Indicadores de Líquido y Humedad

La Mirilla (también llamada Visor), es un dispositivo auxiliar en los sistemas de Aire Acondicionado y Refrigeración que nos permite observar la condición del refrigerante en el lugar de su ubicación. Es un indicador de la condición del refrigerante cuyas funciones son determinar su estado líquido y su contenido de humedad.

Ing. Javier Ortega

 “Un punto que se debe entender es que el aceite de refrigeración tiene una gran afinidad por el vapor de agua y el refrigerante, esta atracción es debida a que la presión del vapor del aceite es muy baja en comparación con la del refrigerante y la del vapor de agua.”

Contenido de Humedad
Son conocidos los estragos que la humedad puede causar en los sistemas de Refrigeración y Aire Acondicionado. La humedad puede entrar a ambos sistemas por una pequeña abertura, rotura, prácticas inadecuadas de servicio, llevadas por el aceite o el refrigerante, entre otras.

El refrigerante transporta la humedad hasta que llega a la válvula de expansión donde experimenta una caída de presión, si ésta decrece a un valor que corresponda a la solidificación del agua (a menos de cero grados Celsius), se convierte en cristales de hielo, presentándose así el congelamiento del agua en la válvula, restringiendo el flujo de refrigerante y causando la reducción parcial ó total del enfriamiento del sistema. Esta restricción causa que actúe el control de baja presión, o el control de sobrecarga, apagando al compresor. Cuando el compresor no opera, el hielo en la válvula se derrite y ocasiona ciclos de arranque y paros del compresor, los cuales causan un daño ya conocido.

Aunque en la válvula de expansión no ocurriera el congelamiento del agua, en el sistema se producen ácidos, sedimentos, oxidación y corrosión, debidos a la mezcla de vapor de agua, calor excesivo, aceite y refrigerante, mismos que dañaran seria-mente al sistema de enfriamiento.

Cuando la humedad, el refrigerante y el calor están presentes, sin duda alguna, hay acidez en el sistema. El calor (o la temperatura), es el catalizador en la reacción química, entre mayor sea la temperatura, la reacción es más rápida y de mayor proporción. (La reacción química es directamente proporcional a la temperatura). Por ejemplo, con R-22 que contiene un cloro en su molécula, entre mayor sea la temperatura, más es el aumento de formación del ácido clorhídrico. Cuando este ácido es llevado a través del sistema, va descomponiendo el aceite, reaccionando y produciendo sedimentos junto con ácidos orgánicos.

Los sedimentos son una mezcla de agua, aceite y ácido que pueden tomar la forma de sólidos pegajosos, sólidos pastosos, líquidos aceitosos, espesos, etc. Deterioran el aceite, haciéndole perder su viscosidad, causándole al compresor daños mecánicos muy severos. Tienden a acumularse en el punto más caliente, que suele ser la descarga del cilindro en el plato de válvulas, ocasionado que pierdan su asentamiento y no sellen. Al no cerrar las válvulas, el vapor es forzado a pasar por una pequeña hendidura u orificio, pasando a una gran velocidad. La fricción hace elevar la temperatura aun más, en el orden de 500°C. Los sedimentos y la corrosión, causan que los elementos de expansión, los filtros, los deshidratadores, los cedazos, se tapen y funcionen mal.

Un punto que se debe entender es que el aceite de refrigeración tiene una gran afinidad por el vapor de agua y el refrigerante, esta atracción es debida a que la presión del vapor del aceite es muy baja en comparación con la del refrigerante y la del vapor de agua.

Hoy día con el advenimiento de los nuevos refrigerantes HFC, se requieren aceites del tipo Éster para los sistemas de Refrigeración y Aire Acondicionado.

Cuando se menciona Partes Por Millón (PPM) de contenido de humedad en un refrigerante o aceite, se entiende como la Humedad Absoluta de esa mezcla, y es la relación en por ciento ó en PPM de la cantidad de masa del agua, entre la cantidad de masa de refrigerante o aceite. Para una mezcla en un estado particular, su Humedad Absoluta no varía con los cambios de temperatura y presión.

A la relación de los Volúmenes del agua y del refrigerante o aceite se denomina Humedad Relativa (HR) y normalmente se expresa en por ciento (%). La Humedad Relativa varía con la temperatura, ya que los volúmenes internos de los componentes que constituyen la mezcla varían con la temperatura en forma diferente. Al aumentar la temperatura de la mezcla líquida, la Humedad Relativa disminuye, y por lo tanto es más difícil detectarla.

