IFR 3.Selección de Máquinas y Equipos

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO

A I C N A T S I D A L A N O I S E F O R P N ‡ I C A M R O F

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d a d i n U

Selección de Máquinas y Equipos

MÓDULO Instalaciones Frigoríficas

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Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR Título del Módulo: INSTALACIONES FRIGORÍFICAS Dirección:

Dirección General de Formación Profesional. Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente. Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera Autor: Efrén Andrés Díaz

Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias Coordinación: Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Nuria Biforcos Fernández Laura García Fernández María Mera López Diseño y maquetación: Begoña Codina González Sofía Ardura Gancedo Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: ISBN: 978-84-690-8583-7 Depósito Legal: Legal: AS-05744-2007 Copyright: © 2007. Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. La reproducción de las imágenes y fragmentos de las obras audiovisuales que se emplean en los diferentes documentos y soportes de esta publicación se acogen a lo establecido en el artículo 32 (citas y reseñas) del Real Decreto Legislativo 1/2.996, de 12 de abril, y modificaciones posteriores, puesto que “se trata de obras de naturaleza escrita, sonora o audiovisual que han sido extraídas de documentos ya divulgados por vía comercial o por Internet, se hace a título de cita, análisis o comentario crítico, y se utilizan solamente con fines docentes”. Esta publicación tiene fines exclusivamente exclusivamente educativos.















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Selecc Sele ccii n de de Máquinas y Equipos

Sumario general

Objetivos ............................................................. ............................. ................................................................ ..................................

4

Conocimientos Conocimientos ............... ...................... ............... ............... .............. ............... ............... ............... ............... .............. ............ .....

5

Introducción ............................................................ ............................ .............................................................. ..............................

6

Contenidos generales...................... generales........................................................ ....................................................... .....................

6

Carga térmica de una cámara frigorífica .............................................. ............................... ...............

7

Selección del evaporador .................................................................... .................................. ..................................

15

Selección Selección de la unidad condensador condensadora, a, válvul válvula a de expansión expansión y tuberías. tuberías..... ....

27

Ejemplo de aplicación............................................ aplicación............. ............................................................ .............................

42

Resumen............................................ Resumen............. .............................................................. .................................................... .....................

52

Autoevaluación Autoevaluación ............... ....................... ............... ............... ............... .............. ............... ............... ............... ............... .......... ...

54

Respuestas de actividades........................... actividades .......................................................... ........................................... ............

58

Respuestas Respuestas de autoeval autoevaluación. uación. ............... ...................... ............... ............... ............... ............... .............. .......... ...

62















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Módulo: Instalaciones Frigoríficas



Objetivos

Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:  Cuantificar las ganancias de calor que se producen en una cámara frigorífica por r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e d o t n e i m i n e t n a M y e j a t n o M

distintos motivos (entrada a través de paredes, carga de género, apertura de puertas, etc.).  Determinar la potencia frigorífica de la instalación capaz de extraer las ganancias

de calor producidas en el interior de la cámara.  Seleccionar en catálogos técnico-comerciales el evaporador más adecuado y que

mantenga el aire interior en las condiciones de temperatura y humedad deseadas.  Seleccionar en catálogos técnico-comerciales la unidad condensadora, válvula de

expansión y tuberías en función de la potencia frigorífica de la instalación.















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Conocimientos que deberías adquirir CONCEPTOS S • Carga térmica de una cámara frigorífica. Calor específico y calor latente de cambio de estado de una sustancia. • Potencia frigorífica de una instalación. • Salto o diferencial térmico de un evaporador. Capacidad nominal y factores de corrección. • Salto o diferencial térmico de un condensador. Interpolación gráfica y analítica.

PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS ITUACIONES S • Cálculo de la carga térmica de una cámara frigorífica en distintas condiciones de temperatura exterior, de conservación y de carga de género. • Cálculo de la potencia frigorífica de la instalación en función de la carga térmica. • Selección en catálogos catálogos técnico-comerciales de los elementos de la instalación frigorífica (evaporador, unidad condensadora, válvula de expansión y tuberías), tomando como referencia la potencia frigorífica calculada.

ACTITUDES S • Alerta a la detección de posibles causas que supongan ganancias de calor en una cámara frigorífica. • Analítica respecto a cómo influyen en el funcionamiento de la instalación los factores que intervienen en la selección de los componentes. • Autónoma, respecto a la posibilidad de extrapolar los conocimientos adquiridos a instalaciones similares no contempladas en la unidad.















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

Introducción Las cámaras frigoríficas llevan asociados equipos frigoríficos cuya función es extraer el calor que se genera o se introduce en su interior. Generalmente la potencia de estos equipos está íntimamente relacionada con el tamaño de la cámara, pero sorprende observar que, en ocasiones, una cámara de grandes dimensiones lleve asociado un equipo de poca potencia y viceversa. ∂A qué se debe esta aparente contradicción? r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e d o t n e i m i n e t n a M y e j a t n o M

Unas cámaras son abiertas frecuentemente para introducir en ellas grandes cantidades de género, mientras que otras pueden permanecer cerradas largos períodos de tiempo sin que en ellas entre ni salga género alguno. Unas congelan el género, mientras que otras se limitan a conservarlo ligeramente fresco. ∂Qué potencia tienen que tener los equipos asociados a estas cámaras? Valorar la potencia de las instalaciones en función de las necesidades te ayudará a efectuar una selección equilibrada de sus componentes, permitiéndote además realizar y ejecutar pequeños proyectos de instalaciones.

Contenidos generales En esta unidad didáctica estudiarás, por un lado, los factores que determinan la selección del equipo frigorífico para que sea capaz de mantener el aire de la cámara frigorífica en las condiciones de temperatura y humedad que requiere el producto almacenado. Por otro lado, también estudiarás los datos que proporcionan los catálogos técnicocomerciales respecto a los componentes de la instalación frigorífica, y en particular los aspectos sobre los que debes centrar tu atención al efectuar la selección.

















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Carga térmica de una cámara frigorífica Las cámaras frigoríficas son recintos aislados diseñados con el fin de evitar la entrada de calor exterior. Si la cámara permaneciera cerrada indefinidamente, tan solo entraría en ella el calor que atraviesa sus paredes. Pero de nada serviría una cámara frigorífica si no se pudiera acceder al género almacenado en su interior, y para acceder a él hay que abrir puertas, encender luces y quizá accionar algún motor eléctrico. ∂Se genera calor en estas acciones? ∂Qué otras fuentes de calor te parece que puede haber haber en el interior de una cámara?

En el capítulo anterior ha sido analizada la entrada de calor a través de las paredes de la cámara, pero esa no es la única fuente de calor. He aquí una relación de las distintas fuentes de calor que se pueden encontrar en una cámara frigorífica:

Í El calor exterior se propaga hacia el interior por conducción a través del material que constituye las paredes de la cámara. Cada vez que se abre la puerta de la cámara sale una porción de aire frío de su interior y entra otra porción de aire caliente procedente del exterior.

















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

Í Las personas que trabajan en el interior de las cámaras frigoríficas emiten calor, si bien esta emisión queda considerablemente reducida por las prendas de abrigo. Normalmente el género que se introduce en la cámara está a una temperatura más elevada que la reinante en el interior. Los vegetales continúan su ciclo vital después de ser recolectados. La respiración de éstos supone también una emisión de calor. r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e

Para evitar la formación de gases durante su periodo de vida, es necesario renovar el aire interior periódicamente. Esta renovación supone introducir aire caliente procedente del exterior. Tabla 1 (continuación): Fuentes de calor que podemos encontrar en una cámara frigorífica.

