Fundamentos

Básicamente el cometido de un condensador, conceptualmente un intercambiador de calor, es lograr el cambio de fase (gas a líquido) de un fluído, sea un refrigerante como en el caso de circuitos de refrigeración, solventes/vapores orgánicos en el caso de recuperación de emisiones de depósitos de combustibles, o la tradicional condensación de vapor de agua en plantas de generación termoeléctrica.  En su momento James Watts triplicó la eficiencia térmica de la máquina de vapor al incorporar condensadores que permitieron que el vapor condensase en el exterior de los cilindros, esquema que básicamente permance incambiado hasta hoy más allá de dimensiones impensables en la época de Watts 

Tipos de condensadores

Existe una multiplicidad de diseños siendo las configuraciones constructivas más comunes e.g. casco y tubo o tubo y carcaza, co-axiales, de placas, de superficie, espiralados, de tubos aletados/sin aletar.  Afortunadamente la literatura de intercambiadores de calor y condensadores es extremadamente extensa.  En todos los casos es posible esbozar el servicio térmico apelando a la legendaria ecuación de Newton que ilustraremos más adelante.

Probablemente la clasificación más relevante de este tipo de intercambiador se refiere al fluído con el que el gas a condensar interactúa, dando lugar a clásicamente tres tipos de condensadores

•   condensadores enfriados por agua, del cual el condensador casco y tubo es probablemente el diseño más conocido, mundialmente hablando, en el cual el gas condensa sobre la superficie externa de los tubos por los que se hace circular internamente agua de enfriamiento;

• condensadores enfriados por aire o condensadores remotos, básicamente un haz de tubos dentro del cual transcurrre el gas a condensadr, y enfriado con mayor o menor felicidad con un ventilador de tiro inducido o forzado;

•  condensadores evaporativos, en el cual el serpentín o banco de tubos está regado/rociado permanentemente (al menos esa es la intención) evaporándose una fracción del caudal circulado mediante el auxilio de ventiladores  lo que tiene como resultado la condensación del refrigerante sobre la pared interior de los tubos

En todos los casos, a efectos de un dimensionado preliminar, es aplicable la ecuación de Netwon.  La temática de condensadores evaporativos ya ha sido presentada en www.CondensadoresEvaporativos.com donde el lector interesado puede encontrar un desarrollo introductorio.  Los condensadores enfriados por aire presentan la gran desventaja de olbigar a trabajar con presiones de condensación altas (2, 16), lo cual resulta en una eficiencia baja del sistema, prácticamente para todas las temperaturas de aspiración.  De todas maneras en la sección de aplicaciones se presenta un comparativo clásico de las dos alternativas, ie. condensación por agua y condensación por aire.  Puede verse que los consumos energéticos asociados a esta última alternativa, i.e. condensación por aire, son entre un 30 y 50% e incluso el doble de la alternativa de condensación por agua.  Por lo tanto, en este material incial dedicaremos mayoritariamente la atención a aspectos e ilustraciones de condensadores enfriados por agua.  Si bien para sistemas de gran porte la alternativa de condensadores enfriados por agua de torre de enfriamiento son normalmente considerados más competitivos (2, 16), los beneficios de esta tecnología son aplicables a escalas e instalaciones bien menores, por describirlas de alguna manera, e.g. apenas 3, 5, 10, 20, 25 chiller tons de efecto frigorífico en el evaporador.

 Condensadores por Agua: los 5 datos importantes

            Existen cinco datos importantes en el dimensionamiento y/o selección de condensadores por agua, a saber:

1. caudal de agua, i.e. l/h, U.S. GPM
2. caída de presión admisible/especificada
3. fouling/factores de ensuciamiento
4.  fluídos involucrados, .e.g refrigerante, vapor
5. contexto de operación objetivo, i.e. temperaturas de entrada/salida

En el dimensionamiento o selección de condensador será importante verificar la velocidad del líquido, que debe mantenerse entre rangos recomendados.  De ser demasiado baja, se establecerá un regimen laminar, originándose zonas de muy baja velocidad, en contacto con el interior del tubo, que actúa capa aislante.  En general lo que se procura es trabajar en un régimen turbulento de manera de evitar la situación anterior.  De todas maneras la tasa de intercambio aumenta con la velocidad sólo hasta determinado punto.  En ausencia de mejores datos podemos pensar en restringirnos a un rango entre 100 y 400 fpm.

