El Evaporador

EL EVAPORADOR Y SU

FUNCIONAMIENTO

FICHA DE RED N 5.07EL EVAPORADOR

rea Empresarial Andaluca C.L.A.Ctra. Andaluca, km. 16.5 Sector 7-828906 GetafeMadrid

Captulo N 5 FICHAS DE PRODUCTOFicha N 5.07 El evaporadorVersin 1 Fecha de creacin 30/03/01 12:40 Pgina 1 de 10

Propiedad de Valeo Distribucin Espaa. Prohibida su reproduccin. 2001

Definicin

El evaporador se encuentra localizado en el conjunto de distribucin de trampillas, despus delimpulsor y antes del radiador de calefaccin. El evaporador del circuito frigorfico es unintercambiador trmico que tiene por funcin enfriar y deshumidificar el aire que lo atraviesa Paraello absorbe calor del aire, producindose dos fenmenos fsicos:- el aire se enfra y el vapor de agua presente en este aire se condensa en las aletas del evaporador- el fluido se evapora y se recalienta.

Funcin

El evaporador desempea la funcin de enfriar el aire puesto en movimiento por el impulsor(ventilador centrfugo situado en el conjunto de distribucin de trampillas) y enviado hacia elhabitculo del vehculo.En ciertas condiciones de utilizacin del circuito frigorfico, debe permitir deshumidificar ese flujode aire, con el fin de evitar el empaado de las superficies acristaladas del vehculo. Sin embargo, elnivel de deshumidificacin no es controlable ya que depende directamente de la temperatura a la seva a enfriar dicho aire; la deshumidificacin del aire no se produce a menos que su temperatura seainferior a la temperatura de roco correspondiente al aire.

Funcionamiento

Balance energtico del aire

El aire caliente y hmedo, puesto en movimiento por el impulsor, se enfra y generalmente sedeshumidifica en contacto con las aletas fras del intercambiador.La potencia cedida por el aire o potencia frigorfica del circuito, Pfrigo, se puede descomponer en unapotencia de refrigeracin y una potencia de condensacin:

Pfrigo = Qa Cp ( Ti Tf) + Qa ( Hai Haf ) L

donde Qa : caudal msico del aire que atraviesa el evaporador, en kg/sCp : calor especfico del aire, en J/kg.CTi : temperatura del aire a la entrada del haz de tubos del intercambiador, en CTf : temperatura del aire a la salida del haz de tubos del intercambiador, en CHai : humedad absoluta del aire a la entrada del intercambiador, en kg de agua por kg

de aire seco,Haf : humedad absoluta del aire a la salida del intercambiador, en kg de agua por kg

de aire seco,L : calor latente de evaporacin del agua, en J/kg

Esta frmula solamente es vlida si existe condensacin en las aletas del evaporador, y en ese casoHai > Haf. Esto se cumple si el aire es enfriado hasta una temperatura inferior a la temperatura deroco correspondiente al aire aspirado.El diagrama psicomtrico del aire hmedo permite apreciar la cantidad de agua depositada sobre lasparedes del intercambiador.





En el ejemplo adjunto, se considera el caso siguiente:

Ti = 35C y Tf = 10CHRi = 40% HRf = 100%

Hai 0.0141 kg/kg Haf 0.0078 kg/kg

tomando como hiptesis que el aire sale del evaporador saturado (HR = 100%). Con un caudal deaire impulsado de 500 kg/h, la produccin de agua sobre las aletas del evaporador es igual a:

Qcondensados = Qa ( Hai Haf ) = 3.15 kg/h





Si no hay condensacin, es decir si el aire se lleva a una temperatura superior a la temperatura deroco, la potencia calorfica cedida por el aire al refrigerante se limita a la potencia de refrigeracin,es decir:

Pfrigo = Qa Cp ( Ti Tf)

Observacin. Es muy difcil estimar las prestaciones de un ciclo frigorfico conociendo nicamentelas temperaturas antes y despus del evaporador. La humedad del aire aspirado tiene una granimportancia ya que puede limitar de una manera importante la potencia frigorfica del evaporador:cuanto ms hmedo est el aire aspirado, mayor ser la condensacin sobre las aletas, y menos seenfriar el aire.

Balance energtico del fluido

En el evaporador, el fluido absorbe del aire la siguiente potencia:

Pfrigo = Qf ( h2 h1 ) en W

donde Qf : caudal msico de fluido, en kg/sh1 : entalpa especfica del fluido a la entrada del evaporador, en J/kgh2 : entalpa especfica del fluido a la salida del evaporador, en J/kg

Al absorber el calor del aire, el fluido sufre las siguientes transformaciones:

1 1 : el fluido, en estado difsico (lquido/gas) a la salida de la vlvula deexpansin, termina de evaporarse a temperatura constante Tev, que es latemperatura de evaporacin a la presin de baja del circuito,

1 2 : el fluido en estado vapor es recalentado de Tev a T2.

