EQUIPOS DE REFRIGERACIÓN Y PSICROMETRÍA Juan Telesca Fac. de Ingeniería e-mail:
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EQUIPOS PARA REFRIGERACION Sistema de refrigeración por compresión Refrigerar consiste en conseguir una temperatura mas baja que la del m edio ambiente. En el ciclo de compresión de vapor esto se logra utilizando las propiedades de ciertos sustancias llamadas refrigerantes que tienen la propiedad de evaporarse a bajas temperaturas (absorbiendo calor para evaporarse) y condensar a temperatura ambiente (cediendo el calor al ambiente). El sistema de refrigeración por compresión consiste, además del refrigerante, de compresor, condensador, evaporador y válvula de expansión. Todos estos conceptos se desarrollaran a continuación.
Refrigerantes Existe una amplia variedad y tienen diferentes caract erísticas que los hacen mas aptos según la aplicación. Algunos requerimientos para la selección del refrigerante apropiado son toxicidad, inflamabilidad, aspectos económicos y ambientales. • Toxicidad: es es un termino relativo al grado de concentración y el tiempo de exposición. La National Fire Underwriters ha establecido una categorización en una escala de 1 a 6 en donde los refrigerantes del grupo 1 son altamente tóxicos en bajas concentraciones y poco tiempo de exposición. En el otro extrem o, grupo 6, se consideran no tóxicos (en condiciones normales). Por ejemplo, el Amoníaco pertenece al grupo 2 y el R22 al grupo grupo 5. • Inflamabilidad y explosividad: en general no son inflamables ni explosivos a excepción del amoníaco (cuando se mezcla con aire) y los de la serie de los hidrocarburos. • Otras consideraciones: no contaminante de los productos que se manejan en caso de que entrar en contacto con ellos. Por ejemplo escapes de amoniaco pueden causar danos ligeros (decoloraciones) o danos mas serios inutilizando el producto. Existen también los llamados refrigerantes secundarios Estos se enfrían en evaporadores o unidades enfriadoras de un sistema y se trasladan por tuberías al lugar que se desea refrigerar. Incluyen los anticongelantes y las salmueras. En el grupo de los anticongelantes están los glicoles (etilénico, dietilénico, trietilénico y propilénico). Dos de las salmueras mas populares son las soluciones de cloruro de calcio y de cloruro de sodio. Para su selección importa sus propiedades propiedades físicas (viscosidad, punto de congelación, capacidad calorífica, etc) así como sus propiedades no contaminantes. Son de especial interés las salmueras ya que no son tóxicas con las personas o alimentos.
Equipos básicos del sistema de refrigeración Los equipos básicos de un sistema de refr igeración son: Evaporador: es el equipo en donde donde se realiza la vaporización del líquido líquido • refrigerante para eliminar el calor del del espacio hacia el refrigerante vaporizado. vaporizado. Tubo de succión: transporta el vapor a baja presión desde el evaporador hasta la • entrada del compresor
Compresor: es el equipo que se encarga de eliminar el vapor del evaporador, elevar la temperatura y presión del vapor de aumentar la presión y temperatura del refrigerante. Pueden ser reciprocantes o tornillo. • Tubo de descarga: entrega el vapor de alta presión y temperatura Condensador: es el equipo en donde se realiza la condensación del vapor • refrigerante. Como fluido frío se puede usar aire, agua o ambos Tanque receptor: almacena el liquido condensado • Tubería de liquido: conduce el líquido refrigerante • Control del flujo refrigerante: son válvulas que permiten la expansión del líquido refrigerante y reducen la presión del líquido que llega al evaporador para que la vaporización del líquido se realice a la temperatura deseada •
Fi g ura 1. Si s tema típico de refrig eración por c ompres ión
Evaporadores Es el equipo donde se vaporiza un líquido volátil para eliminar el calor de un espacio refrigerado. En general consisten en un serpentín de tubos aletados (para aumentar el área de transferencia) y tienen un ventilador que fuerza el pasaje del aire a través de ellos. Los tubos son de materiales muy conductores como acero (caso amoniaco) o cobre (otros).
Fi g ura 2. E vaporadores de aire forzado
Compresores Los mas utilizados son los reciprocantes y los t ornillos.
Compresores reciprocantes Está provisto de una cámara de compresión constituida por un cilindro de sección circular, con una "tapa" fija ("cabeza" o "culata") y otra móvil l ("pistón"). Válvulas de admisión y escape permiten el acceso del gas a c omprimir y la salida del gas comprimido. Un m otor hace girar un cigüeñal. A través de una biela, el pistón adquiere un movimiento alternativo entre las dos posiciones extremas, de velocidad nula, llamadas punto muerto superior (P.M.S.) la más alejada del cigüeñal y punto muerto inferior (P.M.I.) la otra.
Fi g ura 3. Es quema del ciclo del compresor r eciprocante
Al moverse el pistón hacia abajo, pasa vapor de baja presión a través de la válvula de succión. En la carrera ascendente el vapor es comprimido y luego es descargado como vapor a alta presión a través de la válvula de descarga.
