The Natural Refrigeration

Evaporadores: ¿por qué es importante el material?

Author: Tania Herrera Serna, ingeniera de producto y cuenta clave, Guntner US LLC 

Resumen

La selección de materiales en la construcción y selección de evaporadores aletados es fundamental para el rendimiento, la vida útil y la eficiencia del sistema de refrigeración. Este informe explora la importancia de elegir el material adecuado para los intercambiadores de calor aletados en función de las condiciones y requisitos específicos de cada aplicación, centrándose en los sistemas que contienen sustancias corrosivas o que operan en ambientes corrosivos. A través de un análisis técnico y teórico apoyado en casos de estudio reales, este documento técnico resalta las consecuencias de una selección de materiales inadecuada, como fallos prematuros, aumento de los costes de mantenimiento y riesgos para la seguridad alimentaria del producto.

También se describen las mejores prácticas y consideraciones clave para la compatibilidad y la resistencia a la corrosión de los materiales. Mediante el análisis de casos de estudio de instalaciones con problemas, este documento pretende orientar a ingenieros, gerentes de instalaciones y técnicos para que tomen decisiones más informadas a la hora de especificar evaporadores en sistemas de refrigeración industriales y comerciales.

Introducción

La selección del evaporador adecuado para cada aplicación no solo consiste en elegir el mejor diseño, sino que también implica elegir los materiales correctos para asegurar un buen desempeño a largo plazo y la durabilidad del equipo. La corrosión y la protección contra ella son temas muy importantes en refrigeración y aire acondicionado. Para evitar daños por corrosión en los intercambiadores de calor, especialmente en los evaporadores, es fundamental identificar las causas de la corrosión. Los evaporadores se utilizan en diferentes aplicaciones que pueden tener efectos corrosivos sobre sus componentes metálicos.

La importancia del material

Las principales sustancias que dañan el metal, que constituye más del 90 % del evaporador, son el dióxido de carbono, el amoníaco, el óxido de nitrógeno, los hidrocarburos, los compuestos de azufre, los fluoruros, los cloruros, el monóxido de carbono y sus productos de reacción. Los ambientes corrosivos no se limitan a las emisiones industriales; las condiciones naturales también pueden afectar significativamente la durabilidad del material. Por ejemplo, en las zonas costeras se registran altas concentraciones de cloruros en el aire, que pueden provocar picaduras de corrosión, sobre todo en superficies de aluminio. Si no se aplican recubrimientos protectores, los intercambiadores de calor expuestos a estos ambientes pueden sufrir daños irreversibles con el tiempo. Otros factores ambientales como el calor, la humedad y los contaminantes transportados por el aire pueden acelerar aún más este proceso.

Una protección adecuada contra la corrosión comienza con la selección del material correcto para mantener la funcionalidad del intercambiador de calor. Los materiales empleados en los intercambiadores de calor están sometidos a duras condiciones tanto internas como externas. En el interior del equipo, los tubos y perfiles deben ser compatibles con las condiciones químicas, térmicas y de presión asociadas al
refrigerante y al régimen de operación del sistema, mientras que, externamente, el aire ambiente, a menudo cargado de agentes corrosivos, los expone a condiciones adversas adicionales. Mediante una cuidadosa selección de materiales, los intercambiadores de calor pueden diseñarse de manera óptima para soportar las exigencias específicas de cualquier aplicación.

Recomendaciones de material

La Figura 1 muestra una vista explosionada de un evaporador aleteado enfriado por aire típico, en la que se detallan sus principales componentes y los materiales comúnmente utilizados en su construcción estándar. Cada componente está expuesto a diferentes cargas mecánicas, condiciones térmicas y esfuerzos ambientales, los cuales influyen directamente en la selección del material. Elementos como el serpentín, los paneles de la carcasa, las placas de los ventiladores, las puertas de servicio y las bandejas de drenaje suelen fabricarse con aleaciones de aluminio, acero galvanizado o acero inoxidable, dependiendo de su proximidad a la humedad, los productos alimenticios, los agentes de limpieza y la acumulación de condensados. Esta visión general proporciona un marco de referencia para comprender cómo la selección de materiales varía entre los distintos componentes del evaporador según los requisitos mecánicos, la exposición a la corrosión, las consideraciones higiénicas y las prácticas de mantenimiento. Las necesidades específicas de la aplicación determinarán el tipo de material más adecuado.

