Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

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1 Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO FORMACIÓN PROFESIONAL A DISTANCIA Unidad Análisis de Instalaciones MÓDULO Instalaciones Frigoríficas

2 Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR Título del Módulo: INSTALACIONES FRIGORÍFICAS Dirección: Dirección General de Formación Profesional. Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente. Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera Autor: Efrén Andrés Díaz Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias Coordinación: Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Nuria Biforcos Fernández Laura García Fernández María Mera López Diseño y maquetación: Begoña Codina González Sofía Ardura Gancedo Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: En trámite Depósito Legal: En trámite Copyright: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. La reproducción de las imágenes y fragmentos de las obras audiovisuales que se emplean en los diferentes documentos y soportes de esta publicación se acogen a lo establecido en el artículo 32 (citas y reseñas) del Real Decreto Legislativo /2.996, de 2 de abril, y modificaciones posteriores, puesto que se trata de obras de naturaleza escrita, sonora o audiovisual que han sido extraídas de documentos ya divulgados por vía comercial o por Internet, se hace a título de cita, análisis o comentario crítico, y se utilizan solamente con fines docentes. Esta publicación tiene fines exclusivamente educativos. Queda prohibida la venta de este material a terceros, así como la reproducción total o parcial de sus contenidos sin autorización expresa de los autores y del Copyright.

3 Unidad Análisis de Instalaciones Sumario general Objetivos... 4 Conocimientos... 5 Introducción... 6 Contenidos generales... 6 Fundamentos de la máquina frigorífica... 7 Instalación frigorífica elemental... 3 Instalación frigorífica comercial... 2 Instalación con condensador de agua Reguladores de presión... 4 Sistemas de desescarche Resumen de contenidos Autoevaluación Respuestas de actividades Respuestas de autoevaluación

4 Módulo: Instalaciones Frigoríficas Objetivos Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de: Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Comprender el fundamento de las máquinas frigoríficas y las transformaciones que experimentan en su interior los fluidos refrigerantes. Analizar instalaciones frigoríficas, identificando sus componentes y la función que realizan. Interpretar planos de instalaciones frigoríficas sencillas, relacionando los símbolos gráficos con los elementos reales y efectuando el análisis funcional de las mismas mediante la interpretación de sus planos. Interpretar esquemas eléctricos de instalaciones frigoríficas, describiendo las distintas secuencias de funcionamiento. 4

5 Unidad Análisis de Instalaciones Conocimientos que deberías adquirir aconceptoss Saturación. Propiedades de saturación de los fluidos. Cambios de estado de los fluidos refrigerantes. Humedad relativa del aire y su influencia en la formación de escarcha. PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS Descripción y análisis funcional de los cuatro elementos principales de la instalación frigorífica: compresor, condensador, evaporador y sistema de expansión. Descripción y análisis funcional de los elementos secundarios de la instalación frigorífica: deshumidificador, separador de aceite, recipiente de líquido, visor de líquido, válvula de solenoide, etc. Descripción y análisis funcional de los elementos de la instalación eléctrica: motor, fusible, relé de arranque, termostato, presostato, etc. Sistemas de desescarche; control y secuencia del desescarchado. Interpretación de planos de circuitos frigoríficos y eléctricos, y análisis funcional de la instalación a la vista de los mismos. ACTITUDESS Analítica respecto a la influencia de los componentes en el funcionamiento de la instalación. Vigilante en lo que respecta a la seguridad y protección de los equipos. 5

6 Módulo: Instalaciones Frigoríficas Introducción Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor La necesidad de almacenar alimentos en épocas de abundancia para ser consumidos en tiempos de escasez ha propiciado el desarrollo de distintas técnicas de conservación de los alimentos. La salazón, el ahumado o el desecado han sido y siguen siendo algunas de estas técnicas, pero es el frío el que más importancia tiene en la actualidad, pues es un procedimiento muy seguro y, usado adecuadamente, permite que los alimentos conserven íntegras todas sus cualidades. Los alimentos se conservan en grandes cámaras frigoríficas, a partir de las cuales se distribuyen, por medio de camiones frigoríficos, a los comercios y almacenes, para terminar finalmente en las neveras de los domicilios o restaurantes antes de ser consumidos. También el frío ha ido adquiriendo importancia en el ámbito del confort. Las máquinas frigoríficas pueden enfriar el aire, creando ambientes que hacen más agradable el trabajo en las oficinas, la estancia en los hoteles, el consumo en los grandes almacenes Te animamos a una lectura atenta de esta unidad didáctica en la que podrás estudiar el funcionamiento de estos equipos. Contenidos generales En esta unidad didáctica estudiarás el funcionamiento de instalaciones frigoríficas en las que intervienen distintos componentes de uso habitual en el campo de la refrigeración comercial e industrial. Analizarás el funcionamiento de cada componente y su intervención en el conjunto de la instalación, utilizando para ello planos de circuitos frigoríficos y eléctricos. Podrás observar también las transformaciones que experimenta el fluido refrigerante en su recorrido a lo largo de la instalación. 6

7 Unidad Análisis de Instalaciones Fundamentos de la máquina frigorífica Desde tiempos inmemoriales el hombre utiliza el fuego para calentarse y preparar sus alimentos, y en la actualidad utiliza también la incandescencia de una resistencia eléctrica para el mismo fin. Pero, y el frío? Sabemos que las máquinas frigoríficas consiguen temperaturas de muchos grados bajo cero aparentemente de la nada; cómo lo consiguen? Es sabido que si se suministra calor a una cierta cantidad de agua que se encuentre a la presión de atmósfera, ésta aumentará su temperatura hasta alcanzar los 00º C, momento en el que comenzará a hervir. Durante la ebullición el agua absorberá calor, pero su temperatura permanecerá constante a 00º C hasta la completa vaporización del líquido. La figura muestra las distintas fases por las que pasa el agua al ser calentada; la experiencia se realiza en un recipiente provisto de un émbolo de peso despreciable en su parte superior, que se desplaza hacia arriba sin rozamiento a medida que aumenta el volumen del vapor. a. Líquido subenfriado. La temperatura del líquido es inferior a la de ebullición. b. Líquido saturado. Aparece la primera burbuja de vapor. El agua está a la temperatura de ebullición. c. Vapor húmedo. Coexisten el estado líquido y el de vapor. El agua se mantiene a la temperatura de ebullición. d. Vapor saturado. Se evapora la última gota de líquido. La temperatura sigue siendo la de ebullición. e. Vapor recalentado. La temperatura del vapor es superior a la de ebullición. Presión atmósfera 00ºC 00ºC >00ºC <00ºC 00ºC a b c d e Fig. : Estados del agua bajo la presión de atm. 7

