CAPITULO I. FUNDAMENTOS DE REFRIGERACION Y CLIMATIZACION.pdf

1

CAPITULO I. FUNDAMENTOS DE REFRIGERACION Y CLIMATIZACION

ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ

[email protected] [email protected]

2

Tabla de contenido del capítulo

1.1. REFRIGERACION .................................................................................................................. 5 1.2. APLICACIONES DE LA REFRIGERACION ............................................................................ 5 1.2.1. REFRIGERACION DOMESTICA ............................................... ...................... .................................................. ...................................... ............. 6 1.2.2. REFRIGERACION COMERCIAL ............................................... ...................... .................................................. ...................................... ............. 6 1.2.3. REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL ............................................... ...................... .................................................. ...................................... ............. 7 1.2.4. REFRIGERACION MARINA Y DE TRANSPORTE ..................................................... ............................ .............................. ..... 7 1.2.5. ACONDICIONAMIENTO ACONDICIONAMIENTO DE AIRE............................................. .................... .................................................. ...................................... ............. 7 1.2.6. CONSERVACION DE ALIMENTOS ALIMENTOS ................................................ ....................... ............................................... ................................ .......... 7 1.3. SISTEMAS DE REFRIGERACION ................................................. ........................ ................................................ ......................................... .................. 8 1.4. ESTADOS DE LA MATERIA ................................................................................................... 9 1.4.1. ESTADO SÓLIDO ........................................................................................................... 9 1.4.2. ESTADO LÍQUIDO .......................................................................................................... 9 1.4.3. ESTADO GASEOSO ....................................................................................................... 9 1.4.4. ESTADO PLASMA ........................................................................................................ 10 1.5. COMPORTAMIENTO DE LA MATERIA .................................................. ......................... ............................................... .............................. ........ 10 1.6. ESTANDARES DE MASA, TIEMPO, LONGITUD, VELOCIDAD, ACELERACION, FUERZA, ENERGIA, POTENCIA, CALOR. ...................................................................................................... 10 1.6.1. MASA ( m ) .............................................. ..................... ............................................... ............................................... .................................................. ............................ ... 10 1.6.2. TIEMPO ( t ) ....................................................................................................................... 10 1.6.3. LONGITUD ( L ) ................................................ ...................... ................................................ ............................................... ............................................ ................... 11 1.6.4. FUERZA ( F ) ..................................................................................................................... 11 1.6.5. ENERGIA ( E ) ................................................. ......................... ............................................... ................................................ ............................................ ................... 11 1.6.6. TRABAJO ( W ) .................................................................................................................. 11 1.6.7. POTENCIA ( P ) ................................................................................................................. 11 1.6.8. CALOR ( Q ) ............................................... ...................... .................................................. ............................................... ............................................... ......................... 12 1.6.9. CALOR ESPECÍFICO ( Ce ) .......................................... .................... ............................................... .................................................. ............................ ... 13 1.6.9.1. CALOR ESPECIFICO A PRESION CONSTANTE ( C P )............................................... ...................... ......................... 13 1.6.9.2. CALOR ESPECIFICO A VOLUMEN CONSTANTE ( C V )............................................. .................... ......................... 13 1.6.10. FORMULA GENERAL DEL CALOR SENSIBLE ................................................ ......................... ....................................... ................ 14 1.6.11. FORMULA GENERAL DEL CALOR LATENTE ......................................................... .................................. ............................... ........ 14 .

1.6.12. FLUJO DE CALOR O POTENCIA CALORIFICA ( Q ) ...................................................... 14 1.7.

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS................................................................................ 15



3 1.7.1. VOLUMEN ( V OL ) ............................................................................................................... 15 1.7.2. PESO ................................................................................................................................. 15 1.7.3. DENSIDAD ( ρ ) .................................................................................................................. 15 1.7.4. VOLUMEN ESPECIFICO ( v S ): .......................................................................................... 15 1.7.5. CAUDAL O FLUJO VOLUMETRICO ( Q VOL ) ...................................................................... 16 1.7.6. PESO ESPECIFICO ( γ )) .................................................................................................... 16 1.1.7. PRESION ........................................................................................................................... 16 1.7.7.1. PRESION ABSOLUTA................................................................................................. 16 1.7.7.2. PRESION BAROMETRICA.............................................. ........................ ............................................... ............................................ ................... 16 1.7.7.3. PRESION MANOMETRICA .................................................. ......................... ............................................... ....................................... ................. 17 1.7.8. TEMPERATURA ( T ) ......................................................................................................... 17 .

1.7.9. FLUJO DE MASA ( m ) ...................................................................................................... 18 1.8. EL PROBLEMA DE LA REFRIGERACION.............................................. ..................... ............................................... .............................. ........ 18 1.9. METODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR............................................ ...................... ............................................... ......................... 18 1.9.1. CONDUCCION................................................ ........................ ............................................... ................................................ ............................................ ................... 18 1.9.1.1. ANALOGIA ENTRE CONDUCCIÓN DE CALOR, CONDUCCIÓN ELECTRICA Y SISTEMAS HIDRAULICOS. ..................................................................................................... 19 1.9.2. CONVECCION ................................................................................................................... 19 1.9.3. RADIACIÓN ....................................................................................................................... 20 1.10. ECUACION DE ESTADO DE LOS GASES ...................................................... ................................ ....................................... ................. 21 1.11. DIAGRAMAS PRESION – ENTALPIA Y TEMPERATURA – ENTROPIA ........................... 22 1.11.1. DIAGRAMA TEMPERATURA ENTROPIA ................................................................ .......................................... .............................. ........ 22 1.11.2. DIAGRAMA PRESION Vs ENTALPIA ................................................. ........................ ............................................... .............................. ........ 24 1.12. DIAGRAMAS DE MOLLIER APLICADOS A LOS REFRIGERANTES ................................ ..................... ........... 27 1.13. DIAGRAMAS APLICADOS AL CICLO BASICO DE REFRIGERACION ............................. ..................... ........ 30 1.14. DIAGRAMA TEORICO TEMPERATURA VS ENTROPIA EN REFRIGERACION BASICA . 34 1.15. DIAGRAMA PRESION VS ENTALPIA TEÓRICO APLICADO AL CICLO BASICO DE REFRIGERACION................................................. ........................ ............................................... ............................................... .................................................. ............................ ... 35 1.16. DIAGRAMA PRESION ENTALPIA REAL DE UN PROCESO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESION DE VAPOR. ............................................. .................... .................................................. ................................................ ....................................... ................ 35 1.17. DIAGRAMAS DE MOLLIER .............................................................................................. 36 1.18. CALCULOS DE SISTEMAS BASICOS BASADOS EN EL DIAGRAMA DE MOLLIER........ 37 1.18.1. CALOR QUE ABSORVE EL EVAPORADOR POR UNIDAD DE MASA ..................... ............. ........ 39 1.18.2. CALOR EVACUADO POR EL CONDENSADOR POR UNIDAD DE MASA ................ 40 1.18.3. CAUDAL MASICO DE REFRIGERANTE ................................................ ....................... ............................................ ................... 40 1.18.4. DESPLAZAMIENTO O CAUDAL VOLUMETICO TEORICO....................................... ...................... ................. 40 1.18.5. CALCULO DEL VOLUMEN REAL A ASPIRAR POR EL COMPRESOR .................... 41 1.18.6. CALCULO POTENCIA FRIGORIFICA DEL CONDENSADOR O CALOR A EVACUAR DEL CONDENSADOR ................................................................................................................. 42



4 1.18.7. CALCULO POTENCIA FRIOGORIFICA EVAPORADOR O CALOR A ABSORVER EN EL EVAPORADOR....................................................................................................................... 42 1.18.8. CALCULO DEL C. O. P. ............................................................................................ 42 1.18.9. E.E.R......................................................................................................................... 42 1.19. EFECTOS DE RECALENTAMIENTO Y SUBENFRIAMIENTO EN EL DIAGRAMA DE MOLLIER43 1.19.1. RECALENTAMIENTO DE VAPORES A LA SALIDA DEL EVAPORADOR ................. 43 1.19.2. RECALENTAMIENTO UTIL O SOBRECALENTAMIENTO DEL EVAPORADOR ... 44 1.19.2.1. RECALENTAMIENTO INUTIL O AMBIENTAL ....................................................... 45 1.19.2.2. RECALENTAMIENTO TOTAL ............................................................................... 45 1.19.3. SUBENFRIAMIENTO DEL LIQUIDO REFRIGERANTE ............................................. 46 1.20. INTERCAMBIADORES DE CALOR LIQUIDO – VAPOR ................................................... 47 1.21. CLASES DE SISTEMAS DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR ........... 47 1.21.1. SISTEMAS DE EXPANSION DIRECTA O SECA ....................................................... 47 1.21.2. SISTEMAS INUNDADOS .......................................................................................... 48 1.21.3. SISTEMAS RECIRCULADOS.................................................................................... 49 1.21.4. SISTEMAS EN CASCADA......................................................................................... 51 1.21.5. SISTEMA COMPRESION MULTIETAPA O POR ETAPAS ........................................ 52 1.21.6. SISTEMA COMPRESION MULTIPLE DIRECTA........................................................ 53 1.21.7. CICLO DE REFRIGERACION POR ABSORCION. .................................................... 54 1.21.7.1. ABSORCION CON AMONIACO Y AGUA .......................................................... 54 1.21.7.2. ABSORCION CON LITIO BARIO O BROMURO DE LITIO Y AGUA ................... 55 1.22. PROCESOS DE REFRIGERACION .................................................................................. 56 1.22.1. PROCESO DE CONGELACION ................................................................................ 56 1.22.2. PROCESO DE DESCONGELACION O DESHIELO................................................... 56 1.22.2.1. SISTEMAS DE DESCONGELACION O DESHIELO ........................................... 56


[email protected]

5

1.1. REFRIGERACION El concepto de refrigeración tiene que ver con la disminución de la temperatura de un cuerpo o una sustancia. Otros conceptos tienen que ver no solo con la reducción sino con el mantenimiento de esa temperatura por debajo de la del ambiente o entorno. La aplicación de los procesos de refrigeración son tan antiguos como el hombre mismo, con el fin de conservar los alimentos principalmente. Uno de los primeros “refrigeradores” primitivos fue el permaflost o barro congelado; este método los hacían los primitivos hombres haciendo huecos en la tierra, donde ubicaban los alimentos para después taparlos con el mismo barro o una combinación de barro con piedras, constituyéndose en el primer “ refrigerador “ hecho por el ser humano. Otro elemento empleado en refrigeración es el hielo, dicho refrigerante estaba muy extendido hasta poco antes de la I Guerra Mundial, cuando aparecieron los refrigeradores mecánicos y eléctricos. La eficacia del hielo como refrigerante es debida a que tiene una temperatura de fusión de 0 °C y para fundirse tiene que absorber una cantidad de calor equivalente a 333,1 kJ/kg. La presencia de una sal en el hielo reduce en varios grados el punto de fusión del mismo. Los alimentos que se mantienen a esta temperatura o ligeramente por encima de ella pueden conservarse durante más tiempo. El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo seco o nieve carbónica, también se usa como refrigerante. A la presión atmosférica normal no tiene fase líquida, y sublima directamente de la fase sólida a la gaseosa a una temperatura de -78,5°C. La nieve carbónica es eficaz para conservar productos a bajas temperaturas mientras dura su sublimación. En la refrigeración mecánica se obtiene un enfriamiento constante mediante la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado, donde se evapora y se vuelve a condensar en un ciclo continuo. Si no existen pérdidas, el refrigerante sirve para toda la vida útil del sistema. Todo lo que se necesita para mantener el enfriamiento es un suministro continuo de energía y un método para disipar el calor. Los dos tipos principales de sistemas mecánicos de refrigeración son el sistema de compresión, empleado en los refrigeradores domésticos grandes y en la mayoría de los aparatos de aire acondicionado, y el sistema de absorción, que en la actualidad se usa sobre todo en los acondicionadores de aire por calor, aunque en el pasado también se empleaba en refrigeradores domésticos por calor.

1.2. APLICACIONES DE LA REFRIGERACION Ahora hay numerosas aplicaciones para los procesos de refrigeración: Como ejemplos tenemos: • • • • • • • • • • •

Conservación de productos alimenticios. Transporte de alimentos Conservación de productos farmacéuticos. Acondicionamiento de aire Plantas secadoras Instalación de enfriamiento de agua Contenedores refrigerados. Procesos industriales. Bombas de calor Fábricas de hielo Liofilización.


