refrigeration piping calculus

1

Disseny de tubs als sistemes de refrigeració

2

Funció■ Els diversos elements que formen la instal·lació frigorífica

s'han d'unir mitjançant tubs, habitualment de coure, per a permetre el pas del refrigerant.

■ El correcte dimensionat d'aquests tubs és fonamental per obtenir el rendiment i potència frigorífica esperada d'una instal·lació

■ S'ha de:

minimitzar les pèrdues de pressió, que disminueixen la capacitat tèrmica i augmenten el consum del sistema. La més crítica és l'aspiració, on un pèrdua en pressió suposa un increment del volum específic del refrigerant que ha de ser aspirat amb més treball pel compressor.

minimitzar el desplaçament d'oli del compressor cap als tubs, facilitant també el seu retorn al càrter:velocitats adequades.

3

Pèrdues de pressió

■ Són la suma de: pèrdues dinàmiques (J

D): degudes al fregament i

accidents (colzes, vàlvules, derivacions...) pèrdues estàtiques (J

E): funció del desnivell que ha de

superar el refrigerant en el seu camí cap als evaporadors

. JT= J

D+J

E

■ Factors que intervenen: Dinàmiques: velocitat de refrigerant, diàmetre i

longitud del tub, accessoris i accidents instal·lats Estàtiques: tipus de refrigerant (densitat específica) i

contrapressió produïda per la columna de líquid

4

Pèrdues admeses●Valors freqüents de pèrdues de pressió total per trams, expressades en variació de temperatura habitual. ●La variació en pressió dependrà del refrigerant:●exemple: R404A

● liquid de 35ºC a 34ºC=0,4 bar● gas de -20ºC a -19ºC= 0,1 bar● gas de 40ºC a 39 ºC= 0,6 bar

5

Relació P <-> T

■ També es poden trobar les variacions de pressió d'aspiració front a la temperatura en format gràfic, per a cada refrigerant.

■ Per les pèrdues exactes en la resta de condicions, s'ha d'agafar la taula P-H:

aspiració R22: 1ºC

(-25 a -24ºC < 0,08 bar) descàrrega R22: 0,5ºC

(70 a 69,5ºC < 0,3 bar) líquid R22: 1ºC

(35ºC a 34ºC < 0,35bar)

6

VARIACIÓ Pressió - VARIACIÓ Temperatura

•Pèrdues en Kpa per cada ºC, en funció de la T del refrigerant (100kpa=1bar)

•Exemple:Consideram que la línia de líquid (35ºC) pot perdre T=0,5ºC . Quants bars pot perdre?En el cas del R22 equival a una pèrdua en pressió de:

o sigui 0,175bar.

si perdés 5ºC:

podria començar a evaporar abans d'arribar a la vàlvula d'expansió, depèn del subrefredament dissenyat.

ΔP=ΔPΔT

×T

ΔP=35kpa / k×0.5K=17,5kpa

ΔP=35kpa / k×5 K=175 kpa=1.75B

La relació és diferent a cada temperatura del refrigerant. A més temperatura, més pressió representa variar 1ºC.

7

R22- Pèrdua al diagrama de Molliere

Perdre 0,35bar equival abaixar de 35ºC a 34ºC.

Si baixés a 30ºC (si perdés 1,75bar al tub)començaria a evaporar.

S'ha de controlar la pèrduade pressió als tubs.

pèrdua subrefredament

8

Velocitats típiques del R404A

9

Velocitat: pèrdues■ Els tubs de refrigerant en forma de gas (aspiració i descàrrega) són

més crítics, ja que el fluid hi circula a més velocitat.

■ Al tub de líquid, s'ha de mantenir la pressió per sobre de la de saturació, per evitar la vaporització parcial a dins el tub. Si el tram és molt llarg o ha de superar un desnivell elevat, pot ser necessari sotmetre el líquid a un subrefredament important a la sortida del condensador (amb bescanviador o serpentins de subrefredament).