8 Módulo: Instalaciones Frigoríficas Si partiendo del estado e se deja enfriar el vapor, éste pasará en sentido inverso por los mismos estados antes descritos: vapor recalentado, vapor saturado (se condensa la primera gota de líquido), vapor húmedo, líquido saturado (se condensa la última gota de líquido) y líquido subenfriado. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor El agua hierve a 00º C si la presión es de atmósfera, pero a presiones más altas la temperatura de ebullición aumenta y a presiones más bajas disminuye; es decir, la temperatura de ebullición del agua depende de la presión a la que ésta se lleve a cabo. Esa es la razón por la que los alimentos cuecen más rápidamente en una olla a presión: el agua en su interior hierve a una temperatura superior a 00º C. Por la misma razón, el agua hierve a temperaturas inferiores a 00º C en las altas montañas, en las que la presión atmosférica es sensiblemente más baja que al nivel del mar. Fig. 2: La temperatura de ebullición varía con la presión. Existe, pues, una relación entre la presión y la temperatura de ebullición del agua. La temperatura a la que hierve el agua a una determinada presión se denomina temperatura de saturación y a la presión correspondiente presión de saturación. En la tabla se incluyen las propiedades de saturación del agua (recuerda que atm = 760 mm de Hg). Temperatura (ºC) PROPIEDADES DE SATURACIÓN DEL AGUA Presión absoluta (mm de Hg) Temperatura (ºC) Presión absoluta (mm de Hg) -0 2, 50 92,5-5 3, ,4 0 4, ,7 5 6, , 0 9, ,8 5 2, ,0 20 7, , , , 30 3, , , ,0 Tabla : Temperaturas de saturación del agua a distintas presiones. 8

9 Unidad Análisis de Instalaciones El concepto de saturación puede ser ilustrado mediante el siguiente experimento (fig. 3): 0 mm de Hg 0 < mm de Hg < 7,5 7,5 mm de Hg 7,5 mm de Hg a b c d Fig. 3: Obtención de la presión de saturación del agua 20º C. En un recipiente que se encuentra en un ambiente a cierta temperatura, por ejemplo 20º C, y en cuyo interior se ha efectuado el vacío (0 mm de Hg), se introducen lentamente gotas de agua. Las primeras gotas se transformarán en vapor que ocupará todo el volumen del recipiente y hará subir ligeramente la presión en su interior. A medida que se introduzcan más gotas la presión seguirá subiendo hasta que, alcanzado cierto valor, las gotas ya no se evaporarán, acumulándose el agua en estado líquido en el fondo del recipiente. En nuestro caso, en el que hemos considerado una temperatura ambiente de 20º C, esto sucederá cuando la presión en el recipiente alcance los 7,5 mm de Hg; diremos entonces que: La presión de saturación del agua a 20ºC es de 7,5 mm de Hg O bien La temperatura de saturación del agua a 7,5 mm de Hg es de 20º C En el recipiente tendremos líquido en la parte inferior y vapor en la parte superior. Esta situación es, ciertamente, inestable pues bastará una pequeña variación de la presión o de la temperatura ambiente para que parte del agua se vaporice o se condense. Si por medio de una bomba extraemos algo del vapor contenido en el recipiente, la presión disminuirá ligeramente y parte del líquido se vaporizará para conservar la presión en el recipiente; esta vaporización conllevará una absorción de calor (Q) del ambiente (figura 4-A). 9

10 Módulo: Instalaciones Frigoríficas Si introducimos vapor en el recipiente, la presión subirá en su interior y parte del vapor se condensará, cediendo calor al ambiente (figura 4-B). A B Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Fig. 4: Absorción y cesión de calor al variar la presión en el recipiente. Como vemos, el proceso de ebullición y condensación del agua puede llevarse a cabo variando tan solo la presión en el recipiente; de esa forma, el agua actúa como una esponja térmica capaz de absorber calor del ambiente cuando se baja su presión, y soltarlo en el mismo u otro ambiente cuando su presión aumente. Para que el agua pueda hervir a temperatura ambiente es necesario que su presión sea muy baja, lo cual es un inconveniente a la hora de utilizarla como fluido enfriador en una máquina frigorífica. Sin embargo, existen fluidos con una presión de saturación moderadamente elevada a temperatura ambiente; a estos fluidos se les denomina refrigerantes, y reciben nombres tales como R-34a, R-404a, etc. En la tabla siguiente puedes ver las propiedades de saturación de uno de estos fluidos (recuerda que atm = 760 mm de Hg =,03 bar). Temperatura (ºC) PROPIEDADES DE SATURACIÓN DEL R-34a Presión absoluta (bar Temperatura (ºC) Presión absoluta (bar) -40 0,5 20 5,7-30 0,8 25 6,7-20,3 30 7,7-0 2,0 35 8,9-5 2,4 40 0, 0 2,9 45,6 5 3,4 50 3,2 0 4, 60 6,8 5 4,9 70 2,2-40 0,5 20 5,7 Tabla 2: Propiedades de saturación del R-34a. 0

