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Diagnóstico y solución de la insuficiente productividad de sistemas industriales de refrigeración: hidráulica, intercambio de calor y refrigerante

Technical analysis: Troubleshooting industrial cooling system insufficient capacity: heat load calculation, flow balance

Diagnóstico y solución de la insuficiente productividad de sistemas industriales de refrigeración: hidráulica, intercambio de calor y refrigerante

1. Descripción del problema y campo de aplicación

< ступінь серйозності: Crítico (peligro de parada del equipo tecnológico o activación accidental del sistema de protección) >

Este manual está destinado a ingenieros jefes de confiabilidad, jefes de departamento y mecánicos de guardia de las empresas de la industria ucraniana (metalurgia, maquinaria, producción química, industria alimentaria y energía). El manual abarca sistemas industriales de refrigeración (chillers, torres de enfriamiento, intercambiadores de calor de placas y tubos alrededor de un casco, estaciones de bombas de circuitos de refrigeración).

Síntoma principal considerado: baja capacidad frigorífica del sistema, que se manifiesta en la imposibilidad de alcanzar la temperatura del proceso deseada, aumento de la temperatura del fluido de retorno por encima de los límites permitidos (+15 °C para los circuitos tecnológicos o +7 °C para los sistemas de climatización del aire), o parada periódica del equipo según la señal del relé de presión alta del refrigerante o protección del compresor contra sobrecarga.

La falta de capacidad de enfriamiento causa paradas de emergencia de líneas de prensas, termoplásticos, complejos láser y equipo de compresión. Una diagnóstico exitoso requiere la eliminación secuencial de factores: desviación del caudal de líquido, contaminación de superficies de intercambio térmico, alteración del balance de refrigerante y aumento de la disipación térmica en el objeto enfriado.

2. Medidas de seguridad

¡ADVERTENCIA! PELIGRO DE PRESIÓN ALTA Y SUSTANCIAS TÓXICAS. Antes de iniciar cualquier trabajo, realice el procedimiento Lockout/Tagout (LOTO). Desconecte la alimentación de los compresores, bombas y ventiladores en el panel de distribución principal, bloquee la entrada y coloque etiquetas de aviso según las normas НПАОП 0.00-1.28-10.

MEDIOS DE PROTECCIÓN INDIVIDUAL (MPI): Gafas de protección con protección lateral (EN 166), guantes químicos resistentes (nitrilo o neopreno al trabajar con glicoles y refrigerantes), calzado de protección con puntera metálica (EN ISO 20345), respirador o mascarilla con filtro adecuado al trabajar con amoníaco o freones en espacios cerrados.

ADVERTENCIA DE RETENCIÓN DE ENERGÍA: Los contornos de enfriamiento a presión pueden contener líquido y gas a presión hasta 25 bar. Antes de desconectar los flanges o los accesorios, cierre obligatoriamente las válvulas de cierre y descargue la presión residual a través de los puertos de manómetro. No permita que el agente frío líquido entre en contacto con la piel expuesta — esto provoca quemaduras criogénicas.

3. Herramientas diagnósticas necesarias

Nombre del instrumento Especificación / Modelo Rango de medición Destino
Manifold digital Testo 550s o similar (CE) -1 hasta 60 bar, -50 hasta +150 °C Medición de presión de condensación/ebullición, sobrecalentamiento y subenfriamiento del freón
Medidor de caudal ultrasónico Fugita / Flexim Fluxus (o similar) 0,1 – 20 m/s, tuberías DN15–DN1000 Control de la cantidad real de fluido refrigerante en el circuito
Termógrafo (Termovisor) Fluke Ti401PRO / Testo 883 -20 hasta +650 °C, sensibilidad < 0,05 °C Detección de zonas de contaminación de los intercambiadores de calor, sobrecalentamiento de los rodamientos, caudal de bypass
Analizador portátil de vibración VMI / Fluke 810 10–10000 Hz, velocidad de vibración 0.1–200 mm/s Diagnóstico del estado de los rodamientos de bombas y compresores
Multímetro True RMS Fluke 87V 0–1000 V AC/DC, 0–10 A (hasta 400 A con bornes) Verificación de la tensión de alimentación, corriente de consumo de los compresores y bombas
Refractómetro Digital Brix/Glycol Refractometer 0–80% de concentración de glicol, -50 hasta 0 °C Determinación de la temperatura de congelación y la concentración de la solución acuosa de glicol de propileno/etileno

