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Technical Papers35th Annual Meeting

International Institute of Ammonia Refrigeration

March 17–20, 2013

2013 Industrial Refrigeration Conference & ExhibitionThe Broadmoor

Colorado Springs, Colorado

ACKNOWLEDGEMENT

The success of the 35th Annual Meeting of the International Institute of Ammonia

Refrigeration is due to the quality of the technical papers in this volume and the labor of its

authors. IIAR expresses its deep appreciation to the authors, reviewers and editors for their

contributions to the ammonia refrigeration industry.

Board of Directors, International Institute of Ammonia Refrigeration

ABOUT THIS VOLUME

IIAR Technical Papers are subjected to rigorous technical peer review.

The views expressed in the papers in this volume are those of the authors, not the

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2013 Industrial Refrigeration Conference & Exhibition

The Broadmoor Hotel & Resort

Colorado Springs, Colorado

© IIAR 2013 1

Abstracto

El correcto diseño de tuberías y arreglos de válvulas para evaporadores alimentados por líquido recirculado de baja temperatura es fundamental para evitar los fenómenos de flujo conocidos como golpes hidráulicos. Estos pueden clasificarse en tres tipos: golpe de líquido por desaceleración súbita, golpe inducido por condensación, y golpe de líquido impulsado por vapor. Todos ellos tienen el potencial de ocasionar fuertes ruidos, movimientos en las tuberías e incluso fracturas debidas a las ondas de presión generadas. Actualmente, en una planta procesadora de vegetales, se están presentando una serie de golpes hidráulicos en un cabezal general de retorno al cual se encuentran interconectados dos enfriadores de placas y que se ha dejado preparado para la adición de un tercero. La intención de este trabajo es identificar los aspectos que pueden evitar la ocurrencia de este incidente, así como presentar recomendaciones para que instalaciones futuras operen de manera más segura y, en los casos donde el diseño lo permita, de forma más eficiente.

Trabajo técnico #2

Estudio de un caso real de golpe hidráulico en tuberías de refrigeración con amoníaco

David Sánchez RojasParker Hannifin de México, Refrigeration Specialties Division

Estado de México, México

Trabajo técnico #2 © IIAR 2013 3


Introducción

Durante la operación de un sistema de refrigeración por compresión mecánica, el

fluido refrigerante experimenta, a lo largo de las tuberías que lo contienen, cambios

en la presión y en la velocidad de flujo. Es a través del control adecuado de estas

variables que es posible lograr la “producción de frío” y, de manera intrínseca, el

control del parámetro que suele considerarse el más importante en nuestra industria:

la temperatura. Se ha detectado que estas variaciones de presión y velocidad ocurren

más frecuentemente, tornándose repentinas y violentas, en sistemas que utilizan

evaporadores alimentados con líquido recirculado por debajo de los -20°F (-28°C) de

saturación. En algunas ocasiones se llegan a generar ondas de presión que superan

las propiedades mecánicas de las tuberías, accesorios y controles pudiendo causar la

rotura de los mismos.

En el caso de estudio presentado, además de las condiciones de inseguridad

inherentes a los golpes de líquido tales como fuertes ruidos, movimientos de tuberías,

debilitamiento de la soportería y, en el peor de los casos, el riesgo de una rotura o

explosión, se derivan consecuencias de carácter económico por las interrupciones de

proceso necesarias para llevar a cabo las acciones correctivas.

La planta procesadora de vegetales en cuestión cuenta con cinco aplicaciones con

evaporadores alimentados con líquido recirculado de baja temperatura (por sus

siglas en inglés LTRL) que se deshielan a través del método de gas caliente, mismo

que proviene directamente de la descarga de los compresores de segunda etapa

y, por ende, mantiene condiciones de alta presión/temperatura. Por otro lado los

evaporadores, al estar sometidos a la succión del compresor de primera etapa,

guardan una relación de baja presión/temperatura. Un punto crítico se genera al

momento de ingresar el gas caliente al evaporador debido al gran diferencial de

presión existente, otro se observa cuando se reincorpora de vuelta al sistema el

condensado derivado del deshielo y un tercero se manifiesta al liberar el remanente

4 © IIAR 2013 Trabajo técnico #2

2013 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Colorado Springs, Colorado

de presión de deshielo dentro del evaporador antes de que éste quede preparado para

el siguiente ciclo de refrigeración.

Lo anterior nos da una idea de la importancia que tiene una secuencia adecuada

de deshielo para evitar un golpe de líquido impulsado por vapor en la zona cercana

al evaporador. Sin embargo, y como se verá en el caso de estudio, algunos golpes

suceden en lugares ajenos al serpentín del evaporador, de tal suerte que es necesario

un entendimiento global de este tipo de fenómenos, así como de las circunstancias

bajo las cuales se desarrollan, para poder evitarlos.