Para mantener una baja temperatura en la cámara es necesario que el equipo frigorífico evacue el calor generado por cualquiera de estas causas. Conocer la cantidad de calor que se introduce en la cámara será, por tanto, el primer paso para la selección del equipo. Se denomina

al calor total que entra o se genera en la cámara en un

tiempo determinado por cualquiera de las causas citadas en el apartado anterior.

Cálculo de la carga térmica En cámaras de tamaño medio es frecuente calcular la carga térmica diaria y seleccionar a continuación el equipo frigorífico en función de este cálculo. Detallamos a continuación

















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Las temperaturas Te y T i, así como otras que aparecerán más adelante, pueden ser expresadas en grados Kelvin o centígrados indistintamente, ya que ambos grados representan el mismo intervalo de temperatura.

Qp se obtiene en W, o lo que es lo mismo, en J/s; por lo que la expresión anterior nos proporciona el calor (en Julios) que atraviesa la pared en cada segundo. Para obtener el calor que entra diariamente en la cámara habrá que multiplicar dicha expresión por los 86 .400 segundos que tiene un día. Por otra parte, para obtener el resultado en kJ habrá que dividir la expresión entre 1.000. Así pues, la expresión tomará la forma:

Q p

O bien:

Q p

=

=

S ×

S ×

λ

e

× (T e − T i ) ×

λ

e

86.400 1.000

× (T e − T i ) × 86,4

Obteniéndose Qp en kJ/día.

De 90 a 110

0,043

De 110 a 150

0,037

















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r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e


é

De 25 a 30

0,034

De 30 a 50

0,027

De 28 a 32

0,023

De 32 a 40

0,020

De 40 a 80

0,020

De 40 a 55

0,040

De 55 a 70

0,039

De 70 a 100

0,038

De 100 a 120

0,037

De 120 a 130

0,046

De 130 a 140

0,048

90 (coquillas)

0,030

113 (planchas)

0,030

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Tabla 2 (continuación): (continuación): Densidad y conductiv idad térmica de algunos materiales materiales aislantes. aislantes.

o Calor por servicio Se engloban en este apartado las ganancias de calor debidas a factores tales como la apertura de puertas y correspondiente renovación de aire, motores, iluminación y personas. Estas ganancias de calor están directamente relacionadas con el tamaño de la cámara, y su cuantificación aproximada puede obtenerse como porcentaje de las ganancias de calor a través de las paredes.

















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o Calor por carga de género Generalmente el género se introduce en la cámara a una temperatura mayor que la que reina en su interior. La expresión siguiente nos permite obtener el calor a extraer del género para que su temperatura descienda hasta la temperatura de conservación, siempre que no haya durante el proceso un cambio de fase (congelación del género):

e s la masa de g énero que se introduce diariamente (kg/día). e s el calor específico del género en kJ/kgK (Tabla 3).

Qg

=

es la temperatura de entrada del género en K .

m × C e × (T ent − T i )

e s la temperatura interior de la cámara en K (Tabla 3). se obtiene en kJ/día .

El calor específico expresa el calor que hay que extraer a la unidad de masa de determinada sustancia para hacer variar su temperatura un grado; en el Sistema Internacional sus unidades son el julio por kilo y kelvin. El género puede entrar en la cámara a temperatura positiva, en cuyo caso se utilizará el ; si el género entra en la cámara ya congelado se utilizará el

. Estos calores específicos pueden

consultarse en la Tabla 3.

