Diseño y montaje de tuberías del circuito frigorífico

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Diseño y montaje de tuberías del circuito frigorífico

1. INTRODUCCIÓN

Uno de los pasos más importantes en un proyecto de refrigeración o aire acondicionado, es el diseño y montaje de las tuberías de refrigeración. Aún cuando los componentes del sistema sean de última generación o si el diseño de la red de tuberías está mal calculado o mal instalado, irremediablemente el sistema fallará y producirá serios daños al compresor.

Las siguientes modalidades ofrecen un sistema rápido y simple de instalación que está libre de problemas, si los grupos de tuberías están adecuadamente instalados.
En sistemas Split Comerciales y Residenciales, más allá de 15 metros se deberá tener especiales consideraciones para asegurar una performance satisfactoria del sistema. Un sistema inapropiadamente diseñado puede ser el resultado de una notable pérdida de capacidad o una falla de compresores.

La intención de este manual es presentar las prácticas adecuadas de ingeniería generalmente aceptadas. Las especificaciones y límites esbozados en este manual están sujetos a cambios y su diseño debe realizarse conforme a las normas locales.


2. INFORMACIÓN GENERAL

Las cuatro principales consideraciones en el diseño de líneas de refrigeración son:
-Costos de tuberías, refrigerante e instalación.
-Caída de presión en las líneas.
-Retorno de aceite.
-Cantidad de refrigerante en el sistema.

El costo es, obviamente, la consideración que dicta que la menor cantidad de tubo posible a utilizar, resultará en un sistema con una caída de presión aceptable.
La caída de presión es importante desde el punto de vista del rendimiento de la instalación. Las siguientes consideraciones muestran los efectos de la caída de presión en los diversos componentes de un sistema de tuberías de refrigeración.

a) La caída de presión en las líneas de succión reduce la capacidad y aumenta el consumo eléctrico. Para un sistema de aire acondicionado, 1 psi de caída de presión en las líneas de succión reduce la capacidad en aproximadamente, un 1%. La caída de presión en una línea de succión en la zona de 3 psi (3% de pérdida de capacidad) es generalmente aceptable y una caída de presión mayor de 10 psi (10% de pérdida de capacidad) es generalmente inaceptable.

En algunas instancias (delineadas en este manual), si una caída de presión mayor (pérdida de capacidad) es aceptable para los requerimientos de la instalación, las líneas de refrigeración necesitarán ser diseñadas para una mayor caída de presión en orden a mantener el retorno de aceite.

La caída de presión en la línea de líquido no es significativa ya que el 100% del líquido es entregado en la válvula de expansión y la presión disponible es adecuada para producir el flujo adecuado.

La caída de presión debido a un tramo vertical debe ser agregada a las pérdidas por fricción, para determinar la caída de presión total. A temperaturas normales de líquido para R-22, una caída de presión de ½ psi por pié de tramo vertical, debe ser agregada.

El retorno de aceite es de suma importancia, tomando en cuenta que cierta cantidad de aceite está continuamente recirculando con el líquido y se separa en el evaporador. El aceite debe retornar al compresor por arrastre con el vapor de refrigerante. La velocidad mínima debe ser del orden de 800 fpm (pies por minuto) en los tendidos horizontales y 1500 fpm en los verticales de succión.
El subenfriamiento del líquido debe ser, a lo menos, 10ºF al salir de la unidad exterior. Esto permitirá una caída de presión de 30 a 35 psi en la línea de líquido incluyendo la caída de presión debido a la pérdida por fricción en tramos horizontales y verticales.

Un contribuyente en la caída de presión en las líneas de refrigeración son los codos y fittings. Una buena práctica es utilizar curvas de amplio radio en vez de codos de 90º de radio 0. La figura Nº1 muestra cómo pueden tenderse las tuberías para minimizar caídas de presión en paso bajo vigas.

En sistemas con líneas sobre 50 pies (15 metros) y con una línea de succión de 7/8” OD (diámetro exterior) o menor, agregue 3 onzas (0,088 litros) de aceite por cada 10 pies (3,28 mts.) de línea sobre 50 pies (15 metros). Para sistemas con 1 1/8” OD o más diámetro, agregue 4 onzas de aceite (0,118 lts.) por cada 10 pies (3,28 mts.) sobre 50 pies (15 mts.) Cuando agregue aceite utilice viscosidades sobre 200 (ejemplo 3G o 4G).
La principal causa de falla de un compresor es el golpe de líquido. Debido al refrigerante adicional que se requiere para llenar las líneas, la posibilidad de golpe de líquido se acrecienta en líneas sobre los 50 pies (15 mts.) Es deseable utilizar líneas de líquido lo más pequeñas sin que resulte flash gas debido a la caída de presión.

Las líneas de líquido no deben estar en contacto con las líneas de vapor. Si el diseño de líneas de refrigeración significa 20 psi o más de caída de presión, la línea de líquido debe ser aislada en todos los lugares por donde pase a través de un ambiente con temperaturas superiores al refrigerante sub-enfriado.
Las líneas de refrigeración no deben ser enterradas en el suelo a menos que sean aisladas e impermeabilizadas. Líneas de cobre sin aislar, enterradas en el suelo húmedo o bajo concreto pueden causar serias pérdidas de capacidad y operación errática, como también fallas a corto plazo debido a la corrosión.

Por las razones anteriores, las líneas de refrigeración deben ser enterradas en conductos impermeables y térmicamente aisladas. Las líneas no deben estar en contacto con el suelo por ninguna razón y el conducto debe ser proyectado de tal forma que no le pueda entrar agua ni retenerla.
Las válvulas de expansión son mandatorias en todas las instalaciones comerciales y domésticas con líneas sobre 15 metros y se deberá utilizar solamente tubería de cobre rígida, limpia y seca. Las líneas de cobre recocido están propensas a curvarse en tendidos horizontales largos, codos, tees, coplas y otras juntas deben ser ejecutados en cobre duro y las curvas deben ser de radio largo.
Para uniones libres de filtraciones, limpie prolijamente el tubo y fitting y utilice soldadura apropiada con por lo menos 3% a 5% de plata (uso común 15%). Para prevenir oxidación interior en la tubería, es necesario hacer circular Nitrógeno seco durante el proceso de soldadura.