■ Les pèrdues de pressió per fregament, venen donades per la llei de Darcy:

10

Abac de Moody: factor de fricció

11

cas1) Mètode gràfic directe: Àbacs

Pèrdues de pressió dinàmiques, vàlid per refrigerants halogenats (CFC, HFC), amb una quantitat mitjana d'accessoris en tubs de 10m o 30m.

fins 10m fins 30m

12

Procediment:■ Determinar les necessitats frigorífiques màximes dels dispositius instal.lats.■ Mesurar la longitud dels tubs d'aspiració, descàrrega i líquid■ Determinar les pèrdues de pressió admissibles a cada tram, agafant com a

referència les pèrdues d'aspiració a la temperatura d'evaporació: ex. gràfic diapositiva 5, per R22, per als càlculs dels tres trams: 1ºC=0,07bar (Te=-25ºC)

■ Convertir aquestes pèrdues aplicant una regla de tres, per a 10m o 30m i marcar a l'àbac corresponent, part inferior. Traçar rectes horitzontals amb les pèrdues admissibles a cada tub.

■ Sobre l'àbac, creuar rectes horitzontals des de la Nf (venen en milers de kcal/h) amb el tipus de tub corresponent, i la temperatura de vaporització per al tub d'aspiració . Allà on creuen, traçar verticals fins tallar les rectes amb les pèrdues admissibles del punt anterior, punts que defineixen el diàmetre mínim de tub.

■ Agafar diàmetres normalitzats immediatament superiors.■ Es poden comprovar:

les pèrdues definitives amb el tub seleccionat. Aquestes no han de superar les previstes i reals per a cada tram (taules P-H):

. aspiració R22: 1ºC (-25 a -24ºC < 0,08 bar)

. descàrrega R22: 0,5ºC (70 a 69,5ºC < 0,3 bar)

. líquid R22: 1ºC (35ºC a 34ºC < 0,35bar) les velocitats definitives amb el tub seleccionat.

13

Diametres normalitzats, tub coure

14

Característiques tub coure

15

Diàmetres normalitzats acer:Revisar instrucció RSF MI-IF005, respecte el material dels tubs i accessoris a utilitzar per a instal·lacions frigorífiques:

3.1: prohibicions d'ús de materials no fèrrics (coure, llautó, magnesi, zinc, plom...) així com tipus de soldadura permesa per a determinades condicions.

16

Comprovació

■ Per a comprovar la velocitat resultant, un cop determinat el diàmetre del tub, es pot fer servir l'equació de la continuïtat: C= Q / S

➔ Q : cabdal volumètric en m3/s➔ S : secció interior del tub en m2 (S=πr2)➔ C : velocitat del refrigerant en m/s

■ Prèviament s'ha d'haver trobat el cabdal màssic de refrigerant m = N

f / Δh

e ➔ m :cabdal màssic en kg/s➔ Nf : necessitats frigorífiques en Kw o Kj/s➔ Δh

e : variació d'entalpía de vaporització del refrigerant Kj/kg

■ i d'aquí el volumètric Q = m x Ve➔ Ve : volum específic en Kg/m3 , aplicar el corresponent a les

condicions del refrigerant en cada tram

17

cas2) Àbac específic: R404A, no halogenat

■ A la web de Dupont© es troben àbacs per a cada refrigerant.

■ A partir de les Nf, a unes temperatures de vaporització i condensació determinades, obtenim les pèrdues en bar per cada metre de tub en funció del diàmetre seleccionat

■ Es pot perfeccionar incrementant les longituds amb les equivalents als accessoris.

18

Longituds equivalents d'accessoris

Aquestes longituds s'han d'afegir a les reals dels tubs, per a trobar les pèrdues dinàmiques totals de cada tram. També es pot treballar amb les pèrdues de catàleg per a cada accessori, si es coneixen, encara que el mètode anterior resulta més pràctic i ràpid.

19

Comprovació de velocitats: gràfic

Partint de les Nf i amb els diàmetres normalitzats que hem seleccionat, obtindrem la velocitat del refrigerant als tres trams com a comprovació posterior.

