Montaje de tuberías en sistemas de refrigeración

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El diseño de la red de tuberías de un sistema de refrigeración es uno de los aspectos más básicos y que mayores repercusiones pueden tener para un sistema, lo que puede poner en riesgo su eficiencia y confiabilidad.

Antonio Laddaga.

Cuando un sistema de refrigeración cuenta con componentes de última generación no significa que tendrá máxima eficiencia, pues si el diseño de la tubería es inadecuado, se estará en una posición de riesgo. Las fallas en las tuberías generan, principalmente, que los equipos sean operados fuera del rango de diseño o por debajo de éste, lo cual aumenta los problemas relacionadaos con la falta de lubricación y sobrecalentamiento.

El diseño de la red de tuberías debe contemplar, en primer lugar, lo concerniente a la caída de presión y el retorno del aceite del sistema, sin dejar a un lado el aspecto económico de la tubería y del gas, los cuales no pueden ser despreciados, pues el objetivo del diseño es la eficiencia en todos los aspectos del proyecto.

El componente principal que afecta directamente a la eficiencia del sistema es la caída de presión en la succión. Es muy raro tener problemas de baja presión de descarga o líquido, para lo cual la recomendación es contar con una caída no mayor de 10-15 psig en las líneas de líquido. Esto para garantizar que las válvulas de expansión reciban el adecuado flujo de refrigerante, así como la presión suficiente para operar bien.

Para el análisis de las tuberías de descarga, los condensadores remotos son normalmente los que más se omiten en el diseño de la tubería o a lo que menos importancia se le da, ya que, si bien lo que representan en la eficiencia del sistema no es tan significativo como la succión o el líquido, sí tiene implicación directa en el correcto funcionamiento del equipo, por lo cual su análisis no se debe dejar de lado.

Para el diseño preliminar de la tubería se debe considerar la geometría propuesta para poder determinar en qué puntos del sistema deben utilizarse trampas de aceite y cambios de diámetro (para ayudar al retorno del aceite), con una vertical en sentido hacia la unidad compresora. Una tubería mayor de 1.5 metros se necesitará una trampa en la base de la elevación. Medidas superiores a 3 metros requerirán trampas en la parte inferior y superior de la vertical, y en mayores elevaciones, trampas cada 3 metros.

Existen varias consideraciones en el diseño de la tubería, en este artículo se mencionan las más importantes, las cuales muchas ocasiones no se consideran. Es importante tomar en cuenta los componentes que se utilizan para el cálculo de la longitud equivalente.

Cálculo del diámetro de la tubería(ver Requerimientos para trampas y detalles de tubería recomendados)
Para el análisis de tubería es indispensable conocer:

  • La temperatura de succión que se requiere para cumplir con las necesidades del área por refrigerar
  • El SST del sistema
  • La capacidad del evaporador, de preferencia, se recomienda que el análisis se base en la capacidad del punto exacto de operación, ya que algunos sistemas (por sus necesidades) tienen temperaturas que caen entre dos valores de los manuales que el fabricante proporciona
  • La temperatura de condensación (SCT)
  • La distancia horizontal y vertical que se tendrá

Además se debe considerar cuántos componentes y de qué tipo estarán instalados a lo largo de toda la distancia de la tubería conforme a las recomendaciones ya mencionadas, de ser posible lo más aproximado que se pueda.

Esto con el fin de analizar adecuadamente la caída de presión relacionada con los componentes y convertirla en una distancia equivalente; en este punto es común que se omita este análisis y se tome un valor adicional de distancia como seguridad, para lo cual se sugiere un análisis más exacto para poder reducir el costo con seguridad, sin demeritar la calidad y eficiencia del sistema.

Para el cálculo del diámetro de tubería el procedimiento es más fácil el uso de tablas que regularmente el fabricante del equipo proporciona para los diferentes gases que se pueden aplicar en el sistma seleccionado, así como los valores de longitud equivalente por cada componente de la tubería que, al sumarlos con la longitud total, es una de las variables que se comparan en las tablas para determinar el valor del diámetro.

