Congelador de temperatura ultrabaja (ULT)

Consideraciones de diseño para las etapas de baja temperatura

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1. Sistema de refrigeración

1.1 Una etapa, Autocascada o Cascada de 2 etapas

Los riesgos técnicos y la complejidad técnica de estas tres configuraciones son muy diferentes.
Suponiendo que se utilicen compresores de refrigeración estándar, los ULT de una etapa y en cascada automática crean presiones de sobrecarga para el compresor durante la fase de arranque y parada. Dependiendo de la composición de la mezcla de refrigerante y de las temperaturas (ambiente/compartimento de refrigeración), esta sobrecarga puede reducir la vida útil y la fiabilidad del compresor. Una "buena" configuración puede crear condiciones de funcionamiento estables que no perjudiquen al compresor durante el funcionamiento normal. La sobrecarga térmica (una temperatura ambiente más alta o la carga con mercancías insuficientemente preenfriadas pueden generar presiones de sobrecarga graves para el compresor.
Los ULT de dos etapas en cascada son sistemas de refrigeración comparativamente complejos que requieren una buena configuración de regulación para los compresores. Por otro lado, los ULT en cascada de dos etapas tienen el potencial de trabajar con límites de funcionamiento mucho más amplios (por ejemplo, temperaturas ambiente máximas más altas) sin sobrecargar los compresores y garantizando así una vida útil muy larga y una fiabilidad muy buena.

1.2 Refrigerantes

Las propiedades termodinámicas del refrigerante son la clave para alcanzar las temperaturas adecuadas para la condensación y la evaporación y para conseguir una capacidad de refrigeración suficiente. Para cubrir el intervalo de temperaturas entre la temperatura ambiente (condensación) y las temperaturas del compartimento ULT (evaporación a -90 °C o menos), se necesita un refrigerante muy especial para crear unas condiciones de trabajo aceptables (presiones, flujo másico de refrigerante) para el compresor. A temperaturas de evaporación ULT, los refrigerantes de la refrigeración estándar (por ejemplo, R290, R404A...) tienen una capacidad de refrigeración extremadamente baja porque la presión y la densidad del gas de aspiración son muy bajas. Es necesario seleccionar refrigerantes con mayor capacidad de refrigeración a la temperatura de evaporación ULT. Desgraciadamente, estos refrigerantes (o mezclas de refrigerantes) crean presiones muy altas al condensarse a temperatura ambiente normal.
Tal vez algún día la investigación química pueda proporcionar un refrigerante con propiedades termodinámicas optimizadas para ULT, sin embargo, actualmente los ULT de una sola etapa adolecen de baja capacidad de refrigeración (gran tamaño y compresor ineficaz) o de altas presiones de condensación (seguridad, fiabilidad).
El tipo de refrigerante y los pasos de temperatura (condensación, evaporación, temperatura intermedia en sistemas de dos etapas) deben seleccionarse y ajustarse de forma que no se superen durante demasiado tiempo las presiones de funcionamiento permitidas del compresor (por ejemplo, las publicadas en la hoja de datos).

1.3 Recomendación

Para evitar el riesgo de que falle el compresor y se pierdan productos valiosos dentro de un congelador ULT, Secop recomienda preferir sistemas de refrigeración ULT con una cascada de 2 etapas.

3. Descenso

Durante el pull down, es muy probable que se produzcan presiones de sobrecarga en el lado de condensación para muchos tipos de refrigerantes y mezclas de refrigerantes compatibles con ULT.
Estas presiones de sobrecarga pueden reducir la vida útil del compresor y podrían no estar permitidas desde el punto de vista legal. Como medio eficaz para evitar las presiones críticas, se recomienda instalar un interruptor de seguridad de alta presión en el lado de alta presión del circuito de refrigeración ULT, para desconectar el compresor cuando la presión de descarga aumente hasta un nivel crítico.
El presostato de seguridad de alta presión puede activarse varias veces durante la primera fase de la descarga. La velocidad de la descarga se ralentizará un poco, pero la seguridad general estará garantizada al mejor nivel posible.
Cuando se instala un compresor de velocidad variable en el circuito de refrigeración ULT, debe verificarse si pueden evitarse presiones críticas cuando la velocidad del motor del compresor se mantiene baja durante la primera fase de bajada.

5. Obstrucción del tubo capilar (etapa de baja temperatura)

Si la temperatura de evaporación de la etapa de baja temperatura es muy baja, el riesgo de obstrucción/congelación del aceite es cada vez más realista. La primera posición dentro del sistema de refrigeración donde pueden darse temperaturas lo suficientemente frías como para que el aceite se obstruya es el tubo capilar. Lamentablemente, en esta posición el aceite congelado puede detener todo el proceso de refrigeración. La obstrucción del tubo capilar hará que disminuya la presión de evaporación en la etapa de baja temperatura. La capacidad de refrigeración disminuirá a cero cuando el líquido restante del evaporador se convierta en gas.

