UNA FÁBULA SOBRE ACONDICIONAMIENTO ACONDICIONAMIENT O DE AIRE
Era una onda cálida típica de julio, y la humedad humedad se sentía como en un baño turco. turco. De repent repente, e, el sistem sistemaa de acond acondici iciona onamie miento nto de aire aire del gigant gigantes esco co edific edificio io dejó dejó de funcionar. funcionar. En pocos minutos la temperatura temperatura de las oficinas alcanzó los 4!". 4!". El edificio carecía de suficientes #entanas $ue permitieran ali#iar el agobiante calor. %as computadoras se a#eriaron, los empleados comenzaron a irse y los in$uilinos amenazaron con demandas judiciales. El personal personal de operación operación del edificio edificio estaba estaba desesperado desesperado.. &adie &adie sabía $u' hacer. hacer. (inalmente, se escuchó una #oz $ue dijo) *+ay $ue llamar a una persona especialista en acondicionamiento acondicionamiento de aire y refrigeración. refrigeración. En su desesperación, desesperación, el jefe administrador administrador del edificio aceptó la sugerencia. sugerencia. -ocos minutos despu's la persona en cuestión entró al cuarto de má$uinas del edificio, recorrió el lugar y, despu's de re#isar el plano del pa$uete de refrigeración con mas de . #ál#ulas obser#ando la compleja instalación capaz de suministrar / toneladas de refrig refrigera eració ción, n, murmur murmuróó *mmm *mmm,, neces necesito ito estudi estudiar ar los planos planos del del sistem sistemaa de refrigeración, una #ez analizado los planos sacó un pe$ueño martillo y golpeó cinco #eces una de las muchas #ál#ulas. #ál#ulas. 0nmediatamente la planta comenzó comenzó a funcionar funcionar y las condiciones en el interior del edificio #ol#ieron a ser confortables. 122!c3 El administrador del edificio dio las gracias a la persona y le preguntó cuánto se le debía. debía. %a respuesta respuesta fue) fue) *.. *.. pesos. pesos. *5"ómo6, *5"ómo6, e7clam e7clamóó el administra administrador dor.. .. .. pesos pesos por unos golpe golpecit citos os a una #ál#ula8 #ál#ula8. . El ingen ingenier ieroo espec especial ialista ista respondió) %a cuenta cuenta por los golpecitos golpecitos es de cinco cinco mil pesos, *el .. restante restante son por saber cuál de todas las #ál#ulas #oy a golpear
INTRODUCCIÓN
-ara el hombre prehistórico, el fuego fue el medio principal para calentar su morada9 la sombra sombra y el agua fría eran probablem probablemente ente su :nico ali#io ali#io contra el calor. calor. Durante Durante millones de años no hubo mejoras significati#as en las condiciones de la especie humana. -or ejemplo, las chimeneas chimeneas de los castillos de la Europa medie#al apenas apenas si constituían mejora alguna alguna ya $ue sólo calentaban calentaban el área $ue las rodeaba. rodeaba. Debido a esto las pinturas de a$uellos tiempos muestran $ue reyes y reinas usaban pieles y guantes en el interior de las habitaciones durante el in#ierno. +ubo algunas e7cepciones e7cepciones a esta carencia carencia de progreso. %os antiguos romanos romanos tu#ieron en algunas algunas construcc construcciones iones una calefacc calefacción ión notableme notablemente nte buen buena, a, $ue se lograba lograba al calentar el aire y hacerlo circular por pisos o paredes cónca#as. cónca#as. En el seco clima del ;edio un$ue los primeros antepasados del hombre conocieron y obser#aron los efectos del frío, hielo y nie#e en sus organismos y en las cosas $ue les rodeaban, como por ejemplo, la carne $ue lle#aban a su hogar despu's de la cacería, no es sino hasta en la historia antigua de "hina $ue encontramos encontramos una referencia referencia al uso de estos fenómenos fenómenos naturales de refrigeración, para mejorar el modo de #ida de la gente, y tan sólo para enfriar las bebidas. -ero se desarrollaron otros usos9 los chinos son la primera ci#ilización $ue se sabe recogían el hielo