Por ejemplo:
Con un contenido de H₂O ó Humedad Absoluta de 50 PPM en:

R-134a a 38.0 °C es igual a una HR de 2.8%, y a  51 °C es igual a una HR 1.9%.
R-404A/R507 a 38.0 °C  es igual a una HR de 5.3 %, y a 51 °C es igual a una HR 3.5%

Otro aspecto que considerar es la solubilidad del H2O (en PPM) en los refrigerantes, la cual se incrementa al aumentar su temperatura, por ejemplo: la solubilidad del agua.

R-22 a: 24 °C es 1300 PPM, a 51 °C es 2500 PPM
R-410A a: 24 °C es 1500 PPM, a 51 °C es 3750 PPM

Esto nos conduce que a una  mayor temperatura de la línea de liquido, y mayor es la afinidad de los aceites y refrigerantes hacia el al agua.

Por todo lo anterior, se hace evidente la utilización de la Mirilla Indicadora de Líquido y Humedad, hoy día sumamente importante en los siste-mas con los nuevos refrigerantes (HFC) y aceites PoliOlEsters (POEs), ya que éstos retienen mucho mayor contenido de humedad que los aceites y refrigerantes anteriores (el POE puede retener en el orden de doce veces más agua). Con 75 PPM de humedad como fácilmente suele suceder en el caso en los aceites POE y Refrigerantes HFC, ocurre la hidrólisis, este fenómeno causa que el cobre de las tuberías y componentes de cobre sea arrastrado hasta el compresor, donde sus partes internas se encobran, incluyendo bujes, chumaceras, causando cambios en los acabados y tolerancias, ocasionando la falla del tren mecánico del compresor (las partes se amarran). Por lo tanto, se tolera un máximo de 50 PPM de humedad en los sistemas, para mantener a un mínimo la hidrólisis y la formación de ácidos orgánicos.

El indicador de Humedad de Flow Controls de Emerson Climate Technologies es un indicador ideal, trabaja efectivamente a estos bajos niveles de detección de humedad, debido a su estructura y única formulación química, que se basa en un cambio en la coloración de una pequeña oblea, dependiendo de la cantidad de agua que se adhiere a ella. Su habilidad de retención de agua depende de la humedad relativa del medio que la rodea. La mayoría de otros indicadores de nivel y humedad en el mercado no tienen materiales lo suficientemente sensitivos que muestren un cambio de coloración a bajos niveles de humedad. El indicador a 51.0 °C  de temperatura de líquido muestra cambios en coloración, la indicación de “Seco” con una humedad relativa del 1.0  al 2 %  (< 50 PPM) y de “Seco” a “Precaución” con una humedad relativa del 3% (≈50 PPM).

Otros indicadores son el color de “Seco a Precaución” que se detecta en valores de Humedad Relativa de >8% (> de 100 PPM) y los niveles de humedad inadmisibles por todo lo anteriormente expuesto.

En resumen, la ventaja del Indicador de Líquido y Humedad de Emerson Climate Technologies es que muestra cambios de color a los bajos niveles de humedad que se requieren para  los refrigerantes HFC y los aceites POE, inclusive en altas temperaturas. Además, alerta fácilmente al técnico de mantenimiento ó de  servicio permitiéndole conocer si el sistema se encuentra operando bien ó en una situación de peligro debido a la alta humedad, permitiéndole tomar las medidas correctivas, mientras que otras marcas de indicadores muestran que el sistema se encuentra Seco y sin problema.

Indicador de Líquido
El Indicador de Líquido se aplica en los casos en que nos permite la visibilidad del refrigerante en estado líquido, entre sus usos tenemos los siguientes:

– En medio de la válvula de expansión y la unidad condensadora, nos provee de una indicación de la carga de refrigerante del sistema.

– Después del separador de aceite, nos permite observar y así asegurar el adecuado retorno de aceite al compresor.

– Indica el aceite retornando al compresor en la línea de succión.

Entre sus usos más importante del Indicador de Líquido (llamado comúnmente “Mirilla” ó “Visor”) es el de proporcionarnos una indicación visual de que la carga de refrigerante del sistema es correcta:

Si el indicador de Líquido se ubica en el recibidor cerca de la Unidad Condensadora como lo indica la Fig.1, si existe burbujeo en ella, se determinará que el sistema no tiene suficiente carga de refrigerante. Sin embargo, durante  arranques con grandes cargas térmicas del sistema, puede ocurrir burbujeo temporal en el indicador de líquido. Si el tubo de salida del recibidor presenta obstrucción o es pequeño, la situación del burbujeo ocurrirá la mayor parte del tiempo, aún con la carga correcta de refrigerante del sistema, esta situación es necesario observarla con cuidado para no llegar a la conclusión errónea de que el sistema está bajo de carga.