Definimos caída de presión a la pérdida de carga debido a fricción.  En un condensador de este tipo es simplemente la diferencia de presiones entre la entrada y la salida.  Ocurre que de emplear velocidades excesivas, i.e. con el afán de mejorar la eficiencia de transferencia de calor, aumentará consecuentemente dicha pérdida de carga que de hecho anulará cualquier ventaja obtenida.  Adicionalmente el empleo de velocidades excesivas puede redundar en una importante reducción de la vida útil del condensador.  En ausencia de especificaciones podemos pensar en tomar valores menores a 10 psig, máx./cota superior,  a través del condensador.  Recordemos que la caída de presión [a vencer] varía como el cuadrado de la velocidad.  Por esta misma  razón es importante mantenerse dentro de los diámetros de cañería/tubo recomendados, tanto para los intercambiadores como para todo el resto de la planta.

Las condiciones de funcionamiento reales de un condensador en muchos casos están determinadas por las características y calidad de agua del circuito así como presencia de aceites de lubricación del lado del refrigerante.  Debido a la presencia de constitutivos que forman capas aislantes, i.e. de-rating de la eficiencia de transferencia, todos los fabricantes responsables estiman factores de fouling conservadores.  Para tener una idea supongamos estar dimensionando un condensador para amoníaco, con velocidad de agua a través de tubos (1 ¼”)  de aproximadamente 200 fpm.  Al salir de fábrica, el U de los tubos limpios rondará digamos 1830 kcal/h m2 °C (375 btu/sq.ft. hr. °F).  A las 16 horas de uso habrá bajado a poco más de 1464 kcal/h m2 °C (300  btu/sq.ft. hr. °F) (perdimos un 20%!).  En condiciones de trabajo, i.e. condensador sucio, el U estará en poco más de 977 kcal/h m2 °C (200 btu/sq.ft. hr. °F).   El proyectista, y el operador cuidadoso, dimensionará el equipamiento un valor consdervador, típicamente menor o muy próximo a e.g. 977 kcal/h m2 °C (200 btu/sq.ft. hr. °F) o incluso menos, e.g. 750  kcal/h m2 °C (154 btu/sq.ft. hr. °F)

Las características del refrigerante o fluído a condensar determinar las dimensiones definitivas del equipo, así como los materiales de construcción, frecuentemente cobre, hierro, y acero inoxidable.  En aplicaciones de refrigeración industrial refrigerante por excelencia ha sido y es el amoníaco: excelente propiedades, alto calor latente, altos coeficientes de transferencia tanto en condensación como evaporación, rangos de presión aceptables, su característico olor activa automáticamente  “alarma” y dentro de los refrigerantes, su costo es uno de los más bajos.  A pesar de su toxicidad, ha ofrecido un conjunto de propiedades industriales prácticamente imbatibles incluyendo cero potencial de reducción de capa de ozono y cero potencial de efecto invernadero/calentamiento global.

El contexto de operación objetivo, i.e. temperatura de entrada/salida del agua de enfriamiento así como la temperatura de condensación pueden estimarse empleando la clásica ecuación de Newton:

       Calor a extraer Q = factor U * superficie de intercambio A * LMTD(t1,t2, tc)                   

en conjunto con la ecuación del proceso, i.e.

            Calor a extraer Q = caudal * (t1 – t2)

 Nota: es recomendable agregar digamos un 10% de capacidad adicional a los efectos de poder sortear temperaturas iniciales mayores a las que se establecerán en régimen.

CONDENSADORES CASCO Y TUBO

Debido a su construcción robusta y economía de espacio, la configuración denominada condensador de tipo casco y tubo ha sido la de mayor popularidad.  Una ventaja extremadamente considerable de los condensadores de tipo casco y tubo es que pueden ser limpiados muy facilmente sin tener que interferir con el circuito del refrigerante, e.g. amoníaco, algo directamente imposible con condensadores de placas o extremadamente laborioso, i.e. desarmado total, incluyendo la afectación del circuito de refrigerante.

Siempre que se pueda, es muchísimo mejor realizar mantenimiento o limpieza mecánica del sistema.  Este procedimiento puede ser repetido por tantas veces como sea necesario.  En general no se recomienda la recuperación del estado incial con agentes químicos dado que disminuyen la vida útil de prácticamente todas las partes metálicas del sistema.

En general, es deseable mantener aproximadamente un sexto inferior del volumen del casco con refrigerante líquido de manera de evitar burbujas de gas en la línea de líquido.  Es común incorporar subenfriamiento en el dimensionado del condensador de manera de eliminar instancias de flash de gas en la línea.  Por un lado se produce un aumento adicional de capacidad sin aumentar el tamaño o velocidad del compresor y por otro se previene flashing de refrigerante en la línea de líquido aprovechando al máximo la capacidad de la válvula de expansion, algo especialmente importante cuando se examina la localización de los componentes, .e.g. distancia entre el compresor y la válvula de expansión.

El intercambiador de tipo casco y tubo es también comúnmente empleado en el circuito de enfriamiento del aceite.  Como el condensador del refrigerante, el beneficio/servicio brindado por la unidad grandemente reflejará las buenas costumbres.