Estas tablas están diseñadas para cumplir con las especificaciones de velocidad y caída de presión en las diferentes capacidades y temperaturas de operación, por lo cual su uso es seguro, confiable y reduce el tiempo que se llevaría hacer un análisis específico de la tubería.

Después de determinar el número de componentes en la línea, se calcula la distancia equivalente para adicionar a la longitud de la tubería esta distancia (aparente) de los componentes; de manera que se ajuste a la distancia y se pueda medir adecuadamente el diámetro de la tubería que se requiere.

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A0CG0000683•   Tuberías de cobre
Las tuberías de cobre para refrigeración, a diferencia de las usadas para otros fines, deben estar libres de impurezas y cerradas por los dos extremos.

•   Tipos de tubo
El rollo o también llamado recocido puede ser doblado y suele venderse en tubos de 25 metros. Éstos no se deben estirar o curvearse más de lo necesario, ya que se endurecen y no son útiles para la instalación.

El tubo que va en partes se denomina estirado, no tiene ductilidad y, por lo tanto, no se puede doblar. Se utiliza sólo en tramos rectos.

•   Corte de los tubos
Las herramientas para cortar dependen del tipo de tubo que se va a ocupar, normalmente se emplean los cortatubos para el tipo recocido o para tubo estirado de poco diámetro. Para el tubo estirado de diámetro superior se emplea la sierra.

Es importante que al terminar el corte se eliminen todas las rebabas, pues éstas pueden causar obstrucciones en el paso del fluido a través de la tubería.

•   Doblaje de los tubos
Existen varios sistemas para doblar los tubos, como puede ser el muelle o la dobladora de tipo palanca.

En ambos sistemas se ha de garantizar que toda la superficie del tubo permanezca redonda, sin que se aplane o se retuerza.

soldadura capilarla soldadura capilar es fácil si se utilizan las herramientas adecuadas

•   Soldadura
La soldadura se realiza por capilaridad, al introducir el material fundible entre los dos tubos. Se suelen emplear sopletes de propano, de butano o acetileno.

La soldadura puede ser de:

Fósforo: se utiliza para uniones cobre–cobre, y si en estas uniones no existen vibraciones, la recomendación es usar siempre soldadura con cierto porcentaje de plata

Plata: se utiliza para uniones de cobre con otros metales o en lugares donde existen vibraciones continuas. Para un sistema de refrigeración común un, 15 por ciento plata sería la mejor opción, y un 5 por ciento es la mínima recomendación para evitar fallas

Antes de soldar se deben limpiar todos los bordes del tubo de cobre y el interior de la pieza. Para lograr una limpieza completa debe emplearse un papel de lija fino, un paño o bien un cepillo metálico.

Antes de calentar la junta, es necesario inyectar nitrógeno para purgar el aire, y así reducir la oxidación. Se deberá aplicar calor a las partes que deben unirse con soplete, se calienta el primer tubo, a 20 centímetros aproximadamente por debajo del borde del accesorio que se va a acoplar, y la llama se mueve alrededor del tubo. Es muy importante mantener la llama en movimiento y no sobrecalentar ningún punto; posteriormente, se dirige el fuego a la base del accesorio.

La soldadura se aplica en el punto donde el tubo se inserta en el accesorio. Cuando se ha alcanzado la temperatura adecuada, el metal de aportación fluirá con facilidad, además, éste no debe calentarse directamente. La temperatura en el punto donde se efectúa la soldadura debe ser suficiente para fundir el metal de aportación; cuando el lugar de la junta se halla a la temperatura correcta se notará por su coloración cereza.