Fig. 1 El indicador de líquido se encuentra en la unidad condensadora, después del recibidor, la válvula de la unidad condensadora.

Si a la Válvula Termostática (TXV) no le llega refrigerante 100% líquido, nunca proveerá la capacidad total requerida, y el sistema trabajará mucho más tiempo para poder lograrla. Por lo tanto el Indicador de Líquido deberá colocarse lo más cercano a la TXV Fig. 2, para que las burbujas se vean en el caso de existir, sino se coloca así, no se puede saber lo que pasa entre el Indicador de Líquido y la TXV. Si no se tienen burbujas a la salida del recibidor, es posible que se tengan burbujas en la TXV.

Fig. 2 El indicador de líquido se encuentra antes de la válvula termostática, y arriba de la unidad condensadora

Caída de Presión Estática. Ocurre cuando el refrigerante en la tubería tiene que ascender a una altura determinada.

Supongamos se tiene un sistema operando con refrigerante R-22 con una temperatura de condensado de 105 °F (40.5 °C), que le corresponde una presión de 210.75 psig. Su densidad = 70.472 lb/ft3 (1.131 gr./cm3). Esto es equivalente a una pérdida de presión de 0.489 psi por cada pie de altura.

Si se tuviese una altura 20 ft. (6.1 m.), se tendría una pérdida de presión de 10 psi., que en términos de subenfriamiento significarían una disminución de 4 °F (2.22 °C). Si en la parte  inferior del tubo se tuviese un subenfriamiento de 4 °F, en su parte superior el refrigerante estaría en ebullición en el Indicador de Líquido, convirtiéndose en vapor, causando la falta de operación de la válvula de expansión y del sistema

Visto en otra forma, podemos escribir:

La caída de presión en la línea de líquido es causada por cualquier elemento restrictivo, incluyendo filtros secadores (tapados o de mala calidad), válvulas, mirillas, líneas estranguladas, curvas torcidas, etcétera. También caídas de presión debido a longitud de la tubería, tuberías verticales para subir el refrigerante, pendientes incorrectas. Entre mayor sea la longitud, y mayor el número de codos y curvaturas en la línea de líquido, mayor es la caída de presión

Si la Línea de Líquido es menor en diámetro de lo que debiese ser, la fricción causará una caída de presión por debajo de la presión de saturación. Por ejemplo: si un sistema de refrigeración está trabajando con R134a, a una temperatura de condensado de 40.5 °C (105 °F), y el refrigerante sale del recibidor a 149.8 psia (131.1 psig). Con una muy pequeña caída de presión, el líquido evaporará en la línea de líquido y mostrará burbujeo en  el Indicador de Líquido junto a la TXV (Fig. 2), y probablemente no lo mostraría si el Indicador de Líquido estuviese cerca del recibidor (Fig. 1). También debido a la tubería vertical existiría una caída de presión 1.2 psig por cada 0.30 m (1 ft) de altura. Un edificio con 3 m entre pisos, un tubo vertical tendría 5.2 psi de caída de presión, la cual causaría el burbujeo en el Indicador de Líquido Fig. 2, y no lo mostraría en el Indicador de Líquido localizado junto al recibidor, ver Fig. 1. Solamente si se tuviese un subenfriamiento en el condensador de unos 5.0 °C (≈10 °F), el cual contrarrestaría la caída de presión en la línea de liquido. Las Tabla 1 y 2, muestran la relación del subenfriamiento con la caída de presión.

Suponiendo que un sistema tiene refrigerante R-134a y 5 psi de caída de presión, se necesitarían  5/1,86 = 2.68 °F de subenfriamiento para prevenir el burbujeo del refrigerante en  la línea de líquido. Si la línea de líquido subiese tres pisos, se tendría una caída de presión 14 psi (tabla 1), 14/1.86 = 7.66 °F de subenfriamiento en el condensador.