4. Checklist inicial de evaluación del estado

Parámetro para verificar Valor normativo (Permisible) Valor de alarma (Emergencia) Valor real
Temperatura del agua en la entrada al enfriador +10 °C hasta +14 °C +18 °C [ ] Registrar
Temperatura del agua a la salida del enfriador +5 °C hasta +7 °C +10 °C [ ] Registrar
Diferencia de presión en el evaporador / intercambiador de calor De acuerdo con el catálogo OEM (0.5 – 1.5 bar) Desviación > 30% del nominal [ ] Registrar
Sobrecalentamiento del refrigerante en la succión del compresor 5 K – 8 K < 3 K (ризик заливу) або > 12 K [ ] Registrar
Enfriamiento excesivo en el condensador 3 K – 5 K < 1 K (нестача фреону) або > 8 K [ ] Registrar
Corriente de consumo del compresor (L1, L2, L3) Dentro del nominal en la placa de características (±5%) 105% del nominal o asimetría > 2% [ ] Registrar
Concentración de glicol en el sistema De acuerdo con la carta de modo (por ejemplo, 30%) 45% (aumento de viscosidad, pérdida de capacidad térmica) [ ] Registrar

5. Diagrama de bloques diagnóstico sistemático

  • SÍNTOM: Producción frigorífica insuficiente (temperatura del proceso superior al ajuste)
    • PASO 1: Verifique la carga térmica total del objeto.
      • SI la carga térmica excede el proyecto (aumento de potencia de las máquinas/área de más del 15%) O la temperatura del entorno es superior a la calculada (según DIN EN 14511) $ ightarrow$ Causa: Sobrecarga del sistema de enfriamiento por flujo térmico.
      • Si el calor generado está dentro de los límites normales $ \rightarrow $ Pasamos al PASO 2.
    • PASO 2: Mida el caudal de fluido refrigerante con un caudalímetro ultrasónico y verifique la caída de presión.
      • SI el caudal es inferior al nominal en >20% $ ightarrow$ Verifique la posición de los válvulas de equilibrio, el estado de los filtros de partículas y el punto de trabajo de las bombas. $ ightarrow$ Causa: Desbalanceo hidráulico o restricción del caudal.
      • IF diferencia de presión en el intercambiador de calor es mayor en >40% a la capacidad nominal o reducida $ \rightarrow $ Causa: Contaminación (calefacción, biofilm, acumulación de sedimentos) de las superficies de intercambio.
      • La pérdida de flujo e impedancia hidráulica están dentro de los valores normales $ \rightarrow $ Pasamos al PASO 3.
    • PASO 3: Conecte el manifold digital y verifique los parámetros del circuito frigorífico (presión de evaporación, condensación, sobrecalentamiento, subenfriamiento).
      • SI subenfriamiento < 1 K AND температура на рідинній лінії нижча за норму AND є бульбашки у смотровому склі $ ightarrow$ Causa: Falta de carga de refrigerante (fuga).
      • Si la presión de condensación excede el calculado en >4 bar Y la temperatura del aire/agua en la entrada al condensador está en condiciones normales $ \rightarrow $ Causa: Contaminación del condensador o presencia de gases no condensables en el circuito.
      • IF sobrecalentamiento en succión > 12 K AND posición del válvula de expansión termostática (VET/VE) cerrada $ ightarrow$ Causa: Fallo de la VET/VE o contaminación del filtro-desecador.