El objetivo fundamental de este trabajo es ofrecer un conjunto de elementos que

permitan asegurar el funcionamiento adecuado de los sistemas mencionados. Para

ello se ofrece una amplia información y se presentan variadas recomendaciones

derivadas de la solución propuesta al caso estudiado y de la experiencia acumulada

en el trabajo diario.

Antecedentes

El análisis del comportamiento y desempeño de las tuberías para sistemas de

refrigeración es comúnmente llevado a cabo asumiendo que existe un régimen de

flujo estacionario; sin embargo, muchos de los fenómenos que ocurren realmente,

como los golpes de líquido en todas sus variantes, se dan bajo un régimen de flujo

transitorio, es decir, donde la velocidad de flujo y la presión cambian con respecto al

tiempo. La velocidad a la que estos golpes se producen es tan alta que suele ser más

fácil entender las causas que los provocan así como sus efectos que el fenómeno del

golpe en sí mismo.

Por si fuera poco, algunos de los golpes de líquido se presentan de manera

simultánea; es decir, durante un golpe de líquido impulsado por vapor o un golpe

de líquido por desaceleración súbita, suele producirse casi de manera simultánea



un golpe de líquido inducido por condensación. La manera de reconocer esta

simultaneidad en un caso real es complicada ya que se trata de eventos no deseados

y que, por lo tanto, ocurren de manera inesperada. En algunos casos alcanza a

percibirse un par de golpes acústicos que, por la velocidad con la que suceden,

parecieran ser uno solo; sin embargo, se trata precisamente de dos golpes de líquido

ocurriendo casi al mismo tiempo.

Para efectos prácticos, se presenta a continuación una descripción de los diferentes

golpes de líquido analizados en este caso de estudio.

Golpe de líquido por desaceleración súbita

Cuando el fluido refrigerante dentro de la tubería experimenta un cambio abrupto de

presión y velocidad así como de dirección: por ejemplo, durante el cierre o apertura

rápida de una válvula, la energía cinética que lleva el refrigerante se transforma en

energía de tensión hacia las paredes de la tubería, causando ondas pulsantes de

presión “anormal”.

Golpe de líquido impulsado por vapor

Cuando el fluido refrigerante queda entrampado dentro de una sección de tubería,

se corre el riesgo de formar de manera estática un tapón de líquido (slug), mismo

que al ser propulsado por una masa de vapor de alta presión puede ser acelerado

a altas velocidades. Un efecto idéntico puede darse de forma dinámica cuando en

una tubería parcialmente llena de líquido y vapor, este último fluye con la suficiente

velocidad para generar una ola de líquido que abarque el diámetro total o parcial de

la tubería en cuestión. En ambos casos el tapón de líquido, ahora en movimiento,

encuentra un cambio repentino de dirección o la obstrucción parcial o total al flujo

dando lugar a un golpe de líquido impulsado por vapor.



Deben tenerse en cuenta todas las precauciones para evitar que estas condiciones se

manifiesten en tuberías donde exista, deliberada o accidentalmente, un flujo en dos

fases ya que recientes estudios llevados a cabo por la ASHRAE demuestran que un

golpe de líquido impulsado por vapor puede ocurrir en una tubería con diámetro de

6 pulgadas cuando tan solo 1 ½ pulgada de líquido yace en la sección inferior del

mismo tubo (Jekel y Reindl 2010).

Golpe de líquido inducido por condensación

Otro golpe de líquido puede presentarse también en tuberías donde coexisten un flujo

en dos fases, esta vez vapor de alta o media presión, y líquido subenfriado.

Cuando el líquido subenfriado absorbe calor del vapor, éste se condensa reduciendo

su volumen hasta en un 0.1% con respecto al volumen inicial. Se genera entonces

un vacío que tratará de llenarse arrastrando y acelerando de manera súbita el líquido

que exista en los alrededores, con consecuencias similares a los golpes descritos con

anterioridad, derivando en un golpe de líquido inducido por condensación.

Es importante aclarar que no en todos los casos el líquido subenfriado es lo que

absorbe el calor del vapor y lo condensa, ya que las paredes de una tubería que se

encuentre lo suficientemente fría pueden también ocasionar el mismo efecto.

Finalmente, y como se mencionó con anterioridad, existe otra manera de generar un

golpe de líquido inducido por condensación de forma casi simultánea con un golpe

de líquido impulsado por vapor o un golpe de líquido por desaceleración súbita.

