Casi todos los sistemas industriales de amoníaco tienen agua adentro —típicamente 2 a 6% en peso— y casi nadie la ve como un problema hasta que los evaporadores rinden menos de lo que dice el catálogo. Acá va qué le hace el agua a un evaporador, por qué el daño se dispara cuando bajás el sobrealimentado o pasás a expansión seca, y qué se puede hacer al respecto.
Hay un dato incómodo detrás de muchas plantas de amoníaco que «no terminan de enfriar como deberían»: una pequeña cantidad de agua disuelta en el refrigerante. Esa agua siempre termina concentrándose en el lado de baja presión del sistema, justo donde están los evaporadores. Durante años se la ignoró porque en los sistemas con recirculación por bomba su efecto es chico. Pero la industria se mueve hacia tasas de sobrealimentado más bajas y hacia la expansión seca (DX), y ahí el agua deja de ser un detalle.
En Thermomac somos miembros del IIAR y seguimos de cerca este tipo de trabajos técnicos. Este post está basado en el paper «Thermodynamic Effects of Water in Ammonia on Evaporator Performance» (Bruce I. Nelson, P.E., Colmac Coil — IIAR Technical Paper #8, 2010).
Por qué DX y bajo sobrealimentado son tan atractivos
Primero, el contexto de por qué esto importa cada vez más. Operar los evaporadores con tasas de sobrealimentado reducidas (n menor a 2), hasta llegar a la expansión seca, trae ventajas concretas: se reduce o elimina la potencia de bombeo de líquido, las líneas de succión quedan secas o casi secas, se achican los diámetros de líquido y succión, baja el costo inicial y —sobre todo— se reduce drásticamente la carga de amoníaco de los evaporadores (hasta 30 veces menos en DX frente a amoníaco bombeado). En tiempos donde reducir el inventario de amoníaco es prioridad, la tentación es enorme. El problema es que ese mismo cambio hace que el agua pese mucho más.
Qué le hace el agua al amoníaco: una mezcla zeotrópica
La clave es entender que el amoníaco con algo de agua se comporta como una mezcla refrigerante zeotrópica binaria, igual que los blends de la familia «R4XX» (R410A, R404A, etc.). Estas mezclas tienen «glide»: la temperatura de ebullición cambia a medida que se evaporan.
¿Por qué? Porque el amoníaco es mucho más volátil que el agua. A lo largo del circuito del evaporador, el amoníaco se evapora primero y va dejando atrás un líquido cada vez más rico en agua. Ese líquido remanente tiene un punto de burbuja más alto, que sigue subiendo hasta la salida del evaporador. Es, literalmente, un proceso de destilación ocurriendo dentro de tu serpentina.
En sistemas bombeados con mucho sobrealimentado, ese corrimiento del punto de burbuja es chico (apenas 1 a 2 °F), y por eso los fabricantes y diseñadores de evaporadores lo suelen despreciar. Pero cuando bajás el sobrealimentado, la fracción de líquido que queda al final del circuito es cada vez más concentrada en agua, y el corrimiento se vuelve grande.
En expansión seca, la válvula queda «engañada»
Acá está el corazón del problema. En un evaporador DX, la válvula de expansión controla el flujo midiendo el sobrecalentamiento a la salida: cuando ve una temperatura por encima de la de saturación, asume que el refrigerante ya se evaporó por completo.
Pero cuando hay agua, ese aumento del punto de burbuja se parece a sobrecalentamiento sin serlo. La válvula lo interpreta como gas sobrecalentado y deja salir hacia la línea de succión una solución líquida de amoníaco-agua. Dicho de otro modo: cuando hay agua presente, se vuelve imposible sobrecalentar de verdad el refrigerante a la salida de un circuito DX. Siempre va a salir algo de líquido.
El paper da un ejemplo que asusta por lo concreto: un evaporador DX operando a 18,3 psia (1,3 bar), con amoníaco que contiene 5% de agua y un ajuste de sobrecalentamiento de 10 °F. Cuando el punto de burbuja se corrió esos 10 °F, la calidad del vapor es 0,80. Es decir, el 20% de la masa que sale del evaporador es líquido, y ese líquido tiene una concentración de agua de alrededor del 25%. Hay que asegurar suficiente capacidad de acumulador de succión para capturar y manejar ese líquido antes de que llegue al compresor y lo dañe.