º

Aves congeladas

-18º

90

3,3

1,76

246



















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º

0/+1º

80

2,53

1,46

167

Manteca de cerdo congelada

-18º

90

2,09

1,42

210

Manteca de cerdo fresca

+7º

80

2,09

1,42

210

Salchicha congelada

-18º

90

3,73

2,34

216

0º /+1º

80

3,73

2,34

216

-18º

90

1,53

1,1

68

0º /+1º

60/70

1,53

1,1

68

Vaca congelada

-18º

90

3,08

1,67

223

Vaca fresca

0º /1º

80/85

3,08 3,0 8

1,67

223

+7º /+1 +10º

85/90

3,25

1,76

251

0º

65/70

2,89

1,67

207

0º /+1º

82

3,64

1,88

280

+4º /+7º

85

3,81

1,97

298

Jamón fresco

r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m

Salchicha fresca Tocino congelado Tocino fresco

Aceituna Ajo Alcachofa Alubias verdes

1,0

11,6



















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º

Limón

+14º /16

85

3,81

1,93

295

4,24

0º /+3º

90

3,77

1,93

290

3,78

Manzana

0º /1º

80/85

3,64

1,88

281

1,92

Melocotón

0º /2º

80

3,77

1,92

288

1,34

+2º /+4º

85

3,89

2,0

307

1,5

0º /2º

85

3,77

1,92

288

1,68

+2º

82

3,60

1,88

274

0,93

Plátano

13º /+15 +15º

90

3,35

1,76

251

Sandía

+4º /+10 ≥ 0º /4º

80

4,06

2,0

307

85/90

3,60

1,84

270

0º /+1º

90

3,39

1,76

243

-18º

90

3,18

1,74

245

0º /+1º

90

3,18

1,74

245

Mandarina

Melón Naranja Pera

Uva

Marisco cocido Pescado congelado Pescado fresco

0,4



















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

 Después se congela a temperatura constante:

Q2

=

m × C L

 Finalmente se hace descender su temperatura hasta la de conservación (temperatura in-

terior de la cámara):

Q3 r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m

=

m × C e 2 × (T cong

− T i )

Los calores específicos Ce1 y Ce 2 son los correspondientes al género antes y después de la congelación respectivamente, los cuales pueden consultarse en la Tabla 2. Para el cálculo de Q 2 se utiliza el calor latente de congelación (CL), el cual expresa el calor a extraer a cada kilo de sustancia para que se produzca su congelación a temperatura y presión constantes; su valor puede ser consultado también en la Tabla 3.

Qg

=

Q1

+ Q2 + Q3

(en kJ/día)



















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Selección del evaporador Una simple ojeada a un catálogo técnico-comercial nos da una idea de la amplia variedad de evaporadores que hay disponibles en el mercado. Los hay voluminosos, mientras que otros apenas sobresalen del techo. Unos son un sencillo serpentín con aletas, y otros tienen carcasa y ventiladores. También hay gran variedad de tamaños. ∂Cómo debemos elegir nuestro evaporador de entre toda la gama disponible? .

Una vez obtenida la car ga térmic térmica a diaria diaria de la cámara (Q T), habrá que seleccionar el equipo capaz de evacuar el calor generado en el mismo periodo, de forma que el balance térmico al final del día quede equilibrado:



















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

Según eso, y considerando un tiempo de funcionamiento de 16 horas diarias, la potencia frigorífica de la instalación, P, se calcula mediante la expresión siguiente, obteniéndose en J/s o W (1J/s = 1W).

P=

QT ( kJ / día )

16 (h / día )

×

1h 3.600 s

(en W)

Con el fin de disponer de cierto margen de seguridad, se incrementa este valor en un 10%: r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m

P = 1,1×

QT

16 × 3.600

(en W)

En definitiva, el equipo frigorífico que se instale en la cámara deberá tener la potencia P calculada.

Selección del evaporador





















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. La forma del evaporador está condicionada por la altura dis-



ponible en el interior de la cámara. Atendiendo a su forma los evaporadores evaporadores pueden ser cúbicos, de plafón o murales. • Los

tienen muy buen rendimiento, ya que el aire los atra-

viesa sin cambiar de dirección, pero tienen el inconveniente de que sobresalen mucho del techo, por lo que no son adecuados para cámaras de poca altura. • Los

ocupan menor altura, pero debido a que el aire entra

en vertical por la parte inferior y sale en horizontal por uno de sus laterales, este cambio de dirección disminuye ligeramente su rendimiento.





