Dicho fenómeno es más complejo ya que se da prácticamente en los instantes en

que un tapón de líquido impacta de lleno con una sección de tubería o un accesorio

que esté totalmente cerrado, por ejemplo, un tapón cap. Cuando un primer golpe se

genera, el tapón de líquido retrocede apenas, produciendo un vacío entre él mismo y

el accesorio contra el que chocó. Es precisamente en este momento que, para llenar



el vacío generado en el espacio de retroceso, el tapón regresa e impacta una segunda

vez contra el accesorio en cuestión.

Caracterización del caso de estudio

Antes de comenzar la caracterización del caso de estudio se hace notar al lector

que se hará uso de la nomenclatura recomendada en Bulletin No. 114 Guidelines

for: Identification of Ammonia Refrigeration Piping and System Components. De

igual forma, deberá tomarse en cuenta que el nivel de la variable “presión” describe

también el nivel de la variable temperatura, entendiéndose así que alta presión

equivale a alta temperatura y baja presión equivale a baja temperatura a menos que

se indique lo contrario.

Debido a que el diseño original de la planta procesadora de vegetales se ha visto

sobrepasado por un incremento no previsto de la producción, el usuario ha realizado

la adición de distintas aplicaciones de refrigeración para abastecer la demanda.

Aunado a este crecimiento no planeado, la diversificación de productos que se

procesan ha causado que quienes realizan las adiciones y modificaciones busquen

lo que a primera vista parece ser la versatilidad del sistema. Por tal motivo, al

ingresar al cuarto de máquinas se encontró un sistema de tuberías e interconexiones

sumamente intrincado. La interpretación del diagrama de flujo general de la planta,

resulta de por sí complicada como para abrumar al lector con la narrativa del mismo,

por lo que la descripción del sistema se hace de forma general intentando proveerle

la suficiente información para entender las condiciones bajo las cuales se generan los

distintos golpes de líquido.

Para tales efectos definiremos que el sistema está conformado por tres niveles

principales de presión que a su vez son generados por el grupo de compresores de

primera etapa y segunda etapa así como su presión de descarga hacia el condensador.

A su vez existen varios subniveles de temperatura que se mantienen en cada una de

las aplicaciones y que se logran con el uso de válvulas reguladoras de presión. Sin



embargo, sólo se mencionará el subnivel 1 de baja presión por estar directamente

involucrado en el caso de estudio.

Niveles de presión a lo largo del sistema correspondientes a las condiciones de

saturación del amoníaco anhidroAlta presión 170.5 psig @ 91.5 °F (12 bar @ 33°C)Media presión 37 psig @ 23°F (2.55 bar @ -5°C)Baja presión 3.4 inHg @ -33°F (0.11 bar @ -36.1°C)Subnivel de baja presión 10 psig @ 8.7°F (0.68 bar @ -12.9 °C)

Es importante mencionar que la caída de presión entre la succión de los compresores

y las aplicaciones que estos atienden no juega un papel preponderante en el caso de

estudio por lo que no ha sido tomada en cuenta, basta mencionar que oscilaba entre

las 2 psid.

Así mismo, el balance de materia y energía para calcular las condiciones resultantes

de cada recipiente, después de recibir refrigerante a condiciones diferentes a las que

está sometido, se deja de lado en esta ocasión para facilitar el entendimiento de los

golpes generados.

Por otro lado, los nombres de las aplicaciones y sus respectivos evaporadores

se presentan de manera agrupada de acuerdo a los mismos niveles de presión y

temperatura de operación descritos anteriormente. Estos son:

Aplicaciones y evaporadores de media presión

1. Chiller de agua helada A. Alimentación inundada, deshielo por paro de ciclo/

tiempo.

2. Chiller de agua helada B. Alimentación inundada, deshielo por paro de ciclo/

tiempo.

3. Conservador de producto fresco. Conformado por 2 evaporadores de aire forzado,

alimentación por expansión directa, deshielo por paro de ciclo/aire.



Estas tres aplicaciones, que en lo sucesivo se definirán como aplicaciones de media

temperatura, retornan a una trampa vertical abierta que tiene la función de evitar que

los compresores de segunda etapa succionen líquido (figura 1).

Figura 1. Trampa vertical abierta con bajo nivel de líquido.



Aplicaciones y evaporadores de baja presión

Existen varias aplicaciones de baja presión, sin embargo solo se mencionarán las más

representativas:

1. Enfriador de placas A. Conformado por un evaporador de placas por contacto

directo, alimentación por líquido recirculado de baja temperatura 3:1, deshielo

por gas caliente.