[email protected]

6 De hecho es dificil imaginar la vida sin refrigeración y congelación, este impacto en nuestra existencia es mucho más grande que lo que la gente se imagina. Las aplicaciones en refrigeración se han agrupado en seis grandes categorías generales

1.2.1. REFRIGERACION DOMESTICA Este campo está limitado principalmente a refrigeradores y congeladores caseros. Sin embargo, debido a que es muy grande el número de unidades en servicio, la refrigeración doméstica representa una parte significativa de la refrigeración en general. Las unidades domésticas son de tamaño pequeño teniéndose capacidades de potencia que fluctuan entre 1/20 y ½ HP y los compresores son de sellado hermético.

1.2.2. REFRIGERACION COMERCIAL Se refiere al diseño, instalación y mantenimiento de unidades de refrigeración del tipo que se tienen en establecimientos comerciales para su venta al menudeo, restaurantes, hoteles e instituciones que se dedican al almacenamiento, exhibición, procesamiento y a la distribución de artículos de comercio. Las capacidades de los compresores pueden variar de los ½ HP hasta los 5 HP. Los cuales pueden ser herméticos o semiherméticos..


[email protected]

7

1.2.3. REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL A menudo se confunde con la refrigeración comercial porque su división no está claramente definida. Como regla general, las aplicaciones industriales son mas grandes en tamaño que las aplicaciones comerciales y, la característica que las distingue es que requieren un empleado para su servicio. Algunas aplicaciones industriales típicas son plantas de hielo, grandes empacadoras de alimento, cervecerías, lecherías, etc. Las capacidades de los compresores son, por lo general de 5 HP en adelante, pudiendo ser semiherméticos o abiertos.

1.2.4. REFRIGERACION MARINA Y DE TRANSPORTE Se refiere a la refrigeración que se tiene en barcos de tipo pesquero, y barcos de transporte de alimentos. La refrigeración de transporte se refiere al equipo de refrigeración utilizado en camiones, containers, etc.

1.2.5. ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Concierne o se refiere a la condición del aire en algún área o espacio designado. Por lo general involucra no únicamente el control de la temperatura del espacio, sino también de las condiciones de humedad del mismo, filtrado y limpieza. Las aplicaciones de acondicionamiento de aire son de dos tipos : las de confort o para uso industrial.

1.2.6. CONSERVACION DE ALIMENTOS Es uno de los usos más comunes, ya que la conservación de los alimentos es parte integral de la actividad humana. Actualmente las grandes poblaciónes humanas requieren enormes cantidades de alimentos, que son producidos en lugres apartados de dichas zonas.


[email protected]

8

1.3. SISTEMAS DE REFRIGERACION Se puede efectuar la refrigeración por comprensión de vapor, por absorción y termoelectricidad. El sistema de refrigeración que más se emplea es el de comprensión. En las máquinas de este tipo constituye la parte central del sistema la bomba o compresor, que recibe vapor a baja presión y lo comprime. Con esta operación se elevan considerablemente la presión y la temperatura del vapor. Luego, este vapor comprimido y calentado fluye por el tubo de salida hasta el condensador térmico, donde el vapor cede su calor al agua o aire frío que rodea al condensador. En esta forma su temperatura desciende hasta el punto de condensación, y se convierte en líquido con la correspondiente liberación de calor que ocurre en estos casos. El agente frigorífico, en estado líquido, pasa del condensador hasta un receptáculo y de allí fluye por un conducto o válvula, o el tubo reductor, disminuye la presión del líquido a medida que fluye dentro del vaporizador para enfriarlo. Este vaporizador se haya en el espacio que desea refrigerar. El aire tibio de este recinto le transmite, por contacto, al vaporizador parte de su calor, y hace que el líquido se evapore. Como se ve este nuevo cambio de estado, de líquido a vapor, se efectúa aumentando la temperatura. A continuación, aspira el compresor, por el tubo de succión, el vapor caliente del evaporador, y, después de volverlo a comprimir, lo impulsa al condensador, como se explicó anteriormente. Se repite así el proceso en ciclos continuos. En las grandes instalaciones refrigeradoras se utiliza generalmente amoníaco como agente frigorífico, mientras que en los refrigeradores domésticos se emplea anhídrido sulfuroso, cloruro de metilo y freón. Desde que se comenzó a refrigerar mediante sistemas mecánicos se ha aumentado constantemente el número de agentes frigoríficos, lo cual se debe a las investigaciones efectuadas por los químicos en su afán de hallar nuevas sustancias con características apropiadas para responder a las neces idades planteadas por los nuevos usos y tipos de instalaciones. Los refrigerantes sintéticos conocidos con el nombre de freones, constituyen un buen ejemplo del resultado alcanzado gracias a las investigaciones científicas. En el sistema de absorción se consigue el enfriamiento mediante la energía térmica de una llama de gas, de resistencias eléctricas, o de la condensación del vapor de agua a baja presión. La instalación tiene una serie de tubos de diversos diámetros, dispuestos en circuito cerrado, los cuales están llenos de amoniaco y agua. El amoniaco gaseoso que hay en la instalación se disuelve fácilmente en el agua, formando una fuerte solución de amoniaco. Al calentarse ésta en la llama de gas, o por otro medio, se consigue que el amoniaco se desprenda en forma de gas caliente, lo cual aumenta la presión cuando este gas se enfría en el condensador, bajo la acción de agua o aire frío, se produce la condensación y se convierte en amoniaco líquido. Fluye así por una válvula dentro de evaporador, donde enfría el aire circundante absorbiendo el calor de éste, lo cual produce nuevamente su evaporación. A continuación, entra el amoniaco, en estado gaseoso, en contacto con el agua, en la cual se disuelve. Esta fuerte solución de amoníaco retorna, impulsada por la bomba, al gasificador o hervidor, donde la llama de gas se calienta, entonces vuelve a repetirse el ciclo. Tanto el sistema de enfriamiento por absorción como el de compresión, están basados en los cambios de estado del agente frigorífico. Ambos sistemas tienen condensador, vaporizador y el medio adecuado para crear la presión necesaria que motive la condensación, tal como un compresor o una fuente que produzca calor. El sistema de termoelectricidad consiste en placas semicondutoras que al aplicarles un voltaje de tipo directo, en un lado de la placa se torne caliente y el otro lado frío, este mecanismo aun es muy ineficiente pero con el paso del tiempo se esta empleando en pequeños bebederos y neveras para vehículos.


[email protected]

9

1.4. ESTADOS DE LA MATERIA Toda materia conocida, existe de las tres formas físicas estados: Sólida, líquida o gaseosa. Hay marcada diferencia entre estos estados físicos, a saber. Cambios de Estado de la materia. En la siguiente tabla se presentan algunas características físicas de dichos estados. Estado Volumen Forma Compresibilidad Atracción entre Moléculas

Sólido Líquido Gas Definido Definido Indefinido Definida Indefinida Indefinida Incompresible Incompresible Compresible Intensa

Moderada

Despreciable

1.4.1. ESTADO SÓLIDO En el Estado Sólido, las Moléculas ocupan posiciones fijas dentro de una Red Cristalina y su movimiento se reduce a vibraciones. Las moléculas, átomos o iones que componen la sustancia considerada están unidas entre sí por fuerzas relativamente intensas, formando un todo compacto. La mayor proximidad entre sus partículas constituyentes es una característica de los s ólidos y permite que entren en juego las fuerzas de enlace que ordenan el conjunto, dando lugar a una red cristalina. En ella las partículas ocupan posiciones definidas y sus movimientos se limitan a vibraciones en torno a los vértices de la red en donde se hallan situadas. Por esta razón las sustancias sólidas poseen forma y volumen propios.

1.4.2. ESTADO LÍQUIDO En el Estado líquido el movimiento de las Moléculas se halla restringido. A nivel microscópico se caracteriza porque la distancia entre las moléculas es sensiblemente inferior a la de los gases. Mientras que en un gas la distancia intermolecular media es igual o mayor que diez veces el tamaño de la molécula, en un líquido viene a ser del mismo orden de magnitud que el diámetro molecular, y sólo un poco mayor que en los sólidos. Eso explica que la densidad de los líquidos sea, salvo algunas excepciones, sólo algo inferior a la de los sólidos. La proximidad entre las moléculas hace que se dejen sentir fuerzas atractivas de interacción, que evitan que una molécula pueda "escaparse" de la influencia del resto, como sucede en el estado gaseoso, pero que les permite moverse deslizándose unas sobre otras. Por esta razón los líquidos no poseen forma propia, sino que se adaptan a la del recipiente que los contiene, es decir, pueden fluir. Sin embargo, el hecho de que las moléculas estén ya suficientemente próximas hace de los líquidos fluidos incompresibles. Toda compresión lleva consigo una disminución de la distancia intermolecular, y si ésta fuera apreciable entrarían en juego las fuerzas repulsivas entre los núcleos atómicos que se opondrían a dicha compresión y la neutralizarían.

1.4.3. ESTADO GASEOSO En el estado gaseoso las moléculas están muy separadas en el espacio. El Volumen real de las moléculas individuales es despreciable en comparación con el volumen total del Gas como un todo. Ejemplo Si un cilindro de un pie cúbico, que contiene vapor de agua o cualquier otro gas, se conecta a un cilindro de 2 pies cúbicos, el vapor se expandirá para ocupar el volumen del cilindro mayor. Los gases poseen las siguientes propiedades: ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ

[email protected]

10 • • • •

Las fuerzas de atracción entre las moléculas son débiles o despreciables. Las moléculas poseen mucha libertad de movimiento. Las moleculas del gas tienden a ocupar todo el espacio del recipiente que los contenga. Los gases se pueden comprimir y descomprimir.

1.4.4. ESTADO PLASMA Cuando se aplica grandes cantidades de calor, el gas comienza a estar un estado de gas supercalentado, en ese momento, los electrones de la periferia de los àtomos del gas, comienzan a desprenderse de los mismos, conviertièndose en atomos cargados eléctricamente o iones, por eso a este nuevo estado se le denomina gas ionizante, adquiriendo propiedades eléctricas.

1.5. COMPORTAMIENTO DE LA MATERIA Se conocen entonces varios cambios de estado de la materia y todos ellos ocurren por la absorción o eliminación de calor: • • • • • •

Solidificación: Pasa de líquido a sólido. Licuefacción: Pasa de Sólido a líquido. Vaporización: pasa de líquido a vapor. Condensación: Pasa de vapor a líquido. Sublimación: Pasa de Sólido a vapor sin pasar por el estado líquido. Sublimación Reversiva: Pasa de vapor a sólido sin pasar por el estado líquido.

Todos los cambios de estado tienen las siguientes características: • •

Ocurren a temperatura constate. Suceden debido a la absorción o retiro de grandes cantidades de calor.

1.6. ESTANDARES DE MASA, TIEMPO, LONGITUD, VELOCIDAD, ACELERACION, FUERZA, ENERGIA, POTENCIA, CALOR. 1.6.1. MASA ( m ) Es la cantidad de materia que poseen los cuerpos. Sus unidades son Kilogramo masa ( SI ), Slug o libra masa ( S ingles ). Conversiones: 1 Slug = 14.59 Kg

1 Lbm = 453,59 grm

1 kgm = 2,205 Lbm

1.6.2. TIEMPO ( t ) Se mide en segundos, minutos, horas.


[email protected]

11

1.6.3. LONGITUD ( L ) En el sistema internacional ( SI ) la unidad de medida es el metro; en el sistema de medición ingles el el pie ( FT ) o pulgadas ( inches ). Conversiones: 1 Ft = 0.3048 Mts 1 Milla = 5280 Ft

1 in = 2.54 cms 1 Milla = 1,61 Kms

1 Yarda = 3 Ft

1.6.4. FUERZA ( F ) Es toda acción que puede causar una deformación, desplazamiento o modificar el estado de movimiento de un cuerpo. Sus unidades comunes son Newton ( N ), Libras fuerza ( Lbf ), Kilogramos fuerza ( Kgf ) Conversiones: 1 Lbf = 4.448 N 1 Tonelada = 2000 Lb

1 Kgf = 9.8 N

1 N = 105 Dinas

1.6.5. ENERGIA ( E ) Es la capacidad que tiene un sistema para producir trabajo. Se mide por lo t anto, con las mismas unidades de éste. Debido a su variada naturaleza, se pude encontrar energía mecánica ( trabajo ), energía eléctrica, energía calorífica, energía química, energía lumìca, etc.

