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Cuadernos de taller

Operación de vacío

Efrén Andrés Díaz

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Índice

Página

Introducción 2

Operación de vacío 3

1. Vacío. Unidades y medición 3

2. Presión absoluta y presión relativa 6

3. Útiles y herramientas para la operación de vacío 6

3.1. Llave de carraca 7

3.2. Bomba de vacío 7

3.3. Puente de manómetros 8

3.3.1. Medición del vacío con el puente de manómetros 10

3.4. Vacuómetro digital 11

4. Modo de efectuar el vacío en el equipo frigorífico 12

4.1. Anomalías durante la operación de vacío 13

Apéndice. Normativa 14

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Introducción Este cuadernillo forma parte de una serie que abarca las distintas fases de construcción de una instalación frigorífica de tipo medio, desde el montaje de la cámara de panelable hasta su puesta en marcha. Están destinados al aprendizaje del alumnado de Formación Profesional de los ciclos relacionados con la refrigeración comercial e industrial, centrándose principalmente en los trabajos de taller. La instalación a la que se refieren los cuadernillos está constituida por los elementos que pueden verse en la figura adjunta, cuyas características generales son:

Unidad condensadora con compresor semihermético y condensador enfriado por aire. Evaporador dinámico con sistema de desescarche por resistencias eléctricas. Sistema de expansión por medio de válvula termostática. Carga de refrigerante comprendida entre los 2,5 kg y los 10 kg. Tipo de refrigerante: R-134a o R-404A.

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Operación de vacío Tras efectuar la prueba de estanqueidad es necesario extraer el nitrógeno del interior de la instalación. Además del nitrógeno, es posible que pueda haber también cierta cantidad de aire, introducida espontáneamente durante el montaje de la instalación. La presencia de estos gases (aire y nitrógeno) supone un inconveniente para el funcionamiento del equipo frigorífico, principalmente por las siguientes razones:

Son gases que ocupan un volumen que no puede ser ocupado por el refrigerante, por lo que su presencia disminuye el rendimiento del equipo frigorífico.

El aire contiene humedad que puede condensarse y congelarse en la válvula de expansión, obturando su orificio.

Por ello, antes de proceder a la carga de refrigerante, es necesario extraer cualquier gas que se encuentre en el interior de la instalación en una operación llamada vacío.

1. Vacío: unidades y medición Los instrumentos para medir la presión durante la operación de vacío utilizan generalmente el micrón como unidad de medida de vacío. Seguidamente aclararemos el significado de esta unidad de presión así como su relación con otras unidades utilizadas comúnmente en los trabajos de refrigeración. El ambiente en el que vivimos está sometido a una presión llamada presión atmosférica, la cual es consecuencia del peso del aire que nos rodea. Esta presión varía en función de las condiciones meteorológicas y de la altitud. Se sabe que la presión ejercida por el aire en condiciones normales y al nivel del mar es la misma que la presión que ejerce una columna de mercurio (Hg) de 760 mm de altura (experimento de Evangelista Torricelli, figura 1). Este valor de la columna de mercurio da lugar a la unidad de presión denominada atmósfera (atm).

760 mm de Hg = 1 atm En honor a Torricelli se estableció la unidad de presión llamada Torr.

1 Torr = 1 mm de Hg

Esta unidad ha sido retirada del Sistema Internacional recientemente, aunque aún es posible encontrarla en algunos instrumentos de medida. La relación de estas unidades de presión con otras ya estudiadas en el primer curso es:

760 mm de Hg = 1 atm = 1,013 bar = 1,033 kg/cm2 = 1,013 x 105 Pa

Figura 1. Experimento de Torricelli.