3. LIMITACIONES PARA SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO

Las líneas sobre los 15 metros hasta 45 metros deben ser dimensionadas de acuerdo al diagrama Figura N5. Las aplicaciones menores de 15 metros pueden utilizar orificios de expansión o capilares. El largo máximo de verticales de succión no debe exceder de 45 metros y 15 metros verticales de líquido.

Cuando las líneas exceden los 15 metros, se debe instalar una válvula solenoide en la línea de líquido lo más cerca posible del evaporador. Si el compresor no está equipado con calefactor de cárter, se debe instalar este elemento, aún más, se debe utilizar sólo válvula de expansión (orificios de expansión o tubo capilar no son aceptables).

En aplicaciones donde las líneas exceden de 23 metros, la válvula solenoide debe ser instalada con control de anti reciclaje y pump down (vaciado del lado de baja antes de la detención del compresor) LÍNEAS SOBRE LOS 45 METROS NO SON RECOMENDABLES.



4. LIMITACIONES PARA BOMBAS DE CALOR

Cuando las líneas exceden los 15 metros, una válvula de expansión en la unidad interior y un acumulador de succión son ambos requeridos. Estos elementos deben ser utilizados en todas las instalaciones comerciales SIN IMPORTAR EL LARGO DE LAS LÍNEAS. Muchas unidades son equipadas de fábrica con acumuladores de succión por lo que NUNCA agregue un segundo acumulador. Si es necesario instalar un acumulador, éste debe ser apropiadamente dimensionado y debe ser instalado en la línea de succión entre la válvula inversora de ciclo y el compresor, aún más, cuando las líneas exceden los 15 metros debe instalarse un calefactor de cárter en el compresor si éste no ha sido suministrado por la fábrica.

NUNCA instale un filtro secador de líquido adicionalmente al suministrado por la fábrica debido al riesgo de una excesiva caída de presión y riesgo de instalación impropia. Si debe instalar un filtro secador de líquido en un sistema de bomba de calor, asegúrese que el refrigerante pueda circular en un solo sentido a través del elemento (filtro con válvula check).

SI LAS LÍNEAS DE REFRIGERACIÓN DE UNA BOMBA DE CALOR DEBEN EXCEDER LOS 30 METROS ES RECOMENDABLE NO EJECUTARLA. Debe tenerse especial consideración en los sistemas bomba de calor cuando hay una diferencia en la elevación entre la unidad interior y la exterior. Debido a la inversión de flujo de refrigerante desde el ciclo de calor al ciclo de frío, siempre debe considerarse una vertical de succión y líquido cuando se diseñan las líneas de refrigerante.

El largo máximo de vertical de líneas de líquido no debe exceder los 15 metros debido a la caída de presión estática de 25 psi. Caída de presión adicional debido a la fricción resultará en una caída de presión total próxima a los 30 psi máximo que podría producir flashing gas.

Del mismo modo las líneas de succión no deben exceder los 15 metros debido a las limitaciones de las líneas de líquido. Si existe una diferencia en elevación entre las unidades interiores y exteriores, las líneas de vapor deben ser dimensionadas como subidas de succión con la velocidad adecuada para el retorno de aceite.

Las válvulas solenoides son elementos unidireccionales, por lo que rara vez son utilizadas en bombas de calor. Si fuera necesario utilizarlas se requiere la instalación de una válvula check alrededor del solenoide para derivar el refrigerante en el ciclo de calefacción. NUNCA INSTALE UN SISTEMA DE PUMP DOWN en una bomba de calor.



5. DIMENSIONADO DE TUBERIAS A/C Y BOMBA DE CALOR

El primer paso en el diseño de un sistema de tuberías es desarrollar un esquema completo del sistema (posición relativa de las unidades condensadoras, evaporadores, largo de cada segmento del sistema de tuberías, largo de las verticales de succión y líquido, etc.)
Comience por realizar un dibujo del sistema incluyendo, largo de tuberías, número de curvas, tees, válvulas y cualquier otro elemento irregular o fitting que se necesite. Esta información será útil para determinar los largos equivalentes para calcular la caída de presión debido a la fricción.
El mismo método deberá aplicarse en ambos sistemas A/C y Bomba de Calor. Una línea de succión dimensionada para producir una adecuada velocidad para retorno de aceite y caída de presión con un mínimo de reducción de capacidad, funcionará adecuadamente como línea de gas caliente durante un ciclo de calefacción. También si existe diferencia de altura vertical entre la unidad interior y exterior, siempre hay que considerar elevaciones de líquido y vapor en el dimensionamiento, debido al flujo de retorno del refrigerante.



6. DISEÑO DE LÍNEA DE LÍQUIDO
A-1 CONSIDERACIONES

El propósito de la línea de líquido es transportar una columna de 100% líquido refrigerante desde el condensador hasta el elemento de expansión en el evaporador, sin gasificar. El valor de caída de presión en la línea de líquido depende del número de grados de subenfriamiento del líquido que deja el condensador, y la temperatura de saturación de condensación. Si se conocen la temperatura de condensación y subenfriamiento se puede calcular la máxima caída de presión.


A-2 Máxima caída de presión (Ejemplo Nº 1)

Una unidad de alta eficiencia opera con una temperatura de 10ºF de subenfriamiento y 115ºF (245 psi), de temperatura de condensación. Encuentre la caída de presión máxima permisible en la línea de líquido. Entre a la carta Presión/Temperatura en 115ºF temperatura de condensación menos 10ºF de subenfriamiento nos da 105ºF de líquido sub enfriado (212 psi. Más bajo de esta presión el líquido comienza a gasificar). 245 psi de presión de condensación menos 212 psi de líquido sub enfriado son 33 psi. La caída de presión máxima es de 33 psi. Dos factores deben ser considerados cuando se dimensionan tuberías de líquido.



CAÍDA DE PRESIÓN EN LÍNEAS

Primero, la caída de presión a través de la línea de líquido no es especialmente crítica ya que se cuenta con una columna del 100% de líquido entrando al elemento de expansión. Casi siempre la generación de flash gas será determinada por la cantidad de caída de presión en la línea de líquido. Para calcular la caída de presión total en las líneas de líquido, lo siguiente debe ser determinado y sumado entre sí.

