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El tubo capilar y su relación con la carga térmica

Introducción y definición de carga térmica y tubo capilar

Se denomina carga térmica a la energía en forma de calor que se debe agregar o quitar de una edificación o habitación (cámara frigorífica, refrigerador, etc). En aplicaciones de refrigeración y aire acondicionado, es la cantidad de energía que se necesita quitar con el fin de obtener determinada temperatura y humedad. 

El tubo capilar es un tubo largo, con diámetro constante usado en refrigeración y aire acondicionado. Su longitud puede variar de 1 hasta 6 metros, y su diámetro puede oscilar de 0.5 a  3 mm. Su aplicación está orientada a unidades con potencias fraccionarias o menores a 5 HP en refrigeración doméstica, congeladores, aire acondicionado, deshumidificadores, frigoríficos, heladeras, freezers. La misión principal del capilar es la de reducir la presión del refrigerante proveniente del condensador.

Aunque las variaciones en la carga térmica para el tipo de unidades mencionadas anteriormente no son grandes, dado que estas se encuentran supuestamente alojadas en lugares con temperatura controlada, estudiaremos los efectos del cambio en la carga térmica, ya que el mecánico debe conocer esta condición para poder diagnosticar con exactitud un problema de este tipo.

Además, se está convirtiendo en una práctica poco recomendada y carente de sentido, el cambio de válvula de expansión por tubo capilar en unidades de poca potencia frigorífica y equipadas con tubo o tanque recibidor y con condensador remoto. Este tipo de práctica constituye una tremenda desventaja, ya que el sistema con su nuevo dispositivo de expansión, no estará preparado para cambios en los valores de carga térmica exterior o interior.

Reducción de la presión del refrigerante en el tubo capilar

La reducción de la presión del refrigerante dentro del tubo capilar ocurre debido a los siguientes factores:

1.- El refrigerante tiene que vencer la resistencia a la fricción ofrecida por las paredes del tubo. Eso genera la caída de presión y además"¦
2.- El refrigerante en estado líquido se evapora súbitamente convirtiéndose en una mezcla de líquido y vapor a medida que su presión se ve reducida. La densidad del vapor es menor que la del líquido. De allí, que la densidad promedio del refrigerante disminuye a medida que atraviesa el tubo capilar. El flujo de masa y el diámetro del tubo permanecen constantes. El incremento en la velocidad o aceleración del refrigerante también requiere una caída de presión.

Distintas combinaciones de largo y diámetro de capilar pueden estar disponibles para un mismo flujo de masa y caída de presión. Sin embargo una vez que se ha seleccionado e instalado un tubo capilar con determinado diámetro y longitud en un sistema, la cantidad de refrigerante (flujo de masa) que circula por él varía de tal manera que la caída de presión total a través del tubo coincide con la diferencia de presión entre el condensador y evaporador. Este flujo de masa, depende totalmente de la diferencia de presión entre estos dos últimos intercambiadores de calor, el tubo capilar no puede ajustar por sí mismo de manera eficaz la cantidad de refrigerante cuando varía la carga térmica. Por lo tanto, el flujo de masa se incrementa con el aumento en la presión / temperatura de condensación y disminuye con la reducción en la presión / temperatura del evaporador.

Punto de equilibrio entre el compresor y el tubo capilar

El compresor y el tubo capilar, bajo condiciones de funcionamiento normales, deben arribar a determinada presión de succión y descarga, lo cual permite la misma cantidad de refrigerante a través del compresor y el tubo capilar. Cuando se cumple esta condición, se dice que el sistema está en su punto de equilibrio. Las presiones del compresor y evaporador son presiones de saturación correspondientes a las temperaturas del condensador y evaporador. En el Video Tutorial que se exhibe más abajo, se muestra la variación del flujo de masa refrigerante del compresor y el tubo capilar para los tres valores de temperaturas de condensación etiquetadas como 30, 40 y 50º C.

El flujo de masa a través del compresor disminuye si la relación de compresión aumenta, dado que la eficiencia volumétrica del compresor disminuye con el incremento en la relación de compresión. La relación de compresión aumenta ya sea cuando disminuye la presión del evaporador o cuando aumenta la presión del condensador. Debido a esto, el flujo de masa a través del compresor disminuye con el incremento en la presión de condensación  y / o con el descenso de la presión en el evaporador.