2. Enfriador de placas B. Conformado por un evaporador de placas por contacto

directo, líquido recirculado de baja temperatura 3:1, deshielo por gas caliente.

3. Enfriador de placas C para instalación a futuro. Se conformará por 1 evaporador

de placas por contacto directo, alimentación por líquido recirculado de baja

temperatura 3:1, deshielo por gas caliente.

4. Conservador de producto congelado (CPC). El evaporador que conforma al CPC

merece ser mencionado aparte y descrito con mayor detalle. Será considerado de

baja presión por estar interconectado a la succión de los compresores de primera

etapa; sin embargo, fue dimensionado para mantener condiciones de subnivel

de baja presión 10 psig @ 8.7°F (0.68 bar @ -12.9 °C) con el uso de una válvula

reguladora de presión de entrada (figura 2). Conformado por un evaporador

de aire forzado, alimentación por líquido recirculado de baja temperatura 3:1,

deshielo por gas caliente.

Además es importante mencionar que la carga térmica en el CPC es abatida por un

solo evaporador que tiene una capacidad aproximada de 40 TR (140.6 kW).

Recipientes

A pesar de que existen más recipientes a lo largo del sistema, solo se describen

aquellos que son relevantes para el entendimiento del fenómeno de golpe de líquido:

1. Dos recibidores de líquido interconectados entre sí a condiciones de alta presión.



2. Trampa vertical abierta. Recibe el retorno de las aplicaciones de media

temperatura y evita el ingreso de líquido a los compresores de segunda etapa.

Mantiene condiciones de media presión.

3. Recirculador 1. Alimenta y recibe el retorno de las aplicaciones de baja

temperatura. Mantiene condiciones de baja presión.

Figura 2. Evaporador del conservador de producto congelado, en fase de operación con válvula REAT

totalmente abierta.



Condiciones bajo las cuales se generan los golpes de líquido

Enfriador de Placas A y B fuera de operación. Enfriador de Placas C en proceso de

instalación e interconexión (fuera de operación).

A pesar de que estas aplicaciones se encuentran fuera de operación al momento en

que se genera el fenómeno en cuestión, es de suma importancia describir el arreglo

de tuberías de retorno, la longitud de las mismas y, en general, la relación que estas

aplicaciones guardan con el resto del sistema ya que es en este cabezal de retorno de los

enfriadores de placas (CREP) que se dan todos los golpes de líquido del caso de estudio.

1. Capacidad aproximada de cada enfriador: 40 TR (140.6 kW)

2. Recipiente del que se abastecerán: recirculador 1

3. Recipiente al que retornará el vapor húmedo: recirculador 1

4. Método de deshielo a emplear: gas caliente

5. Características del tubo empleado en el CREP: Tubería de acero al carbón sin

costura A53Gr B Cédula 40. Diámetro: 6 pulgadas.

6. Modificaciones recientes: los enfriadores de placas A y B formaban parte

del sistema antes de que se reportara el fenómeno del golpe. Sin embargo,

la distancia que existía entre estos y el recirculador 1 al que se encuentran

interconectados, tanto para la alimentación de líquido como para el retorno de

vapor húmedo, se incrementó considerablemente debido al reacomodo del área

en un extremo de la planta para dar cabida a un tercer enfriador que, al momento

de escribir estas líneas, se encontraba en plena instalación.

7. Longitud inicial del CREP (antes de la modificación): 10 m (figura 3).

8. Longitud final del CREP (después de la modificación): 25 m (figura 4).

9. Condiciones a las que se encuentra sometida esta sección de tubería: baja presión



Figura 3. Representación inicial del CREP previo a la adición de un tercer enfriador de placas.

Figura 4. Representación final del CREP después de la adición de enfriador de placas C.



Durante las modificaciones de área y adición del tercer equipo, no se instaló una

válvula de paso que pudiera cerrarse para aislar estos enfriadores del resto del

sistema; por lo que, aun estando fuera de operación, se mantienen sometidos,

al mismo tiempo que su cabezal, a la baja presión del recirculador 1 al que se

encuentran conectados.

Trampa vertical abierta

1. Dimensiones: 36 pulgadas x 118 pulgadas

2. Aplicaciones de las que recibe retorno: aplicaciones de media presión que, al

momento de generarse el golpe, se encuentran a máxima capacidad; por lo que,

hay una acumulación de líquido que debe ser drenado cuando un cierto nivel se

alcanza.

3. Dren de líquido acumulado: el líquido acumulado se drena a un ramal de retorno

de baja temperatura que tiene la intención de retornar a recirculador 1.