1. La caída de presión debido a la fricción en tubos, fittings y accesorios instalados en terreno, tales como: filtros secadores, válvulas solenoides u otros elementos. La caída de presión debido a fricción es, generalmente, menor que la caída debido a verticales pero debe ser considerada. La caída de presión de los elementos instalados en terreno es, generalmente proporcionada por el fabricante del elemento y debe ser utilizada si está disponible.

2. Las caídas de presión debido a tendidos verticales (1 ½ psi x metro) es suficientemente alta y puede ser factor limitante en el diseño final del sistema.

PRESIÓN A TRAVÉS DE ELEMENTO DE EXPANSIÓN Y DISTRIBUIDOR La presión del líquido entrando al elemento de expansión debe ser suficiente para producir el flujo requerido a través del elemento. Una caída de presión de 100 psi a través de la válvula de expansión y distribuidor es necesaria para producir un flujo completo a la capacidad establecida, por lo tanto, es necesario entregar el líquido refrigerante (libre de flash gas) a la válvula de expansión a un mínimo de 175 psi.



PROCEDIMIENTO DE DISEÑO - PRIMER EJEMPLO SISTEMA SIMPLE

Dado una unidad condensadora de 10 TR (Toneladas de Refrigeración) instalada en el 1er piso, con un evaporador de 10 TR en el 3er piso y un total de 96 pies (29 metros), de tubería. La unidad está cargada para una temperatura de condensación de 125ºF con 10ºF de subenfriamiento (280 psi R-22). Encuentre la dimensión de la tubería de líquido.
La figura Nº2 ilustra la relación entre el dimensionado de la línea de líquido y la caída de presión por cada 100 pies, rango de velocidad y tonelajes de capacidad. Cuando se utilizan válvulas solenoides, la velocidad no deberá exceder de 300 pies/min para evitar golpes de líquido cuando se detiene la unidad. Entre a la fig. 2 a la izquierda (capacidad enfriamiento Ton) y suba hasta la capacidad de enfriamiento del equipo y avance hacia la derecha al tubo de menor diámetro que no exceda de 300 fpm de velocidad.
SOLUCIÓN: Para un sistema de 10 Ton (tonelada), una línea de 5/8” OD con 4,5 psi/100 pies de caída de presión es seleccionada. Ahora, calcule la caída de presión debido a fricción y subida de líquido para determinar si esta selección es adecuada. La caída de presión de dos curvas debe ser adicionada a la ecuación.

La caída de presión total para 96 pies de tubo de 5/8” OD, más 1 pie por cada curva equivalen a un total de 98 pies equivalentes.


La figura 2 muestra que en un sistema de 10 Ton podemos esperar una caída de presión de 4,25 psi por cada 100 pies de tubería de 5/8” OD de cobre. Cuando nosotros multiplicamos 4,25/100 por 98 pies equivalentes vemos que la caída de presión por fricción es de 4,17 psi. Ahora debemos adicionar la caída de presión por subidas verticales, que es de ½ psi por pie de subida. Cuando multiplicamos por 40 pies de vertical encontramos que la caída de presión debido a la subida es de 20 pies.

Finalmente hemos adicionado un filtro secador a la línea de líquido que tiene una caída de presión de 1 psi (esta cantidad es provista por el fabricante).
Sume los tres componentes de caída de presión para encontrar que el total en esta línea de 5/8” OD es de 25,17 psi. Ahora comparando los 25,17 psi de caída de presión a nuestro valor máximo encontramos que estamos en un rango aceptable, por lo tanto la línea de 5/8” OD es una buena selección pues está bajo el rango máximo de caída de presión, está en un rango satisfactorio de velocidad, utiliza el mínimo de refrigerante y provee suficiente presión en la válvula de expansión.



PRIMER EJEMPLO – TUBERÍA DE MAYOR DIÁMETRO

Supongamos que se ha seleccionado una línea de ¾” OD con una caída de presión de 1,6 psi/100pies de largo. Para el largo total equivalente se ha considerado un largo de línea de 96 pies más el equivalente del fitting (2 curvas de 90º a 1,25 pies c/u). El largo total equivalente es de 98,5 pies. La caída de presión por fricción sería de 1,6 psi/100 pies multiplicado por 98,5 es igual a 1,57 psi. Cuando la caída de presión debido a tramos verticales (20 psi) y la del filtro secador (1 psi) son agregados encontramos que la caída de presión total para la tubería de ¾” OD es de 22,57 psi. Aún así, una línea de ¾” OD es menos adecuada. ¿Por qué?

La diferencia de caída de presión entre la tubería de 5/8” OD y ¾” OD es de sólo 2,35 psi. Además una tubería mayor hay que agregar 5,5 Lbs. de refrigerante al sistema. El riesgo de golpes de líquido se incrementará y la tubería de menor diámetro es más económica. Por lo anterior se debe utilizar la tubería de menor diámetro.


B. DISEÑO DE LÍNEA DE SUCCIÓN
PRINCIPIOS

El propósito de la línea de succión es retornar el vapor refrigerante y aceite desde el evaporador al compresor. EL DIMENSIONADO DE LAS LÍNEAS VERTICALES ES DE EXTREMA IMPORTANCIA. EL MOVIMIENTO DEL ACEITE EN EL INTERIOR DE LA TUBERÍA DEPENDE DE LA VELOCIDAD DEL GAS REFRIGERANTE EN LA SUPERFICIE DE LA TUBERÍA.
Mientras mayor sea la dimensión del tubo, mayor es la velocidad requerida en el centro para mantener una velocidad dada en la pared del tubo. El diseño de la línea de succión ES CRÍTICO. El diseño debe minimizar las pérdidas de presión para obtener el máximo de eficiencia de la unidad y aún así proveer un adecuado retorno del aceite al compresor bajo todas las condiciones.
Debido a que el aceite se separa del refrigerante en el evaporador, la velocidad de succión debe ser la adecuada para arrastrar el aceite hacia el compresor. Las líneas horizontales requieren un mínimo de 800 fpm de velocidad de arrastre. Las verticales de succión requieren 1200 fpm como mínimo y preferiblemente 1500 fpm sin importar el largo de la elevación.