1.6.6. TRABAJO ( W ) Medida de la transferencia de energía que se produce cuando un objeto es movida cierta distancia por la accion de una fuerza. Trabajo ( W ) = Fuerza * Distancia recorrida = F * d Sus unidades comunes son: Jouls ( N*mts ); Lbf Ft ; Kgf Mts Conversiones: 1 Kgf Mts = 9.8 J

1 Ft Lb = 1.356 J

1 Joul = 10 Ergios

1.6.7. POTENCIA ( P ) Es la rapidez con que se realiza un trabajo o la eficiencia con que realiza un trabajo Potencia ( P ) = Trabajo / tiempo = W/t Sus unidades comunes son: Wattio ( W ) ; Ft Lb/Seg ; Caballos fuerza ( Hp ); BTU/Hr Conversiones: ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ

[email protected]

12

1 Ft Lb/Seg = 1.356 W 1 Hp = 2545 BTU/Hr 1 CV = 735 Watt

1 BTU/Hr = 0,293 Watt 1 Hp = 746 W 1 CV = 2508,53 BTU/Hr

1 HP = 550 Ft Lbf / Seg 1 Watt = 3,413 BTU/Hr 1 CV = 0,9852 Hp

1.6.8. CALOR ( Q ) El calor es energía en tránsito debido a la diferencia de temperaturas entre dos cuerpos, la cual puede ya sea variar la temperatura de las sustancias o cambiar su estado. La unidad de calor que se emplea comúnmente es la CALORIA, definida como la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura de 1 gramo de agua desde 14,5 ºC hasta 15.5 ºC. La unidad de calor en el sistema ingles es el BTU ( BRITISH THERMAL UNIT ) y se define como el calor requerido para variar la temperatura de 1 libra masa de agua desde 63 ºF hasta 64 ºF.

Las unidades comunes de calor son: 1 Caloria = 4,1868 J 1 BTU = 0,252 KCalorias

1 BTU = 778,16 Ft Lbf 1 Kwatt Hr = 3413 BTU

1 BTU = 1055,07 J 1 Kcal = 1,1626 Watt Hr

El aumento o disminución de temperatura de una sustancia depende en gran medida de la cantidad de calor añadido o retirado de la misma, o se a, a mayor calor añadido mayor temperatura y viceversa; también depende de la masa de la sustancia, o sea, a mayor masa menor será el incremento o decremento de temperatura. Pude decirse entonces que: ∆T  ( 1

/ m) y

∆T  ( Q ) por lo tanto se puede decir que ∆T  ( Q / m )

Si se despeja Q se tiene que: Q = ∆T * m


[email protected]

13

1.6.9. CALOR ESPECÍFICO ( Ce ) Es el calor que tiene una sustancia por unidad de masa, en otras palabras, es la cantidad de calor que se requiere, para que la unidad de masa de un c uerpo o sustancia varie su temperatura ya sea en 1 ºF o 1ºC. Sus unidades comunes son: KJ/Kg ºK o BTU/Lbm ºF El calor especifico varia de sustancia a sustancia y depende si se hace a presión constante o volumen constante. 1.6.9.1. CALOR ESPECIFICO A PRESION CONSTANTE ( CP )

Es el número de unidades de calor agregados por unidad de masa para aumentar la temperatura en un grado cuando la presión se mantiene constante. Es el mas común en los cálculos de calor. 1.6.9.2. CALOR ESPECIFICO A VOLUMEN CONSTANTE ( CV )

Es el numero de unidades de calor agregados por unidad de masa para aumentar la temperatura de un fluido en un grado cuando se mantiene constante el volumen. Ambos calores específicos varían ligeramente con la temperatura en que se trabaje. Las unidades de ambos son: BTU / Lbm ºR; JOUL/Kg º K Conversiones 1 kJ/ ( Kg ºK ) = 0,2389 BTU/( Lbm ºF ) SUSTANCIA AGUA AMONIACO PLACA DE VIDRIO

CP PROMEDIO EN BTU/Lbm ºF 1,0072 * 10-5 1,09 * 100,2


C P PROMEDIO en KJ/Kgm ºK 4,20 4,7 0,8

[email protected]

14 ASBESTO

0,195

0,816

1.6.10. FORMULA GENERAL DEL CALOR SENSIBLE Por lo vista hasta el momento, si una sustancia se le transfiera calor a presión constante, esta variación de temperatura depende en parte de la cantidad de masa de la sustancia y de las características de la misma, se puede concluir entonces que: Q = m * Cp * ∆T Q = m * Cp * ( T FINAL – TINICIAL ) De lo anterior se deduce que si el calor nos da un valor positivo, implica que la temperatura final de la sustancia es mayor que la temperatura inicial de la misma, por tanto se le ha agregado calor. Si el calor nos da un valor negativo, implica que la temperatura final es menor que la in icial, por tanto se ha retirado calor de la sustancia. Para efectos de cálculo se emplea muchas veces el concepto de calor especifico, que no es nada más que el calor por unidad de masa y sus unidades comunes son BTU/Lbm y Kcal / grm q = Q/m  q = [ m * Cp * ( T FINAL – TINICIAL ) ] / m q = Cp * ∆T = Cp * ( T FINAL – TINICIAL )

1.6.11. FORMULA GENERAL DEL CALOR LATENTE La fórmula del calor sensible no es aplicable ya que en el calor latente, se mantiene constante la temperatura y por tanto el ∆T se hace cero ( 0 ). En el calor latente hay un cambio de fase de la sustancia por tanto: Q=m*L Q = ( HFINAL – HINICIAL )

m: Masa de la sustancia L: Calor latente a una presión dada H: Entalpia de la sustancia a una presión y temperatura dada

Para efectos de cálculo se emplea tambien veces el concepto de calor especifico, que no es nada más que el calor por unidad de masa y sus unidades comunes son BTU/Lbm y Kcal / grm q = Q/m  q = ( HFINAL – HINICIAL ) / m q = ( hFINAL – hINICIAL ), donde h es la entalpia especifica h = H/m .

1.6.12. FLUJO DE CALOR O POTENCIA CALORIFICA ( Q ) Es el calor transmitido o transferido por unidad de tiempo. .

.

Q = Q / t = q * ( m/t ) = q * m

Sus unidades comunes son: Cal/Hr ; BTU/Hr; Tonelada de refrigeración.


[email protected]

15 Conversiones: 1 BTU/HR = 0,293 WATT 1 KWATT = 3413 BTU/HR 1 TR = 12000 BTU/HR 1 HP = 2545 BTU/HR

1 BTU/HR = 1.055 KJ/HR 1 KWATT = 1.341 HP 1 TR = 3.516 KWATT 1 HP = 0.7457 KWATT

1 BTU/HR = 0.252 KCAL/HR 1 KWATT = 859.8 KCAL/HR 1 TR = 4.715 HP 1 HP = 0.212 TR

1 BTU/HR = 778 FT LBF/HR 1 KWATT = 3600.7 KJ/HR 1 TR = 12660 KJ/HR 1 HP = 2685 KJ/HR

1.7. PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS 1.7.1. VOLUMEN ( VOL ) Es el espacio que ocupa un cuerpo. Conversiones: 1 Litro = 1000 cms3 1 Litro = 61,025 in

1 Litro = 0,0353 Ft3 1 Litro = 10- Mts

1 Litro = 0,2642 Galones

1.7.2. PESO Es la fuerza que ejerce la gravedad sobre la masa de los cuerpo. Sus unidades comunes son Newton ( N ), Libras fuerza ( Lbf ) y kilogramo fuerza. Peso = Gravedad * Masa = g * m

1.7.3. DENSIDAD ( ) Es la relación de la masa de una sustancia entre el volumen que ocupa la misma sustancia, en otras palabras se refriere al grado de compactación de la materia en una unidad de volumen. Sus unidades comunes son Gramo/cms2 ; Lbm/ft 3 ρ = ( Masa / Volumen ) = m / V OL = 1 / V S

Conversiones: 1

Lbm Ft 3

= 0,01602

grm cms 3

1

Kg Mts 3

= 0,06243

Lbm Ft 3

1

Lbm In 3

= 2,77 * 104

Kg Mts 3

1.7.4. VOLUMEN ESPECIFICO ( vS ): Es la relación entre el volumen que ocupa la masa de una sustancia, o sea, el inverso de la densidad. Se puede deducir también como una distribución de la masa del gas dentro de una unidad de ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ

[email protected]

16 volumen, o también como el espacio que ocupa una unidad de masa. A mayor densidad de la sustancia, menor es el “ espacio “ desaprovechado por la sustancia en la unidad de volumen. vS = ( Volumen / Masa ) = VOL /m = 1 / ρ

1.7.5. CAUDAL O FLUJO VOLUMETRICO ( Q VOL ) Es la cantidad de volumen de un fluido por unidad de tiempo. Sus unidades son Lts/ seg; Mts3 /Hr .

QVOL = ( Volumen / tiempo ) = V OL / t = m / ( t * ρ ) = ( m / ρ ) QVOL = ( Velocidad fluido * Area transversal del chorro fluido ) = V * A

1.7.6. PESO ESPECIFICO ( ) Es la relación entre el peso de una sustancia y el volumen de la misma. Sus unidades comunes son: N/Mts3 ; Lbf/Ft 3 . γ = W / V OL = m g / V OL = ρ *

g

1.1.7. PRESION Es la relación entre la fuerza normal que actua sobre una superficie y el área de esa superficie. sus unidades comunes son: Pa ( N / mts 2 ); PSI ( Lbf / in 2 ) ; Kgf/ cms 2. P = ( Fuerza / Area ) = F / A Conversiones: 1 Bar = 10 Pa 1 PSI = 6895*10-5 Bar

1 Kgf / Mts = 9.8 Pa 14,22 PSI = 1 Kgf/cms2

1 Lb/in ( PSI ) = 6895 Pa

PRESION FUERZA

SUPERFICIE

PRESION

1.7.7.1. PRESION ABSOLUTA

Es la presión que se muestra teniendo en cuenta la presión atmosférica y la manomètrica, también se puede interpretar como la presión medida partiendo del vacio absoluto. PRESION ABSOLUTA = PRESION ATMOSFERICA + PRESION MANOMETRICA 1.7.7.2. PRESION BAROMETRICA


[email protected]

17

Es la medida de la presión atmosférica. El instrumento que sirve para medirla se denomina Barómetro. Para efectos de cálculo, muchas veces se iguala la presión de vacío con la presión barométrica. PRESION BAROMETRICA = PRESION ATMOSFERICA La presión atmosférica tiene un valor de: 1 atmósfera 101325 Pa

760 mm Hg 1,033 Kgf/cms2

14.7 Psi 101325*10 -5 Bar = 1,01325 Bar

1.7.7.3. PRESION MANOMETRICA

Es la presión ejercida por el fluido en sí sin tener en cuenta la presión atmosférica. El instrumento que sirve para medirla, se denomina Manómetro. Un manómetro se caracteriza principalmente porque su medida comienza de cero a presión atmosf{erica

Fig 1. Manómetro de refrigración.

PRESION MANOMETRICA = PRESION ABSOLUTA – PRESION ATMOSFERICA Un manómetro mide la diferencia entre la presión medida y la atmosférica en el sitio. Un manómetro empleado en refrigeración, también posee las unidades de vacío o presiones menores que la atmosférica medida ya sea en pulgadas de mercurio o en centímetros de mercurio.

1.7.8. TEMPERATURA ( T ) Es la medida de la cantidad de energía calorífica de un cuerpo. Las medidas comunes de temperatura son Grado centígrado ( ºC ) el Grado Fahrenheit ( º F ), el Grado Kelvin ( ºK ) y el grado Ranking ( ºR ). Conversiones: º K = ºC + 273,15

º F = 1.8 ºC + 32


ºR = ºF + 459,67

ºR = 1,8 ºK

[email protected]

18 .