Figura 4. Compresor reciprocante con detalle constructivo
Compresores tornillos Consta de dos rotores helicoidales de ejes paralelos, engranados entre sí que giran dentro de una carcaza o envolvente. Uno de los tornillos presenta lóbulos y otro entrantes en que se introducen los lóbulos.
El rotor de lóbulos suele ser el movido por el motor e imprime movimiento al otro mediante el engrane. Las velocidades de rotación suelen no ser menores de 2000 rpm. ni m ayores de 12000 rpm. El gas ingresa al interior de la carcaza por uno de los extremos de los tornillos; es atrapado en el espacio entre dos filetes consecutivos y la envolvente, y trasladado hasta la boca de salida, en el otro extremo de los tornillos. Dicho espacio conteniendo gas reduce su volumen al llegar a la pared posterior de la cámara, antes de descubrirse la lumbrera de escape.
Figura 4. Detalle del compresor tornillo
Condensadores Es una superficie para la transferencia de calor. El calor del refrigerante caliente pasa a través de la superficie condensándolo. Puede ser del tipo tubo en tubo, tubo y carcaza, tubos aletados, etc. Pueden ser enfriados con aire o agua o ambos (tipo evaporativo)
Figura 5. Condensadores enfriados con agua
Figura 6. Condensadores enfriados con aire
El agua utilizada en los condensadores enfriados con agua es usualmente recirculada y enfriada para su posterior utilización. El enfriado de la misma se realiza en torres de enfriamiento que dependiendo de la condiciones ambientes disminuye su temperatura unos 5C.
PSICROMETRIA Propiedades del aire El aire es un vital componte de nuestra vida. El aire tal como lo conocemos al que llamaremos aire húmedo, se suponer compuesto por aire seco y agua en estado de vapor. El aire seco contiene 20.99 % de Oxígeno, 78.03 % de N itrógeno, 0.94 % Argón, 0.03 % Dióxido de Carbono y 0.01% de Hidrógeno en volumen. Sus propiedades cambian con la variación de la temperatura, presión, humedad y el control de estas variables es esencial para los procesos unitarios que lo involucran. Estas complejas variaciones pueden ser fácilmente representadas en el diagrama Psicrométrico.
Diagrama Psicrométrico Este diagrama tiene por ordenada la presión parcial del vapor en función de la temperatura de bulbo seco del aire (temperatura del aire medida con un termómetro común).
Fi g ura 7. Di ag rama Ps icrométrico
Se puede demostrar que la humedad absoluta (o sea los kg de agua/kg aire seco) esta relacionada con la presión parcial de vapor por lo que el eje vertical suele representar la humedad absoluta w. La curva de saturación representa las condiciones de presión y temperatura para las que el vapor de agua condensa. La humedad relativa Φ que se define como el cociente entre la presión parcial del vapor de agua en la mezcla y la presión de saturación del vapor de agua a la misma temperatura. Usualmente se expresa en forma de porcentaje. Φ= Ppv/Ppvs
Fi g ura 8. C urvas de humedad relativa
Esta variable se puede interpretar que tan lejos esta un estado de saturar. En el diagrama se representa como curvas. La temperatura de bulbo húmedo es la temperatura final que alcanza el agua de un isopo que envuelve un termómetro al evaporarse. Representa el efecto de enfriado por evaporación de agua. No es una propiedad del aire sino que es una medida del efecto del aire sobre el agua. En la mezcla de aire húmedo se representan por líneas transversales. Se mide con un termómetro cuyo bulbo esta envuelto en un isopo embebido en agua destilada.
Fig ura 9. Lí neas de temperatura de bulbo húmedo
La temperatura de punto de rocío es la temperatura a la que condensa la humedad contenida en el aire.
Fi g ura 10. Líneas de Temperatura de Punto de R ocío
Manejo del diagrama El diagrama permite representar procesos o condiciones que experimenta el aire que es calentado, enfriado, secado, humectado, etc. La versatilidad del diagrama estr iba en que conociendo dos propiedades, las demás quedan determinadas. Las medidas en una cámara o proceso se pueden realizar con Psicrómetros que cuentan con un termómetro común para medir aire seco y uno envuelto en un hisopo embebido en agua destilada con el que se obtiene la temperatura de bulbo húmedo. Existen también algunos sistem as de medida electrónicos que automáticamente dan además las demás propiedades. La medida se debe realizar en un lugar representativo del ambiente o proceso. En caso de cám aras de almacenamiento o procesos de secado un lugar adecuado puede ser a la salida de los ventiladores.
Ejemplos Problema 1 Dada una Temperatura de bulbo seco de 35ºC y una humedad relativa de 50%, determine las demás propiedades del aire Problema 2 Suponga que un producto hortícola es sacado de una cámara de almacenamiento a 5ºC a un pasillo que está a temperatura am biente 25ºC y 60% de humedad relativa. Describa en un diagrama que sucede. Problema 3. En un proceso de secado el aire ingresa al producto a 35ºC y 45% de HR. ¿Cuales son las condiciones de salida si el aire sale saturado?
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