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

Un mismo tipo de evaporador puede comercializarse con distinta separación de aletas dependiendo de la función que vaya a desempeñar. Una pequeña separación de aletas se traduce en un mayor número de ellas por unidad de longitud, lo que equivale a una mayor superficie de intercambio entre el aire y el refrigerante y, en consecuencia, un mayor rendimiento del evaporador; pero en temperaturas negativas es preferible que la separación entre las aletas sea grande para evitar que la escarcha se acumule entre ellas y dificulte la circulación del aire. A modo de orientación puedes consultar la Tabla 4, en la que se indica la aplicación de r o l a C e

las distintas separaciones de aletas.





















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A esa diferencia entre la temperatura del evaporador y la del aire de la cámara se la denomina salto o diferencial térmico; se simboliza como Dt 1 si la temperatura del aire se toma a la entrada del evaporador, y D tm ƒo simplemente D tƒ si se toma la temperatura media en el interior de la cámara.

Para simbolizar el salto térmico se suele utilizar también la letra griega ≈∆∆ (delta) en lugar de la ≈D∆ del abecedario latino. El valor del salto térmico viene siempre expresado en K (grados Kelvin), sin embargo, dado que los grados centígrados y los Kelvin representan la misma variación de temperatura, el valor del salto térmico se utiliza indistintamente en ºC ó K.





















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o Influencia del tipo de evaporador en el diferencial térmico Los evaporadores dinámicos (con ventiladores) pueden absorber una misma cantidad de calor en menos tiempo que los estáticos (sin ventiladores), por esa razón, cuando se desea bajar la temperatura de la cámara en un determinado tiempo, los evaporadores dinámicos pueden hacerlo más rápidamente sin necesidad de estar muy fríos; los evaporadores estáticos, para compensar esa deficiencia, deben mantenerse a una temperatura más baja. Así, pues,

r o l a C e

Diferencial térmico y humedad del aire





















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Capacidad nominal y factor de corrección Una vez obtenido el salto térmico adecuado, debemos seleccionar en el catálogo el evaporador cuya capacidad se aproxime lo más posible a nuestras necesidades. La representa su potencia frigorífica a una determinada temperatura de evaporación, produciendo a su vez un salto térmico determinado. Las son las que figuran en los catálogos, y están obtenidas para los saltos térmicos y las temperaturas de evaporación especificadas en el mismo (en algunos casos figura la temperatura de conservación en lugar de la de evaporación). Algunos fabricantes incluyen factores de corrección que nos permiten conocer la capacidad de sus evaporadores en otras condiciones distintas a las de catálogo; para ello hay que























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Selecc Sele ccii n de de Máquinas y Equipo s

Ejemplo (continuación)

Así, pues, la capacidad del evaporador GRM 2.600 para las condiciones Tc = -15 ºC























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

Factor refrigerante Puede suceder, por otro lado, que el evaporador vaya a trabajar con otro refrigerante distinto al utilizado en la l a confección del catálogo; en ese caso deberemos aplicar un segundo























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

Trazaremos ahora en el gráfico una vertical desde la temperatura de evaporación deseada (-16 º C) hasta que se cruce con la curva correspondiente al salto térmico deseado (6 ºC). Desde el punto de intersección trazaremos una horizontal hasta el eje de ordenadas, en el que leeremos el factor de corrección correspondiente (F = 0,71).

























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Respuestas Autoevaluación 1. El

calor a extraer será el necesario para hacer descender la temperatura del pescado desde los -8 oC hasta los √18 oC. Este calor se calcula mediante la expresión: Qg

=

m × C e

× (T ent − T i )

En la que, sustituyendo datos: r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e d o t n e i m i n e t n a M y e j a t n o M

Qg

=

m × C e

× (T ent − T i ) = 1.000kg × 1,74

kJ kg ⋅ K

[

]

× − 8º C − ( −18º C ) = 17.400

kJ

El calor específico utilizado es el del pescado después de la congelación (Tabla 3).