La diferencia de presión a través del capilar es la fuerza que maneja el flujo de refrigerante a través de este, de esto surge que el flujo de masa a través del tubo capilar aumenta con el incremento en la diferencia de presión. Por lo tanto, el flujo de masa que circula por el capilar aumenta a medida que la presión del condensador se incrementa y / o la presión del evaporador disminuye. La variación del flujo de masa a través del capilar se muestra en el Video tutorial ubicado más abajo para las siguientes tres temperaturas de condensación: 30, 40 y 50º C.

Para un determinado valor de presión del condensador, hay un valor definitivo de presión de evaporación en la cual el flujo de masa a través del compresor y el evaporador son los mismos. Esta presión es el punto de equilibrio que el sistema tendrá durante su funcionamiento normal o estable. De allí, que para determinada temperatura de condensación, hay un valor definitivo de temperatura de evaporación, en el cual ocurrirá el Punto de Equilibro. En el Video Tutorial expuesto más abajo, se muestra una combinación de tres puntos de equilibrios A, B y C para tres temperaturas de condensación. Estos puntos de equilibrio ocurren con temperaturas en el evaporador indicadas como TeA, TeB y TeC. Se puede observar que la temperatura del evaporador en el punto de equilibrio aumenta con el incremento en la temperatura de condensación.

Durante el punto de equilibrio, el compresor aspira la misma proporción de refrigerante con la que el capilar alimenta al vaporador. Cualquier punto de desequilibrio sólo es temporal. Sin embargo, el compresor y el capilar no pueden arreglar el desequilibrio de forma independiente. Las características de transferencia de calor del evaporador debe ser también satisfechas. Si no son satisfechas por medio del punto de equilibrio entre el compresor y el capilar, esto puede generar un desequilibrio que provocaría la falta o inundación de refrigerante en el evaporador.

Efectos producidos con la variación de la carga térmica

La situación descripta anteriormente (ver punto B en el Video Tutorial), ocurre durante el funcionamiento bajo condiciones normales o estables de un sistema. Sin embargo, en la práctica, la carga frigorífica o carga térmica puede variar debido a diversas razones, como por ejemplo, cambios en la temperatura ambiente, o el ingreso de productos con alta temperatura en el recinto donde se aloja el evaporador. La carga térmica puede aumentar o disminuir. Esta variación en la carga térmica afecta a la operación del compresor y el tubo capilar y también afecta al punto de equilibrio entre estos dos componentes.

Aumento en la carga térmica

Si la carga térmica aumenta, hay una tendencia de aumento en la temperatura del evaporador debido al aumento en el radio de evaporación. Esta situación se demuestra en el Video Tutorial ubicado más abajo. Para una temperatura de condensación de 40º C. El punto de equilibrio para la carga térmica de diseño original se observa en el punto B. A medida que la carga aumenta, la temperatura del evaporador aumenta hasta el punto C. En el punto C el flujo de masa a través del compresor es mayor que el flujo de masa a través del tubo capilar. En tal situación, el compresor aspirará mayor cantidad de refrigerante proveniente del evaporador que el capilar puede suministrar al evaporador. En otras palabras, el evaporador comenzará a trabajar cada vez con menor cantidad de refrigerante. Sin embargo, la progresiva falta de refrigerante no puede continuar indefinidamente. 

 

Acción correctiva

El sistema  tomará alguna acción correctiva dado que los cambios ocurren también en el condensador. Como el tubo capilar alimenta con menor cantidad de refrigerante el evaporador, este termina acumulándose en el condensador. La acumulación de refrigerante en el condensador reduce el área efectiva que estará disponible para la correcta transferencia de calor. Tal como se observa en el Video Tutorial, el incremento en la temperatura del condensador provoca la disminución del flujo de masa en el compresor y un incremento en el flujo de masa por el capilar. Por lo tanto, el sistema encontrará un nuevo punto de equilibrio pero a una alta temperatura del condensador.

La variación en la carga térmica afecta a la operación del compresor el tubo capilar y también afecta al punto de equilibrio entre estos dos componentes.

 

Disminución de la carga térmica

Si la carga frigorífica disminuye, hay una tendencia del evaporador en reducir su temperatura, tal como se observa en el punto A en el Video Tutorial. En esta condición, el tubo capilar alimenta con más cantidad de refrigerante el evaporador de lo que el compresor es capaz de aspirar. Esto genera la acumulación de refrigerante en el evaporador provocando su inundación.