Cuánto cuesta en rendimiento: peor de lo que pensás
El modelo de cálculo del paper compara dos casos típicos: flujo de refrigerante constante (amoníaco bombeado con bomba de desplazamiento fijo) y temperatura de salida constante (DX con válvula de expansión por sobrecalentamiento). Las conclusiones son claras y vale citarlas:
- La penalización de rendimiento por el corrimiento del punto de burbuja es significativamente mayor que la que uno estimaría con el simple cálculo de la concentración inicial de agua (el «ideal capacity ratio»).
- La penalización crece a medida que se reduce el sobrealimentado (n menor a 2), y queda «enmascarada» cuando el sobrealimentado es alto (n mayor a 2).
- Es siempre peor que lo predicho por el cálculo ideal cuando n es menor a 1,5, o cuando la concentración inicial de agua supera el 1%. En palabras del propio autor: «es peor de lo que pensabas.»
- La penalización también aumenta con la presión de operación (mayor temperatura de succión).
Regla práctica: el agua es un problema que crece justo cuando querés modernizar. Mientras sobrealimentás mucho, te la perdona; cuando bajás a DX o a bajo overfeed para reducir carga de amoníaco, te la cobra con intereses.
Qué hacer: capturar y remover el agua
La recomendación central del trabajo es directa: siempre hay que prever medios para capturar y remover el agua del sistema de amoníaco, especialmente en operación DX y con bajo sobrealimentado (n menor a 2). Existen dispositivos de remoción de agua comerciales que se instalan en sistemas nuevos o se adaptan a los existentes.
Ahora bien, remover el agua tiene sus límites físicos, y conviene conocerlos. Estos equipos concentran el agua calentando la solución, pero el diagrama de equilibrio de fases del amoníaco-agua muestra que por simple calentamiento solo se llega a una fracción máxima práctica de agua de aproximadamente 0,75 a 0,85. A presiones típicas de cámaras de congelado (10,4 a 18,3 psia), calentar la solución capturada mucho más allá de 120 °F (49 °C) empieza a generar vapor de agua que, si se ventea de vuelta al lado de succión, se recombina con el amoníaco: no ganaste nada.
Y queda un punto que no es de proceso sino de disposición: la solución concentrada de amoníaco-agua tiene un pH alto (basta muy poco amoníaco para superar 10,0). Diluirla hasta un pH aceptable para verterla a la cloaca puede requerir un volumen de agua impráctico, así que muchas veces hay que neutralizarla químicamente antes de disponerla, respetando la reglamentación ambiental local.
En resumen
El agua en el amoníaco no es un problema nuevo, pero se vuelve crítico exactamente en la dirección hacia donde va la industria: menos carga de refrigerante, bajo sobrealimentado, expansión seca. Ignorarla significa evaporadores que rinden por debajo de lo diseñado, válvulas de expansión que dejan pasar líquido y compresores expuestos a golpe de líquido. La buena noticia es que se mide, se remueve y se gestiona. La condición es dejar de tratarla como un detalle despreciable y diseñar el sistema —desde el primer día o en el retrofit— para sacarla.
Desde Thermomac
Como miembros del IIAR, en Thermomac aplicamos estos criterios al diseñar, evaluar y hacer retrofit de sistemas de amoníaco. Si estás pensando en bajar tu carga de amoníaco pasando a bajo sobrealimentado o a DX, el contenido de agua de tu sistema deja de ser un dato secundario: pasa a ser una variable de diseño. Podemos medir la concentración de agua, evaluar el impacto sobre tus evaporadores y definir el esquema de remoción que corresponde.
¿Querés saber cuánto agua tiene tu sistema y cuánto rendimiento te está costando? Escribinos y lo analizamos.
Fuente técnica: Bruce I. Nelson, P.E. (Colmac Coil Manufacturing, Inc.), «Thermodynamic Effects of Water in Ammonia on Evaporator Performance», IIAR Technical Paper #8, 2010 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, California.