Si no se espera la presencia de sustancias agresivas o corrosivas y los intercambiadores de calor no requieren limpieza frecuente con productos químicos agresivos, pueden emplearse combinaciones de materiales estándar ya probadas, sin comprometer el rendimiento ni la vida útil del equipo. Algunos ejemplos de aplicaciones donde se pueden considerar materiales estándar son cámaras frigoríficas para productos secos o empaquetados, como centros de distribución, perecederos o áreas de almacenamiento de productos congelados ya envasados. En este tipo de instalaciones, el aire ambiente suele estar limpio, con baja concentración de contaminantes corrosivos, y las rutinas de limpieza son poco frecuentes y se realizan con detergentes neutros. Bajo estas condiciones, los componentes del evaporador fabricados con combinaciones estándar de materiales (ver Tabla 1) ofrecen un desempeño adecuado, una vida útil prolongada y una solución eficiente desde el punto de vista técnico y económico.

En aplicaciones donde se esperan ambientes agresivos, es importante considerar los materiales listados en la Tabla 2. Estos ambientes, comunes en áreas de procesamiento de alimentos, almacenamiento y fermentación, suelen presentar condiciones corrosivas como alta humedad, presencia de sal y ácidos orgánicos. Para garantizar la durabilidad y el rendimiento a largo plazo, es imprescindible seleccionar adecuadamente los materiales de la tubería, las aletas y la carcasa del intercambiador de calor.

Es importante mencionar que las combinaciones de materiales recomendadas no eliminan la degradación a largo plazo de los intercambiadores de calor que operan en ambientes agresivos, sino que solo contribuyen a ralentizar su progresión. Al considerar materiales menos convencionales para el diseño y la construcción de evaporadores, como el acero inoxidable 316, las aletas con recubrimiento epóxico u otros recubrimientos a base de polímeros, se deben evaluar tanto los beneficios del rendimiento como las posibles desventajas. Generalmente, los recubrimientos poliméricos se aplican en todo el serpentín, cubriendo tubos, aletas y colectores para asegurar que sustancias agresivas dañen el intercambiador de calor.

• Propiedades de transferencia de calor: el acero inoxidable, si bien ofrece una resistencia a la corrosión superior a la de los diseños estándar de aletas o tubos galvanizados o de aluminio, generalmente presenta una conductividad térmica menor. Esto puede reducir ligeramente la eficiencia de la transferencia de calor, a menos que se compense con una mayor superficie, lo que resulta en un intercambiador de calor más costoso. Las aleaciones de aluminio y cobre mantienen una conductividad térmica más alta, pero pueden requerir recubrimientos protectores en entornos altamente corrosivos.
• Consideraciones de costo: el acero inoxidable 316L puede costar entre un 30 % y un 50 % más que el acero inoxidable 304L y considerablemente más que el aluminio o el cobre. Este incremento de precio se debe al contenido de molibdeno en el acero inoxidable 316, que proporciona una resistencia superior a la corrosión en ambientes agresivos o con alta presencia de cloruros. En cambio, el acero inoxidable 304L suele ser adecuado para condiciones limpias o levemente corrosivas, pero puede sufrir corrosión prematura cuando se expone a sales, productos químicos de limpieza o altos niveles de humedad. Una alternativa son los recubrimientos que ofrecen resistencia a la corrosión a una fracción del costo del acero inoxidable. Sin embargo, estos pueden tener una vida útil más corta y requerir inspecciones, mantenimiento y repintado periódicos.

Si bien los materiales no tradicionales pueden mejorar significativamente la durabilidad, no siempre ofrecen la mejor relación calidad-precio, la mayor eficiencia en la transferencia de calor ni los menores requisitos de mantenimiento. En algunos casos, una estrategia de recubrimiento o tratamiento específico puede proporcionar la protección adecuada, manteniendo una mayor eficiencia térmica y un menor costo inicial.