11 Unidad Análisis de Instalaciones Como puedes comprobar, este refrigerante tiene una presión de saturación de 5,7 bares a una temperatura ambiente de 20º C, presión muy superior a los 0,02 bares (7,5 mm de Hg) que tiene el agua (figura 5). 7,5 mm de Hg = = 0,02 bar 4276 mm de Hg = = 5,7 bar 20º C Agua R-34a Fig. 5: Presión de saturación del agua y del R-34a a 20º C. Por otra parte, si se hace descender la presión en el recipiente hasta 2 bares, el refrigerante hervirá a -0º C (figura 6-a), y si se aumenta hasta 0, bares, el refrigerante condensará a 40º C (figura 6-b). 2 bar 0 bar -0º C 40º C a b Fig. 6: Temperaturas de evaporación y condensación del R-34a obtenidas al variar su presión. Efectuando las trasformaciones oportunas se puede construir la máquina que se muestra en la figura 7. Como puedes ver, la bomba C extrae el vapor del recipiente A y lo introduce en el B, haciendo descender así la presión en A y aumentándola en B. Si además el recipiente A se encuentra en el interior de un recinto debidamente cerrado y aislado (E), el aire que contiene se enfriará a medida que el refrigerante de A vaya absorbiendo calor. Para lograr el retorno del líquido desde B hasta A se han comunicado ambos recipientes por medio de un tubo capilar (D); el escaso diámetro y gran longitud de este tubo produce una pérdida de carga que permite mantener la diferencia de presiones entre ambos recipientes.

12 Módulo: Instalaciones Frigoríficas E 2 bar C 0 bar -0º C A B 40º C Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Fig. 7: Máquina frigorífica utilizando R-34a como refrigerante. Los elementos de esta máquina frigorífica reciben los nombres de evaporador (A), condensador (B), compresor (C) y sistema de expansión (D). Cualquier máquina frigorífica parte de estos cuatro elementos, aunque incorporan otros componentes con el fin de mejorar su funcionamiento y aumentar su rendimiento; de ello hablaremos en los siguientes capítulos. Es necesario aclarar que la temperatura del aire en el interior de la cámara nunca alcanza el valor de la temperatura de evaporación, permaneciendo siempre en valores ligeramente inferiores; esto se debe principalmente a la entrada de calor a través de las paredes de la cámara y a la dificultad en la transmisión de calor entre un líquido y un gas. Esta diferencia de temperaturas entre el refrigerante y el medio será objeto de atención en capítulos posteriores. ctividad a Averigua las temperaturas de los lugares que aparecen en las fotografías sabiendo que el fluido que contienen los recipientes es R-34a D 0,8 bar 3,2 bar 2

13 Unidad Análisis de Instalaciones Instalación frigorífica elemental Piensa por un momento en cuántos sitios de tu entorno puedes encontrar una máquina que produce frío: en los supermercados, cafeterías, máquinas de refrescos En la mayoría de estos casos se trata de máquinas con una instalación frigorífica elemental, y es posible que una mirada atenta te permita descubrir los cuatro componentes fundamentales mencionados en el capítulo anterior. Sabías que las neveras domésticas tienen una instalación de este tipo? Quizá ha llegado el momento de observar este electrodoméstico desde un ángulo distinto al habitual. La instalación frigorífica que te presentamos a continuación es una de las más sencillas de cuantas se utilizan en el enfriamiento de alimentos. Está constituida por los cuatro elementos estudiados en el capítulo anterior: el compresor, el condensador, el sistema de expansión y el evaporador. El circuito eléctrico es también muy sencillo, pues está formado por los elementos indispensables para que la máquina realice su trabajo automáticamente, sin menoscabo de la seguridad de las personas y de las instalaciones. El dibujo de la página siguiente representa la instalación en pleno funcionamiento, es decir, con el compresor en marcha y el refrigerante circulando por el interior de las tuberías. Para mayor claridad hemos representado con distintos colores el estado en el que se encuentra el refrigerante en cada punto de la instalación. 3

14 Módulo: Instalaciones Frigoríficas L N 6 Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor 7 Vapor recalentado a alta presión Vapor húmedo a alta presión Líquido subenfriado a alta presión Fig. 8: Instalación frigorífica elemental Vapor húmedo a baja presión Vapor recalentado a baja presión Aceite 3 4

15 Unidad Análisis de Instalaciones Componentes del circuito frigorífico A continuación describiremos brevemente los componentes de la instalación. El número que acompaña a su denominación se corresponde con el que tiene en la figura 8, con el fin de que puedas observar su situación en la instalación. Compresor (). En este caso se trata de un compresor hermético, el cual encierra en una misma carcasa al compresor y al motor eléctrico. Este tipo de compresor se denomina hermético porque la carcasa no se puede abrir para su reparación o mantenimiento. j f e g k i l d c a b Fig. 9: Partes de un compresor hermético. Consta (figura 9) de un motor eléctrico (a) que hace girar al cigüeñal (b), el cual, por medio de una biela (c), transmite el movimiento ascendente y descendente al pistón (d). En la parte superior del pistón se encuentra la culata (e), con sus cámaras de baja presión (f) y de alta presión (g), así como las correspondientes válvulas de aspiración (h) y de descarga (i). Exteriormente se distinguen tres tubos: el tubo de aspiración (j), por el que se introduce el refrigerante al interior de la carcasa del compresor; el tubo de descarga (k), a través del cual sale el refrigerante una vez comprimido, y el tubo de carga (l), utilizado en las operaciones de carga de refrigerante. Condensador (2). En los frigoríficos domésticos este componente se sitúa en la parte posterior del mueble. Se trata de una tubería en forma de serpentín por cuyo interior circula el refrigerante, que se expone a la temperatura ambiente para su condensación. En su primer tramo, como indica la figura 8, tiene lugar el enfriamiento del refrigerante hasta la tempe- 5