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Teniendo en cuenta la precisión que se puede obtener con los manómetros de taller, es habitual hacer la siguiente aproximación:

760 mm de Hg = 1 atm 1 bar 1 kg/cm2 105 Pa

Para visualizar lo que sucede en una instalación frigorífica cuando se hace el vacío en su interior, supongamos que el tubo y la vasija de mercurio del experimento de Torricelli son introducidos en una campana herméticamente cerrada y puesta en comunicación con el aire exterior tan solo por un orificio A (figura 2). El interior de la campana representará en este ejemplo el interior de la instalación frigorífica. Supongamos que se introduce también un recipiente con agua representando a la humedad que pueda contener la instalación. Si el orificio A permanece abierto un tiempo suficiente, la campana se llenará de aire y la presión en el interior se igualará con la presión exterior. En este caso la altura de la columna de mercurio será de 760 mm (figura 2-1). Supongamos ahora que conectamos una bomba extractora de aire al orificio A. A medida que la bomba extraiga aire, la presión en el interior de la campana disminuirá, y como consecuencia, la altura de la columna de mercurio descenderá (figura 2-2). Si seguimos extrayendo aire, llegará un momento en que el agua del recipiente comenzará su ebullición debido al vacío reinante en el interior de la campana; esto sucederá cuando la columna de mercurio tenga una altura de 17,5 mm, que es la presión de saturación del agua a 20 oC (ver tabla 1). A través del orificio de la bomba saldrá aire y vapor de agua. Si detenemos en este momento la bomba, el agua seguirá su ebullición haciendo aumentar ligeramente la presión en el interior de la campana (figura 2-3).

PROPIEDADES DE SATURACIÓN DEL AGUA

Temperatura (oC)

Presión absoluta

(mm de Hg)

Temperatura (oC)

Presión absoluta

(mm de Hg)

-10 2,1 50 92,5

-5 3,2 60 149,4

0 4,6 70 233,7

5 6,5 80 355,1

10 9,2 90 525,8

15 12,8 100 760,0

20 17,5 110 1074,0

25 23,7 120 1489,1

30 31,8 130 2026,2

40 55,3 140 2711,0

Tabla 1. Propiedades de saturación del agua.

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Una vez que toda el agua se ha evaporado, el vacío puede continuar. En las operaciones de vacío de equipos frigoríficos se considera un vacío aceptable cuando la presión desciende a valores comprendidos entre 1 y 2 mm de Hg y se mantiene en dicho valor una vez que el agua se haya evaporado totalmente (figura 2-4). Como se ha dicho al principio de este apartado, la unidad de medida utilizada generalmente por los instrumentos destinados a medir el vacío es el micrón, el cual equivale a la presión ejercida por una columna de mercurio de tan solo una milésima de milímetro.

1 micrón = 0,001 mm Hg

1 mm de Hg = 1000 micrones

Figura 2. Relación entre el vacío y la altura de la columna de Hg.

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2. Presión absoluta y presión relativa o manométrica. En el ámbito de la refrigeración es frecuente utilizar presiones absolutas y presiones relativas o manométricas. Las presiones absolutas las encontraremos en las tablas y gráficos característicos de cada refrigerante, mientras que las presiones relativas o manométricas son las utilizadas en la mayoría de los trabajos de taller. La diferencia entre ambas estriba en la referencia que se toma como cero de presiones:

En la presión absoluta el cero corresponde al vacío absoluto (ausencia total de aire o cualquier otro gas).

En la presión relativa o manométrica el cero corresponde a la presión atmosférica del ambiente en el momento de efectuar la medición.

En el ejemplo del apartado anterior (figura 2) se realizó la medición en presiones absolutas, por lo que al hacer el vacío la presión descendió desde 760 mm hasta valores próximos a 0 mm de Hg. En el ejemplo siguiente (figura 3) se realiza la medición en presiones relativas mediante la diferencia de niveles de un barómetro de mercurio, correspondiendo el cero a la presión atmosférica (figura 3-1) y los 760 mm al vacío absoluto (figura 3-2).

Figura 3. Medición del vacío en presiones relativas.