4. Condiciones: líquido saturado en la parte inferior, vapor saturado en la parte

superior, a media presión.

Aplicaciones de media presión

Funcionando a su máxima capacidad.

Aplicaciones de baja presión

Como ya se mencionó, los enfriadores de placas A y B se encuentran fuera de

operación y el enfriador de placas C está en plena instalación mientras que el CPC

trabaja a máxima capacidad siendo alimentado por el recirculador 1.

Una vez que se han sentado las condiciones de operación, se procederá a describir

cómo es que ocurre el primer golpe de líquido mismo que, basándonos en el nivel



de ruido producido así como en el mínimo movimiento de las tuberías, es de menor

intensidad que el segundo que se describe más adelante. Ambos golpes se generan

por diferentes causas pero se desenlazan en el mismo punto del CREP.

Desarrollo del primer golpe de líquido experimentado

Cuando la trampa vertical abierta alcanza cierto nivel de líquido saturado, un

interruptor de nivel energiza una válvula solenoide y éste se drena, por diferencia de

presiones, hacia un punto del sistema que mantiene menor presión denominado de

ahora en adelante como el punto de conflicto 1 (figura 5).

Figura 5. Trampa vertical abierta alcanza su nivel de drenado y libera líquido de media presión que

acelera en el CREP y genera un golpe de líquido al final de la trayectoria.



Este punto es un sector de tubería que está conectado al retorno de vapor húmedo de

recirculador 1. La intención es que el líquido de media presión vaya directamente a

este recipiente que se encuentra a baja presión, con un diferencial de presión de 38.7

psid. Entonces los siguientes eventos o la combinación de ellos pueden ocurrir.

1. La válvula solenoide que drena el líquido en la trampa vertical abierta se

mantiene cerrada esperando que el interruptor de nivel mande la señal de

apertura. Dado que esta válvula solenoide es un elemento de control de apertura

rápida, genera flash gas al momento de abrir y dejar pasar a través de ella al

refrigerante de forma súbita, pudiendo acelerar a altas velocidades el líquido

contenido en esta misma tubería. Cuando se encuentra con un cambio de

dirección u obstrucción, genera un golpe de líquido por desaceleración súbita

(IIAR Ammonia Refrigeration Piping Handbook, capítolo 3-2). El diferencial de

presiones de 38.7 psid favorece esta condición.

2. El flash gas generado durante la apertura instantánea de la válvula solenoide

se aloja en el punto más distante que es el tapón cap del CREP que cumple

con las condiciones de aportar un gran espacio vacío a baja presión y con una

longitud de 25 m. Cuando la masa de gas entra en contacto con la tubería fría, se

condensa de manera súbita provocando un vacío que, para compensarse, arrastra

líquido proveniente del ramal de líquido recirculado que retorna al recirculador 1

acelerándolo de vuelta, impactándolo contra el tapón cap del CREP y generando

un golpe de líquido inducido por condensación. (Loyko 1992, Glennon y Cole

1998, Shelton y Jacobi 1997).

En ambos casos las ondas de presión generadas viajan de regreso en fracción de

segundos a través del CREP, impactando varias veces contra las tuberías, antes de

disiparse por completo en forma de energía acústica y cinética. Así ocasionan que

estas se muevan, comprometiendo las uniones y la misma tubería, debilitando

además la estructura que la soporta y pudiendo afectar incluso a otras líneas que

viajan sobre la misma.



No puede dejarse de lado que el CPC es quizás la única aplicación que se mantiene

en operación 24 horas al día, 7 días a la semana; por lo tanto, el compresor de

primera etapa siempre está operando y generando baja presión en el CREP. Dado

que esta baja presión se encuentra también a la salida del puerto de la válvula

reguladora montada en la succión de este evaporador CPC, es muy probable que

otro golpe se manifieste en este punto o que las ondas generadas en los golpes

descritos arriba regresen aquí. Sin embargo, el incremento en la longitud del CREP

favorece que el golpe inicial vaya en esa dirección, lo cual explica por qué antes de

las modificaciones realizadas al área de los enfriadores de placas, no se reportaban

golpes tan severos.

Como es de esperarse, la frecuencia y la magnitud de este golpe de líquido por

desaceleración súbita depende de varios factores como son: la carga que se abate en

las aplicaciones de media temperatura, la operación total o parcial de las mismas y

los ciclos de deshielo que varían la tasa a la que se alcanza el nivel de drenado en la

trampa vertical abierta.