16 Módulo: Instalaciones Frigoríficas ratura de condensación; la condensación tiene lugar en el tramo intermedio; en el último tramo, una vez que todo el refrigerante se ha licuado, se enfría el líquido a temperaturas inferiores a la de condensación. Deshidratador (3). Consiste en un cartucho que se intercala en la tubería y que contiene una sustancia capaz de retener la humedad que haya podido quedar en el circuito frigorífico tras su fabricación. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Tubo capilar (4). Es el tubo a través del cual llega el refrigerante al evaporador. Tiene un diámetro muy pequeño del orden de décimas de milímetro y mucha longitud, lo que origina una gran pérdida de carga que permite mantener la diferencia de presiones necesaria para los cambios de estado del refrigerante. La longitud y el diámetro de este tubo determinan la diferencia de presiones que se establece en la instalación entre el condensador y el evaporador: cuanta más longitud y menos diámetro, mayor será la diferencia de presiones. Evaporador (5). El evaporador adopta varias formas en los frigoríficos domésticos, aunque la más común es la de placas por cuyo interior circula el refrigerante. En algunos frigoríficos el evaporador no es visible, pues se instala oculto tras la pared interior del mueble. Representación simbólica del circuito frigorífico Cuando se realizan croquis o planos de instalaciones frigoríficas, se utilizan símbolos que representan de forma simplificada cada componente. En la figura 0 puedes ver la representación mediante símbolos de la máquina frigorífica que estamos estudiando; los símbolos empleados son los que figuran en el Reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones Frigoríficas. Evaporador Tubo capilar Condensador Deshidratador Motocompresor de pistones (hermético) Fig. 0: Representación del circuito frigorífico mediante símbolos. 6

17 Unidad Análisis de Instalaciones Componentes del circuito eléctrico En la figura 8 hemos representado los componentes eléctricos en la posición que ocupan aproximadamente en la máquina. Como puedes comprobar, el compresor tiene una caja de conexiones a la que llegan dos cables; a continuación te mostramos los elementos que se alojan en su interior así como el resto de componentes del circuito. Fusible Termostato Protector térmico Caja de conexiones eléctricas del compresor Motor eléctrico Relé de arranque Fig. : Esquema del circuito eléctrico y detalle del interior de la caja de conexiones. Fusible (6). Su función es proteger a los componentes eléctricos contra sobreintensidades elevadas, y más en concreto contra las debidas a cortocircuitos. Se trata de una cápsula de vidrio o cerámica que contiene en su interior un hilo conductor que se funde ante una sobreintensidad elevada. Termostato (7). Este dispositivo (figura 2) abre o cierra un interruptor (a) en función de la temperatura reinante en el interior del mueble frigorífico. Consta de un bulbo (c) que se sitúa en el interior del mueble frigorífico y que contiene un fluido cuyo b volumen aumenta o disminuye con los cambios de temperatura. Este bulbo está unido a un fuelle (b) a través de un tubo capilar (d); cuando la temperatura del bulbo disminuye, el a d c fuelle se contrae y abre el interruptor. Fig. 2: Termostato de bulbo. 7

18 Módulo: Instalaciones Frigoríficas Caja de conexiones del compresor (8). En su interior se encuentran las tres conexiones de los devanados del motor (figura 3): común (C), principal (P) y auxiliar (A). A su vez se encuentra el relé de arranque y el protector térmico (Klixon). Devanado auxiliar Devanado principal Bimetal Interruptor Bobina Resistencia Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Motor eléctrico Relé de arranque Protector térmico Fig. 3: Componentes de la caja de conexiones del compreesor. En los compresores herméticos monofásicos, como el que nos ocupa, es necesario que un devanado auxiliar intervenga durante el arranque, pero éste ha de desconectarse una vez que ha arrancado el compresor. Para efectuar esta conexión momentánea del devanado auxiliar se utiliza un relé de arranque, el cual se instala conectado a ambos devanados del compresor. Durante el arranque, la elevada intensidad que circula por la bobina del relé origina una fuerza electromagnética que atrae al interruptor, cerrando sus contactos; el devanado auxiliar queda así activado. Una vez efectuado el arranque, la intensidad absorbida por el motor disminuye, con lo que la bobina, al no tener la fuerza suficiente para mantener en su posición al interruptor, permitirá que éste vuelva a su posición inicial desactivando al devanado auxiliar. El protector térmico (Klixon) protege al motor contra sobrecargas y altas temperaturas. Cuando tiene lugar una sobrecarga, su resistencia (figura 3) se pone incandescente y calienta al bimetal, el cual, por efecto del calor, se deforma y abre el circuito. Debido a que el bimetal es sensible a cualquier aumento de temperatura, independientemente del motivo que lo produzca, estos protectores se instalan en contacto con la carcasa del compresor, detectando así posibles calentamientos y ocasionando la apertura del interruptor bimetálico sin necesidad de que actúe la resistencia. Análisis funcional Al bajar el pistón el compresor aspira una porción de vapor refrigerante a través de la válvula de aspiración. Poco después, al iniciar el pistón su carrera ascendente, esta porción de refrigerante es comprimida hasta que su presión supera ligeramente a la reinante 8

