Historia de los Enfriadores Centrífugos

Mi padre se retiró recientemente del negocio de calefacción, ventilación y aire acondicionado, después de más de 45 años de trabajo en ese rubro.
Él tuvo una carrera en Carrier y otra en Siemens. En su fiesta de retiro, había un grupo de amigos de la industria, algunos con experiencia de los primeros días del origen de ésta. Uno de estos viejos amigos había sido mecánico por los últimos 60 años, trabajando la mayor parte del tiempo con enfriadores centrífugos. Ambos lo pasaron muy bien, recordando los viejos tiempos.

Después de retirarse,  ayudé a papá a limpiar el sótano de la casa. En más de 45 años se puede acumular gran cantidad de materiales y mi padre rara vez botaba algo. El sótano tenía montañas de vieja literatura técnica especialmente de enfriadores centrífugos. La mayoría de los enfriadores listados en los manuales han sido puestos fuera de servicio en los últimos 10 o 15 años (“papá, estas máquinas no se han fabricado en 50 años, probablemente no sea un problema desechar el manual”.)
Se me ocurrió según repasaba la literatura que una “era” estaba pasando y yo sabía muy poco sobre la historia de uno de los avances más importantes del siglo 20: el enfriador centrífugo. Los enfriadores centrífugos y la industria de la refrigeración fueron empujados hacia adelante por el deseo de muchas otras industrias por hacer algo mejor,  más rápido  o más barato.

En 1901, la Compañía Buffalo Forge en N.Y. contrató a un ingeniero de 24 años, graduado de la Universidad de Cornell y de nombre Willis  Carrier, para trabajar en la instalación y diseño de sistemas de calefacción. En menos de un año él estaba a cargo del grupo experimental de ingeniería. Este grupo era el corazón del equipo que formaría la compañía de Ingeniería Carrier. Fue ahí, en 1902 que se acreditó el primer proyecto en la firma litográfica y de publicidad Sakett-Williams en Brooklyn, Nueva York, que ha sido identificado por muchos como  el primer proyecto consolidado de aire acondicionado. (La definición  de aire acondicionado consideraba el control de temperatura y humedad de aire). Él recibió su primera patente en 1906 para “aparatos para el tratamiento del aire”.

El término “aire acondicionado” actualmente fue acuñado por Stuart H. Cramer. El utilizó la frase en 1906, en la solicitud de patente para un artefacto que añadía vapor de agua al aire en plantas textiles. Él utilizaba el aire para acondicionar el hilado.
Para comprender  dónde se originó el enfriador, debemos entender el nivel de la ingeniería en esa época. Al final del siglo XIX, las  climatizadoras no existían. El concepto de tubos aleteados no había sido desarrollado aún. Los ventiladores eran poco menos que molinos de viento con motor.  Amoniaco era el refrigerante más común (ninguno de los refrigerantes fluor-carbonados habían sido inventados aún). No existían suplidores de componentes para equipos de refrigeración.

Todo se fabricaba contra orden de pedidos.

Buffalo Forge había creado la Compañía de Aire  Acondicionado Carrier. La gerencia de Buffalo Forge utilizó el nombre del joven ingeniero para su nueva sucursal, en vez de utilizar  su propio nombre  en esa división. Ellos  pensaban que si este nuevo campo no encontraba un futuro  o sufría un tremendo fracaso, el nombre de Buffalo Forge no sufriría consecuencias adversas. Al principio de la I Guerra Mundial, Buffalo Forge tomó la decisión de no continuar en el mercado del aire acondicionado. El grupo se fue y formó la “Carrier Engineering Corporation  of America”.
Este grupo fue responsable de muchos descubrimientos que hoy damos por sentado. El concepto de humedad relativa con respecto a la temperatura no se acababa de entender. En aquella época, ellos sabían que si se atomizaba agua fría directamente en una corriente de aire caliente y húmedo, el resultado era el enfriamiento y deshumectación del aire. Se desconocía por qué sucedía este fenómeno y en que proporción lo hacía. Se requería mucha investigación al respecto.
Muchos pioneros, además de Carrier y su equipo,  fueron responsables por las primeras bases de la refrigeración y el aire acondicionado. Aunque a Carrier se le acreditó la invención del aire acondicionado en 1902, otros tenían patentes concurrentes  para el tratamiento y enfriamiento del aire en esa época. Muchos ingenieros y aficionados trabajaban en ese campo, Cramer había estado trabajando en el enfriamiento y humidificación de hilanderías por varios años. Sin embargo, el crédito le pertenece primordialmente a este grupo de ingenieros por el práctico enfriador de agua centrífuga.