1.7.9. FLUJO DE MASA ( m ) Es la cantidad de masa de un fluido que pasa por un conducto por unidad de tiempo. Sus unidades comunes son: Lbm/seg; Kgm/Seg .

m = ( Masa / Tiempo ) = Densidad fluido* Flujo = ρ * QV

1.8. EL PROBLEMA DE LA REFRIGERACION Como lo que se desea en la refrigeración es la disminución de la temperatura de un cuerpo o sustancia, ya se sabe que si un cuerpo pierde calor, entonces su temperatura disminuye e inclusive puede cambiar a un estado de la materia donde sus moléculas estén más unidas; si un cuerpo gana calor, entonces experimenta un aumento de su temperatura o puede cambiar a un estado de la materia donde sus moléculas estén mas separadas. De acuerdo a la perdida o ganancia de calor se tienen las siguientes posibilidades: •

CALOR RETIRADO < CALOR SUMINISTRADO + CALOR GENERADO

En este caso, el calor que no es retirado se queda en el cuerpo del objeto o sustancia, dicho calor acumulado eleva la temperatura del mismo. •

CALOR RETIRADO = CALOR SUMINISTRADO + CALOR GENERADO

En este caso, no hay acumulación ni perdida de calor en el cuerpo del objeto o sustancia, por tanto la temperatura del mismo queda estable. •

CALOR RETIRADO > CALOR SUMINISTRADO + CALOR GENERADO

En este caso, se retira mucho calor en comparación con el generado y el suministrado, por tanto el cuerpo pierde calor y por tanto reduce su temperatura. De acuerdo a lo anterior, para refrigerar un cuerpo o sustancia, debe colocarse al lado de otro con menor temperatura para que pueda perder calor.

1.9. METODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Se había dicho que el calor es la energía en transito que ocurre cuando hay una diferencia de temperatura entre dos o mas sustancias o cuerpos. El calor se transmite desde la sustancia con mayor temperatura hasta la de menor temperatura hasta que exista un equilibrio térmico. El calor se trasmite por varios medios entre los que están:

1.9.1. CONDUCCION La conducción se define como el flujo calor entre cuerpos sólidos en contacto. Los primeros adelantos relacionados con la conducción de calor , se deben, en gran parte, a los estudios del matemático francés Fourier, que propuso la ley que lleva su nombre.


[email protected]

19 Q = - K A ( dT/dx )

Y

∫Q dx = - ∫ K A dT L

∫

T2

Q dx = - K A

T1

Q

T2

L

X

T1

0

Q=

∫

dT

K A ( T1 - T2 )

Donde:

L

Q : Razón o flujo de calor en BTU/hr o Watt A: Area normal al la dirección del flujo de calor. T2: Temperatura mayor de donde comienza el flujo de calor. T1: Temperatura menor hacia donde se dirige el flujo de calor. K: Conductividad térmica del material a través del cual pasa el flujo de c alor en ( BTU/Hr Ft ºF ) o ( W/Mts ºC ) Para efectos de conversión de unidades: 1

BTU Hr Ft º F

1.9.1.1.

= 1,7303

W Mts º C

ANALOGIA ENTRE CONDUCCIÓN DE CALOR, CONDUCCIÓN ELECTRICA Y SISTEMAS HIDRAULICOS.

Si un resistor eléctrico que tiene un valor de resistencia constante R, tiene una diferencia de voltaje V, que se imprime a través de él, se sabe por experiencia que fluirá una corriente eléctrica I, a través del dicho resistor. La magnitud de la corriente varia linealmente con la magnitud de la diferencia de voltaje impresa a través del resistor. Una situación análoga se encuentra en el caso del flujo de agua que emana de un grifo a baja velocidad. Extendiendo esta analogía al caso de flujo de calor a través de una pared, es posible encontrar las siguientes comparaciones: La diferencia de temperatura a través de la pared representa la diferencia de potencial o la fuerza de empuje. • Q representa al flujo de corriente I. • ( L / K A ) que aparece en la ecuación de Q, representa la resistencia térmica al flujo de3 calor por conducción. •

En conclusión: V = I * R análogamente ( T2 – T1 ) = Q ( L / KA )

Donde : V ≅ ( T2 – T1 ) I ≅ Q R ≅ ( L / KA )

1.9.2. CONVECCION Se refiere al flujo de calor entre una superficie y un fluido en contacto con dicha superficie, en la medida que exista una diferencia de temperatura entre las mismas. Por ejemplo, considere una pared caliente vertical y en contacto con un fluido muy frío. Con el transcurso del tiempo, el fluido en ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ

[email protected]

20 contacto inmediato con la pared se calienta por conducción, provocando que el fluido se haga menos denso. Debido a la diferencia de densidades, se obtiene una fuerza de flotación resultante, provocando que el fluido más ligero se eleve y lo reemplace otra cantidad de fluido más frío, repitiéndose continuamente este proceso. Puesto que el movimiento de fluido queda establecido por fuerzas naturales, a este tipo de convección se le llama LIBRE o NATURAL. Si en la pared del ejemplo mencionado se colocara a funcionar un ventilador, entonces la fuente externa ( el ventilador ) provocaría el movimiento del fluido, dando como resultado una convección FORZADA. En la práctica, se emplea la siguiente expresión para determinar razones de transferencia de calor por c onvección:

Q = h A ( Tsuperficie - Tα )

Donde: Q: Calor transferido en BTU/Hr o Watt A: Area de la superficie Ts : Temperatura de la superficie Tα : Temperatura del fluido circundate. H : Coeficiente convectivo de transferencia de calor en ( BTU/Hr Ft 2 ºF ) o ( W / Mts2 ºC )

Para efectos de conversión: 1 ( BTU/Hr Ft 2 ºF ) = 5,6783 ( W / Mts 2 ºC ) Se puede introducir el concepto de resistencia térmica para el flujo de calor por convección en forma semejante como se hizo anteriormente: Q = h A ( T superficie - Tα )

 Q

= ( T S - Tα ) / ( 1 / h A ) R conevccion = ( 1 / h A )

Se pueden combinar ambos fenómenos en función de sus resistenciaa térmicas. Se analiza a continuación una pared en la cual ocurre transferencia de calor por conducción y después una convección con el fluido circundante:

T2

KA

Tα

Q

En este caso tenemos la resistencia térmica de la pared y la resistencia térmica por convección. Ambas se comportan como resistores en serie, por tanto su resistencia equivalente se halla de la suma de sus resistencia térmicas: Rtotal = Rconvección + Rconduccion + Rconvección Rtotal = ( 1 / h1 A ) + ( LA / KA AA ) + ( 1 / h2 A )

LA

La ecuación de flujo de calor quedaría:

Q = ( T2 - Tα ) / [( 1 / h 1 A ) + ( L A / KA AA ) + ( 1 / h 2 A ) ]

1.9.3. RADIACIÓN En la radiación, no se requiere que exista un fluido para que las superficies intercambien calor. Los líquidos, sólidos y algunos gases emiten radiación térmica como resultado de sus temperaturas. Un emisor ideal, que se llama CUERPO NEGRO, emite radiación térmica de acuerdo a la ecuación de Stefan – Boltzman:

eb = σ T4

Donde: eb : Potencia emisiva del cuerpo negro, y es la energía emitida por unidad de área de la superficie y unidad de tiempo.


[email protected]

21 σ : Constante de Stefan – Boltzman T : Temperatura en grados absolutos.

T ( º R ) = T ( º F ) + 460º σ =

T ( º K ) = T ( º C ) + 273º

0,1713 * 10 -8 ( BTU / Hr Ft 2 º R4 ) = 5,668 * 10 -8 ( W / Mts 2 ºK4 )

Las superficies No negras radian de acuerdo a la ecuación: e = ε eb

Donde: ε : Emisividad, que es una propiedad de la superficie emisora y varia desde 0 hasta 1 para un cuerpo negro

Con el fin de calcular la energía radiante que gana una superficie, se define una cantidad, F 1 – 2 que se llama FACTOR DE CONTORNO y es la fracción de energía que sale de la superficie 1 y se dirige a la superficie 2. una vez conocidos el factor de contorno, la potencia emisora de cuerpos negros y las propiedades de radiación de las superficies que intercambia energía radiante, se puede determinar la razón de ganancia o pérdida de energía radiante de una superficie y la razón de intercambio radiante entre superficies. Por ejemplo, considere que la superficie 1 posee una emisividad constante y que se encuentra completamente encerrada por la superficie 2. Si la superficie 2 es negra y/o si el área de la superficie 2 es mucho mayor que el área de la superficie 1, entonces la razón neta de pérdida de energía radiante de la superficie 1 se puede calcular con la ecuación: Q = A1 ε1 ( eb1 – eb2 ) Donde ε1 es la emisividad de la superficie 1. Como conclusión general de analizar los tres procesos se pude analizar que: La transferencia de calor es directamente proporcional a la diferencia de calor entre los elementos involucrados. El tipo de material por el cual se trasmite el calor influye en la cantidad del mismo. • El área transversal al flujo de calor es directamente proporcional al flujo del mismo. • •

1.10. ECUACION DE ESTADO DE LOS GASES R = Ř / M

PV=mRT Ř = 1,986 Ř = 847,7 Ř = 1,986 Ř = 1545

(Ř = 10,73

Donde:

Kcal

R: Constante para un gas en particular.

Kgm Mol º K Kgf mts

M: Peso molecular del gas en Kgm/Kmol o KLb/Kmol

Kgm Mol º K BTU Lbm Mol º R Lbf Ft Lbm Mol º R Psi Ft 3

Ř : Constante universal de los gases.

T: Temperatura en grados absolutos. m: Masa del gas. P: Presión del gas absoluta. V: Volumen del gas

Lbm Mol º R


[email protected]

22 De lo anterior, se deduce que para dos estados en el tiempo de un gas se ti ene que: PINICIAL VINICIAL = m R TINICIAL

y

PFINAL VFINAL = m R T FINAL

Como m*R es una constante en ambas situaciones, se puden igualar las mismas con el siguiente resultado: { ( PINICIAL VINICIAL )/ TINICIAL } = { ( P FINAL VFINAL )/ TFINAL } Uno de los aspectos más importantes de la ecuación de estado radica en la relación directa que tiene la presión con la temperatura y el volumen del mismo gas: A mayor presión, el gas contenido en un recipiente experimenta un aumento en su temperatura. •

A menor presión, el gas contenido en un recipiente experimenta una disminución en su temperatura. •

Por lo anterior si se desea obtener un fluido con baja temperatura, hay que disminuirle la presión. Al de entrar de lleno en la ecuación de estado, hay que recordar algunas leyes como: Ley de Dalton o presiones parciales: Indica o relaciona que si hay dos o mas gases dentro de un recipiente, la presión total de la mezcla de gases es la suma de las presiones individuales de cada gas componente de la mezcla. •

Presion total = presión gas 1 + presión gas 2 + …+ presión gas n Ley de Gay – Lussac: Expresa que si se mantiene la presión de un gas constante, y se le adiciona calor, este aumenta su volumen y temperatura; si se le quita calor, el gas disminuye su temperatura y volumen. •

( V1 /T1 ) = ( V2 /T2 ) Ley de Boyle: expresa que si se mantiene la temperatura de un gas constante, si se aumenta su volumen, èste disminuye su presión y viceversa. •

P1*V1 = P2*V2

1.11. DIAGRAMAS PRESION – ENTALPIA Y TEMPERATURA – ENTROPIA En refrigeración generalmente se manejan dos variables, la temperatura y la presión. Con ambas propiedades se construyen dos diagramas:

1.11.1. DIAGRAMA TEMPERATURA ENTROPIA La entropía ( S ) es una medida de la irreversibilidad de los procesos que se realizan; un proceso es isoentrópico en la medida que es un proceso perfecto sin perdidas o sea, un proceso ideal done el ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ

[email protected]

23 SINICIAL es igual al SFINAL . Las unidades de entropía es el BTU, pero generalmente se trabaja con el valor de la entropía específica ( s ) cuyas unidades son BTU/Lbm ºR. s=S/m