La figura Nº 5 ilustra la relación entre el dimensionado de la línea de succión, la caída de presión por cada 100 pies, velocidad y tonelajes de capacidad.
Esta carta es utilizada para determinar la caída de presión en la línea, la que después puede ser utilizada para determinar la pérdida de capacidad de la línea de succión. Esta carta puede también ser utilizada para determinar la velocidad en la línea y asegurar un adecuado retorno de aceite al compresor.
Las subidas verticales no afectan significativamente la caída de presión, sin embargo, el sistema perderá un 1% de su capacidad por cada libra de caída de presión debido a fricción en la línea de succión. Este factor del 1% es usado para estimar la pérdida de capacidad de las líneas de refrigeración.

Para utilizar el factor del 1%, primero se debe usar la figura 5 para estimar la caída de presión en el “largo equivalente total” de las líneas que elija.



CONSIDERACIONES

Cuando un evaporador está localizado sobre o a nivel de la unidad condensadora, la línea de succión debe subir hasta el tope del evaporador. Esto ayuda a prevenir el retorno de líquido por migración hacia el compresor durante el ciclo de detención. En la parte baja de todas las elevaciones verticales se debe instalar sifones (trampas).

En los sistemas de aire acondicionado, las líneas de succión horizontales deben estar niveladas con una pequeña inclinación hacia la unidad condensadora. Se debe evitar puntos bajos u otros defectos que puedan recolectar aceite y es por esta razón que es necesario utilizar tubería rígida en tendidos horizontales largos. Para asegurar el retorno de aceite se debe instalar un sifón (trampa) en la parte baja de cualquier subida de succión (recuerde, una línea de vapor en una bomba de calor, puede actuar como subida de succión cuando el flujo es invertido)


Cuando seleccione diámetros de líneas de vapor se deben tener en cuenta los siguientes puntos:

1. Se debe mantener una velocidad adecuada para asegurar un buen retorno de aceite.
2. La pérdida de capacidad debe mantenerse dentro de los requerimientos. Los elementos instalados en terreno, tales como secadores de succión, silenciadores, etc., contribuyen a caídas de presión y pérdidas de capacidad. Estos valores deben ser incluidos en los cálculos del proyecto.



PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

Antes de dimensionar la tubería, confeccione un croquis completo con fittings, secadores, válvulas, etc. Mida el largo lineal de cada línea y determine el número de curvas, tees, válvulas, secadores, etc. Sume el largo equivalente de los fittings (Tabla 2) al largo lineal de tubería para obtener el largo equivalente total para determinar la pérdida por fricción. Procedimiento de Cálculo – primer ejemplo

DADO: Una unidad condensadora de 5 TR (60.000 Btu/h) a nivel con su evaporador, con 65 pies de tubería y 8 curvas (como figura 7)
ENCUENTRE: Seleccione la dimensión del tubo de la figura 5. Esta figura ilustra la relación entre el diámetro de la tubería de succión, caída de presión por cada 100 pies, rango de velocidad y tonelaje de capacidad.
SOLUCIÓN: Entre a la figura 5 en la columna de la izquierda a 5 Ton y avance hacia la derecha al diámetro menor con una velocidad de 3000 fpm. La velocidad de la línea de succión no debe exceder de 3000 fpm en orden a evitar posibles problemas de ruidos. Esta regla puede excederse un poco cuando sea necesario dar mayor velocidad para retornar el aceite verticalmente.

Se ha seleccionado una línea de 1 1/8” OD con una caída de presión de 2,8 psi por cada 100 pies y una velocidad de 1950 fpm. Ahora calcule la caída de presión debido a la fricción para determinar si esta selección es adecuada. 65 pies de tubería, más 8 curvas (1,8 pies equivalentes c/u de la Tabla 2) = 79,4 pies de largo total.

Cuando nosotros multiplicamos 2,8/100 x 79,4 pies equivalentes, vemos que la caída de presión total es de 2,22 psi. La línea de 1 1/8” OD, aparentemente, cubre los requisitos en la figura 5. Encuentre la pérdida de capacidad en la línea de 1 1/8” para determinar la capacidad neta.
Los sistemas de Aire Acondicionado y Bombas de calor están basados en sistemas establecidos con 25 pies (7,6 mts.) equivalentes de líneas de refrigeración operando bajo condiciones ARI, la figura 6 muestra que la caída de presión en 25 pies (7,6 mts.) debe ser sustraída del largo total equivalente.

La caída de presión en 25 pies de un tubo de 1 1/8” OD es: 2,8/100 multiplicado por 25 = 0,7 psi.
La caída total de la línea es: 2,22 psi menos 0,7 psi. = 1,52 psi.
La pérdida de capacidad (figura 6 ) es: 0,01 x 1,52 x 60.000 = 912 Btu/h o aproximadamente 1,5%. Dimensionado de tuberia alternativo al primer ejemplo.
Supongamos se ha seleccionado una tubería de 7/8” OD con una caída de presión de 12 psi/100 pies. 65 pies de tubería más 8 curvas (1,5 pies equivalentes c/u de la Tabla 2) = 77 pies de largo equivalente. La caída de presión total por fricción sería 12/100 multiplicado por 77 = 9,24 psi. La caída de presión en 25 pies de una línea de 7/8” OD es: 12/100 multiplicado por 25 = 3 psi La caída total de presión es: 9,24 psi menos 3 psi = 6,24 psi.
La pérdida de capacidad (Figura 6 ) es: 0,01 x 6,24 x 60.000 = 3.744 Btu/h o aproximadamente 6,24%.

Esta es una mala selección por dos razones:

1.- La alta velocidad puede causar ruidos excesivos en la línea de succión.
2.- La pérdida de capacidad puede ser no aceptable si el sistema es diseñado con poca tolerancia.



Procedimiento de dimensionado de línea de succión, segundo ejemplo

Dado una unidad condensadora de 7 ½ TR con evaporador más abajo, 112 pies de tubería y 4 curvas. El tendido incluye 20 pies de subida vertical y 96 pies de tendido horizontal.

ENCONTRAR: Seleccionar la dimensión del tubo de la Fig.Nº 5

SOLUCIÓN: Una línea de 1 1/8” OD con una caída de presión de 6 psi por 100 pies y 2900 fpm de velocidad es seleccionada. Ahora calcule la caída de presión por fricción para determinar si ha sido una buena selección.

De la Tabla 2, cuatro curvas a 1,8 pies de largo equivalente = 7,2 pies equivalentes. Cuando se adiciona a los 112 pies de tubo, el largo total equivalente es de 119,2 pies (redondee a 120 pies).