Usualmente la innovación técnica no puede ser puntualizada a un solo momento. Cuando Alexander Graham Bell  inventó el teléfono e hizo el famoso llamado “Watson ven acá”, entre  dos habitaciones, hubo muchas personas envueltas. Sin baterías, alambres, magnetos, el telégrafo y conos para parlantes y el micrófono, Bell nunca hubiese proferido esas palabras. Su descubrimiento se desarrolló de un concepto a una hipótesis  a experimentación y colaboración, hasta que todas las piezas se juntaron y el teléfono funcionó.  Él utilizó tecnología existente para su nueva invención, lo mismo ocurrió con el enfriador centrífugo.

DISEÑO

Carrier y su equipo  no inventaron el compresor centrífugo pero  era una nueva tecnología por el año 1910. Las primeras patentes para compresores centrífugos ya existían cuando Carrier y su equipo comenzaron a trabajar  en su aplicación a la refrigeración. Ventiladores multietapa ya eran fabricados por varios fabricantes, por supuesto, las bombas centrífugas eran común en esa época.
Entre 1910 y 1915, Maurice LeBlanc, trabajando en Francia experimentó en la refrigeración y su diseño del comprensor centrífugo. Él utilizaba tetracloruro de carbón  en un experimento y vapor de agua en otro. El tetracloruro de carbón se descompuso y arruinó el compresor, mientras que el vapor de agua no se pudo usar por las velocidades requeridas en el impulsor. No existía la tecnología para fabricar y operar un impulso ligero de alta velocidad para vapor de agua. Sin embargo, él fue la primera persona en utilizar el compresor centrífugo para una aplicación de refrigeración. LeBlanc también tuvo problemas con los sellos  del eje.  Esto fue un problema común aún para Carrier.

De acuerdo a un escrito de Walter A. Grant (un empleado de Carrier) en octubre de 1942,  el concepto de Willis Carrier de “enfriador centrífugo” estaba influenciado por el compresor hidráulico de aire de Taylor. Este tipo de compresor encierra  aire  sobre  una columna movible de agua y lo comprime en la parte inferior de la columna de agua, el peso del agua es el “compresor”.
Carrier y su equipo comenzaron a estudiar la carga estática, gravedad y presiones así como el concepto  teórico  de ubicar el evaporador bastante más alto que el condensador. El concepto era que el  refrigerante podía  condensarse bajo su propio peso, con poca ayuda mecánica, excepto  de una bomba, similar al aire sobre la columna de agua en el comprensor Taylor.  Era una idea que eventualmente se integró al concepto de su chiller, sustituyendo la carga estática de la columna de agua por el compresor centrífugo.
En su importante documento de febrero en 1926, “Compresión Centrífuga aplicada a la Refrigeración”, Willis Carrier discute el concepto de carga estática y lo acredita como un ejemplo para comprender el proceso donde la compresión es producida por una columna gravitacional (Figura 1).

Condensación por medio la estática, basado en la altura de la columna de gas del condensador que fué un concepto que llevó al desarrollo del enfriador centrífugo.