6. Matriz de fallos y causas

Síntoma Posibles causas (según probabilidad) Prueba diagnóstica Resultado esperado al confirmar la causa
Alta temperatura del agua a la salida, activación de protección LP/HP 1. Contaminación del evaporador de placas por calificación.
2. Reducción del caudal debido a la obstrucción del filtro de malla.
3. Falta de freón (fuga).		 Medir el diferencial de temperatura del agua y el diferencial de presión en el evaporador. Tomar una termografía del intercambiador de calor. La diferencia de presión es superior al nominal en un 50%. La termografía muestra un distribución desigual de temperaturas (acumulación de flujos).
El compresor funciona continuamente, pero no hay frío 1. Fuga de refrigerante.
2. Obstrucción del filtro-desecante.
3. Pérdida de rendimiento del compresor (desgaste de válvulas).		 Revisar el vidrio de inspección para la presencia de humedad/burbujas. Medir el sobrecalentamiento y el sobrefrigeramiento. Vista del vidrio de la caldera (burbujas). No hay enfriamiento excesivo (< 1 K). Перегрів > 15 K.
Frecuente cíclico apagado del compresor (Short Cycling) 1. Funcionamiento incorrecto del relé de presión.
2. Configuración incorrecta del termostato.
3. Capacidad demasiado pequeña del tanque de buffer.		 Cerrar los contactos del relé de la válvula (temporalmente para prueba). Verificar el tiempo de funcionamiento del ciclo utilizando SCADA o cronómetro. En caso de cierre forzado del relé, el compresor estabiliza la operación (confirma la falla del sensor de flujo).

7. Análisis de las causas raíz para cada fallo

7.1. Contaminación de las superficies de intercambio térmico (incrustaciones y residuos)

¿Por qué ocurre?: El uso de agua no preparada o de mala calidad en calderas semicerradas o en circuitos abiertos provoca la precipitación de sales de dureza (carbonato de calcio, magnesio) al calentar la superficie de intercambio térmico. En circuitos cerrados se acumula escoria corrosiva y productos de degradación del glicol.

Cómo confirmar: La resistencia hidráulica del intercambiador de calor aumenta en un 30–50% a la capacidad nominal. Mediante un termógrafo se detecta una alta desigualdad térmica en el cuerpo del intercambiador de calor de placas (manchas térmicas zonales).

Consecuencias: Disminución del coeficiente de transmisión de calor ($k$), aumento del gradiente térmico, aumento de la presión de condensación, sobrecarga del compresor, riesgo de daño mecánico de las placas.

7.2. Desbalance hidráulico y caída de caudal de líquido

¿Por qué ocurre?: Obstrucción de los filtros de retención (filtros en forma de Y), desgaste del rodete de la bomba (cavitación, erosión), cierre de la válvula de paso después de los trabajos de reparación, o un incorrecto equilibrio de las tuberías.

Cómo confirmar: El medidor de caudal ultrasónico muestra un caudal 25–40% por debajo del valor proyectado (según ISO 5167). Los manómetros antes y después del filtro muestran una caída crítica (más de 0.8 bar).

Consecuencias: Carácter laminar del flujo en lugar de turbulento en el intercambiador de calor, congelación local en el evaporador (si la temperatura de ebullición es inferior a 0 °C), activación del protector contra congelación (anti-freeze thermostat).

7.3. Falta o exceso de refrigerante

¿Por qué ocurre?: Goteras debido a uniones de rodillos, soldaduras, sellos de válvulas o válvulas de Schrader debido a cargas vibratorias (según normas EN 378).

Cómo confirmar: El manómetro muestra una disminución de la presión de ebullición y condensación. El sobreenfriamiento cae por debajo de 1 K. Presencia de indicaciones de humedad y gas en el vidrio de observación de la línea líquida.

Consecuencias: Caída de la masa de refrigerante en el evaporador, sobrecalentamiento de las bobinas del compresor debido al enfriamiento insuficiente por los vapores aspirados, disminución del Coeficiente de Rendimiento (COP).

8. Procedimientos paso a paso de solución de problemas

Procedimiento 8.1. Limpieza química del intercambiador de calor de placas (evaporador / condensador)

  1. Ejecute el bloqueo LOTO para las bombas del circuito de refrigeración y la instalación frigorífica.
  2. Cierre los válvulas de corte en la entrada y salida del intercambiador de calor. Descargue la presión y drene los residuos de líquido a través de los orificios de drenaje.
  3. Conecte la estación móvil de lavado (estación CIP) con mangueras resistentes a ácidos a los puertos de drenaje del intercambiador de calor.
  4. Rellene la estación con solución de ácido orgánico inhibido (ácido sulfanilico o ácido cítrico al 5-10%, temperatura hasta +40 °C). Está prohibido utilizar ácido clorhídrico (HCl) para acero inoxidable AISI 316 debido al riesgo de corrosión puntual.
  5. Realice la circulación de la solución durante 2–4 horas. Controle el nivel de pH (mantener en el rango de 1.5–2.5). Si el pH sube por encima de 4.0, agregue ácido o cambie la solución.
  6. Lave el sistema con una solución neutralizante (1-2% de solución de hidróxido de sodio o bicarbonato de sodio), y luego con agua industrial limpia hasta alcanzar un pH neutro (6,5–7,5).
  7. Desmonte y limpie los filtros de rejilla de entrada.
  8. Monte el circuito, llene el circuito, elimine el aire a través de los purgadores de aire y ponga en marcha la bomba.
  9. Verificación después de la reparación: Mida la caída de presión y la temperatura del agua. La caída de presión debe volver al valor nominal del certificado (±10%).