Cuando multiplicamos 6/100 x 120 pies equivalentes tenemos que la pérdida por fricción es de 7,2 psi. Use la Tabla 5 para calcular la caída de presión en 25 pies de tubo de 1 1/8” OD. Ahora bien, 6/100 x 25 pies vemos que la pérdida por fricción es de 1,5 psi.
La pérdida de capacidad en el largo total equivalente de la tubería (usando figuras 5 y 6) = 1% x (7,2 - 1,5) x 90.000 Btu/h = 0,01 x (5,7) x 90.000 es igual a 5.130 Btu/h lo que significa un 5,7%.
Este método de cálculo muestra que es un sistema aceptable pero resulta en una apreciable pérdida de capacidad y eficiencia.



Tercer ejemplo con una unidad condensadora de capacidad variable de dos velocidades

Algunas instalaciones de capacidad variable pueden utilizar una sola subida de succión sin afectar seriamente la carga de diseño.

DADO: Una unidad condensadora de dos velocidades de 15 TR con evaporador de 15 TR

Capacidad con velocidad alta = 15TR
Capacidad con velocidad baja = 9 TR

El sistema tiene su evaporador a 60 pies (18,3 mts.) más abajo y 40 pies (12,2 mts.) de distancia de la unidad condensadora en forma horizontal. Tiene una trampa de aceite en la parte inferior de la subida compuesta de 3 curvas. La trampa está compuesta con curvas de 90°.

ENCONTRAR: Determine si basta con una subida simple o es necesario una subida doble.
SOLUCIÓN: Seleccione la línea basado en la capacidad total de la unidad (15 TR) 1 5/8” OD con 3 psi cada 100 pies de caída de presión y 2600 fpm de velocidad (a total capacidad) es seleccionada. Entonces determine el largo equivalente del segmento para calcular la caída de presión.
60 pies verticales más 40 pies horizontales, más 4 curvas de 90º (2,8 pies equivalentes c/u) = 111 pies equivalentes, vemos que la caída por fricción es de 3,3 psi. Utilice la Tabla 5 para calcular la caída de presión en 25 pies de tubo de 1 5/8”. Cuando multiplicamos 3/100 x 25 pies vemos que la caída de presión por fricción es de 0,75 psi. La pérdida de capacidad en el largo total equivalente de la línea de refrigeración (usando las figuras 5 y 6) = 1% x (3,3 – 0,75) x 180.000 Btu/h = 0,01 x (2,55) x 180.000 = 4.590 Btu/h de pérdida y ésta determina que la pérdida de capacidad de la línea seleccionada es de 2,55%.


Capacidad en Baja Velocidad

Aparentemente, una línea de 1 1/8” OD es apropiada para un sistema operando a capacidad total. Ahora debemos determinar si este diámetro de tubo es apropiado para cuando el sistema funcione en baja velocidad (9 Ton).

Algunas unidades que operan en baja velocidad tienen una capacidad del 60% de la capacidad total (Lennox).

15 Ton. X 0,6 = 9 Ton Cuando una unidad de 9 Ton usa líneas de 1 5/8” OD indica que la velocidad es de 1500 fpm (Fig.5). Esta velocidad es suficiente para el retorno de aceite al compresor y llena el requerimiento para mantener, a lo menos, 1500 fpm en las subidas verticales.

Cuando comparamos las perfomances en alta y baja velocidad, en este caso encontramos que una sola subida de 1 5/8” OD puede ser utilizada y no se requiere doble subida.

Varias aplicaciones de velocidad variable pueden requerir una reducción en las subidas de succión para mantener una adecuada velocidad para el retorno de aceite en baja velocidad. Por ejemplo, un sistema de dos velocidades, normalmente, utilizará una línea de succión de 1 1/8”OD (fig.5). Una subida de succión en este sistema puede ser reducido a 7/8”OD mientras el tendido horizontal puede usar tubería de 7/8”OD.

La figura 5 nos muestra el resultado de disminuir el diámetro de la subida de succión. Esta desventaja es que la velocidad en la subida excederá los 3000 fpm cuando la unidad funcione a plena capacidad (potencial transmisión de ruidos). Adicionalmente la caída de presión en la línea más pequeña será significativamente más alta (pérdida de capacidad).

La ventaja de una línea más pequeña es que garantiza suficiente velocidad para el retorno de aceite cuando se opera con capacidad reducida. Si reduciendo el diámetro de la subida de succión, la caída de presión es inaceptable, el sistema debe ser proyectado con doble subida de succión.


Cuarto ejemplo: dimensionado de succión capacidad variable, by-pass de gas caliente

Existen dos tipos básicos de kits de by-pass de gas caliente.

El más deseable es el tipo que alimenta el gas caliente desde la descarga del compresor a una conexión en el distribuidor en el evaporador. Cuando se instala de esta manera se mantiene un flujo completo de gas de succión en la línea y seguirá los procedimientos estándar descritos en las secciones previas. El segundo tipo de by-pass de gas caliente es instalado y conectado dentro de la unidad condensadora en la que el gas de la descarga del compresor y líquido son derivados a la válvula de by-pass de gas caliente e inyectado directamente en la línea de succión. Este método reduce el flujo a través del evaporador y línea de succión.
CUANDO USAR DOBLE SUBIDA DE SUCCIÓN Si una unidad condensadora puede descargar más del 50%, tanto por un by-pass de gas caliente (run-around cycle) u otro método mecánico, podría requerirse doble subida de succión.
Si la unidad condensadora descarga menos del 50% las líneas de succión pueden, generalmente, ser dimensionadas de acuerdo con las secciones anteriores. Si la velocidad de succión es lo suficientemente alta para retornar el aceite, cuando la unidad opera a capacidad reducida, generalmente no se requiere de doble subida.
En general, dobles subidas son requeridas cada vez que la mínima carga en el compresor no crea la suficiente velocidad en las subidas de succión para retornar el aceite al compresor. Doble subida es también necesaria cada vez que la caída de presión o velocidad es excesiva en una subida simple.

CÓMO FUNCIONA LA DOBLE SUBIDA DE SUCCIÓN
La figura 10, muestra una típica instalación con doble subida de succión.