En este diagrama la bomba empuja el líquido  refrigerante teórico hasta el evaporador. Cambia su estado a vapor en el evaporador y se condensa en el fondo del sistema, debido a la carga estática. Obviamente este no es un sistema práctico , sin embargo, el concepto era fácil de entender y se puede intuir la sustitución de la carga estática por el compresor. El concepto y la teoría eran simples. La parte más difícil  es hacerlo trabajar en el mundo real. Dos componentes principales eran requeridos, el compresor y el refrigerante. En esa época, no existían refrigerantes adecuados, algunos tenían futuro, pero todos tenían problemas de toxicidad o inflamabilidad. El propano fue marketeado alguna vez como la alternativa más segura de los refrigerantes más comunes de entonces. Varios refrigerantes o “fluidos volátiles”,  para utilizar la terminología de la época, eran exactamente eso,  altamente volátiles. La refrigeración por compresión de vapores había estado funcionando desde 1830 en alguno que otro experimento. La lista de compuestos a utilizar era extensa y después de pruebas exhaustivas un compuesto llamado  dicloroetileno fue seleccionado por Carrier como el mejor. Él encontró un fabricante en Alemania que fabricaría lo que en esencia sería un fluido limpiador en cierta cantidad. Otros estudios indicaron que estaba compuesto de dos isómeros diferentes y el producto fue ampliamente refinado para obtener una performance más estable  y predecible,  sin embargo, era altamente inflamable. Los vapores se movían como los de gasolina hasta una fuente de ignición y en caso de prender, produciría subproductos mortales. Hoy lo catalogarían  como un refrigerante B3, basado en el estándar 34-2001 de  ANSI/ASHRAE, Designación y Clasificación de seguridad de los Refrigerantes. Esta sería la clasificación más tóxica e inflamable. Era la mejor tecnología disponible en ese entonces a pesar de sus desventajas.

El próximo componente era el compresor centrífugo. Carrier en ese momento no tenía la capacidad manufacturera  para desarrollar su propio compresor, así que  comenzó la búsqueda de un fabricante adecuado. Compresores de aire de este tipo no eran nuevos y se evaluaron a cuatro posibles suministradores europeos. Se eligió a la compañía  C.H. Jaeger Company, de Leipzig, Alemania. Después de la I Guerra Mundial, Alemania era tierra fértil para fabricación barata  y Carrier y su equipo se aprovecharon de esta oportunidad.
La  compañía C.H. Jaeger Company había comenzado operaciones en 1898 como  una fundición. La compañía había comenzado a fabricar ventiladores centrífugos en 1905 y su primer compresor centrífugo en 1910. Ellos continuaron la fabricación de compresores para Europa y después para el esfuerzo de guerra alemán en la II Guerra Mundial. Jaeger continuó operando en Alemania del  Este hasta la reunificación cuando se privatizó de nuevo la firma. Jaeger continúa la fabricación de compresores centrífugos hoy, como parte de PGW  Turbo, para los mercados de tratamiento de agua e industria.

Se tuvieron que efectuar muchas modificaciones al compresor cuando llegó al taller de Carrier, en New Jersey, en 1920 o 1921. Se requerían nuevos sistemas de lubricación que operaran en una atmósfera de dicloroetileno  y el sello del eje era un gran problema.  El problema del sello se resolvió mediante el uso de un fuelle especial. Cuando el compresor paraba, los resortes mantenían la cara del sello apretado al asiento. Cuando funcionaba el fuelle se presurizaba levantando la cara del sello del asiento y presurizando esa área con aceite de la bomba de lubricación. Un sello efectivo resolvía un molestoso problema.
Carrier patentó la máquina de refrigeración centrífuga en 1921. Ese desarrollo progresó hasta un punto en que se podía introducir la máquina al mercado en mayo de 1922. El enfriador fue presentado en una reunión de ASRE, la sociedad americana de ingenieros de refrigeración, precursores de  ASHRAE.  Muchos miembros del equipo de Carrier eran miembros de la sociedad, cuatro de los siete miembros fundadores del equipo de Buffalo Forge eran miembros de ASRE o de ASHVE (Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción y Ventilación). Y presidentes de estas asociaciones  a través de los años.

La presentación del chiller centrífugo sería para 300 ingenieros en el taller de Carrier en New Jersey . Para mejorar la presentación  (y asegurar la  asistencia) se preparó una pelea de boxeo. “Durante las palabras de apertura de Carrier se sintió un ruido fuerte  como de maquinaria a través de la pared.
Carrier después confesó que fue un sentimiento terrible que lo sobrecogió al escuchar un ruido largo como de fricción entre dos piezas metálicas. El pensó  que el motor del compresor se había roto en pedazos. Gotas de sudor rodaron por su frente y sus manos estaban húmedas pero él siguió hablando, pretendiendo no haber escuchado nada. Irvine (Lyle de la antigua Buffalo Forge), que estaba sentado en la parte posterior de la sala, salió de ella  calmadamente . Regresó de inmediato y me hizo una señal de que todo estaba bien. Más tarde Lyle  me contó que el terrible ruido se había producido porque habían arrastrado una gran mesa de metal sobre un piso áspero de cemento. Ningún efecto especial de sonido hubiese podido imitar con tanta exactitud la desintegración de un impulsor.”
El compresor era del tipo horizontal “split case” y todos los compresores Jaeger tenían succión y descarga horizontales. Muchos de estos compresores estaban conectados directamente con motores jaula de ardilla de 3600 rpm  sin utilizar transmisión, algunos prototipos utilizaban turbinas. Según creció la producción se fabricaron en cuatro, cinco y seis etapas y en cinco tamaños diferentes (Figura 2.)