2. Primeramente

se debe obtener el salto térmico que proporcione proporcione la humedad relativa deseada, para lo cual debemos recurrir al gráfico de la figura que se encuentra en la unidad didáctica:

El salto térmico que se obtiene es ∆t1 = 7 oC. Como se puede comprobar, las condiciones del enunciado del problema ∆t1 = 7 oC y Tc = +2 oC) figuran en el catálogo en la segunda columna de rendimientos, por lo que para seleccionar el evaporador adecuado basta con elegir directamente aquél que tenga un rendimiento lo más próximo al deseado (3.000 W), que en este caso es el A 60, con 3.070 W de rendimiento.















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3. En

este caso la humedad relativa deseada es del 70%, que se corresponde con un salto térmico de 9,5 K, según puede verse en el gráfico 1:

A continuación se obtiene el factor de corrección Fc en el gráfico 2, siendo el valor obtenido Fc = 1,1. Dividiendo la capacidad deseada por este factor de corrección se obtendrá la capacidad con la que figura en catálogo el evaporador buscado. Capacidad condicione s de catálogo

=

Capacidad otras condicione s Factor de corrección

=

3.000 W 1,1

=

2.727 W

En el catálogo encontramos dos modelos cuyo rendimiento se aproxima a este valor de 2.727 W: son el EF40 y el G40, cuyas capacidades en las condiciones de catálogo (∆t1 = 8 K y T c = 0 oC) son 2.960 W y 2.510 W respectivamente. Al tratarse de un producto congelado es preferible tomar el evaporador son una separación de aletas de 7 mm (ver tabla 4 de la unidad), por lo que optaremos por el modelo G40.

salto térmico que tiene lugar en un condensador es de 15 oC sobre la temperatura ambiente, por lo que la temperatura de condensación a considerar será de 45 oC (30 oC + 15 oC = 45 oC). La tabla adjunta incluye los rendimientos (potencias frigoríficas) de las unidades condensadoras para las temperaturas de condensación de +40 oC y +50 oC y para las l as temperaturas de evaporación de -30 oC, -35 oC y -45 oC. Buscaremos en la tabla el rendimiento más próximo al deseado para una temperatura de evaporación de -30 oC.

4. El















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Como vemos, la unidad UC40 proporciona un rendimiento de 20.510 W a la temperatura de condensación de +40 oC, y de 19.390 W a +50 oC. Cabe preguntarse cuál será su rendimiento rendimiento a +45 oC, temperatura del enunciado del problema. En este caso puede recurrirse a una interpolación. Puesto que +45 oC es la media aritmética de +40 oC y +45 oC, también lo será ƒcon cierta aproximaciónƒ el valor del rendimiento a +45 oC respecto a los rendimientos a +40 oC y +45 oC. Así, pues, el rendimiento de la unidad UC40 será: r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e d o t n e i m i n e t n a M y e j a t n o M

Rendimiento =

20.510 W + 19.390 W 2

= 19.950

W

Valor muy próximo al exigido en el enunciado del problema.

5. Entrando

en la tabla por la columna correspondiente a la temperatura de evaporación de -10 C, vemos que el orificio n≥ 2 es adecuado para la capacidad de 3,06 kW (3.060 W) a +50 oC de temperatura de condensación, y de 2,91kW (2.910 W) para la temperatura de +40 oC. o

Al igual que se hizo en el problema anterior, se puede promediar el valor de la capacidad de la válvula para obtener su capacidad a +45 oC: Capacidad =

3.060 W + 2.910 W 2

De valor muy próximo al deseado (3.000 W).

=

2985 W















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Notas
















Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

IFR 3.Selección de Máquinas y Equipos

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