Recubrimientos

Los recubrimientos a base de polímeros se utilizan ampliamente en los intercambiadores de calor aletados para proteger la estructura mecánica, como tubos, aletas y colectores, frente a la corrosión, los ataques químicos y la degradación ambiental. Estos recubrimientos actúan como una barrera física y química entre el metal del intercambiador de calor (normalmente aluminio, cobre o acero) y las condiciones agresivas de operación. Los recubrimientos representan una alternativa efectiva en ambientes con alta humedad, cloruros, ácidos o productos alcalinos de limpieza. Al limitar la exposición del metal, los recubrimientos reducen significativamente la corrosión. Además, permiten el uso de aluminio o acero al carbono en el serpentín en lugar de acero inoxidable (una opción más costosa) en algunas aplicaciones. Sin embargo, los recubrimientos introducen una resistencia térmica adicional, lo que puede reducir ligeramente la eficiencia de la transferencia de calor, por lo que el área de transferencia del intercambiador tendría que aumentar para mantener la misma capacidad. Con el paso del tiempo, los recubrimientos pueden degradarse, especialmente bajo exposición a productos químicos agresivos. Además, una aplicación incorrecta o deficiente del recubrimiento puede generar poros, falta de adherencia y corrosión localizada acelerada.

Recubrimientos típicos:

• Epóxidos: ofrecen buena adherencia y resistencia química. Se emplean en ambientes moderadamente agresivos.
• Recubrimientos de poliuretano: presentan buena flexibilidad, resistencia al impacto y tolerancia a los cambios térmicos.
• Recubrimientos fenólicos: tienen alta resistencia a la humedad y a productos químicos agresivos. Son comunes en cámaras frigoríficas de la industria alimentaria con regímenes intensivos de limpieza.
• Recubrimientos fluoropoliméricos: proporcionan una excelente resistencia a la corrosión, a los productos químicos y al ensuciamiento, aunque con un mayor costo. Se utilizan en aplicaciones altamente corrosivas o con elevados requisitos higiénicos.

Limpieza

Para prevenir la corrosión y maximizar la vida útil de los intercambiadores de calor, las unidades deben limpiarse como parte del mantenimiento regular. Especialmente en las empresas de procesamiento de alimentos, el uso de agentes de limpieza es imperativo. En ciertas circunstancias, estos productos pueden resultar tan corrosivos como la atmósfera generada por los propios productos refrigerados. El valor del pH del agente de limpieza es el dato clave que proporciona información tanto sobre la eficacia del producto como sobre la compatibilidad de los materiales. A grandes rasgos, los agentes de limpieza ácidos (pH < 7) se utilizan para eliminar residuos minerales (como incrustaciones, óxido, etc.). Los agentes neutros (pH ≈ 7) suelen ser limpiadores multiusos y desinfectantes. Los limpiadores alcalinos (pH > 7) disuelven la suciedad orgánica como la grasa, los aceites y las proteínas.

• Antes de limpiar, verifique siempre la compatibilidad del producto con los materiales del evaporador. La ficha técnica del fabricante suele incluir esta información.
• El producto de limpieza debe aplicarse según la concentración indicada por el fabricante.
• Después de eliminar la suciedad de la unidad, enjuague bien el producto de limpieza con agua limpia para quitar cualquier residuo del producto de limpieza.

Casos de estudio sobre compatibilidad de materiales

Corrosión por sulfitos

El cliente especificó un evaporador con tubos de cobre, aletas recubiertas de epóxico y carcasa galvanizada para su uso en una cámara frigorífica de uvas. Sin embargo, a las pocas semanas de funcionamiento, las aletas, las planchas del evaporador y la bandeja de drenaje presentaron corrosión significativa que, con el paso del tiempo, provocó agujeros visibles en estos componentes. Una inspección más detallada también reveló daños en varios remaches y partes de los tubos del serpentín (véase la Figura 1 en los Anexos).