Figura 2 (a). Disposición antigua de los componentes del enfriador, mostrando al compresor sobre el condensador y correcciones horizontales de succión y descarga. Información suministrada por Carrier.

La mayoría de las máquinas de producción eran las llamadas tipo sub base en las que el compresor  iba montado sobre un condensador corto y bajo, mientras que el evaporador estaba elevado. El evaporador no era del tipo inundado y utilizaba una bandeja para la distribución del flujo del líquido refrigerante sobre los tubos. La construcción del evaporador sería poco reconocible hoy. El evaporador era de varios pasos, con cabezales removibles y tubos de 5/8” (16 mm) de diámetro. El casco era de hierro fundido con reborde reforzado. Las juntas permanentes eran de plomo y asbesto y se utilizaban empaquetaduras a todo lo largo. Los tubos y espejos estaban construidos de bronce “Admiralty” calentados a la temperatura requerida del diseño. Los sub ensamblajes  eran probados hidrostáticamente  y con pruebas de vacío y de presión antes del embarque. Los condensadores eran esencialmente idénticos. Las máquinas se montaban en el proyecto.

El sistema de lubricación era simple, pero muy efectivo. Consistía en una bomba de aceite con tubos de bronce. Había un filtro de aceite antes del sello del eje. Los rodamientos no eran lubricados a presión, pero estaban equipados con tiradores o anillos de metal “babbit” (metal antifricción). Los rodamientos eran divididos y tenían cascos removibles. En modelos más nuevos de compresores del 1925, los rodamientos del lado del motor fueron sacados de la atmósfera del refrigerante, pero en el 1926 fueron cambiados de nuevo a su posición original, la cual quedó para muchos años de producción de los compresores. La bomba de líquido no existe hoy. Esta bomba se utilizaba para circular refrigerante líquido en el evaporador y generalmente tenía un sello de glicerina con empaquetadura de varias capas. Esta bomba circulaba refrigerante líquido de la base hasta la parte superior a una bandeja de distribución.  Desde esta bandeja, el refrigerante circulaba hacia abajo, a través de los tubos, enfriando el agua que circulaba dentro de los tubos. Existía también un “evacuador” en el evaporador que serviría de unidad de purga para remover los gases no condensables (aire). Diferentes tipos de evacuadores fueron desarrollados según cambiaban los diseños de los enfriadores de líquido. Una fuga aceptable era de 1” (249 Pa) de vacío de pérdida en 24 horas.

Figura 2 (b) (derecha) Disposición más moderna de los componentes. Ambas máquinas utilizaron cloruro de metileno y se les añadió control de flujo de gas al compresor. Información suministrada por Carrier.

Foto 1. Reuben Trane, izquierda, y asociados miran el prototipo Turbovac. Esta fue la cubierta del catálogo de ventas de 1939, listando algunas instalaciones.

La primera instalación de un enfriador de la línea de producción fue para una aplicación industrial. La industria empujó el desarrollo del enfriador, no el mercado de edificios de oficinas.  La nueva máquina podía aplicarse en variadas condiciones, utilizando diferentes combinaciones de impulsores y tamaños (diámetros). La tecnología creció rápidamente. La primera máquina de producción se   instaló en Stephen F. Whitman e Hijos, de Filadelfia, un fabricante de dulces.  La segunda fue a otro fabricante de dulces, William F. Schraftt e Hijos, de Boston, al mes siguiente. La máquina prototipo se vendió a una alfarería en Syracuse, N.Y. Durante  1925, se introdujo la nueva línea de compresores “R”. Estos aún se fabricaban por C. H. Jaeger y eran similares a los anteriores, excepto por la succión y descarga vertical (Foto 1). El diseño de Carrier ofrecía flexibilidad. La estructura básica de la máquina podía ser aplicada en proyectos  de aire acondicionado o en operaciones de bajas temperaturas. Las combinaciones de impulsores, número de etapas y de intercambiadores (evaporadores y condensadores) le daba a la compañía una amplia gama de clientes potenciales. Era un impresionante logro de ingeniería. La compañía creció rápidamente porque ofrecía entrega a gran escala de enfriadores de agua y salmuera con temperatura controlada que se ofrecían a las industrias del papel, refinerías, fábricas de dulces y manufactura de acero. Otras compañías de ingeniería se percataron de la situación y ahí comenzó la competencia.