1 BTU/Lbm ºR = 1 Kcal/Kgm º K DIAGRAMA DE TEMPERATURA PUNTO CRITICO

TEMP

PALTA = CTE

FASE LIQUIDA

E FASE VAPOR

TEMP SATURACION

B

C

D PBAJA

A MEZCLA LIQUIDO + VAPOR TEMP SATURACION

LINEA SATURACION LIQUIDA

LINEA SATURACION VAPOR S ENTROPIA

Fig 2. Diagrama Temperatura Entropia. Para una sustancia cualquiera se construye el diagrama T Vs S ubicando en el eje vertical se ubican los datos de temperatura y en el eje horizontal los valores de entropía S o de entropía específica s. La campana divide la fase de la sustancia en Liquida, Mezcla o la zona donde ocurre el cambio de fase y la fase gaseosa o de vapor. Las curvas de presiones absolutas van en ascenso a medida que nos subimos en el diagrama y en descenso a medida que nos bajamos en el diagrama. Para cada presión absoluta se tiene una temperatura de saturación que es la temperatura a la que ocurre un cambio de estado, ya sea el proceso de evaporación o de condensación a temperatura constante a la presión indicada ( en los procesos de cambio de estado, la temperatura se mantiene constante ). El valor de dicha temperatura se puede hallar en las tablas del vapor saturado de la sustancia, en las tablas del vapor recalentado de la sustancia o en los manómetros que miden las diferentes presiones. De acuerdo con lo expresado anteriormente una sustancia puede tener 5 características: Punto A: Se esta en la zona de liquido a una presión alta. La temperatura del punto a por ser menor que la temperatura de saturación a la presión dada, se le denomina LIQUIDO SUBENFRIADO. Punto B: Se esta en la línea del líquido saturado a la temperatura de saturación para la misma presión, por tanto se le denomina LIQUIDO SATURADO. En este punto cualquier adición de calor , la sustancia experimenta un cambio de fase ( evaporación ). Punto C: Se esta en pleno cambio de fase a la temperatura de saturación para la presión dada. El factor característico de un cambio de fase es que la temperatura se mantiene constante. Cuando existe una sustancia en donde una parte de ella esta en forma líquida y la otra en forma de vapor, como en este punto, se define su CALIDAD como la porción de masa de vapor a la masa total de la sustancia. La calidad sólo existe en cambio de fase. CALIDAD ( X ) =

Masa de vapor Masa total sustancia


*100%

Donde: Masa total sustancia = Masa Vapor + Masa Liquido [email protected]

24

Punto D: Se ha completado el cambio de fase y se esta en la línea del vapor saturado, por tanto, se le denomina VAPOR SATURADO. En este punto cualquier eliminación de calor, la sustancia experimentara un cambio de fase ( condensación ). Punto E: Se esta en la zona de vapor pero a una temperatura mayor que la de saturación, por tanto se le denomina VAPOR RECALENTADO. Calor latente: Se da del punto B al D. Calor sensible: Se da del punto A al B y del D al E. En el diagrama se puede observar el PUNTO CRITICO, es el punto en el cual a dicha presión la sustancia se vuelve inestable y por lo general no se recomienda trabajar bajo estas condiciones.

Fig 3. Comportamiento del agua a presión constante diagrama Temperatura Entropia. Del diagrama se pueden obtener las siguientes conclusiones: A mayor presión del fluido, mayor será la temperatura a la que cambia fase ( temperatura de saturación ). •

A menor presión del fluido, menor será la temperatura a la que cambia fase ( temperatura de saturación ). •

•

La temperatura de condensación es la misma de evaporación a la presión dada.

•

Si hay miles de presiones miles de temperaturas de cambio de fases existirán.

1.11.2. DIAGRAMA PRESION Vs ENTALPIA ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ

[email protected]

25 La entalpía ( H ) es una medida de la cantidad de calor que tiene almacenada una sustancia de acuerdo a una temperatura y a una presión absoluta dada. Las unidades de entalpía es el BTU, pero generalmente se trabaja con el valor de la entalpía específica ( h ) cuyas unidades son BTU/Lbm. h=H/m

1 BTU/Lbm = 1.8 Kcal/Kgm = 7,5348 KJ/Kgm DIAGRAMA DE PRESION ENTALPIA PUNTO CRITICO

PRESION ABSOLUTA FASE LIQUIDA PRESION ALTA

E A

B

C MEZCLA

D FASE VAPOR

LIQUIDO + VAPOR PRESION BAJA

LINEA SATURACION LIQUIDA

LINEA SATURACION VAPOR

H ENTALPIA Fig 4. Comportamiento del agua a presión contante diagrama Presion Entalpía

El diagrama Presión entalpía es similar al de temperatura entropía, tiene las mismas zonas de fases, las mismas líneas de saturación pero ahora se trabaja con las variable de presión y entalpía. Las líneas de presión son ahora completamente horizontales y no hay forma de ubicar temperaturas por eso se recomienda el uso de ambos diagramas para una mejor ubicación de l os procesos. Los puntos dados en el ejemplo anterior A, B, C, D, y E se denominan igual. Las propiedades de entropía y entalpía de los puntos B, D Se hallan en las tablas de saturación, las propiedades del punto E se encuentran en las tablas del vapor recalentado; las propiedades de entalpía y entropía del punto a se encuentran en las tablas del liquido subenfriado o en cartas. Lo importante del diagrama radica en observar que para subir la temperatura de un fluido se requieren pocas cantidades de energía calorífica comparada con la que se requiere para hacerla cambiar de fase. Por tanto se deduce que: En los procesos de cambio de fase de liquido a vapor ( evaporación ) es donde las sustancias piden o requieren altas cantidades de energía calorífica. •

En los procesos de cambio de fase de vapor a líquido ( condensación ) es donde las sustancias pierden o retiran altas cantidades de energía calorífica. •

NOTA: Cuando desee calcular los valores de v, u, s o h dentro de la zona de mezcla, aplique las siguientes ecuaciones: u = uf + ( X * ufg )/100% h = hf + ( X * hfg )/100% s = sf + ( X * sfg )/100% Donde X es la calidad en porcentaje.


[email protected]

26

Fig 5. Calor sensible y calor latente en diagrama Presion Entalpia. Este es el diagrama de mayor uso en los cálculos de los diferentes sistemas frigoríficos, pero para ello, hay que tener en cuenta otras curvas como las isotermas ( temperatura constante ), y las isocóricas ( de volumen constante ), tal como se muestran:

Fig 6. Curvas isocoricas, isotérmicas e isobáricas en diagrama de presión entalpia.


[email protected]

27 En este diagrama las curvas de temperatura son mayores a medida que se suben en el diagrama y a medida que se desplazan a la derecha del mismo. Las curvas isocóricas son mayores a medida que se bajan en el diagrama y a medida que se desplazan a la derecha del mismo.

1.12. DIAGRAMAS DE MOLLIER APLICADOS A LOS REFRIGERANTES De lo visto anteriormente cada refrigerante posee un diagrama T-S y P-H diferentes. Lo que nos importas ahora son las presiones con sus respectivas temperaturas de saturación, que para el caso es la misma de evaporación, condensación o cambio de estado. De estos diagramas se derivan las famosas tablas de presión temperatura que se conocen:


[email protected]

28

Fig 7. Diagramas y tablas del programa coolpack. Entre las principales aplicaciones de esta tabla esta la identificación de refrigerantes, para ello tenga en cuenta: • • • •

Verificar las actas o registros de importación Que el refrigerante traiga su MSDS u hoja de vida. Que el tanque no posee pinturas en mal estado. Que el refrigerante contenga mas del 60% del peso original del mismo.


[email protected]

29


[email protected]

30

La presión medida en el tanque tiene que estar muy parecida o igual a la determinada o calculada en la tabla, para que el resultado de la prueba sea satisfactorio: Presion Calculada – 4 Psi < = Presion Medida <= Presión Calculada + 4 Psi

1.13. DIAGRAMAS APLICADOS AL CICLO BASICO DE REFRIGERACION Para partir del análisis del ciclo de refrigeración, se parte de la temperatura de diseño, que en este caso es la temperatura mínima del recinto o espacio refrigerado. En el recinto, el refrigerante debe estar a menor temperatura ( alrededor de 5 a 10 grados Celsius ) de forma que pueda absorver calor, para hacer u proceso más eficiente, el refrigerante cambia de estado en ese proceso, evaporándose. Por este este accesorio se denomina EVAPÒRADOR.


[email protected]

31

Ahora, todo ese calor que ha absorbido el refrigerante hay que expulsarlo al ambiente que está a una mayor temperatura, para ello, hay que llevar la presión del refrigerante a una alta presión que le asegure una alta temperatura mayor a la del ambiente. Este trabajo es realizado por el COMPRESOR.

Ahora hay que descargar todo ese calor al ambiente, en este proceso de descarga de calor, el refrigerante se condensa. Por este el accesorio donde ocurre este proceso se denomina CONDENSADOR.


[email protected]

32

Mas tarde el refrigerante en estado liquido y a alta presión que sale del condensador, debe llegar nuevamente al evaporador, para ello pasa por unas restricciones o reductores cuya función es la de disminuir la presión del refrigerante y por ende su temperatura para llegar nuevamente al evaporador y continuar con el ciclo.


[email protected]

33

En el ciclo básico se puede identifican dos zonas; la de presión alta que va desde la salida del compresor hasta la entrada de la válvula de expansión y la zona de presión baja que va desde la salida de la válvula de expansión hasta la entrada del compresor. En el esquema se identifican las siguientes líneas: LINEA DE DESCARGA: Ubicada entre la salida del compresor y la entrada del condensador. Se caracteriza por que el refrigerante está a alta presión, alta temperatura y estado gaseoso. LINEA DE LIQUIDO: Ubicada entre la salida del condensador y la entrada del elemento de expansión. Se caracteriza porque el refrigerante esta con alta presión, temperatura media a alta y estado líquido. LINEA DE MEZCLA: Ubicada entre la salida del elemento de expansión y la entrada del evaporador. Se caracteriza porque el refrigerante esta a baja presión, baja temperatura y una mezcla entre liquido y vapor. LINEA DE SUCCION: Ubicada entre la salida del evaporador y la entrada del compresor. Se caracteriza porque el refrigerante está en estado gaseoso, baja presión y baja temperatura. Los elementos del ciclo básico son: COMPRESOR: Es el corazón del sistema, entre sus funciones básicas están: • •

Bombear el refrigerante por el sistema. Aumentar la presión del gas refrigerante y por ende su temperatura.

CONDENSADOR: Su función básica es la disipar el calor que el refrigerante ha adquirido en el evaporador, compresor y tuberías al ambiente, en el proceso el refrigerante cambia del estado gaseoso al liquido con poca o mínima variación de su presión. ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ

[email protected]

34 ELEMENTO DE EXPANSION: Su función es la de disminuir la presión del liquido refrigerante y por ende su temperatura. En ese proceso y debido al cambio de presión, parte del lìquido refrigerante se evaporara ( flashing ). EVAPORADOR: Su función básica es la adquirir o absorver el calor del recinto o sustancias del mismo y pasárselo al refrigerante, que por acción de esta absorción de calor dicho refrigerante cambia del estado liquido al gaseoso con poca variación de su presión.

1.14. DIAGRAMA TEORICO TEMPERATURA VS ENTROPIA EN REFRIGERACION BASICA

Aunque dependiendo de la situación del ciclo las posiciones de los puntos pueden variar ligeramente, sus posiciones se obtienen: Punto 1: Se ubica en la línea de presión de baja, su estado debe ser vapor y conociendo su temperatura, comparada con la de saturación a presión de baja , se ubica en el diagrama. Punto 2: Se ubica en la línea de presión de alta, su estado debe ser vapor y conociendo su temperatura, comparada con la de saturación a presión de alta , se ubica en el diagrama. Punto 3: Se ubica en la línea de presión de alta, su estado debe ser líquido y conociendo su temperatura, comparada con la de saturación a presión de alta , se ubica en el diagrama. Punto 4: Se ubica en la línea de presión de baja, su estado debe ser líquido o una mezcla y conociendo su temperatura, comparada con la de saturación a presión de baja, se ubica en el diagrama. Del diagrama se puede observar que las entropías de los puntos 1 y 2 son iguales, por tanto: S1 = S2 o también s 1 = s2


[email protected]

35

1.15. DIAGRAMA PRESION VS ENTALPIA TEÓRICO APLICADO AL CICLO BASICO DE REFRIGERACION

Su construcción se basa mucho en el diagrama anterior, la cuestión es que aquí no se pueden ubicar temperaturas. Se puede observar que las entalpías de los puntos 3 y 4 son iguales, por tanto: H3 = H4 o también h3 = h4 De la gráfica anterior se deduce que a mayor de la línea entre los puntos 4 y 1 que corresponden al paso del refrigerante por el evaporador, a mayor distancia entre estos puntos, mayor será el efecto de refrigeración. La distancia entre los puntos 1 y 2 indican el calor que agrega el compresor al refrigerante y la distancia entre los puntos 2 y 3 reflejan el calor retirado por el condensador al medio.