Desarrollo del segundo golpe de líquido experimentado

La segunda experiencia se da bajo las mismas condiciones de operación establecidas

para el primer golpe; sin embargo, en esta ocasión el efecto se acentúa como

producto de un mayor diferencial de presión, ya que en este caso se ve involucrado el

deshielo del evaporador del CPC. Cabe mencionar que existe un solo evaporador para

abatir la carga del CPC; por lo tanto, las dimensiones de éste son considerablemente

mayores que las de cualquier otro evaporador instalado en la planta y el serpentín

del mismo puede contener grandes cantidades de refrigerante en ciertas fases de

operación.

Además, este evaporador cuenta con una configuración de válvulas que no es

recomendable para aplicaciones alimentadas por líquido recirculado de baja



temperatura y con deshielo por gas caliente, ya que no permite la aplicación de una

secuencia de deshielo que prevenga o mitigue los golpes de líquido.

Arreglo de válvulas en la succión del evaporador CPC

La temperatura del cuarto CPC debiera mantenerse a -13°F por lo que las condiciones

de evaporación debieran ser las correspondientes a baja presión subnivel 1, es decir

10 psig @ 8.7°F (0.68 bar @ -12.9 °C). Tomando en cuenta que este evaporador se

encuentra conectado a un cabezal de retorno al recirculador 1 sometido a condiciones

de baja presión, la solución obvia para evitar que las presiones se igualen parece ser

la instalación de una válvula reguladora de presión de entrada.

Sin embargo, de forma errónea se colocó una válvula reguladora de presión de

entrada con opción de apertura total y puerto de 3" (REAT reguladora de presión

entrada con apertura total), misma que se mantenía totalmente abierta durante la

fase de refrigeración. La intención era hacer más eficiente al evaporador aumentando

el diferencial de temperatura entre el serpentín y el aire dentro del CPC. Esta acción

provoca de manera indirecta un aumento en el tiempo o los ciclos de deshielo,

debido a una mayor generación de escarcha en el serpentín.

Además se pensó que podrían reducirse los costos de instalación al ahorrarse la

línea de alivio de deshielo ya que se pretendía que la válvula REAT cumpliera esa

función al momento de entrar en regulación manteniendo la presión de deshielo

correspondiente a 60 psig.

Secuencia de deshielo en el evaporador del CPC

1. Se cierra la válvula solenoide de líquido.

2. Se mantiene energizada la bobina de la válvula REAT para mantenerla totalmente

abierta y remover el líquido dentro del serpentín (figura 6).



Figura 6. Fase de pump out. Con los ventiladores encendidos y la válvula REAT totalmente abierta se

trata de vaciar el serpentín.

3. Se desenergiza la bobina de la válvula REAT, con lo que ésta entra a regular la

presión que se estableció en su piloto. Para este caso, la presión de deshielo es de

70 psig. Éste es el primero de una serie de errores relacionados con el diseño y la

selección de válvulas.



4. Se abre la válvula solenoide de gas caliente (fase de hot gas). Aquí se comete

un segundo error en cuanto al diseño de la secuencia de deshielo, ya que el

gas caliente que se utiliza para hacer este trabajo proviene directamente de la

descarga de los compresores a condiciones de 170 psig y, al abrirse esta válvula

en un solo paso, el gas entra de manera súbita al serpentín que se encuentra

sometido a baja presión (figura 7). El gas caliente comienza a condensarse y

es retornado a la línea de succión directamente a través de la válvula REAT.

La misma, al tratar de operar como alivio de deshielo, es incapaz de mantener

de manera constante la presión que debiera ser de alrededor de 70 psig debido

a que con un diferencial tan grande con respecto al lado de baja presión y un

puerto de 3 pulgadas, permite que la presión dentro del serpentín descienda

rápidamente cerrando totalmente su puerto para tratar de restablecerla. Sin

embargo, ahora existe el diferencial del lado del gas caliente que está entrando

a 170 psig, por lo que la presión sube rápidamente y la válvula REAT abre ahora

totalmente para hacer que descienda. A esta condición de apertura y cierre en una

válvula reguladora se le conoce como ciclado ON-OFF, lo que genera condiciones

inestables que afectan la remoción del hielo. Resulta grave también que la presión

de deshielo dentro del serpentín supera fácilmente las 70 psig al momento de

ciclar OFF (totalmente cerrada) ya que se está alimentando gas a 170 psig.

Finalmente, la más dramática de las consecuencias sucede al momento de ciclar

ON (totalmente abierta), lo que permite que grandes “paquetes” de líquido y

vapor que no se han condensado todavía, y que se encuentran al menos a 70 psig,

se liberen de manera súbita directamente al punto de conflicto 2 (figura 8).