En Europa, Brown-Boveri tenía un enfriador centrífugo en operación utilizando amoniaco y en 1932 otro enfriador utilizando bromuro de etilo.
En 1924 el enfriador centrífugo empezó a ser conocido por el público en las tiendas por departamento, cines y edificios de oficinas, otros teatros y edificios habían sido enfriados por refrigeración durante varios años, pero el enfriador centrífugo era más simple, más eficiente y más confiable. Se terminaba la era de cargar hielo para enfriar los cines. Para 1930, 300 enfriadores centrífugos Carrier  estaban instalados en teatros.
Este tipo de enfriador tenía ventajas sobre la competencia. La mayoría de los sistemas de agua helada requerían una planta de refrigeración con amoniaco o CO2 de refrigerante. El agua normalmente se enfriaba en un evaporador tipo baudelot. Este tipo de evaporador utilizaba un tanque abierto con tubos o placas con refrigerante en su interior, el agua era bombeada a través de los tubos. Muchas aplicaciones requerían un cuarto aislado para el evaporador baudelot. Este sistema hecho a la medida era voluminoso, difícil de operar, fácil de congelarse y requería una operación experta. Las válvulas eran manuales, incluyendo la de expansión. El  recubrimiento de aceite en las paredes del intercambiador de calor era un problema normal pero a raíz de la naturaleza solvente del dicloroetileno esto no constituía un grave problema, como en las primeras máquinas centrífugas.

DESARROLLO

Los primeros enfriadores centrífugos poseían muchas de las mismas ventajas que hoy proveen a los diseñadores e ingenieros, un área más pequeña, operación confiable a largo plazo, facilidad de instalación, precios competitivos, operación simple y eficiencia energética.
El problema del refrigerante continuaba, mientras que el dicloroetileno podía ser utilizado sin problemas en plantas químicas, su uso en otras aplicaciones era más problemático. Así que la búsqueda continuaba y el cloruro de metileno se usó por primera vez en 1926. El dicloroetileno sólo duró cuatro años.
El cloruro de metileno (R-30) aunque era mejor, está listado como un refrigerante B-2, algo mejor que el dicloroetileno. Nada extraordinario, pero, por lo menos, no era altamente inflamable. El equipo de Carrier bautizó a este nuevo refrigerante como Carrene-1. Seguía siendo peligroso  y era difícil de manejar, requiriendo tratamiento y manejo especial. Técnicos que trabajaban con este refrigerante recuerdan que era extremadamente irritante y que podía absorberse a través de la piel. Se hizo evidente que para que progresara la industria de la refrigeración, se requerían nuevos refrigerantes.
Muy poca o ninguna competencia existió en los siguiente años y la compañía de Carrier sobrevivió la gran depresión y aún introdujo un nuevo compresor en 1933. Este era un compresor de su propia manufactura y ya no importaban el compresor de Alemania. La serie “z” fue optimizada para el nuevo refrigerante R-11. Este sistema era capaz de incorporar un economizador por primera vez para mejorar la eficiencia del ciclo y  en la primera serie de reacondicionamiento de enfriadores  centrífugos, el R-11 reemplazó el dicloroetileno y al cloruro de metilo (Carrene-1, R-30). El sistema tenía la misma configuración básica de las máquinas más antiguas y todavía utilizaban el evaporador con vaciador.