En las juntas horizontales es preferible aplicar la soldadura primero en la parte inferior; después, a los lados, y finalmente, en la parte superior, teniendo la seguridad de que la junta quede bien recubierta. En las soldaduras verticales no tiene importancia la aplicación del metal de aportación.A0CG0000681

Ejemplo de una instalación
Teniendo:

  • Unidad compresora tornillo para baja temperatura
  • Unidad con dos compresores tornillo de 40 hp (HSN6451-40), con capacidad cada uno de 202 BTU/h – 404 mil BTU/h capacidad total
  • Condensador remoto con capacidad de 680 mil BTU/h con un DT de 11.72 a 5 metros de distancia. Con una trampa “P” y 4 codos de 90° en descarga y líquido respectivamente (sin la trampa)
  • Cuatro evaporadores de 105 mil BTU cada uno
  • Una tubería con sólo una trampa por evaporador, dos codos de 90° radio largo
  • Temperatura de evaporación de -20°C y condensación de 36°C
  • Gas R-404A
  • Los evaporadores a una distancia de 5, 10, 15 y 20 metros respectivamente

Primero se calcula la tubería del condensador (basada en la tabla). Si se tiene  680 mil BTU/h, son 171 mil kcal/h

Se puede utilizar el valor de 18 1440*1, el cual es el más cercano al valor deseado, y, al tener R-404A, se selecciona 2 1/8 y 2 5/8, pues cae dentro del rango tanto de distancia equivalente como de capacidad. Ahora bien, al conocer el diámetro, se puede ajustar con la distancia equivalente para ratificar, si el diámetro es el adecuado.

La distancia equivalente de 5 metros más (4 codos +una trampa) sería 5 m + (1.5*4) + (3.7*1), en donde una trampa puede ser considerarla como retorno.

Entonces, la distancia total equivalente sería de 14.7 metros, lo que haría ratificar a una tubería de 2 1/8 en descarga, como líquido en una tubería de 2 5/8.

De acuerdo con el mismo proceso para la succión, si tienen  cuatro evaporadores que se conectarán en un loop o troncal de tubería al inicio de dicho troncal. Si se tienen las cuatro cargas de los evaporadores y cada 5 metros, se irá descontando uno de ellos en la carga que conduce la tubería. Esto se debe considerar para reducir el diámetro de la tubería conforme a la carga que se conduce en ella.

Entonces, se tienen cuatro evaporadores a 30 metros con una carga de 105 mil BTU/h (26.5 kcal/h) cada uno, lo que sería una capacidad total del sistema de 106 kcal/h, si nos remitimos a la tabla de diámetros para R-404A.

Donde el valor de 90 mil 720*2 kcal/h sería el que se debe tomar, para lo cual el diámetro dará 3 1/8.

Si se ajusta con la distancia equivalente, se tendría un resultado de:

20m + (5.2*4)+ (2.4*8) + (1.5*3)= 64.5

Debido que a las conexiones y su distancia equivalente se tiene que reajustar, el diámetro de tubería sería de 4 1/8, lo cual no es lo más eficiente.

NOTA: Se puede tomar el valor inferior o superior de capacidad para el cálculo.La recomendación es utilizar el diámetro del valor más próximo al buscado

Si lo que se desea es hacer un estudio real, se deben tomar segmentos de tubería, debido a que la distancia recorride la carga no es uniforme, sino que va disminuyendo conforme se tiene menos evaporadores en la línea. Lo que hace que la tubería sólo tenga la carga del último, por lo que el diámetro en esos 5 metros puede reducirse para tener una mejor eficiencia de materiales.

  • De 15 a 20 metros sólo hay 26.5 kcal/h
  • De 10 a 15 metros hay 53 kcal/h
  • De 5 a 10 metros hay 79.5 kcal/h
  • De la unidad a 5 metros hay 106 kcal/h

Con la ayuda de las tablas y demás elementos se tienen los diámetros de la tubería seleccionados, y así se maximiza la eficiencia del sistema sin desperdiciar recursos.

Evidentemente la instalación correcta depende de que la tubería cumpla con los parámetros y recomendaciones que se especifican normalmente. Algunos detalles varían de fabricante a fabricante, por lo que se recomienda el uso de tablas acordes al equipo utilizado. También existen programas de cálculo de tuberías que simplifican el trabajo, mas no son de fácil localización y por ello se recomienda el uso de las tablas propias de cada fabricante.
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Antonio Laddaga forma parte del departamento de Ingeniería y Aplicación de Bohn, líder en el mercado de la refrigeración, que provee una gran línea de productos en toda la República Mexicana, Estados Unidos, Canadá y Centroamérica.