3. Útiles y herramientas para la operación de vacío Los útiles y herramientas a utilizar en la operación de vacío son los siguientes: Llave de carraca Bomba de vacío Puente de manómetros Vacuómetro digital

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3.1. Llave de carraca Se utiliza para actuar sobre las válvulas de servicio de la unidad condensadora o sobre las válvulas de algunas botellas de refrigerante (figura 4). Tiene un agujero cuadrado que encaja con la cabeza de la válvula. Esta llave permite transmitir la fuerza de apriete en un sentido mientras que patina en el sentido contrario, emitiendo un característico ruido de carraca. Dispone de un dispositivo que permite cambiar el sentido de la fuerza de apriete.

Figura 4. Llave de carraca.

3.2. Bomba de vacío Básicamente, la bomba de vacío (figura 5) consta de un motor eléctrico que acciona una bomba de paletas, la cual se encuentra inmersa en aceite para su lubricación. La aspiración de la bomba se realiza a través de una válvula, a la cual se conecta la manguera amarilla del puente de manómetros. Al poner en marcha la bomba, ésta absorbe los gases del interior de la instalación y los expulsa al exterior a través de su válvula de escape. La humedad extraída de la instalación tiende a condensarse y mezclarse con el aceite de la bomba de vacío, mermando su eficacia. Para evitarlo, las bombas de vacío incluyen una válvula de balasto. La válvula de balasto tiene la función de introducir una pequeña cantidad de aire atmosférico a través de la cámara de escape, el cual se mezcla con el vapor extraído del sistema y evita su condensación, facilitando la salida de humedad de la bomba en forma de vapor.

Figura 5. Bomba de vacío.

Motor

Alimentación

Interruptor

Escape

Válvula de entrada

Carga de aceite

Nivel de aceite

Balasto

Vaciado de aceite

Bomba

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3.3. Puente de manómetros El puente de manómetros es un instrumento esencial en los trabajos de trasiego de refrigerante así como en el análisis del funcionamiento de la instalación. Consiste en un colector dividido interiormente en tres espacios: uno central y dos laterales. El espacio central va conectado a una manguera amarilla, utilizada generalmente para el trasiego de refrigerante. El espacio de la izquierda dispone de una manguera azul que se conecta a la toma de baja presión de la instalación, así como de un manómetro para la lectura de la baja presión. Asimismo, el espacio de la derecha dispone de una manguera roja que se conecta a la toma de alta presión de la instalación, y de un manómetro para la lectura de la alta presión (figura 6).

Figura 6. Puente de manómetros. Los grifos o válvulas del puente de manómetros permiten poner en comunicación el espacio central con los espacios laterales, o, dicho de otra forma, permiten poner en comunicación la manguera central (amarilla) con las mangueras laterales (azul y roja, respectivamente). Es frecuente que los puentes de manómetros incluyan también un visor de líquido en el espacio central, el cual permite observar el paso del refrigerante durante las operaciones de carga. Algunos puentes de manómetros disponen de otras dos tomas adicionales situadas respectivamente en el centro y en el lado izquierdo del puente de manómetros (señaladas en la figura 7 con los números 1 y 2); ambas tomas están conectadas directamente con el espacio central y, como veremos más adelante, se emplean para la conexión de otros aparatos utilizados en el trasiego de refrigerante. La aparente toma señalada con el número 3 no es tal; se trata simplemente de un soporte para roscar en él la manguera central cuando no se está utilizando.

Manómetro de baja presión

Manómetro de alta presión

Manguera de baja presión (azul)

Manguera de alta presión (roja)

Visor de líquido

Válvula de baja presión

Válvula de alta presión

Manguera central

(amarilla)

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Figura 7. Puente de manómetros de cinco salidas. En la figura 8 pueden verse tres ejemplos de manipulación del puente de manómetros. La figura 8-A muestra un puente de manómetros con la válvula de baja presión (la azul) abierta y la de alta presión (la roja) cerrada. En este caso, si el refrigerante que entra por la manguera central (la amarilla), saldrá por la manguera azul, pues ambas están comunicadas. El manómetro de baja presión medirá la presión reinante. La figura 8-B muestra un puente de manómetros con la válvula de baja presión (la azul) cerrada y la de alta presión (la roja) abierta. En este caso, si el refrigerante que entra por la manguera central (la amarilla), saldrá por la manguera roja, pues ambas están comunicadas. El manómetro de alta presión medirá la presión reinante. La figura 8-C muestra que, si se conectan las mangueras azul y roja a sendos recipientes que contienen gas a presión, ésta puede ser leída aún cuando las válvulas del puente de manómetro permanezcan cerradas.