La investigación concluyó que la corrosión se debía a una alta concentración de sulfitos en la atmósfera de la cámara frigorífica, una condición que se vio agravada por la falta de ventilación (véase la Figura 2), lo que permitió la acumulación de estos compuestos. Los sulfitos se utilizan comúnmente en el almacenamiento de uvas para inhibir el crecimiento de levaduras y hongos, así como para controlar la fermentación. De hecho, se detectaron sulfatitos en el agua condensada dentro del evaporador. Los sulfitos suelen liberarse al entorno de almacenamiento en forma de dióxido de azufre (SO2) o como residuo de materiales de envasado tratados. Conel tiempo, estos compuestos interactúan con la humedad del aire, formando un condensado corrosivo que puede dañar gravemente los componentes metálicos.

La bandeja de drenaje se identificó como el componente más afectado, ya que estaba en contacto directo con el condensado cargado de sulfatitos (véase la Figura 3). 

Corrosión por cloruros y mal mantenimiento

En una planta de procesamiento de vegetales que maneja productos como lechuga y pimientos verdes, se observaron casos repetidos de corrosión en el evaporador. La corrosión afectaba principalmente los tubos y carcasas de las unidades, fabricados en acero inoxidable 304L, a diferencia de otras máquinas de la planta, fabricadas con acero inoxidable 316L.

Tras un tiempo de funcionamiento, las unidades presentaron corrosión severa en el serpentín, afectando tanto los tubos como la carcasa. Durante la inspección, se identificaron numerosas fugas en el serpentín (véase la Figura 4).

La causa principal se atribuyó al uso diario de productos de limpieza y desinfección a base de cloro en toda la planta. Estos productos químicos ingresaron en los evaporadores y se depositaron en las superficies del serpentín (véase la Figura 5).

Algunas instalaciones utilizan pastillas de cloro en las bandejas de drenaje para desinfectarlas y eliminar bacterias. Estas pastillas permanecen en las bandejas y liberan cloro de forma continua, lo que puede provocar corrosión.

A esto se suma la falta de un programa de mantenimiento adecuado: los evaporadores no se limpian internamente, lo que permite la acumulación de residuos de cloro e inicia la corrosión. Además, los productos frescos entrantes se enjuagan en tanques con una solución de cloro al 12% como parte de un sistema de prelavado con cinta transportadora, lo que incrementa los niveles de cloro en el aire dentro de la cámara frigorífica. Aunque la instalación realiza una limpieza diaria, la ausencia de un sistema de limpieza in situ (CIP) o de procedimientos regulares de limpieza interna impide la eliminación eficaz de los residuos químicos de los evaporadores.

Conclusión

Este documento demuestra que la selección adecuada de materiales para el diseño y la construcción de intercambiadores de calor aletados es un factor crítico para garantizar un desempeño confiable, durabilidad y seguridad en los sistemas de refrigeración. Los casos de estudio presentados evidencian que la elección incorrecta de materiales, junto con prácticas de mantenimiento inadecuadas, puede acelerar significativamente la corrosión, la degradación estructural y, en última instancia, la falla del evaporador. Además, se destaca cómo los procedimientos de limpieza y la composición química de los productos de limpieza pueden interactuar de forma adversa con materiales inapropiados, comprometiendo aún más la integridad del equipo.

Estos hallazgos subrayan que la selección de materiales no puede considerarse una decisión genérica ni basada únicamente en costos, sino que debe sustentarse en un conocimiento profundo de la atmósfera de la cámara frigorífica, las condiciones de operación, los requisitos de higiene y los protocolos de mantenimiento. En este sentido, la comunicación efectiva entre el ingeniero de diseño del sistema o el contratista y el fabricante de los intercambiadores de calor resulta fundamental para determinar si la aplicación estará expuesta a un ambiente corrosivo y, con base en ello, seleccionar el material más adecuado. Al alinear los materiales del evaporador con las exposiciones ambientales y químicas específicas de cada aplicación, se puede mejorar la confiabilidad del sistema, reducir los costos de mantenimiento y prevenir fallas prematuras.

Referencias

ASHRAE. (2022). ASHRAE handbook: Refrigeration. American Society of Heating,
Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.

Begell House. (2021). Heat exchanger design handbook (HEDH). Begell House
Publishers.

European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG). (2021). Guidelines on
hygienic design and material selection in refrigeration equipment.

Güntner GmbH & Co. KG. (2023). Material options and surface coatings for
evaporators [Boletín técnico]. https://www.guentner.com

Anexos