Una trampa de aceite debe ser instalada entra las dos subidas de succión. Durante el funcionamiento a carga parcial (fig 11), cuando la velocidad del gas no es suficiente para retornar el aceite en las dos subidas, la trampa se llena gradualmente con aceite hasta que la segunda subida es sellada. Cuando esto ocurre el vapor sube solamente por la primera subida. Con la utilización de solo la primera subida hay suficiente velocidad para retornar el aceite. LA TRAMPA DEBE SER DIMENSIONADA PARA RETENER UN MINIMO DE ACEITE, ya que de otra manera puede acumular suficiente aceite como para afectar el nivel del compresor cuando funcione con carga parcial.

La segunda subida de succión debe entrar al circuito principal de succión con una trampa invertida para evitar que entre aceite a esta segunda línea durante el funcionamiento a carga parcial.

EJEMPLO DE CÁLCULO

DADO: Unidad condensadora de 10 TR con by-pass de gas caliente o descargadores mecánicos capaces del 65% de descarga. El evaporador está localizado a nivel más bajo de la unidad condensadora y el tendido de tuberías requerirá 57 pies (17,37 mtrs) lineales, sin doble subida, utilizará sólo dos curvas de 90º.
ENCONTRAR:
1. Dimensionar tubería para tendido horizontal y subidas.
2. Determinar si es necesario doble subida.
3. Dimensione la doble subida para un buen funcionamiento.

SOLUCIÓN: Dimensione cada segmento basado en las TR que fluirá en el segmento. Capacidad completa: 10 TR mínima carga es 35% de 10 TR = 3,5 TR. La diferencia entre la capacidad total y parcial es de 6,5TR.

De la figura 5, seleccione un tubo para capacidad TOTAL; 1 3/8” OD con 3,3 psi de caída de presión por cada 100 pies de largo y 2400 fpm de velocidad. Ahora, utilizando la figura 5, encuentre la velocidad para el tubo seleccionado para carga parcial. La velocidad es de aproximadamente 850 fpm.
Esta velocidad es suficiente para retornar aceite en tramos horizontales pero NO en los tramos verticales.

Si nosotros dimensionamos este sistema, simplemente reduciendo el tubo a 11/8” OD, encontraríamos que la velocidad en la subida es excesiva (3800 fpm) cuando el sistema esté funcionando a capacidad plena. Como resultado de lo anterior, concluimos que este sistema necesita doble subida.
En la instalación de la doble subida se necesitarán 5 curvas y dos Te.

DIMENSIONADO DE LA SUBIDA MENOR (CARGA REDUCIDA)
Esta unidad produce 3,5TR a mínima capacidad. Seleccione de la figura 5, una línea de 7/8” OD (línea más pequeña con velocidad aceptable). Cuando el sistema esté operando a 3,5TR, esta línea operará a 2500 fpm producirá 6 psi de caída de presión por 100 pies.

DIMENSIONADO DE LA SUBIDA MAYOR
La línea mayor lleva 6,5 TR de capacidad a plena carga. Seleccione de la figura 5 una línea de 1 1/8” OD. Cuando opere a 6, 5 ton de capacidad, esta línea operará a 2500 fpm y producirá 4,5 psi de caída de presión por 100 pies. Posteriormente debemos determinar si las dimensiones de las líneas seleccionadas corresponden a una caída de presión satisfactoria entre la unidad condensadora y el evaporador.
Comience encontrando el largo total equivalente de la subida (B) más larga: 15 pies de tubería, más 2 tees (equivalente a 4,5 pies c/u) más 4 curvas (1,8 pies equivalentes c/u) = 31,2 pies. Ahora determine el largo equivalente del ramal más corto (A): 15 pies de tubo más 1 codo (1,5 pies equivalentes) más 1 Te (3,5 pies equivalente) más 1 Te a 1,0 pies equivalentes) = 21 pies

Use el largo total equivalente de cada subida para establecer la caída de presión de cada una de éstas. Para la subida B 1 1/8 DE con 6,5 ton de capacidad tiene 4,5 psi de caída de presión por 10 pies. Cuando multiplicamos 4,5/100 x 31,2 pies equivalentes vemos que la caída de presión total por fricción es de 1,4 psi.
Para la subida menor (A) 7/8” OD con 3,5 ton de capacidad, tiene 6 psi de caída de presión por 100 pies. Multiplicando 6/100 x 21 pies equivalentes, vemos que la caída de presión total por fricción es de 1,26 psi.
La caída de presión total es igual a la proporción de ambas caídas de presión 1,4 + 1,26 = 2,66/2 = 1,33 psi de caída de presión a través de ambas subidas. Encuentre la caída de presión en el tendido horizontal: 1 3/8” OD a 10 ton de capacidad tiene 3,3 psi de caída por cada 100 pies de largo. Multiplicando 3,3/100 x 61 pies, el total de caída de presión es de 2,01 psi.

Sumando ambas caídas de presión 2,01(horizontal) + 1,33 (proporcional de subidas) = 3,34 psi.
Use la Tabla 5 para calcular la caída de presión en 25 pies de 1 3/8” OD. Cuando multiplicamos 3,3/100x25 pies, la caída de presión por fricción es de 0,825 psi.

La pérdida de capacidad en el largo equivalente total es igual a 1% x (3,34 – 0,825) x 90.000 Btu/h Btu/h de pérdida = 0,01 x 2,515 x 90.000 = 2.363,5 Btu/h, equivalentes al 2,5% de pérdida de capacidad.

DIMENSIONADO DE LÍNEAS DE LÍQUIDO CON EVAPORADORES MULTIPLES
Ocasionalmente podemos tener la conexión de más de un evaporador a una unidad condensadora. El método de dimensionado que se describe a continuación, es para un sistema con evaporadores múltiples funcionando simultáneamente.

En este ejemplo todos los evaporadores están localizados sobre la unidad condensadora. Este sistema está equipado con evaporadores de 2 Ton, 5 Ton, y 3 Ton en orden superior a inferior.
DADO: Unidad condensadora de 1 velocidad, de 10 TR en piso con tres evaporadores sobre el condensador.
ENCONTRAR: Seleccionar tuberías desde Tabla Nº 2.
SOLUCIÓN: Dimensione cada segmento basado en las TR que fluirán en el segmento.