19 Unidad Análisis de Instalaciones en la cámara de alta presión de la culata, momento en el que la válvula de descarga se abrirá. Así pues, la porción de refrigerante previamente aspirada por el compresor, sale por el tubo de descarga dirigiéndose hacia el condensador. Su presión y temperatura son ahora altas, pero al ponerse en contacto con las paredes frías del condensador su temperatura descenderá paulatinamente. Una vez que la temperatura haya descendido lo suficiente, el refrigerante comenzará a licuarse; y lo hará a temperatura constante, pues se trata de un cambio de estado. Ya casi al final del recorrido, todo el refrigerante se habrá transformado en líquido. A partir de ese momento seguirá enfriándose ligeramente hasta abandonar definitivamente el condensador, y aún los seguirá haciendo en su camino hacia el evaporador. Ya en estado de líquido subenfriado, el refrigerante atravesará el deshumidificador, el cual contiene una sustancia que retiene la humedad. La humedad en el interior del circuito es perjudicial, pues puede congelarse en el capilar y formar un tapón que impida el paso de refrigerante. Por otra parte, degrada el aceite del compresor y oxida sus órganos mecánicos. El refrigerante continúa su recorrido hacia el sistema de expansión que en este caso es un tubo capilar ; debido a su reducido diámetro y a su longitud, el refrigerante experimenta en su interior una pérdida de presión importante, saliendo por su otro extremo con una presión baja. El refrigerante se encuentra ahora en el interior del evaporador. Su estado es mayoritariamente líquido, aunque una pequeña porción se ha evaporado tras la expansión. Debido a la baja presión reinante en el evaporador, el refrigerante comienza a hervir, lo que origina que absorba calor del ambiente en este caso el aire del interior del mueble frigorífico. Al tratarse de un cambio de estado, esta transformación tiene lugar a temperatura constante. Ya casi al final del evaporador, el refrigerante se habrá vaporizado completamente. El vapor aún se calentará ligeramente en su recorrido hacia la salida del evaporador, y aún lo seguirá haciendo en su camino hacia el compresor. Debido a la vaporización del refrigerante, la temperatura en el interior del mueble frigorífico disminuye. Se debe regular el termostato para que abra sus contactos al alcanzar la temperatura deseada. La apertura de los contactos del termostato dejará sin tensión al compresor, que se detendrá. Durante la parada del compresor, la temperatura en el interior del mueble frigorífico subirá, lo que ocasionará que el termostato cierre de nuevo sus contactos y ponga en marcha al compresor. 9

20 Módulo: Instalaciones Frigoríficas 2 ctividad a En el supuesto de que la máquina frigorífica de la figura 8 trabaje con R-34a, y que las presiones de alta y baja en la instalación sean respectivamente 0, bares y,3 bares, haz una estimación de la lectura que efectuarán los termómetros a, b, c, d y e considerando las transformaciones que sufre el refrigerante en su recorrido a lo largo del condensador y del evaporador. a e Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor c Condensador b Evaporador d 20

21 Unidad Análisis de Instalaciones Instalación frigorífica comercial Un puente de pequeñas dimensiones puede ser construido con unos pocos tablones y algunos clavos, pero no se puede utilizar una construcción tan elemental para salvar grandes distancias, pues aparecen inconvenientes que la hacen inviable. Algo parecido sucede con las instalaciones frigoríficas; a medida que aumenta su tamaño se ponen de manifiesto inconvenientes que deben ser subsanados Cuáles son estos inconvenientes y qué procedimientos se emplean para subsanarlos? Cuando se trata de enfriar una mayor cantidad de género, como sucede en los comercios de venta al pormenor (supermercados, pescaderías, carnicerías, etc.), es necesaria una mayor potencia, la cual conlleva una mayor complejidad de la instalación al tener que resolverse inconvenientes que en la instalación sencilla no se producen o lo hacen de forma poco apreciable. La figura 4 de la página siguiente muestra una instalación frigorífica dotada de componentes de uso habitual en cámaras frigoríficas comerciales. A su vez, la instalación eléctrica es ahora algo más compleja. Aún así, hemos tratado de mantener una cierta simplicidad en la representación para que puedas deducir el funcionamiento de la máquina a la vista de las figuras. 2

22 Módulo: Instalaciones Frigoríficas L L2 L3 N 2 6 Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Vapor recalentado a alta presión Vapor húmedo a alta presión Fig. 4: Instalación frigorífica comercial Líquido subenfriado a alta presión 9 Vapor húmedo a baja presión Vapor recalentado a baja presión Aceite

23 Unidad Análisis de Instalaciones Componentes del circuito frigorífico A continuación incluimos una breve explicación de los nuevos elementos que aparecen en la instalación. No hacemos mención a los explicados en la instalación anterior, salvo que aquí presenten alguna novedad digna de ser destacada. e g h f i g h f i Compresor (). En esta instalación se ha utilizado un compresor abierto (figura 5), llamado así porque el motor (a) y el compresor (b) constituyen unidades independientes. El motor eléctrico transmite el movimiento al cigüeñal del compresor a través de una correa (c) y unas poleas (d y e). a c d Fig. 5: Compresor abierto. b A su vez, el compresor está provisto de válvulas de servicio (f), las cuales disponen de un obturador (g) que, accionado mediante una llave, permite cerrar el paso de refrigerante hacia la toma manométrica (h) o hacia la tubería (i). En la figura 6 puedes observar el funcionamiento de una de estas válvulas: a) El obturador se encuentra en la parte superior de la válvula impidiendo el paso de refrigerante hacia el manómetro. b) El obturador está en una posición intermedia, permitiendo la entrada de refrigerante hacia el compresor y hacia el manómetro. c) El obturador se encuentra en la parte inferior de la válvula, impidiendo la entrada de refrigerante hacia el compresor y hacia el manómetro. a b c Fig. 6: Válvulas de servicio del compresor. Separador de aceite (3). El refrigerante sale del compresor mezclado con cierta cantidad de aceite; esto no representa un problema en las neveras domésticas, ya que la instalación es pequeña y la cantidad de aceite que sale del compresor no puede ser muy grande; el 23