5.1 Separador de aceite necesario

La congelación del aceite es un proceso que lleva cierto tiempo dependiendo de las temperaturas, las propiedades del aceite y la cantidad de aceite circulante. Para reducir al mínimo el riesgo de bloqueo del tubo capilar debido al aceite congelado y permitir largos intervalos entre descongelaciones, es muy recomendable instalar un separador de aceite adecuado entre la descarga del compresor y la entrada del condensador de la etapa de baja temperatura. Analice muy detenidamente el comportamiento de bloqueo del tubo capilar del sistema de refrigeración para definir algoritmos de desescarche con el menor impacto posible en las temperaturas del compartimento de refrigeración.

5.2 Qué ocurre durante el bloqueo

El análisis directo de los tubos capilares bloqueados que permite aislar el material de bloqueo es muy difícil, ya que los residuos se funden/evaporan de nuevo cuando las temperaturas han alcanzado un nivel adecuado para ser manipulados manualmente, y la posición del bloqueo no puede identificarse desde el exterior.
A partir de la medición de temperaturas, presiones y tiempo, se pueden hacer algunas suposiciones:

• Los atascos son menos frecuentes cuando se utiliza un separador de aceite: Se solidifica el propio aceite o "algo" que transporta el aceite o que está disuelto en su interior.
• El tiempo de ciclo entre un bloqueo de tubo capilar y el siguiente es largo y casi constante: la acumulación del material de bloqueo se produce de forma lenta y constante.
• Antes del bloqueo total, se produce una pérdida de presión significativa en el interior del evaporador: Sólo cuando una gran fracción de la sección transversal del tubo capilar está obstruida, la presión de evaporación cae significativamente. La alimentación de refrigerante al evaporador casi se detendrá, y el recalentamiento del evaporador aumentará rápidamente. La consecuencia es que la potencia de refrigeración disminuye a cero mientras que el compresor funciona casi a capacidad normal (el consumo de energía disminuirá). La disminución de la presión de evaporación provocará una mayor disminución de la temperatura en el interior del tubo capilar, lo que acelerará el bloqueo final del tubo capilar.
• El diámetro interior del tubo capilar influye en la duración del ciclo de bloqueo del tubo capilar. El uso de un diámetro interior comparativamente "pequeño" (con una longitud ajustada) para el tubo capilar requiere menos "material" para la obstrucción, ya que la temperatura y el flujo másico de refrigerante deberían ser iguales si se utiliza un tubo capilar estrecho o ancho. Sin embargo, la velocidad de flujo del refrigerante dentro de un capilar estrecho y ancho será diferente. Lo más probable es que esto tenga un efecto compensador.
• Utilizar una válvula de expansión termostática en lugar de un tubo capilar parece ser una buena idea para evitar la pérdida de capacidad de refrigeración debida al bloqueo de un tubo capilar. Actualmente, no existen en el mercado válvulas de expansión (de pequeño tamaño) comercializadas para temperaturas de hasta -100°C.

5.3 Presostato de baja presión

Cuando el tubo capilar está bloqueado o incluso cuando está casi bloqueado, todo funcionamiento posterior del compresor aumentará el esfuerzo (tiempo, energía calorífica necesaria) de restablecer el funcionamiento normal (descongelación del tubo capilar), mientras que el rendimiento de refrigeración dentro del evaporador ya es casi nulo.
Un muy buen indicador de un tubo capilar bloqueado es una presión inusualmente baja en el interior del evaporador. Un presostato de baja presión (con la presión abierta aproximadamente un 30% por debajo de la presión de evaporación normal más baja) puede dar una señal rápida y fiable para detener la refrigeración e iniciar el desescarche.
Si las reacciones a un tubo capilar bloqueado son rápidas, la pérdida de refrigeración, el pico de temperatura y el tiempo de recuperación de la temperatura dentro del compartimento de refrigeración pueden mantenerse bajos.
Un funcionamiento prolongado con el tubo capilar bloqueado conducirá a un funcionamiento del compresor sin flujo másico de refrigerante a una presión de evaporación muy baja (fuera de los límites de presión liberados) > El compresor puede resultar dañado por funcionar en estas condiciones (desconexión tardía del protector debido a una carga extremadamente baja > sobrecalentamiento del motor).