La acumulación excesiva de refrigerante en el evaporador, puede ocasionar la inundación con refrigerante en estado líquido en el interior del compresor, provocando la falla del mismo, dado que este no puede comprimir líquidos. Esto debe evitarse por cualquier medio disponible; es por esto que la carga de refrigerante en este tipo de sistemas es muy crítica. La carga crítica es la carga definitiva de refrigerante en un  sistema, y que en caso de acumularse en el evaporador, esta solo llenará el mismo y nunca inundará el compresor. La sobrealimentación del evaporador es también un fenómeno que no puede continuar indefinidamente. El sistema debe tomar alguna acción correctiva.

 

Acción correctiva

Dado que el capilar alimenta con más refrigerante proveniente del condensador, el sello líquido a la salida de condensador se quiebra y en determinado momento comenzará a ingresar vapor al tubo capilar. El vapor tiene una muy pequeña densidad comparado con el líquido; como resultado de esto, desciende drásticamente el flujo de masa a través del capilar. Este tipo de evento no es deseable ya que disminuye el efecto frigorífico y el COP. Una vez más, todos los intentos son válidos con el objeto de subenfriar el refrigerante antes de que ingrese al dispositivo de expansión. Generalmente, para cumplir con este objetivo, se usa un intercambiador de calor de vapor a líquido, donde el refrigerante en estado de vapor  que sale del evaporador subenfría el líquido que abandona el condensador. Un ejemplo de esta práctica, puede observarse en los frigoríficos, refrigeradores familiares o heladeras, en donde el capilar se encuentra casi en su totalidad instalado dentro del tubo de aspiración a la salida del evaporador, por donde circula vapor a baja temperatura.

Selección del tubo capilar

Para el mecánico, puede presentarse la oportunidad de realizar una modificación o reemplazo del tubo capilar debido a diferentes motivos (cambio de refrigerante, capilar obstruido o defectuoso). Sin embargo, si por algún motivo se desconoce las características del tubo original, deberá seleccionarse el más cercano posible. A continuación, vamos a examinar algunas de las consecuencias de una incorrecta selección del tubo capilar y el impacto en un sistema frigorífico.

 

En cualquier caso, es imperativo mantener el mismo diámetro y largo del capilar tal como vino diseñado de fábrica, con el propósito de mantener las condiciones de funcionamiento para un máximo rendimiento frigorífico de la unidad.

Para cualquier sistema, el diámetro y largo del tubo capilar debe ser seleccionado por el mecánico de tal manera que el compresor y el tubo alcancen el punto de equilibrio para determinada temperatura del evaporador. Existen métodos analíticos y gráficos que permiten calcular las características del tubo capilar a emplear. Sin embargo, la calibración final dependerá de pruebas al estilo "œcortar y probar".

En el supuesto caso de que el tubo capilar elegido sea más largo que el adecuado, la temperatura del evaporador será menor de lo esperado. El tubo tendrá que ser cortado hasta que se alcance el punto de equilibro adecuado para la aplicación.

Cuando el tubo capilar es más largo de lo esperado y su diámetro es más pequeño, o ambos, al evaporador le faltará refrigerante y el condensador estará sobrealimentado. Esto provocará que el sistema funcione a alta presión de condensación y un inadecuado rendimiento frigorífico. Además, el costo del funcionamiento de la unidad ascenderá. Este síntoma se asemeja mucho, cuando ocurre un bloqueo parcial del capilar debido a impurezas u otro elemento extraño.

Si el tubo capilar es muy corto o su diámetro es muy largo, o ambos, el evaporador estará sobre alimentado. El refrigerante inundará el compresor y muy poca cantidad de este estará alojado en el condensador. El resultado de este escenario, provocará el funcionamiento de la unidad con una muy baja presión de descarga y, quizás, una alta presión de succión. Estas condiciones darán como resultado una reducción en la capacidad frigorífica.

En el caso de sustituirse el tubo capilar de un sistema, siempre se aconseja usar otro con la misma longitud y diámetro. El parámetro más importante es el diámetro del tubo, y este no deberá ser un 10% menor al capilar original. Por otro lado, la longitud tiene una tolerancia de un 10%.

Otro factor a tener en cuenta, es que cuando se trate del reemplazo del refrigerante R12 por R134a en un sistema con tubo capilar,  este deberá ser un 30 a 40% mayor que el capilar original.

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Fuentes consultadas:

"Theory and field problems of the capillary tube" by Henry Ehrens
"œTubos capilares" de Ingeniero Javier Ortega
"œTratado de refrigeración automática" de José Alarcón Creus
"œLesson 24: Expansion devices" by Indian Institute of Technology Kharagpur
"Refrigeration and air conditioning" por C. P. Arora"

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