24 Módulo: Instalaciones Frigoríficas aceite regresará mezclado con el refrigerante tras recorrer el circuito, o bien por goteo en las paradas del compresor. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Pero sí en las instalaciones grandes la salida de aceite del compresor puede resultar un problema importante, ya que puede dejar al compresor con una lubricación deficiente. Por otra parte, el aceite forma una película que dificulta c la transmisión de calor en el condensador y a el evaporador. El separador de aceite cumple la función de dejar pasar el vapor refrigerante b y retener el aceite que viaja con él, devolviéndolo de nuevo al compresor. Fig. 7: Separador de aceite. Los separadores de aceite utilizan diversos sistemas para llevar a cabo su función el de la figura 7 incorpora un filtro separador (a) ; el aceite cae en el fondo del recipiente y cuando ha alcanzado cierto nivel, la válvula de flotador (b) se abre para que sea aspirado por el tubo (c) que comunica con el cárter del compresor. Recipiente de líquido (5). Para asegurar una a c alimentación de refrigerante líquido al evaporador y disponer al mismo tiempo de una reserva adecuada a las necesidades de la instalación, se incorpora un recipiente de líquido a la salida del condensador (figura 8). El refrigerante líquido (b) se encuentra en la parte inferior del recipiente, y la parte alta está ocupada b por vapor (a). El refrigerante líquido es absorbido por el tubo de salida del recipiente, Fig. 8: Recipiente de líquido. el cual incorpora una válvula de servicio (c) similar a las del compresor. Visor de líquido (7). Para comprobar que el refrigerante llega completamente líquido al sistema de expansión, se incorpora un visor de líquido, el cual permite ver a través de un vidrio el estado del refrigerante en el punto en el que se encuentra instalado. Es frecuente que el visor incorpore también un sensor de humedad, el cual cambia de color en función del contenido de humedad del refrigerante. Válvula de solenoide (8). Esta válvula (figura 9) es accionada por una bobina (a) que abre o cierra el obturador (b) en función de que la bobina reciba o no corriente. Existen dos 24

25 Unidad Análisis de Instalaciones tipos: NO y NC; la válvula del primer tipo permanece abierta mientras la bobina no recibe corriente; la del segundo tipo que es la que aparece en la figura permanece cerrada al no recibir corriente. Como se puede ver en la figura, es importante el sentido de colocación de la válvula, pues es la presión del refrigerante la que ayuda a mantenerla firmemente cerrada al actuar por la parte superior del obturador. a b L N L N Válvula abierta Válvula cerrada Fig. 9: Válvula de solenoide del tipo NC. Válvula de expansión (9). Para aprovechar bien la superficie de intercambio del evaporador, la vaporización del refrigerante ha de producirse toda ella en el evaporador; además hay que evitar que el refrigerante salga en estado líquido del evaporador, pues puede llegar al compresor y ocasionar desperfectos en sus válvulas (se denomina golpe de líquido ). Por estas razones, el refrigerante ha de salir del evaporador completamente evaporado y, además, su temperatura ha de ser ligeramente mayor que la de evaporación (vapor recalentado). A la diferencia de temperaturas existente entre la de vaporización del líquido (vapor húmedo) y la de salida del evaporador (vapor recalentado) se la denomina recalentamiento. La válvula de expansión (figura 20) permite que entre la cantidad justa de refrigerante al evaporador para obtener su máximo aprovechamiento. Tiene un obturador (a) unido solidariamente a un diafragma (c) en la parte superior, y a un muelle (b) en la parte inferior. A su vez, el diafragma recibe por su parte inferior el efecto de la presión del refrigerante que entra en el evaporador, y por la parte superior recibe la presión del fluido contenido en el bulbo (d). El bulbo que contiene refrigerante en estado de vapor húmedo se sitúa a la salida del evaporador para que detecte la temperatura del refrigerante en ese punto. 25

26 Módulo: Instalaciones Frigoríficas Si el refrigerante llega en estado líquido a la salida del evaporador, tanto el bulbo como el refrigerante estarán a la misma temperatura, por lo que sus presiones se contrarrestarán, quedando el diafragma sometido tan solo al efecto del muelle, cuya fuerza mantiene cerrado el obturador. Al mantenerse cerrado el obturador no pasará refrigerante al evaporador, que se irá vaciando poco a poco. A medida que se vacíe el evaporador, el bulbo irá aumentando su temperatura y, en consecuencia, la presión en la parte superior del diafragma será mayor, llegando a un punto en que superará a la fuerza del muelle; en ese momento se abrirá el obturador para permitir el paso de refrigerante hacia el evaporador. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor d Fig. 20: Válvula de expansión termostática. La válvula cuenta con un tornillo de regulación (e) que permite variar la presión que ejerce el resorte sobre la válvula. Cuanto más se apriete el tornillo de regulación más presión ejercerá el resorte sobre el obturador, necesitándose mayor presión en el bulbo para contrarrestarla. Ahora bien, una mayor presión en el bulbo implica una mayor temperatura del refrigerante en ese punto, y, en consecuencia, un mayor recalentamiento. Botella antigolpe de líquido (). En los compresores abiertos el refrigerante entra directamente a la cámara de baja presión de la culata. Si accidentalmente entrara refrigerante líquido al compresor, éste sería absorbido directamente por el pistón, produciéndose un golpe de líquido contra las válvulas. Para evitar esto se a instala este accesorio a la entrada del compresor, el cual, como puede verse en la figura 2, acumula el líquido en su parte baja (b) mientras que el vapor es absorbido por la parte alta (a). Fig. 2: Botella antigolpe de líquido. c d b a b e c La forma de sifón del tubo de aspiración se debe a que éste tiene un pequeño orificio en su parte baja (c) para permitir que el aceite que pueda acumularse en la botella (d) pueda ser absorbido de nuevo por el compresor; debido al pequeño diámetro de este orificio, el líquido refrigerante que lo atraviesa se expansiona transformándose en vapor. 26

27 Unidad Análisis de Instalaciones Representación simbólica del circuito frigorífico La figura 22 muestra una representación de la máquina mediante símbolos. Para que puedas identificar sus componentes, éstos llevan asignado el mismo número identificador que en la figura Fig. 22: Esquema frigorífico de la instalación. Circuitos eléctricos Enumeramos a continuación los componentes eléctricos de la máquina y la función que desempeñan. Su numeración también se corresponde con la de la figura 4: Presostato (3). Este dispositivo contiene un interruptor que abre o cierra sus contactos en función de la presión reinante en el diafragma al que está unido. El diafragma a su vez está en comunicación con el interior del circuito frigorífico. Básicamente existen dos tipos de presostatos: de baja presión y de alta presión. Los de baja presión abren sus contactos cuando la presión en el circuito desciende por debajo del valor regulado en el presostato. Los de alta presión abren sus contactos cuando la presión supera al valor regulado. 27