    10. Procedimiento 8.2. Eliminación de fugas y recarga de refrigerante

    1. Conecte el manifold digital y el detector electrónico (sensibilidad de 1 g/año) o realice la prueba de presión con nitrógeno a una presión de 15–18 bar con la adición de una cantidad rastreable de gas indicador (mezcla de hidrógeno-nitrógeno).
    2. Localice el lugar de fuga (uniones de tuberías, depósitos de filtros, válvulas, soldaduras).
    3. Realice el vacío de la система utilizando una bomba de vacío de dos etapas hasta una presión final no superior a 267 Pa (2 Torr). Mantenga la prueba de vacío durante 30 minutos (la presión no debe aumentar).
    4. Rellene el sistema con refrigerante líquido por peso (utilice balanzas electrónicas para la carga) según la placa de datos del bloque compresor-condensador.
    5. Verificación después de la reparación: Inicie la система. Verifique el parámetro de sobrecalentamiento (5–8 K) y subenfriamiento (3–5 K). El vidrio de observación de la línea de fluido debe estar completamente lleno de líquido sin burbujas.

    9. Medidas preventivas

    Causa principal Estrategia de prevención Método de monitoreo Intervalo recomendado
    Contaminación de los intercambiadores de calor Control de calidad del agua, adición de inhibidores de cal, limpieza química regular CIP. Monitoreo de caída de presión y temperatura de succión a través de SCADA. Trimestralmente (o una vez al año según la calidad del agua).
    Desbalance hidráulico Limpieza de los filtros, verificación del funcionamiento de las bombas según las características H-Q. Control de corriente de bombas y lecturas de medidores de caudal. Mensualmente.
    Fuga de refrigerante Control vibracional de tuberías, inspección anual con trazador de fugas según EN 378. Sensores de control de presión de ebullición/condensación y presencia de señalización. Cada 6 meses.

    10. Partes de repuesto y componentes

    Descripción del detalle Especificación ¿Cuándo reemplazar? Categoría UNITEC
    Intercambiador de calor con soldadura por placas Acero inoxidable AISI 316, soldadura de estaño, max. 30 bar En caso de daño mecánico de las placas o de contaminación crítica no recuperable. Equipos de intercambio de calor
    Filtro-desecante hermético Bajo soldadura/boquilla, con núcleo de zeolita (serie DCL/DML) En cada desgasificación del circuito o anualmente durante la mantenimiento. Componentes de los circuitos frigoríficos
    Válvula de expansión electrónica (ERV) Motor de pasos compatible con R410A / R134a / R404A En caso de que el pistón se atasque o se pierda la hermeticidad del órgano de cierre. Válvula de regulación
    Filtro de rejilla (Y- strainer) Hierro fundido/acero inoxidable, malla 0.5 mm, PN16/PN25 En caso de daño en la malla o presencia de corrosión por perforación en el cuerpo. Válvulas hidráulicas
    Sensor de diferencia de presión / Relé de caudal 4-20 mA / 0-10 bar, IP65 Durante el deriva de calibración o en ausencia de señal eléctrica. Dispositivos de medición y control

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    11. Referencias normativas

    • EN 378:2016 — Sistemas de refrigeración y bombas de calor. Requisitos de seguridad y ecología.
    • DIN EN 14511 — Condicionadores de aire, grupos frigoríficos de refrigeración líquida y bombas de calor con compresores accionados por motor para calentar y enfriar habitaciones.
    • ISO 5167 — Medición del caudal de líquido mediante dispositivos con sección transversal variable, instalados en tuberías de sección circular llenas.
    • NPAOP 0.00-1.28-10 — Normas de protección laboral durante la explotación de instalaciones frigoríficas.

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