Figura 8. Distintas operaciones con el puente de manómetros

A B C

1

2

3

10

3.3.1. Medición del vacío con el puente de manómetros El manómetro (figura 9) es el instrumento destinado a medir presiones. Su esfera cuenta generalmente con dos escalas de presiones: una en bar y otra en PSI (Pound Square Inch). También cuenta con varias escalas que permiten leer las temperaturas de saturación (en oC) de distintos refrigerantes a una presión determinada. Se podría decir que la esfera de los manómetros es una regla de frigorista dispuesta en forma circular.

Figura 9. Manómetros de baja y alta presión para refrigerantes. Los manómetros miden presiones relativas, por lo que, el cero corresponde siempre a la presión del ambiente en el que se realiza la medición (presión atmosférica). Antes de utilizar los manómetros es conveniente comprobar que, sometidos a la presión atmosférica, señalan el cero de la escala de presiones; en caso contrario hay que ponerlos a cero girando muy levemente el tornillo de regulación que tienen para tal fin (figuras 10 y 11). Generalmente también cuentan con una escala de vacío para medir presiones por debajo de 0 bar, graduada en bar o en mm de Hg (milímetros de mercurio). En el primer caso sus valores estarán comprendidos entre 0 bar y -1 bar. En el segundo caso la escala estará comprendida entre 0 y 760 mm de Hg. En la figura 11 puede verse un manómetro cuya escala de vacío está dividida en 76 cm de Hg. Conviene aclarar que la apreciación de los manómetros es del orden de 0,1 bar (76 mm de Hg), muy lejos de la apreciación que se consigue con un vacuómetro digital, en el que la apreciación es del orden de milésimas de milímetro de Hg (micrones).

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Figura 10. Manómetro con escala de vacío en bar.

Figura 11. Manómetro con escala de vacío en cm de Hg.

3.4. Vacuómetro digital Este instrumento (figura 12) permite medir con precisión el nivel de vacío que se efectúa en el interior de la instalación. En él pueden seleccionarse las unidades de presión, así como las unidades de vacío: micrones, milibares, pascales, etc. A diferencia de los manómetros, los vacuómetros digitales miden presiones absolutas, por lo que, al hacer el vacío, el valor de la presión desciende desde 1 atmósfera (760 mm de Hg) hasta 0 micrones.

Figura 12. Vacuómetro.

Tornillo de regulación

Tornillo de regulación

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4. Modo de efectuar el vacío en el equipo frigorífico A continuación se detallan las operaciones a realizar para efectuar el vacío en la instalación (figura 13): 1. Comprobar que no hay válvulas cerradas que impidan la realización del vacío en alguna parte de la

instalación. Si las hay, deben estar abiertas durante la operación. En particular, la bobina de la válvula de solenoide ha de ser sustituida por un imán que la mantenga abierta durante toda la operación de vacío.

2. Asegurarse de que las válvulas de servicio a las que están conectadas las mangueras están en posición intermedia.

3. Extraer el nitrógeno utilizado en la prueba de estanqueidad. Para ello abrir lentamente los grifos del puente de manómetros y dejar que salga por la manguera amarilla con lentitud.

4. Conectar la bomba de vacío a la manguera amarilla del puente de manómetros. Conectar también un vacuómetro a la válvula de servicio de alta presión del compresor utilizando para ello una manguera auxiliar. Si los manómetros tienen toma lateral (a la izquierda), el vacuómetro puede ser conectado a dicha toma en lugar de a la válvula de servicio del compresor. La conexión del vacuómetro intercalado entre dos mangueras no es recomendable.

5. Asegurarse de que no hay presión en el interior de la instalación (los manómetros han de marcar 0 bar) y abrir las válvulas del puente de manómetros. En caso de que hubiera presión significaría que aún queda nitrógeno en su interior, por lo que deberíamos extraerlo según lo indicado arriba.