5.4 Desescarche del tubo capilar

Si no se inician medidas activas (mediante el control del armario) cuando se bloquea un tubo capilar, la vuelta al funcionamiento normal tardará mucho tiempo (... funcionamiento del compresor hasta avería del protector del motor, desescarche natural cuando el compresor está parado). Para mantener el aumento de temperatura en el interior del compartimento frigorífico al nivel más bajo posible, es necesaria la parada inmediata del compresor y el desescarche cuando se bloquea el tubo capilar.
Si se identifica un tubo capilar bloqueado, el compresor debe pararse para evitar que se siga enfriando y congelando el tubo capilar y el entorno. Para permitir de nuevo el funcionamiento normal, es necesario calentar la sección obstruida del tubo capilar para fundir la obstrucción. No es posible predecir con exactitud la ubicación de la sección obstruida (muy probablemente en el último tercio del tubo capilar) y puede variar de un caso a otro.

• Desescarche natural
  En muchos casos, basta con apagar el compresor sin calentar activamente el tubo capilar (utilizando únicamente la conducción del calor) para que se produzca el desescarche. El tiempo de apagado del compresor necesario para el desescarche es específico para cada diseño de armario y también puede depender de la temperatura ambiente (pérdidas en el aislamiento del tubo capilar).
• Desescarche con calentador de tubos capilares
  La fusión de un tubo capilar bloqueado puede acelerarse calentando el tubo capilar con un calentador externo cuando el compresor está apagado. El tiempo y la potencia de calentamiento deben ajustarse cuidadosamente. El calentamiento del último tercio del tubo capilar debe ser suficiente para conseguir el efecto deseado.
• La descongelación debe iniciarse inmediatamente si el tubo capilar se obstruye.
  La descongelación preventiva con un tiempo de ciclo fijo ayuda mucho a evitar un tiempo de recuperación prolongado y un aumento elevado de la temperatura en el compartimento de refrigeración.
• La instalación de un separador de aceite reduce considerablemente la necesidad de desescarche.

7. Regulación de capacidad de un ULT en cascada de 2 etapas (compresores de velocidad fija o variable)

En general, ambos compresores de un sistema de refrigeración en cascada de 2 etapas pueden ser de velocidad fija o variable.

• Compresores de velocidad fija en ambas etapas - entrada de temperatura única
  El control de encendido/apagado de ambas etapas puede realizarse con referencia a la temperatura del compartimento de refrigeración únicamente. En este caso, el compresor de una etapa de alta temperatura debe arrancar primero; la segunda etapa debe arrancar con un retardo de tiempo razonable para evitar un consumo de corriente muy elevado. La estabilidad de la temperatura de refrigeración y la eficiencia energética son sólo moderadas en esta configuración.
• Compresores de velocidad fija en ambas etapas - entrada de temperatura independiente para ambas etapas
  Ambos compresores arrancan y paran independientemente (etapa de alta temperatura <> temperatura del intercooler, etapa de baja temperatura <> temperatura del compartimento de refrigeración). El control del armario debe garantizar que ambos compresores no arranquen al mismo tiempo para evitar un consumo de corriente pico muy elevado. La desconexión del compresor de la etapa de baja temperatura mientras el compresor de la etapa de alta temperatura sigue funcionando puede provocar el retorno de una gran cantidad de refrigerante líquido al compresor de la etapa de alta temperatura > se recomienda la instalación de un recipiente de líquido en la línea de aspiración de la etapa de alta temperatura. La estabilidad de la temperatura de refrigeración es sólo moderada; la eficiencia energética en esta configuración puede ser mejor que con una sola entrada de temperatura.
• Combinación de compresor de velocidad fija y compresor de velocidad variable
  Lo ideal es utilizar el compresor de velocidad variable en las etapas de baja temperatura para conseguir una temperatura muy estable en el interior del compartimento de refrigeración. Se necesita una entrada de temperatura independiente para regular por separado la capacidad de ambas etapas en cascada (etapa de alta temperatura <> temperatura del interenfriador, etapa de baja temperatura <> temperatura del compartimento de refrigeración). El consumo de energía puede ser inferior al de los compresores de velocidad fija (en las etapas de baja temperatura) porque la temperatura de evaporación más baja de la configuración del compresor de velocidad variable puede ser superior a la de la configuración del compresor de velocidad fija.
• Combinación de dos compresores de velocidad variable
  Se necesita una entrada de temperatura separada para la regulación de capacidad separada de ambas etapas en cascada (etapa de alta temperatura <> temperatura del refrigerador intermedio, etapa de baja temperatura <> temperatura del compartimento de refrigeración). El consumo de energía y la estabilidad de la temperatura del compartimento de refrigeración son mejores con esta configuración.