1.16. DIAGRAMA PRESION ENTALPIA REAL DE UN PROCESO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESION DE VAPOR. Debido a que los procesos son reales, el diagrama teórico tiene cierta variación resultado de factores como pérdida de presión, calor cedido al ambiente, calor ganado del ambiente, etc. Veamos ahora el ciclo real de refrigeración:


[email protected]

36

El ciclo ideal está representado por los puntos 1 – 2 – 3 – 4 y el ciclo real está representado por los punto 1R – 2R – 3R – 4R, tal como se observa en el diagrama. Una en el ciclo de 1R a 2R, la inclinación de la línea significa una pérdida de presión debido a las tuberías del evaporador que al entrar al compresor entra con un recalentamiento, de allí es comprimido por un compresor real el cual nos da un punto de salida con una mayor presión y por ende con una mayor temperatura que la de un ciclo ideal ( punto 2R ), al pasar este refrigerante por el condensador, se presenta otra pérdida de presión y un subenfriamiento del refrigerante ( punto 4R ) y de allí pasa a la válvula de expansión donde sucede un proceso isoentálpico.

1.17. DIAGRAMAS DE MOLLIER Es una representación grafica, o mapa donde se representan las propiedades de un fluido, como la presión absoluta, temperatura, volumen especifico, entalpia, calidad del fluido, entropía y otros. Cada fluido refrigerante tiene un diagrama de Mollier específico y no explicable a otro.

El diagrama de Mollier es el mismo diagrama de Presion Vs Entalpia con otras propiedades que se grafican. Para este caso T2 > T1 y V2 > V1. ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ

[email protected]

37

1.18. CALCULOS DE SISTEMAS BASICOS BASADOS EN EL DIAGRAMA DE MOLLIER De la primera ley de la termodinámica se tiene que: .

.

.

.

0 = Q VC - W VC + [ m entra ( h + ( ½ ) V 2 + g Z ) ] – [ m sale ( h + ( ½ ) V 2 + g Z ) ] 0 = qvc – wvc + ( h + ( ½ ) V 2 + g Z ) entra – ( h + ( ½ ) V 2 + g Z ) sale ( h + ( ½ ) V 2 + g Z )sale - ( h + ( ½ ) V 2 + g Z ) entra = qvc – wvc Despreciando los cambios de energía cinetica y potencial se tiene que: hSALE – hENTRA = qvc – wvc Para la anterior ecuación considere que: El calor suministrado al sistema ( qH ) se considera positivo El calor extraído al sistema ( qL ) se considera negativo

El trabajo suministrado al sistema ( W ) se considera negativo El trabajo efectuado por el sistema ( W ) se considera positivo

Se hará un cálculo para un equipo el cual tenga las siguientes condiciones ambientales: Temperatura ambiente = 35ºC Temperatura recinto = 20ºC El refrigerante a emplear el el R- 22, el cual tiene el siguiente diagrama de Mollier:


[email protected]

38

Lo importante ahora es calcular las presiones de alta y baja del equipo. Para hallar la presión de alta, recuerde que el la temperatura de saturación del refrigerante en el condensador debe ser de 1 5ºC por encima de la del ambiente, por lo tanto: Temp saturación a presión alta = Temp ambiente + 15º C = 35º + 15º = 50 ºC Para esta temperatura, la presión manométrica del R-22 debe ser de 18.4 Bares manométricos o 19.4 bares absolutos. Para hallar la presión de baja, recuerde que el la temperatura de saturación del refrigerante en el e3vaporador debe ser de 10ºC por debajo de la del espacio refrigerado, por lo tanto: Temp saturación a presión baja = Temp espacio refrigerado - 10º C = 20º - 10º = 10 ºC Para esta temperatura, la presión manométrica del R-22 debe ser de 5.8 Bares manométricos o 6.8 bares absolutos. Recordemos ahora el ciclo básico con las presiones seleccionadas


[email protected]

39

1.18.1. CALOR QUE ABSORVE EL EVAPORADOR POR UNIDAD DE MASA Para hallar la cantidad de calor que absorbe el refrigerante por unidad de masa en el evaporador ( proceso del punto 1 al punto 2 ) se hallan l a diferencia de sus entalpias especificas: De la primera ley de la termodinámica: hSALE – hENTRA = qvc – wvc q Absorbido = h2 – h1 = hOUT – hIN Los valores de h2 y h1 se hallan en el diagrama de Mollier y son: h2 = 1207.83 KJ/Kg

s2 = 1.734 KJ/Kg ºK

vS = 0.035 Mts 3 /Kg

h1 = h4 = 1012.97 KJ/Kg q Abs = 1207.83 KJ/Kg - 1012.97 KJ/Kg = 194.9 KJ/Kg = 46.67 Kcal/Kg 1.17.2. EQUIVALENTE DE CALOR DEL TRABAJO DE COMPRESIÓN IDEAL POR UNIDAD DE MASA Es el proceso que va del punto p unto 2 al punto 3. Si se recuerda en diagrama de Temperatura Vs Entropía, se deduce que s2 es al misma s 3 en un proceso perfecto. De la primera ley de la termodinámica: hSALE – hENTRA = qvc – wvc h3 – h2 = 0 – ( - w vc ) h3 – h2 = wvc = Trabajo del compresor Ahora se hallan los valores: ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ


40 h IN = h2 = 1207.83 KJ/Kg Para hallar h OUT IDEAL se sabe que su entropía es igual a s 2, por tanto con este valor y la presión de 19.4 Bar se halla su valor en el diagrama de Mollier. Suponga que la eficiencia es del 80%. h OUT IDEAL = 1233.31 KJ/Kg = h3 Temp Out ideal = 65.396ºC Calor del trabajo de compresión ideal = h 3 – h 2 = 1233.31 KJ/Kg - 1207.83 KJ/Kg = 25.48 KJ/Kg = 6.1 Kcal/Kg

1.18.2. CALOR EVACUADO POR EL CONDENSADOR POR UNIDAD DE MASA El condensador tiene que evacuar el calor que el refrigerante adquirió en el evaporador y en el proceso de compresión. De la primera ley de la termodinámica: hSALE – hENTRA = qvc – wvc h4 – h3 = - qvc – 0 h3 – h4 = qvc Calor evacuado = h3 – h4 = hIN – hOUT Calor evacuado = 1233.31 KJ/Kg - 1012.97 KJ/Kg = 220.34 KJ/Kg = 52.71 KCal/Kg

1.18.3.

CAUDAL MASICO DE REFRIGERANTE

Aquí se especifica la cantidad de masa de refrigerante que debe pasar en el tiempo por evaporador para cumplir con una capacidad especifica. Por ejemplo: Si se desea evacuar 1000Kcal/Hr de un recinto, cuanta cantidad de masa de refrigerante debe pasar por el evaporador? .

.

Q = Q / t = q * ( m/t ) = q * m .

.

m = Q / q .

Caudal másico o m = Flujo de calor / Calor absorbido en el evaporador por unidad de masa .

Caudal másico o m = ( 1000Kcal/Hr ) / ( 46.67 Kcal/Kg ) = 21.42 Kg/Hr

1.18.4.

DESPLAZAMIENTO O CAUDAL VOLUMETICO TEORICO



41 Se halla el caudal de fluido a transitar por el compresor para que desarrolle la potencia frigorífica estimada. Para tal se halla la Produccion Frigorifica Volumetrica o en otras palabras, la cantidad de calor que transporta cada volumen de refrigerante. Producción Frigorifica Volumetrica = ( Calor absorbido por el evaporador ) / ( Volumen especifico refrigerante a la entrada del compresor ) Producción Frigorifica Volumetrica = ( 46.67 Kcal/Kg / 0.035 Mts3 /Kg ) = 1333.43 Kcal/Mts3 . Ahora si se puede calcular el caudal volumétrico mediante la formula: Caudal Volumétrico teorico o QVOL = ( Flujo de calor ) / ( Produccion Frigorifica Volumetrica ) Caudal Volumétrico teorico o QVOL = ( 1000Kcal/Hr ) / ( 1333.43 Kcal/Mts 3 ) = 0.75 Mts 3 / Hr Otro procedimiento más sencillo para hallar el caudal volumétrico teórico es de la siguiente forma: Vs= Vol / Masa = Vol / m m = Vol / v S ,

dividiendo esta ecuación por el tiempo se tiene que:

( m / t ) = (Vol / v S*t ) .

m = QVOL / vS .

QVOL = m * vS = 21.42 Kg/Hr * 0.035 Mts 3 /Kg = 0.75 Mts3 / Hr

1.18.5. CALCULO DEL VOLUMEN REAL A ASPIRAR POR EL COMPRESOR El volumen real a aspira por el compresor siempre deberá ser mayor que el teórico, debido a que los compresores tienen un rendimiento volumétrico inferior a la unidad, por su construccion física. El rendimiento volumétrico se calcula por la formula: Rendimiento Volumétrico = Caudal Volumetrico teórico / [ 1 – ( Espacio muerto * Relacion Compresion ) ] En caso de no disponer de la información del espacio muerto, tome estos factores de referencia: Compresores herméticos = 0.04 Compresores semihermeticos = 0.02 Para hallar la relación de compresión se halla c on la formula: Relacion Compresion = ( Presion absoluta de alta / Presion absoluta de baja ) Para nuestro caso: Relacion Compresion = ( 19.4 Bar / 6.8 Bar ) = 2.85 Si empleamos un compresor hermetico entonces: Rendimiento Volumetrico = ( 0.75 Mts3 / Hr ) / [ 1 – ( 0.04 * 2.85 ) ] = 0.84 Mts 3 / Hr ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ


42

Otra forma de hallar el rendimiento volumétrico, en el caso de compresores de piston, consiste en tomar los datos de fabrica del compresor como la cilindrada por piston o cilindro y calcule el flujo por la siguiente formula: Rendimiento Volumetrico calculado = ( Num pistones * Cilindrada por piston * RPM / 60 hrs )

1.18.6. CALCULO POTENCIA FRIGORIFICA DEL CONDENSADOR O CALOR A EVACUAR DEL CONDENSADOR Potencia Frigorifica condensador = Caudal masico * Calor evacuado por unidad de masa Potencia Frigorifica condensador = 21.42 Kg/Hr * 52.71 KCal/Kg = 1130 Kcal/Hr

1.18.7. CALCULO POTENCIA FRIOGORIFICA EVAPORADOR O CALOR A ABSORVER EN EL EVAPORADOR Potencia Frigorifica evaporador = Caudal masico * Calor admitido por unidad de masa Potencia Frigorifica evaporador = 21.42 Kg/Hr * 46.67 Kcal/Kg = 1000 Kcal/Hr

1.18.8.

CALCULO DEL C. O. P.

El término C O P viene del ingles Coefficient of Perfomance, el cual significa coeficiente de rendimiento o de transformación. Existen dos tipos de COP, el del sistema y el del compresor. Sus fórmulas son: C O P SIST= ( Calor admitido por el evaporador por unidad de masa / Trabajo de compresión por unidad de masa ) C O P SIST= ( Calor admitido por el evaporador en BTU/Hr / Trabajo de compresión en BTU/Hr ) C O P SIST= ( Potencia frigorífica del sistema en BTU/Hr / Trabajo de compresión en BTU/Hr ) C O P COMPRESOR = ( Potencia frigorífica del compresor en BTU/Hr / Potencia eléctrica consumida por el compresor en WATT ) Para el caso del ejemplo: C O P SIST = ( 46.67 Kcal/Kg / 6.1 Kcal/Kg ) = 7.6

1.18.9.

E.E.R

Es la relación entre la potencia frigorífica o enfriamiento del sistema ( por lo general la capacidad del evaporador y la potencia eléctrica o el consumo eléctrico en watios del mismo sistema ( como el compresor se lleva aproximadamente el 90% del consumo del sistema, se puede emplear este valor para hallar el E.E.R. ). Se considera un buen E.E.R > 6 BTU/WHr. Este índice es una medida de la eficiencia por consumo del sistema. ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ

[email protected]

43

E. E. R = ( Potencia Frigorifica evaporador o sistema en BTU/Hr / Potencia eléctrica o consumo sistema en Watios ) E. E. R = ( Potencia Frigorifica evaporador o sistema en BTU/Hr / Potencia eléctrica o consumo compresor en Watios )

1.19. EFECTOS DE RECALENTAMIENTO Y SUBENFRIAMIENTO EN EL DIAGRAMA DE MOLLIER 1.19.1. RECALENTAMIENTO DE VAPORES A LA SALIDA DEL EVAPORADOR Normalmente el vapor frio que sale del evaporador, sigue admitiendo calor entrando algo recalentado al compresor. Veamos dos casos en el cual en un ciclo , el vapor del evaporador sale en estado saturado y otro donde sale recalentado. Veamos sus efectos en un diagrama de Mollier. Por tanto el recalentamiento útil se define como la diferencia de temperatura a la salida del evaporador y la temperatura de evaporación o saturación a presión de baja.