0.2 0.4 0.6 0.8

50.0

10.0

5.0

1.0

0.5

0.1

Presin (bar)

Entalpa (kJ/kg)h1 h2





El calor cedido por el aire al fluido se descompone en:

- por un lado, calor latente de cambio de estado (evaporacin del fluido),- por otro, calor sensible, cuando la temperatura del fluido vara (calentamiento del fluido de

Tev a T2),

El fluido penetra en estado difsico al evaporador, y sale de este en estado vapor.

Observacin. Se desprecian en este caso las prdidas de presin del circuito, y en particular lasprdidas producidas en el evaporador y en las canalizaciones. Se considera por lo tanto que losintercambios trmicos en el evaporador se producen a presin constante, a la presin de baja delcircuito.

Se define el recalentamiento RC como la diferencia entre la temperatura a la que sale el fluido delevaporador y la temperatura de evaporacin:

RC = ( T2 Tev )

Se debe garantizar un recalentamiento superior a dos grados para asegurar que la totalidad delfluido va a entrar en estado vapor al compresor, y proteger dicho componente.

Caractersticas de los intercambios trmicos

Los intercambios trmicos entre el aire y el fluido se realizan principalmente por:

- conduccin trmica, el calor se propaga por proximidad a travs de los diferentes materiales,desde las zonas mas calientes a las mas fras del evaporador,

0.4 0.6 0.80.2

50.0

10.0

5.0

1.0

0.5

0.1

Presin (bar)

Tev T2

100 200 300 400 500Entalpa (kJ/kg)

HP

BP1 1 2

evaporacin recalentamient



Captulo N 5Ficha N 5.07Versin 1

Propiedad de Valeo Distribucin Espaa. Prohibida su r

- conveccin trmica, entre el aire y la superficie externa del evaporador por un lado, y entre elfluido y la superficie interna del evaporador por otro.

La potencia calorfica transmitida al fluido por el aire Pfrigo puede expresarse de la siguiente forma:

Pfrigo = hevap S ( Ti Tev ) en W

en donde hevap es un coeficiente global de intercambio del evaporador, relativo a la superficieexterna S del componente, expresada en W/m2.C. Este coeficiente tiene en cuenta el conjunto delos modos de transmisin del calor, y representa la eficacia del intercambio trmico.Este coeficiente depende no solamente del tipo de evaporador, y en particular del tipo de haz detubos (serpentn, tubos y aletas, de placas), sino tambin de las condiciones de funcionamiento delcircuito.

Se puede observar que a medida que hevap disminuye, se necesita un valor superior de la resta (Ti Tev), y por lo tanto, se necesita un valor menor de la temperatura de evaporacin Tev y por lo tantoun valor menor de la presin de baja.

La sustitucin de un evaporador por otro de menor eficacia representa una variacin de la presinde baja del circuito, e implica unas menores prestaciones del circuito, as como un corte cclico delcompresor ocasionado por la sonda del evaporador, que mide una temperatura inferior en las aletasdel evaporador.Se puede observar en el diagrama siguiente como vara el ciclo de funcionamiento del circuitofrigorfico cuando se sustituye el evaporador por otro de menor eficacia:

Se parte de la hiptesis de que los ciclostemperatura de evaporacin, y que el rprcticamente constantes.

T

Tev

BP

BP

Presin

h1FICHAS DE PRODUCTOEl evaporadorFecha de creacin 30/03/01 12:40 Pgina 5 de 10

eproduccin. 2001

de funcionamiento difieren principalmente en laecalentamiento y el subenfriamiento permanecen

ev

Entalpah2 h2





El resultado de esta variacin en el circuito es:- una disminucin importante del caudal msico debida a:

una disminucin del rendimiento volumtrico del compresor (debida al aumento de larelacin de compresin),

un aumento del volumen especfico del fluido a la entrada del compresor,

- una reduccin de la diferencia de entalpa (h2 h1) ,- una disminucin del rendimiento efectivo del compresor (debida al aumento de la relacin de

compresin),

lo que conlleva una reduccin de la potencia frigorfica y una disminucin del rendimiento delcircuito.





Diferentes tecnologas.

Existen tres tecnologas de evaporadores actualmente en el mercado de la climatizacin delautomvil. El haz de tubos del evaporador puede ser de tipo:

- serpentn,- tubos / aletas,- de placas.

Evaporadores de serpentn

Estn compuestos de un solo tubo plano extruido que contiene mltiples canalizaciones internas conel fin de hacer circular el fluido. El tubo plano tiene forma de serpentn, y entre sus meandros estnintercaladas las aletas en forma de acorden. El conjunto es soldado por calor.Esta tecnologa es utilizada por algunos constructores japoneses.