Estos “paquetes” viajan e intentan retornar al recirculador 1 pero en su camino

encuentran al CREP mismo que, como ya se mencionó en el golpe anterior, al

encontrarse vacío y con una longitud de 25 m permite que la masa de refrigerante

se acelere para generar un golpe de líquido impulsado por vapor en el tapón cap

(figura 9).



Figura 7. Se inicia la fase de deshielo. El gas caliente ingresa al serpentín directamente de las

descargas de los compresores de segunda etapa y a condiciones de alta presión. La REAT comienza a

funcionar como reguladora de alivio de deshielo.

Figura 8. La válvula REAT al estar sobredimensionada para regular la presión de deshielo, abre

totalmente.



Figura 9. El líquido de media presión proveniente del deshielo del CPC se acelera a través de CREP y

genera el mayor golpe de líquido experimentado en el sistema.

5. Finalmente cuando la fase de deshielo termina, de manera casi simultánea, se

desenergiza la solenoide de gas caliente y se energiza la bobina de la válvula

REAT abriendo totalmente su puerto de 3 pulgadas y liberando de vuelta al

sistema la mayor cantidad de líquido y gas al menos a 70 psig. El mismo recorrido

se produce a través del CREP, generando el mayor de todos los golpes de líquido

impulsados por vapor experimentados en este caso.



Recomendaciones de diseño para evitar golpes de líquido

A grandes rasgos se puede afirmar que la primera línea de defensa para evitar los

golpes de líquido es el diseño adecuado. Algunas recomendaciones son:

Procesos violentos y repentinos en el sistema de refrigeración

No diseñe en ningún punto del sistema de refrigeración tuberías, arreglos o

procedimientos que puedan tornarse bruscos como pueden ser, si no se hacen

de manera adecuada, las etapas de deshielo. Tenga siempre en consideración, al

momento de la operación pero sobre todo durante la etapa de diseño, el boletín 114

del IIAR. Con él podrá saber el nivel de presión y dirección del flujo que tiene cada

tubería e interconexión en el sistema y el estado de agregación del refrigerante en su

interior. Le ayudará a reconocer, además, cuando la transferencia de refrigerante de

un punto a otro puede considerarse violenta o repentina.

Los sistemas de deshielo por gas caliente requieren un análisis más detallado durante

la fase de diseño para determinar el correcto arreglo de tuberías. En el caso particular

del deshielo considere como necesaria la implementación de válvulas de soft gas

y de soft start en todos los casos que haya evaporadores alimentados por líquido

recirculador de baja temperatura.

Selección y dimensionamiento de los controles de deshielo

Dimensione y seleccione correctamente el elemento que mantendrá la presión de

deshielo.

Si el control de la presión de deshielo en el evaporador se realiza con una válvula

reguladora y ésta es subdimensionada, se puede tener como resultado un exceso

de presión en este equipo o un aumento en el tiempo de deshielo. Por el contrario,

si dicha válvula se encuentra sobredimensionada, como en el caso de estudio, la



válvula abrirá y cerrará cíclicamente; por lo que, se establecerán condiciones de

estado no estacionario, es decir, grandes fluctuaciones en el sistema que pueden

derivar en un golpe de líquido.

Mayor presión no significa mejor deshielo

Lleve a cabo el proceso de deshielo a condiciones de presión más bajas. Esto

permitirá que sea más seguro.

Disminuya la presión a la que ingresará el gas caliente al evaporador con un

dispositivo regulador de presión de salida ya que, para mantener un flujo constante

durante el deshielo, no es necesario que el gas se suministre a condiciones de alta

presión.

Disminuya la presión que se mantiene dentro del evaporador durante la etapa de

deshielo. Erróneamente se piensa que a mayor presión, el proceso de deshielo será

más eficiente. Sin embargo no necesariamente es así. La tabla siguiente muestra el

calor latente del amoníaco a condiciones típicas de deshielo.

Temperatura Presión Calor Latente40°F (4°C) 58 psig (4 bar) 536 BTU/lb (1240 kJ/kg)50°F (10°C) 74 psig (5 bar) 527 BTU/lb (1220 kJ/kg)60°F (16°C) 92 psig (6 bar) 518 BTU/lb (1200 kJ/kg)70°F (21°C) 114 psig (8 bar) 508 BTU/lb (1180 kJ/kg)

A una temperatura de deshielo de 70°F (21°C) se requiere un 5% más de gas caliente

que a 40°F (4°C) para proveer el mismo contenido de calor latente. Además, debido

a que el flujo de gas caliente que ingresa al evaporador depende de la diferencia

de presión entre el gas de entrada y la presión de deshielo, incrementar esta última

dentro del serpentín disminuirá el flujo hacia el mismo.