SEGMENTO A-B
Primero resuelva el segmento A-B (10TR). La Tabla 2, indica que para un sistema de 10 TR se debe seleccionar un tubo de 5/8” OD (línea más pequeña con velocidad aceptable). La Tabla 2 también indica que la línea de 5/8” tiene una caída de presión de 4,3 psi / cada 100 pies de largo. Entonces determine el largo equivalente del segmento para calcular la caída de presión.

21 pies (6,4 mts.) de tubería, más 3 curvas de 90º( 1 pie equivalente c/u) más 1 Te (0,8 pies equivalentes) = 24,8 pies de largo equivalente {redondear a 25 pies(7,6 mts.)} de largo equivalente.

Cuando multiplicamos 4,3/100 por 25 pies equivalentes vemos que el total de la pérdida por fricción es de 1,1 psi. Ahora debemos agregar la caída de presión por la subida vertical. La caída de presión para R-22 es 0,5 psi por pie de subida vertical. Multiplicamos por 10 pies de subida vertical y tenemos que la caída de presión debido a subida es de 5 psi. Sumando los dos componentes tenemos que la caída de presión en una línea de 5/8”DE es de 6,1 psi.

SEGMENTO B-C
El segmento B-C tiene una capacidad de 3TR. La Tabla 2 indica que un sistema de 3TR debe usar una línea de 3/8”OD (diámetro más pequeño con velocidad aceptable). Ahora determine el largo equivalente del segmento para calcular la caída de presión.
De la Tabla 2 una línea de líquido con una capacidad de 3 TR tiene una caída de presión de 8,3 psi x cada 100 pies de largo. Cuando multiplicamos 8,3/100 x 4 pies equivalentes vemos que la caída de presión es de 0,33 psi.

SEGMENTO B-D
B-D tiene una capacidad de 7TR. Seleccione de la Tabla 2 una tubería de 5/8” OD (línea más pequeña con velocidad aceptable). Entonces determine el largo equivalente del segmento para calcular la caída de presión.
10 pies (3,04mts), más una T (segmento recto a 0,8 pies de largo equivalente)= 10,8 pies (3,29mt), redondeamos a 11 pies de largo equivalente. De la Tabla 2, una línea de 5/8” OD con 7 TR de capacidad tiene una caída de presión de 2,3 psi por 100 pies (30,5mts) de largo. Multiplicamos 2,3/100 por 11, tenemos una pérdida por fricción de 0,25 psi.
Ahora debemos adicionar la caída de presión para subida vertical de R-22, es de 0,5 psi por pie de subida. Cuando multiplicamos por 10 pies de subida vertical tenemos que la caída de presión debido a la subida es 5 psi. Sumamos los componentes de caída de presión y tenemos que en la línea de 5/8” OD es de 5,25 psi.

SEGMENTO D-E
El segmento D-E tiene una capacidad de 5 TR. Seleccione de la Tabla 2 una línea de 1/2” OD. Entonces determine el largo equivalente del segmento para calcular la caída de presión. 40 pies (12,2mts) de tubería más una T (derivación a 2,0 pies de largo equivalente) = 42,0 pies (12,8mts) de largo equivalente.
De la Tabla 2 una línea de líquido con 5 TR de capacidad tiene 4,6 psi de caída de presión por cada 100 pies de largo. Multiplicamos 4,6psi/100 por 42 pies de largo equivalente, tenemos que la caída de presión por fricción es de 1,93 psi. En este segmento el único componente de caída de presión es 1,93 psi.

SEGMENTO D-F
El segmento D-F tiene una capacidad de 2TR. Seleccione de la Tabla 2 una línea de líquido de 3/8” OD (menor diámetro con velocidad aceptable).
12 pies de tubería (3,7mts), más una curva 90º (0,8 pies largo equivalente) = 12,8 pie de largo; redondeamos a 13 pies. De la Tabla 2 la línea de líquido de 3/8” OD con 2 ton de capacidad tiene 4 psi de caída de presión por 100 pies de largo. 4/100 x 13 pies de largo, tenemos 5,52 psi de caída de presión.


RESUMEN Ahora debemos determinar si el dimensionado de las líneas de líquido seleccionadas tiene una caída de presión satisfactoria entre la unidad condensadora y cada evaporador. Para esto, sólo debemos sumar la caída de presión de cada segmento. Recuerde que la caída de presión total entre la unidad condensadora y evaporadores debe ser menor a 30 psi.
CAIDA DE PRESIÓN TOTAL:

AC = AB+BC
AC = 6 + 0,33 = 6,33 psi (Aceptable).

AE = AB + BD + BC
AE = 6 + 5,25 + 0,33 = 11,58 psi (Aceptable).

AF = AB +BD + DF
AF = 6 + 5,25 + 5,52 = 16,77 psi (Aceptable).


DIMENSIONADO DE LÍNEA DE SUCCIÓN
Cuando una unidad condensadora es conectada a más de un evaporador, hay reglas adicionales que debemos seguir cuando diseñamos las tuberías de refrigeración Estas reglas son aplicables a serpentines separados en unidades manejadoras de aire separadas como también a serpentines separados en una sola manejadora de aire.

Primero, la carga total de los evaporadores debe por lo menos, ser igual a la capacidad de la unidad condensadora. Cuando los evaporadores en diferentes niveles son conectados a una sola matriz, la línea de succión desde cada serpentín debe subir al tope del serpentín antes de unirse a la matriz. Finalmente todas las conexiones a una matriz de succión deben entrar con una vuelta por la parte superior de la matriz para evitar la entrada de aceite a las subidas durante el período de detención.

EJEMPLO: DIMENSIONADO DE SUCCIÓN CON EVAPORADORES MULTIPLES
En los sistemas con evaporadores múltiples, operando simultáneamente conectados a una unidad condensadora, las líneas de succión deben dimensionarse en forma similar al método usado para las líneas de líquido. Cada segmento es dimensionado según la carga en ton de refrigeración fluyendo en el segmento.

En este ejemplo, todos los evaporadores están localizados sobre la unidad condensadora por lo que ninguno tiene efectos de subidas de succión. Es sistema está equipado con evaporadores de 2 tons, 5 tons, y 3 tons, en orden superior a inferior en altura.