28 Módulo: Instalaciones Frigoríficas En nuestro caso se ha instalado un presostato combinado, que consiste en un presostato de baja y uno de alta reunidos en una misma carcasa. Contactor (4). Se emplea como interruptor en el arranque de motores y otros aparatos eléctricos cuando la intensidad que circula por ellos es elevada. Se trata de un conjunto de interruptores accionados electromagnéticamente: mientras la bobina no recibe tensión los contactos están abiertos, y cuando llega tensión a la bobina los contactos se cierran. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Disyuntor (5). Se trata de un interruptor automático que desconecta al motor de la red cuando éste se encuentra sometido a una sobrecarga o bien cuando se produce un cortocircuito en la línea de alimentación. Tiene una maneta mediante la cual se pueden abrir o cerrar manualmente sus contactos. Interruptor automático (6). Este interruptor protege a los elementos del circuito de mando contra sobrecargas y cortocircuitos. En la figura 23 hemos representado el circuito eléctrico dibujando por separado el circuito relativo al motor y su alimentación a la red (circuito de potencia) y el relativo al activado del contactor (circuito de mando). Como puedes observar, el mando se ha conectado entre una de las fases (L) y el neutro, pues entre ellos la tensión es de 230 V. L L2 L3 N 5 3 x 400 V /400V Esquema de potencia Fig. 23: Esquemas eléctricos de la máquina. L N Mando L Esquema de mando 3 28

29 Unidad Análisis de Instalaciones Para poner en marcha la máquina hay que girar la maneta del disyuntor (5) para que se cierren sus contactos; de esa forma llegará corriente hacia el circuito de potencia. Habrán de cerrarse también los contactos del interruptor automático (6) para permitir el paso de corriente al circuito de mando. Al girar la maneta del disyuntor, también se cerrará su contacto auxiliar ubicado en el circuito de mando, y que figura también marcado con el nº 5. Hechas las operaciones anteriores, la corriente llegará a la bobina de la válvula de solenoide (8) y también a la del contactor (4); la activación de ésta última provocará el cierre de sus contactos representados en el esquema de potencia con el nº 4, por lo que el motor (2) del compresor se pondrá en marcha. o Conexión del motor eléctrico Los motores eléctricos llevan adherida en el exterior una placa en la que figuran diversos datos relativos a sus características; uno de ellos es la tensión de alimentación. Los motores trifásicos incluyen en su placa de características dos valores de la tensión de alimentación, por ejemplo, 230/400V o 400/690V; la primera cifra indica la tensión nominal de los devanados. Los devanados del motor pueden conectarse de dos formas: en estrella o en triángulo (figura 24). En la conexión en triángulo los devanados están sometidos a la tensión de la red, mientras que al conectarlos en estrella esta tensión es más baja; su valor se obtiene dividiendo la tensión de la red entre la raíz cuadrada de 3. L L2 L3 3 x 400 V U-W2 U U2-V2-W2 U2-V V2-W V W Conexión en triángulo Conexión en estrella Fig. 24: Tensión que soportan los devanados dependiendo de la tensión de la red y del tipo de conexión. 29

30 Módulo: Instalaciones Frigoríficas Por tanto, si la tensión en la red coincide con la primera cifra dada en la placa de características, se conectará el motor en triángulo; por el contrario, si la tensión en la red coincide con la segunda cifra se conectará el motor en estrella. Los bornes de los devanados del motor están dispuestos de forma que pueda efectuarse la conexión en estrella o en triángulo simplemente cambiando la posición de las placas que unen dichos bornes, tal como indica la figura 25. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor En nuestro caso se ha conectado el motor en estrella, ya que se ha supuesto una tensión en la red de 400V y la placa de características indica una tensión de alimentación de 230/400V (ver esquema eléctrico de la figura 23). L L2 L3 L L2 L3 U V U V U2 V2 U2 V2 W2 W W2 W Conexión en triángulo Conexión en estrella Fig. 25: Colocación de las plaquitas en la caja de bornes del motor. Análisis funcional El funcionamiento frigorífico de la máquina es similar al comentado en el capítulo anterior; téngase en cuenta que los aparatos incorporados al circuito mejoran su funcionamiento pero no suponen una variación sustancial de las cuatro transformaciones fundamentales: compresión, condensación, expansión y vaporización. Según esto, el refrigerante saldrá del compresor en forma de vapor a alta presión; en el condensador se transformará en líquido a alta presión, cediendo calor al ambiente; al atravesar la válvula de expansión descenderá su presión y una pequeña parte se vaporizará; en el evaporador se vaporizará el resto de refrigerante líquido, absorbiendo calor del aire contenido en la cámara frigorífica. 30

31 Unidad Análisis de Instalaciones La temperatura descenderá en el interior de la cámara hasta alcanzar el valor regulado en el termostato, el cual abrirá sus contactos y desactivará a la válvula de solenoide. Puesto que esta válvula es NC, su desactivación producirá el cierre del obturador y dejará de pasar refrigerante hacia el evaporador. El compresor, que no ha sido desactivado, seguirá absorbiendo refrigerante del evaporador y enviándolo hacia la zona de alta presión. Llegará un momento en que ya no quede refrigerante entre la válvula de solenoide y la aspiración del compresor; en ese momento descenderá notablemente la presión, produciéndose la apertura de los contactos del presostato de baja. Cuando esto suceda, se desactivará la bobina del contactor, lo que producirá la apertura de sus contactos y, consecuentemente, la parada del compresor. Durante la parada del compresor, la temperatura en el interior de la cámara comenzará a subir debido a la entrada de calor a través de sus paredes. Cuando la temperatura supere a la regulada en el termostato, la válvula de solenoide se abrirá de nuevo y el refrigerante volverá a circular por el circuito; la presión subirá y en consecuencia el presostato cerrará sus contactos, activándose el contactor y poniéndose en marcha el compresor. 3

