas, procurando siempre contar con un espacio en la parte posterior de al menos la altura del equipo para facilitar el paso de aire de retorno (Figura 6).

Figura 6: Modo de instalación de un evaporador tipo cúbico

Es importante contemplar desde el inicio de la instalación el alcance o tiro de aire con el del equipo, información básica provista por el fabricante. También se debe considerar que el tiro de aire puede verse afectado por obstáculos como lámparas, producto, anaqueles u otros objetos.

La versatilidad de estos equipos permite emplearlos en cámaras de enfriamiento rápido de producto con métodos de instalación variados, pese a que aparentan ser los mismos por fuera, los cambios mayores impactan tanto el dimensionamiento del serpentín como la potencia de ventilación requerida para cada aplicación.

En la segunda entrega de este artículo, se expondrán los otros cuatro tipos de evaporadores para refrigeración comercial e industrial: de doble flujo, para salas de proceso industriales, reach in y penthouse. Espera el siguiente número de Cero Grados Celsius.
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Raúl Alanis
Ingeniero mecánico egresado de la Universidad Autónoma Metropolitana, unidad Azcapotzalco, donde trabajó como apoyo docente para el Departamento de Energía. Actualmente, se desempeña como ingeniero de soporte técnico de ventas y aplicaciones en Güntner México. Asimismo, colabora en actividades de desarrollo y normalización en materia de ahorro energético a nivel nacional.