La diferencia de entalpia entre el punto 3 y el punto a es la necesaria para realizar el recalentamiento del vapor refrigerante, entre las consecuencias de este recalentamiento están: El volumen específico del punto a es mayor que el del punto 2. Por tanto la densidad del vapor en a es menor que la densidad del vapor en el punto 2; por tanto, en el punto a el compresor aspira menos masa de refrigerante por unidad de volumen lo que hace que su capacidad e inclusive su rendimiento volumétrico se reduzca. •

La temperatura de descarga a la salida del compresor aumenta en el punto a, el cilindro, pistones y otros elementos mecánicos estarán mas calientes y sufrirán mayor desgaste. •


[email protected]

44 El calor que debe evacuar el condensador es mucho mayor o sea, que el calor sensible tiene que desprenderse primeramente antes del proceso de condensación lo que disminuye la eficiencia del mismo. •

NOTA: El recalentamiento en el evaporador tiene que limitarse al necesario para asegurar que se tenga vapor seco del mismo y, como un valor recomendado el recalentamiento a la salida del evaporador oscila entre 3º y los 7 ºC. Las válvulas de expansión son construidas y ajustadas para que en la ultima parte del evaporador, sea la zona reservada para el recalentamiento del vapor refrigerante, asi que el calor usado para recalentar, proviene den existente en el espacio refrigerado y representa un efecto frigorifico deseable. Se trata que el recalentamiento se haga por parte del calor del espacio refrigerado. Todo recalentamiento de la línea de succión que se haga con calor del ambiente externo es dañino al sistema. Por eso en casos donde el espacio disponible para el evaporador , no hace posible un control optimo del recalentamiento, o el compresor esta muy cerca del evaporador, es recomendable montar una vuelta de tubo adicional conectado inmediatamente despues del evaporador, dentro del espacio refrigerado. A este tubo se le llama Tubo secador ya que su misión es la secar el vapor de partículas liquidas. En refrigeración ocurren dos tipos de recalentamientos muy especiales: 1.19.2. RECALENTAMIENTO UTIL O SOBRECALENTAMIENTO DEL EVAPORADOR

Es el que se da en el evaporador, se le llama útil, debido a que después que se ha evaporado completamente el refrigerante, el recinto le agrega calor a este refrigerante en vapor saturado recalentándolo e incrementado su temperatura. Un recalentamiento útil se considera bueno cuando está entre los 5ºC y los 7ºC, máximo 10 grados. RECALENTAMIENTO UTIL = Temperatura a la salida del evaporador – Temperatura de evaporación

Este recalentamiento es bueno porque:


[email protected]

45 • •

Impide que le llegue refrigerante liquido al compresor. Se tiene un efecto refrigerante positivo, que aumenta el rendimiento del sistema.

1.19.2.1. RECALENTAMIENTO INUTIL O AMBIENTAL Cuando el refrigerante sale del recinto por las tuberías de succión, este mismo aun esta a temperaturas bajas, al salir el ambiente le agrega un calor extra, lo que influye en un aumento de su temperatura, que además de incrementar su volumen especifico, disminuye la eficiencia volumétrica del compresor. Por esta razón, estas tuberías se aíslan térmicamente. Un recalentamiento inútil se considera bueno cuando está entre los 5ºC y los 10ºC RECALENTAMIENTO INUTIL = Temperatura a la entrada del compresor – Temperatura salida del evaporador. El recalentamiento no es beneficioso porque: • • • • • • •

Baja el rendimiento volumetrico del compresor. Incrementa la temperatura de entrada del refrigerante y por ende la salida del mismo. Incremente la temperatura del carter del compresor. Incrementa las presiones del sistema. Disminuye el subenfriamiento del sistema. Reduce el rendimiento del sistema. Reduce el rendimiento de la valvula de expansión.

1.19.2.2. RECALENTAMIENTO TOTAL RECALENTAMIENTO TOTAL = Temperatura a la entrada del compresor – Temperatura de evaporación Un recalentamiento total se considera bueno cuando está entre los 8ºC y los 20ºC En el siguiente diagrama se pueden observar el efecto de ambos:


[email protected]

46

1.19.3.

SUBENFRIAMIENTO DEL LIQUIDO REFRIGERANTE

Cuando a una presión de alta determinada, un vapor refrigerante es totalmente liquido de un proceso de condensación, y el mismo se sigue enfriando, este procede a disminuir su temperatura y se quiere igualar con la temperatura del medio que lo esta enfriando, se dice entonces que el liquido refrigerante esta subenfriado. Despues de ello, el liquido refrigerante pasa al elemento de expansión. Se define entonces el subenfriamiento como la diferencia de temperaturas entre el final del condensador y la entrada del elemento de expansión o la temperatura del liquido a la entrada del elemento de expansion: Subenfriamiento = Temp saturación en el condensador o condensación - Temp entrada elemento de expansión

Veamos el anterior caso donde en un ciclo la salida del condensador esta en el punto 4 y cuando esta en el punto C. El subenfriamiento se ha producido entre los puntos 4 y C. con las siguientes consecuencias: La salida del refrigerante en el punto D es mejor que la del punto1 ya que no se presentan burbujas de gas debido al cambio de estado. La válvula de expansión solo puede trabajar perfectamente cuando en su entrada exista un liquido sin burbujas. • Existe una ganancia de efecto frigorífico ( diferencia de entalpias entre los puntos D y 1 ). • Mejor rendimiento del sistemaNOTA: Se considera un buen subenfriamiento de 5º en adelante. •


[email protected]

47

1.20. INTERCAMBIADORES DE CALOR LIQUIDO – VAPOR La misión de ellos es la de subenfriar el líquido a la salida del condensador con los vapores frescos y frios que dejan el evaporador, y al mismo tiempo,o hacen un recalentamiento a la s alida del mismo. El calor que cede el liquido refrigerante que sale del condensador, es agregado al vapor refrigerante que sale del evaporador recalentándolo en el acto, asegurando un rendimiento óptimo del sistema. En los refrigeradores domesticos, el tubo capilar que está después del filtro secador, circula por el interior del tubo de succiòn que viene del evaporador .

1.21. CLASES DE SISTEMAS DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR 1.21.1.

SISTEMAS DE EXPANSION DIRECTA O SECA

Son los mas empleados en refrigeración, se caracterizan por que todo el refrigerante que entra en estado líquido al evaporador se convierte en vapor, si por mucho enfriamiento sala parte del refrigerante en estado líquido, éste no regresa al evaporador, sino que sigue su camino al siguiente accesorio.


[email protected]

48

qH T P2 = CTE CONDENSADOR 2

3 2 P2 > P1 3

W

COMPRESOR P1

1

4 EVAPORADOR

4

1

qL S

1.21.2.

SISTEMAS INUNDADOS

Se caracterizan porque el nivel de líquido en el evaporador es alto y es controlado por una boya en el acumulador a la entrada del mismo; el refrigerante que sale del evaporador vuelve nuevamente al acumulador y sólo el refrigerante en estado vapor sigue su camino al compresor. Hay que tener en cuenta que el acumulador de lìquido debe estar en una posición o altura mayor que la del evaporador.


[email protected]

49

Entre las ventajas de usar un sistema con evaporador inundado están: •

No hay recalentamiento en el evaporador.

•

Mayor aprovechamiento del área del evaporador.

•

Las variaciones de temperaturas en la condensación no afectan la etapa de baja presión.

Entre las desventajas de usar un sistema con evaporador inundado están: •

Requiere una mayor cantidad de refrigerante.

•

Mayor inversión en equipos.

•

Se presentan acumulaciones de aceite en tanques y evaporadores.

1.21.3.

SISTEMAS RECIRCULADOS.

Es un sistema muy parecido al del evaporador inundado, la diferencia radica en que el refrigerante en estado líquido es bombeado al evaporador.


[email protected]

50

Entre las ventajas de usar un sistema con recirculación están: •

No hay recalentamiento en el evaporador.

•

Mayor aprovechamiento del área del evaporador.

•

Presión constante en el evaporador.

•

Recuperación casi total de aceite.

•

Se pueden tener varios evaporadores con un mismo tanque de liquido refrigerante

Entre las desventajas de usar un sistema con evaporador inundado están: •

Requiere una mayor cantidad de refrigerante.

•

Mayor inversión en equipos.

•

Las tuberías deben ser de mayor diámetro.

•

Consumo de energía de las bombas.

•

Mayor costo de operación.

Cuando se requieren temperaturas de operación más bajas, se tienen las siguientes consecuencias: La diferencia de presión entre la succión y la descarga se incrementan trayendo como resultado una disminución de la eficiencia volumétrica del compresor. •

Se incrementa la temperatura del refrigerante a la salida del compresor lo que puede ocasionar la degradación del lubricante. •

Debido al incremento en la relación de presiones, se requiere más trabajo por parte del compresor con un aumento del consumo de energía. •

Por lo expresado anteriormente, resulta más económico emplear ciclos de compresión múltiples, algunos de los cuales los veremos a continuación. ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ

[email protected]

51

1.21.4.

SISTEMAS EN CASCADA

Existen aplicaciones industriales en las cuales s e necesitan temperaturas bajas comprendidas en el intervalo de – 25ºC a – 75ºC. Desafortunadamente no se puede utilizar un ciclo simple para alcanzar dichas temperaturas. Para superar esta dificultad se puede emplear el denominado ciclo en cascada: qH

6

T

CONDENSADOR ALTA PRESION

t 6 7

CICLO B WB

COMPRESOR

2 5

evaporador

3 5

2

condensador

4 WA

COMPRESOR

CICLO A

1 Aumento efecto refrigeracion

1 EVAPORADOR DE BAJA PRESION qL

Dicho ciclo es el conjunto de ciclos de compresión de vapor simples en serie. Aunque solo se muestran dos unidades, si es necesario, en la práctica se emplean tres o cuatro unidades en serie. Normalmente en cada ciclo individual se emplea un refrigerante distinto, con el objeto de ajustar los intervalos de temperatura y presión.


[email protected]

52

1.21.5.

SISTEMA COMPRESION MULTIETAPA O POR ETAPAS

En este sistema tiene en particular que el líquido que sale del condensador pasa por el dispositivo de estrangulamiento y de allí a la cámara de vaporización instantánea que se mantiene a una presión entre la del evaporador y la del condensador. Todo el vapor que se separa del liquido en dicha cámara, se transfiera a una cámara de mezcla directa, donde se mezcla con el vapor que sale del compresor del ciclo A que esta mas caliente ( Estado 2 ). La cámara de mezcla actúa como un enfriador intermedio regenerativo, ya que enfría el vapor que sale del compresor del ciclo A y caliente el que se extrae de la cámara de vaporización instantánea, llegando ambos gases a un equilibrio en el estado 3. Estos sistemas requieren mayor inversión en equipos pero menos potencia de operación. qH

T 4

CONDENSADOR

Dismin i trabajo compr

4

5 CICLO B WB

COMPRESOR

2 3 8

3

6

7 CAMARA DE MEZCLA GAS

9

2 CAMARA VAPORIZACION INSTANTANEA WA

COMPRESOR

7

CICLO A

1 Aumento efecto refrigeracion S

1 EVAPORADOR qL


[email protected]

53

1.21.6.

SISTEMA COMPRESION MULTIPLE DIRECTA

En este sistema el fluido refrigerante se comprime dos o más veces, con la condición que existe un enfriamiento del gas recalentado que sale de los primeros compresores. Dichos compresores están conectados en serie uno con el otro. Tiene las siguientes ventajas: •

Emplea un solo tipo de refrigerante.

•

Requiere menos accesorios mecánicos.

Entre sus desventajas están: A menor presión de baja, menor es el COP del sistema, por la existencia de mayor cantidad de flash gas a la salida del elemento de expansión. •

•

Requiere un sistema de enfriamiento del vapor recalentado a la salida de los compresores.