Dado una unidad condensadora de 10 ton, conectada a 3 evaporadores sobre la unidad, operando simultáneamente. ENCONTRAR: Seleccionar tuberías según Tabla Nº 5. SOLUCIÓN: Dimensione cada segmento basado en las ton de refrigeración que fluirá en el segmento.

SEGMENTO A-B
Primero resuelva el segmento A-B (10 ton). Seleccione de la Tabla 5 una línea de 1 3/8” OD (la menor línea de succión con velocidad aceptable). Después determine el largo equivalente para calcular la caída de presión. 21 pies (6,4 mts) de tubería, más 3 curvas de 90º a 2,4 pies de largo equivalente c/u, más una T (lado recto) a 1,8 pies equivalentes) = 30 pies.

De la Tabla 5 una línea de 1 3/8” OD con 10 ton de capacidad tiene 3,3 psi de caída de presión.
Multiplicamos 3,3/100 x 30 = 0,99 psi de caída de presión por fricción.

SEGMENTO B-C
B-C tiene una capacidad de 3 ton. Seleccione de la Tabla 5 una línea de 3/4” OD (mínimo diámetro con velocidad aceptable). Note que la Tabla 5 muestra que una línea de 3/4” OD tiene una significativa caída de presión por 100 pies de largo.
Si el segmento B-C fuera de mayor largo, la caída de presión reduciría significativamente la capacidad por lo que habría que aumentar el diámetro de la línea a 7/8” OD. Determine el largo equivalente del segmento para calcular la caída de presión.
2 pies de tubería, más una “T” (boca de derivación = 3,5 pies) más 6 curvas (1,25 pies equivalentes c/u) = 13 pies de largo equivalente.

De la Tabla 5 una línea de succión de 3/4” OD con 3 ton. de capacidad tiene 8,5 psi de caída de presión x 100 pies de largo.
8,5/100 x 13 = 1,11 psi de caída de presión.


SEGMENTO B-D
B-D tiene una capacidad de 7 ton de la Tabla 5 seleccione una línea de 1 1/8” OD. 10 pies de tubo, más una “T” con 1,5 pies de largo equivalente = 11,5 pies equivalentes.
De la Tabla 5, una línea de 1 1/8” OD con 7 ton de capacidad tiene 5,2 psi de caída de presión x 100 pies de largo. 5,2/100 x 11,5 = 0,6 psi de caída de presión por fricción.


SEGMENTO D-E
D-E tiene una capacidad de 5 ton. Seleccione de la Tabla 5 una línea de 1 1/8” (menor diámetro con velocidad aceptable). Determine el largo equivalente del segmento para calcular la caída de presión. 40 pies (12,2 mts.) de tubería, 1 “T” (boca de derivación) con 4,5 pies largo equivalente, más 6 curvas 90º con 1,8 pies de largo equivalente c/u = 55,3 pies de largo.
De la Tabla 5, una línea de 1 1/8” OD con 5 ton de capacidad tiene 2,8 psi de caída de presión cada 100 pies. 2,8/100 x 55,3 = 1,55 psi de caída de presión.


SEGMENTO D-F
D-F tiene una capacidad de 2 ton. Seleccione una línea de 5/8” OD (menor diámetro con velocidad aceptable). Después determine el largo equivalente.
12 pies (3,7 mts.) de tubería más 7 curvas de 90º (1,3 pies de largo equivalente c/u) = 21,1 pies de largo. De la Tabla 5 con 2 ton de capacidad tiene 12 psi/100 de caída de presión.
12/100 x 21,1 = 2,53 psi caída de presión.

Aquí también la caída de presión y la resultante de la pérdida de capacidad se acercan a niveles significativos. Sería más apropiado seleccionar una línea de 3/4” OD en orden a limitar las pérdidas de capacidad. Ahora el largo equivalente es de 20,75 pies. De la Tabla 5, una tubería de 3/4” OD con 2 ton de capacidad tiene 4,2 psi por 100 pies de largo. 4,2/100 x 20,72 = 0,87 psi.


RESUMEN Ahora debemos determinar si las líneas seleccionadas serán satisfactorias en caída de presión desde la unidad condensadora y cada evaporador.
Para hacer esto sume el total de cada una de las caídas de presión de los segmentos desde la unidad condensadora y cada evaporador. Después convertiremos la caída de presión en pérdida de capacidad para cada uno de los evaporadores. RECUERDE QUE HAY APROX. UN 1% DE PÉRDIDA DE CAPACIDAD POR CADA LIBRA DE CAIDA DE PRESIÓN EN LA LÍNEA.

EVAPORADOR DE 3 TON.

Caída de presión total AC = AB + BC 0,99 x 1,11 = 2,1 psi.
1% pérdida de capacidad x cada libra de caída de presión 0,01 x 2,1 x 36.000 Btu/h = 756 Btu/h

EVAPORADOR DE 5 TON.
Caída de presión total AE = AB + BD + DE 0,99 + 0,60 + 1,55 = 3,14 psi 1% pérdida de capacidad x libra de caída de presión 0,10 x 3,14 x 60.000 Btu/h = 1.884 Btu/h de pérdida

EVAPORADOR DE 2 TON.
Caída de presión total AF = AB + BD + DF
Con tubería de 5/8” OD en DF 0,99 + 0,60 + 2,53 = 4,12 psi
Con tubería de 3/4” OD en DF 0,99 + 0,60 + 0,87 = 2,46 psi 1% pérdida de capacidad x libra de caída de presión a) 0,01 x 2,46 x 24.000 Btu/h = 590 Btu/h con tubo de 3/4” OD b) 0,01 x 4,12 x 24.000 Btu/h = 989 Btu/h con tubo de 5/8” OD

Cuando decidamos cuál línea deberíamos usar en DF, compare la pérdida de capacidad con la capacidad requerida. Use tubos de mayor diámetro si la pérdida de capacidad es necesaria para satisfacer los requerimientos de la obra.

Si los segmentos de estos evaporadores fueran significativamente más largos, resultando una pérdida de capacidad excesiva, se pueden seleccionar líneas de succión de mayor diámetro, mientras se mantenga una velocidad satisfactoria para el retorno de aceite.

Después de estudiar la presente exposición, se desprende que el diseño de las tuberías de refrigeración es de suma importancia y no sacamos nada con tener equipos de excelentes marcas y tecnología de punta si no diseñamos adecuadamente la red de tuberías.

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