Evaporadores de tubos y aletas

Estn constituidos por tubos cilndricos en forma de horquilla, insertados paralelamente entre unasaletas, y expandidos mecnicamente para favorecer los intercambios trmicos entre los tubos y lasaletas. Los tubos se unen entre ellos en cada extremo mediante unos codos, de manera que sesubdivide el intercambiador en varias secciones paralelas, de longitud e intercambio trmicoidnticos. Cada seccin est alimentada por un capilar por dnde entra el fluido proveniente de unventuri que conecta dichos capilares con la vlvula de expansin.Esta tecnologa es la ms utilizada hasta la fecha por los constructores europeos.





Evaporadores de placas

Estn sustituyendo progresivamente los evaporadores de tubos y aletas ya que resultan mseconmicos para grandes series.El circuito est formado por placas colocadas unas sobre otras, en forma de cubetas. Entre dichostubos planos se intercalan las aletas en forma de acorden. El conjunto se galvaniza en un horno, alvaco o bajo una atmsfera neutra.Esta tecnologa es utilizada tradicionalmente por los constructores americanos.

Recomendaciones a los intervinientes

- No se debe sustituir un evaporador por un adaptable- Se debe verificar que la superficie externa del evaporador est exenta de suciedad y de

corrosin- Se debe verificar que la superficie externa del evaporador no se congele (sonda de evaporador

defectuosa)





Repaso de los fundamentos

Funcionamiento del ciclo frigorfico

Para que el fluido:

- ceda su calor al aire en el condensador,- y absorba el calor del aire en el evaporador,

es necesario que las temperaturas de condensacin Tc y de evaporacin Tev del fluido cumplan lassiguientes condiciones:

Tc > Tambiente

Tev. < Tambiente

Para el caso de funcionamiento con aire exterior (para el funcionamiento con aire recirculado, latemperatura de evaporacin se debe comparar con la de aire recirculado).La temperatura del aire exterior influye directamente sobre Tc y Tev., y por consiguiente sobre laspresiones de alta y de baja del circuito.

Entalpa

La entalpa de un fluido representa la cantidad de energa por dicho fluido, en forma de calor o depresin. Determina el estado energtico del fluido y se expresa en J/kg.El calor aportado a un fluido aumenta su entalpa, y por lo tanto el calor extrado de un fluidoprovoca una disminucin de su entalpa.Cuando el fluido sufre una transformacin a presin constante, sea durante la evaporacin o lacondensacin, intercambia con el exterior una cantidad de calor igual a su variacin de entalpamultiplicada por la masa de fluido que atraviesa el intercambiador.

Diagrama de Mollier

El fluido est caracterizado en este diagrama por su presin, temperatura y volumen especfico, suentalpa, as como su ttulo de vapor si est en estado difsico.La curva Csat, que tiene forma de campana, es la curva de saturacin del fluido. Delimita tresregiones diferentes que permiten caracterizar el estado del fluido:

Tc

Tambiente

Tev





- a la izquierda de la curva, el fluido est en estado lquido,- a la derecha de la curva, el fluido est en estado vapor,- bajo la curva, el fluido est en estado difsico: est compuesto de lquido y vapor, y las

curvas marcadas con % determinan el ttulo de vapor de la mezcla, o porcentaje de fluido enestado vapor de la mezcla.

Las curvas T son curvas de temperatura constante, llamadas isotermas. Se puede observar en laparte difsica como a cada presin corresponde una temperatura del fluido: durante el cambio deestado (evaporacin y condensacin) a presin constante, la temperatura del fluido permanececonstante.As pues, un lquido calentado a presin constante alcanza en un momento dado la curva desaturacin en un punto A. Si se continua calentando dicho fluido, el lquido se va a evaporarprogresivamente, permaneciendo la temperatura constante hasta el final de la evaporacin en B. Elposterior calentamiento del fluido aumenta su temperatura de ste.

La diferencia de entalpa entre A y B, es decir (hB hA), corresponde a la cantidad de calornecesaria para evaporar por completo la cantidad de fluido tratada. Se trata del calor latente deevaporacin del fluido, a la presin a la que tiene lugar la transformacin.Para condensar el fluido a esta misma presin, es decir para ir de B a A, se debe extraer esta mismacantidad de calor del fluido (hB hA).

Calor especfico Cp / Calor latente de evaporacin L

El calor especfico Cp determina el efecto de un aporte de calor sobre la temperatura de un sistema.En otros trminos, es la medida de la energa trmica necesaria para modificar la temperatura delsistema.El calor latente de evaporacin L determina la energa trmica necesaria para evaporar o condensarun fluido.

A B

T

0.4 0.6 0.80.2

Lquido

Lquido + Vapor Gas

Presin

EntalpahA hB

Csat

%

Evaporacin

Condensacin

DefinicinFuncinFuncionamientoBalance energtico del aireBalance energtico del fluidoEn el evaporador, el fluido absorbe del aire la siguiente potencia:

Caractersticas de los intercambios trmicosEvaporadores de serpentnEvaporadores de tubos y aletasEvaporadores de placasRecomendaciones a los intervinientesRepaso de los fundamentosFuncionamiento del ciclo frigorficoEntalpaDiagrama de MollierCalor especfico Cp / Calor latente de evaporacin L

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