[email protected]

54

1.21.7. 1.21.7.1.

CICLO DE REFRIGERACION POR ABSORCION. ABSORCION CON AMONIACO Y AGUA

Este ciclo de refrigeración fue inventado por el francés Ferdinand Carré, quien lo patentó en los Estados Unidos en el año de 1860. Este sistema funciona por la adición de calor para obtener frio; emplea una sustancia refrigerante que es alternativamente absorbida y liberada por un fluido absorbente. El ciclo de absorción tradicional es el de agua con amonia o amoniaco ( NH 3 ), que utiliza el principio de absorción del amoniaco, que en este caso es el refrigerante, por el agua pura que para este caso, es el medio absorbente. Entra las características especiales de este sistema está que requiere poco trabajo mecánico comparado con el sistema de compresión de vapor, pues el único trabajo que se consume es el de la bomba empleada para la impulsión del amoniaco concentrado o licor fuerte a una cámara vaporizadora o generadora por adición de ca lor ya sea de una fuente de combustible, eléctrica, etc. El ciclo de absorción se detalla a continuación:


[email protected]

55

En el ciclo mostrado anteriormente, las funciones del condensador, válvula de expansión y el evaporador, son los mismos que en el ciclo de compresión de vapor. La diferencia radica en el compresor que se ha sustituido por el sistema de bomba – generador – absorvedor. En el absorvedor, entra el amoniaco en forma de vapor y a baja presión proveniente del evaporador, pero también le entra o recibe una mezcla de agua con amoniaco en poca concentración ( licor suave ) proveniente del generador. Estos dos fluidos se mezclan en este absorvedor, de forma que el vapor de amoniaco es absorbido en la solución ligera o por el licor suave. El fluido que circula por la bomba, fuera del absorvedor, es entonces una mezcla muy concentrada de agua y amoniaco que recibe ahora el nombre de licor fuerte y es bombeado a un recipiente a alta presión llamado generador. En el generador se le agrega calor externamente a la mezcla ya sea por la quema de combustibles, resistencias eléctricas, etc; este calor agregado incrementa la temperatura de la mezcla y como el amoniaco a esta presión ( entre 15 y 20 bares absolutos ) tiene una temperatura menor que la del agua, dicho amoniaco se evapora y pasa al condensador en forma de vapor. La mezcla que queda se convierte en licor suave que regresa al absorvedor a través de una válvula restrictora que mantiene la diferencia de presión entre los lados de alta y baja del sistema. En el condensador y por efectos de disipación de calor, el amoniaco se condensa y pasa a al elemento de expansión donde es extrangulado disminuyéndole la presión ( entre 6 y 2 bares absolutos ) y de allí circula hacia el evaporador donde absorbe calor y se vuelve a evaporara para volver nuevamente al absorvedor de amoniaco. 1.21.7.2.

ABSORCION CON LITIO BARIO O BROMURO DE LITIO Y AGUA

A diferencia que en el ciclo de amoniaco con agua, en el generador o sea el elemento que recibe calor, en vez de evaporarse al amoniaco, en este caso se evapora el agua y el LiBr queda en el recipiente. Este mismo mas tarde cae por gravedad a través de un intercambiador de calor enfriándolo; del intercambiador de calor, el Li Br llega al recipiente llamado absorvedor. En cuanto al agua evaporada que sale del generador pasa a un condensador donde se convierte de nuevo en agua e estado líquido y de allí a una válvula de expansión donde se disminuye la presión y por ende la temperatura. ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ

[email protected]

56 Esta agua fría pasa al absorvedor donde absorbe calor del evaporador y se evapora, este vapor de agua es absorbido nuevamente por el LiBr que viene del intercambiador de calor. En este proceso de absorción se libera calor por lo tanto se debe tener dentro del absorvedor un intercambiador de calor para que absorva este calor ya que el calor dificulta la absorción. Mas tarde, la mezcla agua y LiBr es bombeada, incrementado la presión de la mezcla al generador.

1.22. PROCESOS DE REFRIGERACION Por lo general en los procesos de refrigeración se identifican dos etapas: la de congelación y la de descongelación

1.22.1.

PROCESO DE CONGELACION

Es el proceso donde se hace el retiro de calor del recinto. En este proceso se tiene que: •

El compresor o la unidad condensadora esta en operación ( Para ciclos de compresión de

•

Hay flujo de refrigerante en el condensador y el evaporador.

vapor ).

1.22.2.

PROCESO DE DESCONGELACION O DESHIELO

En todos los sistemas de refrigeración, donde las temperaturas de evaporación del refrigerante estén por debajo de los 0º C o 32º F, se presenta una condensación de la humedad o del vapor de agua presente en el ambiente. Este se va formando como escarcha en los paneles o aletas de los evaporadores u otros sistemas. Con el tiempo este hielo va obstaculizando el libre flujo de aire u otros fluidos, reduciendo la eficiencia del sistema de refrigeración u otros inconvenientes. Cada cierto tiempo de operación del equipo se debe pensar en realizar un proceso para descongelar el hielo acumulado en los evaporadores. Este intervalo de tiempo generalmente va de 10 horas en adelante dependiendo del tipo de sistema, tamaño del mismo, etc. 1.22.2.1.

SISTEMAS DE DESCONGELACION O DESHIELO

Antes de comenzar a hablar de los sistemas de deshielo o descongelación, se debe pensar en las consideraciones que se deben tener para realizar un proceso exitoso y que no atente contra el sistema o los productos que se estén refrigerando. Entre estas consideraciones se tienen: Trate en lo posible que no circule refrigerante a baja presión por el evaporador durante el proceso de precalentamiento del evaporador. Esta condición depende mucho del tipo de descongelación. • El ventilador del evaporador debe estar apagado durante el proceso de calentamiento del evaporador, pues si esta encendido, hará circular aire caliente al recinto. Debe existir un sistema que controle el deshielo. • Después del proceso de deshielo, se debe esperar un tiempo para que el agua producto del • deshielo, puede ser evacuada. •


[email protected]

57 Después del proceso de deshielo se debe asegurar un tiempo de escurrimiento del agua en el evaporador y los conductos de desague. • Después de la evacuación se hace circular refrigerante por el evaporador para preenfriarlo, sin encender los difusores. • El ventilador del evaporador, encenderá después de un tiempo de haber terminado el deshielo, para asegurar el bombeo de aire frío al recinto. •

De acuerdo a lo expresado anteriormente, se pueden identificar las siguientes fases o tiempos de una descongelación: Período de aumento de la temperatura en el evaporador: En este período se aumenta la temperatura en el evaporador por varios medios, para que el hielo se derrita. Durante este período, los ventiladores o forzadores del evaporador permanecen apagados salvo en el deshielo de Ciclo Fuera. Periodo de escurrimiento: Es un tiempo que se da para que el agua derretida se escurra de • las aletas o superficie del evaporador. • Período de desague: Es el tiempo que se da para que el agua escurrida del evaporador salga del recinto a través de tuberías de desague. • Periodo de preenfriamiento del evaporador: Es el periodo en que se hace circular refrigerante frio en el evaporador para llevarlo a una baja temperatura, para que después pueda hacerse ventilar aire. •

Nota: Los tiempos de escurrimiento y desague, muchas veces se toman como uno solo. Entre los diferentes sistemas de descongelación se tienen: 1.22.2.2.

CICLO FUERA

Este sistema consiste en el apagado del compresor para que el hielo del evaporador se descongele en forma natural. Debido a esto este proceso es muy lento, puede durar de 4 a 10 horas dependiendo el tamaño del equipo; las variaciones de temperatura del recinto son muy elevadas. Durante el periodo de descongelación es recomendado que se pongan a operar los ventiladores del evaporador para agilizar el proceso. 1.22.2.3.

ELECTRICO

En este procedimiento, se emplean resistencias eléctricas ubicadas en el evaporador, para que cuando se conecten a la energía, éstas se calientan descongelando el hielo a sus alrededores. Es un sistema sencillo, rápido para sistemas pequeños y medianos. Dependiendo del equipo, la configuración de este sistema varía, pero en general sus esquemas o circuitos son muy parecidos. En este sistema se debe tener en cuenta que: Durante el proceso de deshielo o aumento de temperatura del evaporador • •

Detener la circulación de refrigerante por el evaporador. El ventilador del evaporador debe estar apagado.

Durante el proceso de escurrimiento y desague del hielo descongelado: Garantice un tiempo de escurrimiento para que el agua que queda en el evaporador pueda ser drenado. • Garantice un tiempo para que el agua en los conductos pueda ser evacuada. • En estos procesos de escurrimiento no debe circular refrigerante por el evaporador ni debe estar encendido el ventilador del evaporador. •

Durante la finalización del proceso de descongelación o preenfriamiento del evaporador ING ANTONIO OSPINO MARTINEZ

[email protected]

58

La circulación de refrigerante por el evaporador debe iniciarse nuevamente para enfriarlo. Durante ese proceso se debe retardar un poco el encendido del ventilador del evaporador para garantizar que haga circular aire frio. • •

1.22.2.4.

GAS CALIENTE PARA UN SISTEMA CON UN SOLO COMPRESOR Y UN SOLO EVAPORADOR

Este procedimiento, emplea el gas refrigerante que sale del compresor a alta presión y alta temperatura para que circule por el evaporador, convirtiéndolo en ese momento en un condensador. Es un sistema rápido de descongelación para equipos medianos y grandes, pero que debe utilizar elementos de protección del sistema como válvulas reductoras de presión de succión o aspìración, un acumulador de succión y solenoides. En este sistema se debe tener en cuenta que: Durante el proceso de deshielo o aumento de temperatura del evaporador: Detener la circulación de refrigerante proveniente de la válvula de expansión. El ventilador del evaporador debe estar apagado. Se debe proveer refrigerante en estado gaseoso y a alta presión de la tubería de descarga del compresor • • •

Durante el proceso de escurrimiento y desague del hielo descongelado: Garantice un tiempo de escurrimiento para que el agua que queda en el evaporador pueda ser drenado. • Garantice un tiempo para que el agua en los conductos pueda ser evacuada. En estos procesos de escurrimiento no debe circular refrigerante por el evaporador ni debe • estar encendido el ventilador del evaporador. •

Durante la finalización del proceso de descongelación o preenfriamiento del evaporador: La circulación de refrigerante por el evaporador debe iniciarse nuevamente para enfriarlo. Durante ese proceso se debe retardar un poco el encendido del ventilador del evaporador para garantizar que haga circular aire frio. • •

El sistema como mínimo debe tener los siguientes componentes:


[email protected]

59 SDGC SPL SE1

S1 SEL

SSL

CONDENSADOR

SEPARADOR ACEITE S2

ANTIVIBRADOR

ACUMULADOR SUCCION KVL

1.22.2.5.

HIDRAULICO

En este procedimiento, se bombea un líquido caliente o salmuera al evaporador haciendo que el hielo se descongele. Este procedimiento requiere sistemas hidráulicos, sistemas de drenaje y otros sistemas de control complementarios que incrementan costos. 1.22.2.6.

GAS CALIENTE EN FLUJO CONTRARIO PARA VARIOS EVAPORADORES CON UNO O VARIOS COMPRESORES ( RACKS )

Cuando se emplea gas caliente para descongelación teniendo varios evaporadores, no se pude hacer el ciclo normal ya visto de descongelamiento, por la sencilla razón que el gas caliente proveniente de un evaporador y en su camino al compresor aumentaría la presión en los otros evaporadores afectando sus temperaturas. Para hacer este proceso, el gas caliente f luye en forma inversa, tal como se observa en la figura:


[email protected]

60

CORTESIA SPORLAN Cuando se va a realizar el proceso, se tiene una válvula solenoide o una válvula de descongelación de tres vías, hace circular al gas caliente hacia el evaporador, este llega a la VET y se desvía por la válvula de cheque y de allí llega al colector de liquido, al cual se la ha disminuido la presión por otros medios para que pueda haber el flujo en es a dirección. 1.22.2.7.

DESCARCHE KOOLGAS

En el sistema de descarche KOOLGAS el gas fluye en sentido contrario como en el caso visto anteriormente, la única diferencia radica en que el gas tiene menor temperatura debido a que es tomado del gas que se encuentra en el recipiente de liquido que esta comunicado con el colector de descarche.


[email protected]

CAPITULO I. FUNDAMENTOS DE REFRIGERACION Y CLIMATIZACION.pdf

Recommend Documents