6. Encender el vacuómetro y poner la bomba de vacío en funcionamiento. 7. El tiempo que ha de transcurrir para que se efectúe el vacío depende del tamaño de la instalación,

de la calidad de la bomba de vacío y de las condiciones de humedad en el interior de la instalación. En nuestro caso, este tiempo puede oscilar entre ½ hora y 2 horas.

8. Se considerará un vacío suficiente cuando el vacuómetro marque y se mantenga durante 60 minutos en una presión de 2000 micrones o inferior. En el caso de que no se logre el vacío deseado, consultar el apartado Anomalías durante la operación de vacío.

El Reglamento de seguridad para instalaciones frigoríficas establece que la presión de vacío ha de ser, como máximo, de 270 Pa; este valor equivale aproximadamente a 2000 micrones (2 mm de Hg), según se deduce de la regla de tres siguiente:

760 mm de Hg = 1,013 x 105 Pa X mm de Hg = 270 Pa

9. Una vez logrado el vacío, cerrar los grifos del puente de manómetros y la válvula de cierre la

bomba de vacío; finalmente apagar la bomba. En el caso de que el vacío no se mantenga, consultar el apartado Anomalías durante la operación de vacío.

10. Una vez observado que el vacío se mantiene, conectar la manguera amarilla del puente de manómetros a la toma de líquido de la botella de carga, quedando así preparado para la carga de refrigerante.

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Figura 13. Conexión de mangueras y situación de las válvulas durante la operación de vacío

4.1. Anomalías durante la operación de vacío Al hacer la operación de vacío puede suceder que:

a) No se logra el vacío deseado tras un tiempo relativamente largo, y al cerrar los grifos del puente de manómetros y parar la bomba, la presión sube lentamente hasta alcanzar valores próximos a la presión atmosférica. Estos síntomas nos indican que existe una fuga y entra aire del exterior, en cuyo caso será necesario verificar la estanqueidad.

b) No se logra el vacío deseado tras un tiempo relativamente largo, y al cerrar los grifos del puente de manómetros y parar la bomba, la presión sube lentamente hasta alcanzar un valor aproximadamente igual al de la presión de saturación del agua (ver tabla 1). Este síntoma es indicativo de que hay una gran cantidad de humedad en la instalación, haciéndose necesario continuar la operación de vacío. La presencia de humedad puede ser

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detectada también mediante el sensor de humedad del visor de líquido (verde = seco; amarillo = húmedo)

c) Se logra el vacío pero al comprobar si se mantiene, la presión sube lentamente hasta valores próximos a la presión atmosférica. De nuevo un síntoma de fuga que hace necesaria una verificación de la estanqueidad.

d) Se logra el vacío pero al comprobar si se mantiene, la presión sube lentamente hasta un valor próximo a la presión de saturación del agua (tabla 1). Es un síntoma de presencia de humedad en el interior de la instalación y que hace necesario continuar con la operación de vacío.

Apéndice. Normativa Este apartado contiene extractos de las normas vigentes relacionados con el tema de este cuadernillo. En especial se citan fragmentos del Reglamento de seguridad para instalaciones frigoríficas publicado en el Boletín Oficial del Estado del 4 de febrero de 2011. Respecto a la operación de vacío, hemos extraído de dicho Reglamento los siguientes párrafos: Las operaciones de extracción de la humedad mediante vacío no podrán utilizarse para comprobar la estanqueidad del circuito frigorífico.

Reglamento de seguridad para instalaciones frigoríficas Instrucción Técnica IF-09

Apartado 1.6.1

La presión de vacío de los sistemas con halocarbonos o hidrocarburos antes de recargar el refrigerante será inferior a 270 Pa absolutos. El plazo de tiempo para mantener el vacío dependerá del tamaño y la complejidad del sistema, con un mínimo de 60 minutos.

Reglamento de seguridad para instalaciones frigoríficas

Instrucción Técnica IF-09 Apartado 1.6.3