També es pot fer el procés invers: partint d'unes velocitats inicials de disseny, seleccionar els tubs i després comprovar les pèrdues al gràfic anterior.

20

Exemple: Nf=30KW R404

35ºC

ASPIRACIÓ

DESCÀRREGA

LIQUID

Diàmetre en funcióde velocitats de disseny

35ºC

ASPIRACIÓ

DESCÀRREGA

LIQUID

COMPROVACIÓ DEPÈRDUES.

Selecció: Liquid=3/4” Aspiració=2-1/8” Descàrrega=1-1/8”

21

Pèrdues estàtiques■ Són provocades pels desnivells que habitualment ha de superar el

refrigerant en el seu camí cap als vaporitzadors. S'han de tenir en compte als tubs de líquid, que té més densitat específica i per tant pateix una atracció gravitatòria molt superior al gas per cada metre de tub ascendent

■ Per al seu càlcul aproximat, s'ha de conèixer les pèrdues de pressió per cada metre de columna de líquid. De forma genèrica, es pot agafar el valor de 0,1 bar/m per la majoria de refrigerants.

■ Es multiplicarà els metres de desnivell per aquest valor, i es sumarà a les pèrdues dinàmiques.

■ Cas que la pèrdua de pressió total al tram de líquid resulti massa elevat, pot ser necessari subrefredar el refrigerant a la sortida del condensador per evitar la seva vaporització parcial en el tub abans de la vàlvula d'expansió.

■ El traçat dels tubs d'aspiració, en funció de les posicions dels vaporitzadors, és important per a evitar problemes:

➔ que el refrigerant líquid pugui entrar en el compressor en moments d'aturada

➔ que l'oli que s'arrossegui al vaporitzador actiu pugui entrar a unaltre vaporitzador aturat...

22

Consideracions de traçat: líquid

Cas d'instal.lacions ambmúltiples vaporitzadors, s'aplica el mètode simplificat S=Q/C

23

Consideracions de traçat: aspiració

Quan l'aspiració és ascendent i amb un tub no es supera la velocitat mínima de 5m/s (funcionant a potència mínima, cas demés d'un vaporitzador) , s'instal·len dos tubs de la meitat de diàmetre.

Els sifons i la pendent negativa eviten el retrocés de l'oli en aspiracions ascendents.

24

Consideracions de traçat: descàrrega

Ascendent: mateixes consideracions amb pendents i sifons per circulació de l'oli que superi el separador.

Doble tub en potència mínimaper garantir la velocitat ascendent de 5m/s

25

Mètode simplificat, per velocitats:

■ A partir de l'equació de la continuïtat, trobem la secció: S=Q/C

■ Agafam la secció normalitzada immediatament superior. Cas d'una T cap a elements iguals, el diàmetre es

divideix per 2 i s'agafa el superior normalitzat. Cas d'una derivació, s'ha de repartir el cabdal en

forma proporcional a les potències a cada extrem,i el mateix amb les seccions.

■ Comprovam finalment amb l'àbac del refrigerant que per la longitud total (afegint accessoris si volem) i les seccions de cada tram no superam les pèrdues assumibles.

26

Exemple: dues cambres de congelació

Cada cambra amb dos vaporitzadors simètrics. R404 a -25ºC, +35ºC.Essent m=970kg/h realitzar el càlcul simplificat.Comprovar pèrdues si AB=10m, BC=4m i CD=2m

27

Software de càlcul

■ Al mercat trobam diverses aplicacions informàtiques per dissenyar els tubs d'una instal.lació. Un d'ells és el DIRCALC, descarregable de forma gratuïta de la web de Danfoss.

■ Per al seu ús, cal estar familiaritzat amb els conceptes teòrics i càlculs anteriorment descrits.

■ Aporta un dimensionat de tubs ràpid i precís.

28

DIRCALC 1.17

29

DIRCALC 1.17

30

DIRCALC 1.17

31

DIRCALC 1.17

32

DIRCALC 1.17

Informe final:

33

DIRCALC 1.17

34

DIRCALC 1.17