En 1935, Ingersoll- Rand, desarrolló  un interesante enfriador centrífugo que utilizaba agua como refrigerante. Esto eliminó la necesidad del intercambiador de calor para enfriar el agua. Las velocidades de los impulsores y cantidad de ellos eran impresionantes en ese momento. La penetración al mercado o el éxito de este diseño se desconoce.
En 1936 el departamento de ingeniería de Carrier se unió a la General Electric y produjeron un compresor centrífugo de una etapa y alta velocidad. Lo llamaron el compresor “G” y era único por su tamaño pequeño y la utilización de un motor herméticamente sellado. Este modelo no tuvo gran aceptación.

TURBOVAC TRANE

Alfred E. Stacey era jefe de investigación de la compañía de Carrier desde 1919 hasta que tomó la posición de vicepresidente, encargado de investigaciones en 1928 y vicepresidente  de ingeniería en 1931. Sin duda alguna, él tuvo un gran impacto en el desarrollo del enfriador centrífugo.
Sin embargo, en 1935 se fue de Carrier y comenzó su propio negocio como contratista / fabricante. Su compañía se llamó Buensod-Stacey. Ellos fabricaban e instalaban lavadores de aire y otros equipos de aire acondicionado para la industria textil y del tabaco en el sureste de Estados Unidos. Ellos diseñaron un enfriador único, hermético,  pero carecían de las plantas para la fabricación y desarrollo del enfriador.
Al mismo tiempo, Trane de La Crosse, Wis, producía una exitosa línea de “Fan Coil” y “Climate Changers” (climatizadoras). Ellos eran los autores del importante manual “Trane Air Conditioning Manual”  que se convirtió a través de los años en el estándar de la industria. Ellos no tenían un enfriador y estaban en el proceso de diseño de uno. Buensod – Stacey  y Trane se unieron en 1937 para producir el primer enfriador centrífugo hermético, apropiado para su amplia distribución. Los ingenieros de Trane, desarrollaron el enfriador en el 1938 y lo presentaron en el 1939.
Esta máquina utilizaba el nuevo refrigerante R-113 y el diseño único ofrecía rasgos que no tenía la competencia. Era más pequeño, de fácil operación e instalación y silencioso. El enfriador tenía dos cilindros, el condensador arriba y el evaporador abajo. Localizado al final del evaporador, estaba un motor con un compresor centrífugo de dos etapas. Demoró la aceptación del nuevo diseño, pues durante el primer año sólo vendieron tres máquinas. Originalmente se ofrecía de 65 a 80 toneladas de capacidad y fue la base para un rápido crecimiento en los siguientes años.

COMPETENCIA

En 1936 los ingenieros de Carrier comenzaron a diseñar una nueva configuración del enfriador centrífugo para tomar ventaja de los nuevos refrigerantes R-12 Y R-11. Esa máquina fue presentada en 1939 como la serie 17 M y poseía la misma configuración que tenemos hoy, utilizando intercambiadores de calor de casco y tubo y construidos de acero y cobre (se ofrecían intercambiadores especiales para la industria). El compresor que daba al lado del condensador y evaporador, con motor eléctrico y transmisión o turbina,  se fabricó hasta hace unos pocos años.
Carrier tuvo una exhibición en la Feria Mundial de 1939,  en New York, que tenía la forma de un iglú con termómetros de 12.2 m de alto mostrando las temperaturas del interior del edificio y del exterior. Apropiadamente al lado se encontraba el pabellón de la DuPont. Sin el advenimiento de los refrigerantes Freon en 1931, la industria de la refrigeración y del aire acondicionado no hubiesen podido desarrollarse (Foto 2).

Foto2. El "Iglú" Carrier en la Feria Mundial de New York en 1939, tenía dos termómetros de 45 pies (12.2 m) de alto, mostrando las temperaturas del interior y exterior.

También fue el año en que se desarrolló la competencia utilizando compresores centrífugos tipo industrial con motores abiertos de  York y Worthington, para operar con R-11. Carrier no era más el único proveedor que tenía enfriadores centrífugos  industriales. Se requiere de más investigación para escribir sobre estas primeras máquinas. ¿Qué le pasó al primer compresor prototipo que fue construido en el taller de Carrier, en New Jersey?. Después de operar por varios años en una compañía de cerámica en New York, fue donado al museo Smithsonian de Washington D.C. En  1960 mi padre nos llevó a la capital de visita. Hicimos un viaje especial al museo Smitnsonian para ver el compresor, de modo que  mi padre pudiera sacarse una foto frente a él.