El refrigerante tiene que ser suficientemente subenfriado para contrarrestar la caída de presión y calentamientos y así evitar el burbujeo del refrigerante en la línea de líquido

Es necesario que el condensador tenga la habilidad de subenfriar el líquido, ya que si no es así el refrigerante y el gas en el recibidor estarán a la temperatura de saturación correspondiente a su presión, y se perderá todo su subenfriamiento. Cualquier caída de presión en el recibidor, causará el burbujeo en la línea de líquido, y el Indicador de Líquido localizado en el recibidor, ver Fig. 1, erróneamente no mostrará burbujeo. Debido a esto algunos sistemas se encuentran con su recibidor completamente inundado de refrigerante líquido, debido a que se continua añadiendo refrigerante al sistema tratando de llenar el Indicador de Liquido localizado en cualquier lugar de la línea de líquido (Fig.1, ó Fig. 2)

El subenfriamiento en el condensador nos determina con precisión la carga correcta de refrigerante en un sistema. Cero subenfriamiento en el condensador nos indica que al sistema le falta refrigerante, y se formaran burbujas de vapor en la línea de líquido, y en consecuencia en el Indicador de Líquido. Un subenfriamiento elevado en el condensador nos causa altas pérdidas económicas y costos de operación (y elevación de la presión de descarga)

Control de flujo

Si se tuviera un sistema con un exceso de refrigerante en el que se requiriera  un enfriamiento de X Btu, este exceso se alojaría en la descarga en el  condensador (o recibidor), a su vez este exceso disminuiría el área de disipación de calor del condensador, disminuyendo su capacidad, y aumentando su presión de descarga del compresor, por lo que para enfriar los X Btu se requeriría más tiempo de operación del compresor que nos costaría $ pesos, más la ineficiencia con un mayor consumo eléctrico otros $ pesos.

Durante un aumento de carga térmica, la Válvula de Expansión abre completamente, y pudiendo ocurrir un burbujeo aún con el recibidor con suficiente refrigerante líquido, por lo que es conveniente añadirle  un indicador de nivel de líquido al recibidor, para evitar sobrecargarlo.

Es necesario tomar en cuenta que cuando la temperatura ambiente sube, el valor del subenfriamiento en el condensador baja, (en el extremo pudiéndose quedar sin refrigerante líquido). Y viceversa cuando la temperatura ambiente baja el valor del subenfriamiento sube (existiendo mayor cantidad de líquido en el condensador).

Si no hubiese subenfriamiento, el líquido saturado del condensador pasaría a través de estas caídas de presión, tendería a establecer una más baja temperatura de saturación de acuerdo a su menor presión, liberando su calor sensible, ocasionando la transformación del refrigerante liquido saturado a vapor.

En otras palabras al bajar la presión del líquido saturado, inmediatamente se evapora, el calor necesario para esta evaporación es tomado del líquido el cual baja su temperatura a su nueva condición de saturación. Esta situación se refiere a Enfriamiento Adiabático ya que no hay una ganancia de energía en el líquido, ya que la energía para evaporar el líquido proviene del mismo líquido.

Un Indicador de Líquido localizado después del filtro deshidratador, mostrará burbujeo cuando este se encuentre tapado o sucio, si se usa como indicador de carga, evidentemente conducirá a sobrecargar el sistema de refrigerante. La medición de la caída de presión en el filtro deshidratador sería necesaria para evitar una sobrecarga de refrigerante. Una caída de presión de 20 psi en el filtro deshidratador nos requeriría  un subenfriamiento adicional de 11.0 °F. Debido a que la diferencia de presión en el filtro es difícil de medir, la utilización de un Indicador de Liquido antes y después del filtro es muy recomendable, las burbujas de gas en el Indicador después del filtro, revelará sin duda un filtro tapado. Debido a que la existencia de refrigerante en estado líquido en la Válvula de Expansión es de suprema importancia, y absolutamente la mejor ubicación del Indicador de Líquido, es entre la válvula solenoide de la línea de líquido y antes de la válvula de expansión. Una mejor opción es instalar dos Indicadores de Líquido. Uno antes, y otro después del filtro deshidratador, colocarlos a una distancia razonable de la salida del recibidor, el costo de los Indicadores de Líquido es relativamente bajo, y ubicados en esta forma, nos indicara la existencia de un filtro tapado. Es también absolutamente necesaria la instalación de un Indicador de Líquido antes y cerca de la válvula de sobrecalentamiento TXV usada entre las dos etapas en los compresores de dos etapas,

Antes de la válvula de solenoide en los compresores con inyección de refrigerante, y en los compresores Discus con Demand Cooling (enfriar el gas de succión para desobrecalentar el gas de succión). Burbujeo de refrigerante en estas aplicaciones conducirá a una vida muy corta del compresor. Como se puede ver, la ubicación del Indicador de Líquido no es tan simple como parece a simple vista. En tanto se usen como indicadores de carga de refrigerante, realmente se paga el usar más de un Indicador de Líquido.

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