32 Módulo: Instalaciones Frigoríficas 3 ctividad a En la figura se muestran: La red de alimentación, de 400 V, con tres fases y neutro. Un compresor con motor trifásico. La caja de conexiones del motor (debidamente ampliada). Un fragmento de la placa de características del motor (también debidamente ampliada). Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Tres plaquitas de conexión para efectuar la conexión en estrella o en triángulo. A la vista de los datos aportados debes colocar correctamente las plaquitas en la caja de conexiones y dibujar los cables necesarios para conectar el motor a la re de alimentación. 32

33 Unidad Análisis de Instalaciones Instalación con condensador de agua Como ya sabes, el refrigerante entra en el condensador en estado de vapor recalentado y, tras ser expuesto a la temperatura del aire ambiente, se condensa y sale de él como líquido subenfriado. El aire es, en este caso, el medio utilizado para la condensación; pero no siempre se puede disponer de aire para este fin; ese es el caso de locales de reducidas dimensiones y con dificultades para la ventilación; en estos casos la temperatura del aire podría subir excesivamente, dando lugar a una condensación deficiente. En esos casos se plantea la necesidad de recurrir a otros medios. Qué otros medios de condensación se pueden utilizar aparte del aire? La instalación que te presentamos a continuación lleva incorporado un condensador de agua, el cual puede tomar agua de la red pública o del medio natural. Cuando el agua se toma de la red es conveniente reutilizarla, pues se trata de un bien escaso y cada vez más caro; para ello se hace recircular el agua tras ser enfriada en una torre de refrigeración u otro sistema de enfriamiento. Además del condensador de agua, incluimos también otros componentes de uso común en las instalaciones frigoríficas comerciales. 33

34 Módulo: Instalaciones Frigoríficas L L2 L3 N 4 5 Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor Vapor recalentado a alta presión Vapor húmedo a alta presión Líquido subenfriado a alta presión Fig. 26: Instalación con condensador de agua Vapor húmedo a baja presión Vapor recalentado a baja presión Aceite Agua 5 34

35 Unidad Análisis de Instalaciones Componente del circuito frigorífico En este apartado se incluye una explicación de los componentes que aparecen por primera vez en esta unidad didáctica, y también de aquellos que, habiendo sido ya comentados en capítulos anteriores, presenten en esta máquina características especiales. Compresor hermético accesible (). También llamado semihermético, se caracteriza por reunir en una misma carcasa al motor y al compresor. La ventaja que presentan respecto a los compresores herméticos es que pueden ser desmontados para reparaciones o trabajos de mantenimiento. Condensador de agua (3). Está constituido por un recipiente cilíndrico cerrado que contiene al refrigerante durante su condensación. Este cilindro es atravesado longitudinalmente por varios tubos por cuyo interior circula el agua de condensación. Para que el agua circule más de una vez por el condensador, se cubren los extremos del cilindro con unas tapas con la forma adecuada para ello (figura 27). Fig. 27: Recorrido del agua por el condensador. Para un funcionamiento correcto del condensador el refrigerante debe entrar en forma de vapor por la parte superior, y acumularse en la parte inferior en estado líquido. Por su parte, el agua fría deberá entrar por la parte baja y circular a contracorriente respecto al refrigerante; de esta forma se mantiene una diferencia de temperaturas uniforme entre ambos fluidos, evitando el fuerte contraste se produciría si el refrigerante muy caliente se encontrara inicialmente con el agua muy fría. Cuando estos condensadores funcionen con agua de la red pública, ésta debe reaprovecharse estableciendo un ciclo que la enfríe una vez utilizada en la condensación. Para el enfriamiento del agua de condensación se utilizan torres de refrigeración, en las cuales se hace pasar el agua en forma de lluvia a través de una corriente de aire. 35

36 Módulo: Instalaciones Frigoríficas Válvula presostática de agua (4). Su función es la de mantener una presión de condensación constante. Para que se lleve a efecto la condensación debe existir una diferencia apreciable entre la temperatura del vapor refrigerante y la del agua de condensación, de lo contrario ésta sería deficiente. Por otra parte, una presión de condensación excesiva origina una sobrecarga innecesaria en los componentes de la instalación. La temperatura de condensación desciende si el caudal de agua que circula por el condensador es abundante, y asciende cuando este caudal es escaso o nulo. Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor La válvula presostática de agua dispone de un obturador (a) fijado en su parte superior a un diafragma (b) sobre el que actúa la fuerza de un resorte (c); y en su parte inferior a otro diafragma (d) sobre el que actúa la presión de condensación. Cuando la presión de condensación aumenta, el obturador asciende y deja pasar más agua hacia el condensador, produciéndose un mejor enfriamiento del refrigerante y, en consecuencia, descendiendo su presión. Inversamente, si la temperatura de condensación es baja el obturador descenderá y dejará pasar menos agua hacia el condensador; consecuentemente la temperatura de condensación aumentará. b e c a Agua d Refrigerante Fig. 28: Válvula presostática de agua. Se puede actuar manualmente sobre el resorte de la válvula girando el tornillo de regulación (e), consiguiendo de esta manera que la fuerza ejercida sobre el obturador sea mayor o menor. Como esta fuerza se opone a la ejercida por el refrigerante, el valor constante de la presión de condensación puede ser aumentado o disminuido mediante la actuación sobre dicho tornillo. Intercambiador de calor (6). Este dispositivo pone en contacto el refrigerante líquido tibio procedente del condensador con el vapor frío procedente del evaporador. Con ello se consiguen dos efectos beneficiosos: por un lado, un enfriamiento adicional del refrigerante 36

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