Por tal razón el ajuste de la presión en el regulador del deshielo debe oscilar entre 60 y

80 psig (entre 4 y 5.5 bar) con el objetivo de mantener la temperatura en el serpentín

entre 40 y 55°F (5 y 15°C). Temperaturas superiores no mejorarán la eficiencia de esta

operación. Esto se debe a que la mayor parte del calor para derretir el hielo proviene

principalmente del calor latente del gas más que de su calor sensible.

Retorne el condesado de deshielos de forma segura y eficiente

Cuando el proceso de deshielo se está llevando a cabo, el gas caliente que se utiliza

para realizar este trabajo se condensa pero mantiene condiciones de presión de

deshielo; por lo que, si éste se regresa al lado de baja presión se añade una carga a

los compresores y mientras mayor sea la cantidad de gas necesaria para el deshielo,

más prolongada resultará la carga del compresor.

En las aplicaciones alimentadas por líquido recirculado de baja temperatura se

recomienda que el condensado de deshielo se regrese en una tubería independiente

a un punto de media presión. Como entre estos puntos existe un menor diferencial

de presión, se logra que sea generada una menor cantidad de flash gas impactándose

de menor manera el compresor y haciendo que la transferencia de refrigerante no sea

tan violenta como sucedería de mandarse a un punto de baja presión.

Modificaciones a sistemas existentes

Tome en cuenta que al incrementar la longitud de algunas tuberías se pueden

favorecer los golpes de líquido. La adecuada preparación del sistema es fundamental

desde que éste se concibe en la etapa de diseño no solo para facilitar la instalación de

equipos a futuro, sino para hacerlo de forma segura.

Finalmente, una vez que las partes del serpentín quedan libres de escarcha, estas

añaden calor al espacio refrigerado a través de la radiación y la convección el cual debe

ser removido mediante el aumento de la potencia frigorífica en el sistema completo.



Recomendaciones de operación y mantenimiento para evitar golpes de líquido

El hecho de contar con un diseño y una instalación adecuada del sistema para evitar

la generación de golpes de líquido no evita la presencia de riesgos al momento de

operar debido al factor humano que esto implica.

Capacitación del personal

De acuerdo al Amonia Refrigeration Training Guideline, el personal que opera los

sistemas de refrigeración debe estar capacitado en una extensa serie de conceptos

que le permitan laborar con seguridad y eficiencia. Varios se muestran en su capítulo

19.2.6 Causes and Implications of Hydraulic Shock.

Conozca las secuencias y controles de deshielo

El operador debe estar familiarizado con la frecuencia y secuencias de deshielo que

cada evaporador tenga de acuerdo al diseño original, respetando en todo momento

los límites y especificaciones dadas por cada contratista o fabricante de equipos.

Una secuencia típica para una aplicación alimentada por líquido recirculado de baja

temperatura y con deshielo por gas caliente podría ser:

1. Pump out: remoción del refrigerante líquido localizado dentro del serpentín.

2. Soft gas: alimentación “suave” del gas caliente de deshielo para presurizar

paulatinamente el evaporador.

3. Hot gas: alimentación total del gas caliente de deshielo para remover la escarcha.

4. Soft start: despresurización “suave” del evaporador toda vez que se ha concluido

la etapa de deshielo.



5. Pre arranque sin ventiladores: se restablece la alimentación de líquido sin

arrancar los ventiladores.

6. Inicio de una nueva fase de refrigeración.

Tenga precaución al establecer los tiempos que cada fase del deshielo requieren así

como la forma en que se pasa de una etapa a otra.

Conozca las válvulas y controles que permiten llevar a cabo una secuencia

programada y de manera automática en caso de contar con un controlador de

deshielos. A pesar de que se cuente con dicho controlador, nunca debe darse por

sentado que éste operará de manera infalible y deberá hacerse una revisión periódica

comprobando que los componentes electrónicos o electromecánicos responden de

manera adecuada a la programación.

Extreme precauciones al forzar un deshielo, es decir uno que no estaba programado

en el controlador y que se haga de manera manual. Analice cuáles son las

condiciones del sistema antes de llevarlo a cabo y nunca mantenga desatendida tal

labor.

Analice y estudie la posición en la que las válvulas del sistema quedarían en caso

de que exista una pérdida repentina de energía eléctrica. Algunas válvulas pueden

abrirse de manera repentina. Si esto sucede se liberaría, de igual forma, refrigerante

de alta o media presión a puntos de menor presión. Actualmente existen válvulas que

evitan este tipo de incidentes.



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Notas:



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