in#ernal y lo almacenaban, empacándolo en paja o en raíces secas, para despu's usarlo en los meses de #erano. El hielo y nie#e naturales fueron los :nicos medios de refrigeración durante muchos siglos siglos.. %os antiguo antiguoss egipci egipcios os descu descubri briero eronn $ue la e#apo e#aporac ración ión puede origina originar r enfriamiento, y luego aprendieron a colocar el #ino y otros lí$uidos en recipientes de barro poroso, sobre los techos durante la noche, para $ue el cierzo fresco causara e#aporación y enfriara el contenido. >lgunos de los primeros colonizaciones de Estados ?nidos desarrollaron m'todos para conser#ar alimentos alimentos y bebidas perecederos perecederos con nie#e y hielo. "onstruyeron almacenes almacenes 1casas de hielo3 en los $ue podían conser#ar el hielo reunido durante el frío in#ierno en &ue#a 0nglaterra, para para usarlo en los meses de calor. calor. Durante la 'poca colonial y ya en el siglo @0@, el hielo era un artículo importante en el comercio con países e7tranjeros, y los empacadores de carne, carnicerías, cer#ecerías y otras industrias comenzaban a emplear la refrigeración mecánica.
INTRODUCCIÓN
-ara el hombre prehistórico, el fuego fue el medio principal para calentar su morada9 la sombra sombra y el agua fría eran probablem probablemente ente su :nico ali#io ali#io contra el calor. calor. Durante Durante millones de años no hubo mejoras significati#as en las condiciones de la especie humana. -or ejemplo, las chimeneas chimeneas de los castillos de la Europa medie#al apenas apenas si constituían mejora alguna alguna ya $ue sólo calentaban calentaban el área $ue las rodeaba. rodeaba. Debido a esto las pinturas de a$uellos tiempos muestran $ue reyes y reinas usaban pieles y guantes en el interior de las habitaciones durante el in#ierno. +ubo algunas e7cepciones e7cepciones a esta carencia carencia de progreso. %os antiguos romanos romanos tu#ieron en algunas algunas construcc construcciones iones una calefacc calefacción ión notableme notablemente nte buen buena, a, $ue se lograba lograba al calentar el aire y hacerlo circular por pisos o paredes cónca#as. cónca#as. En el seco clima del ;edio un$ue los primeros antepasados del hombre conocieron y obser#aron los efectos del frío, hielo y nie#e en sus organismos y en las cosas $ue les rodeaban, como por ejemplo, la carne $ue lle#aban a su hogar despu's de la cacería, no es sino hasta en la historia antigua de "hina $ue encontramos encontramos una referencia referencia al uso de estos fenómenos fenómenos naturales de refrigeración, para mejorar el modo de #ida de la gente, y tan sólo para enfriar las bebidas. -ero se desarrollaron otros usos9 los chinos son la primera ci#ilización $ue se sabe recogían el hielo in#ernal y lo almacenaban, empacándolo en paja o en raíces secas, para despu's usarlo en los meses de #erano. El hielo y nie#e naturales fueron los :nicos medios de refrigeración durante muchos siglos siglos.. %os antiguo antiguoss egipci egipcios os descu descubri briero eronn $ue la e#apo e#aporac ración ión puede origina originar r enfriamiento, y luego aprendieron a colocar el #ino y otros lí$uidos en recipientes de barro poroso, sobre los techos durante la noche, para $ue el cierzo fresco causara e#aporación y enfriara el contenido. >lgunos de los primeros colonizaciones de Estados ?nidos desarrollaron m'todos para conser#ar alimentos alimentos y bebidas perecederos perecederos con nie#e y hielo. "onstruyeron almacenes almacenes 1casas de hielo3 en los $ue podían conser#ar el hielo reunido durante el frío in#ierno en &ue#a 0nglaterra, para para usarlo en los meses de calor. calor. Durante la 'poca colonial y ya en el siglo @0@, el hielo era un artículo importante en el comercio con países e7tranjeros, y los empacadores de carne, carnicerías, cer#ecerías y otras industrias comenzaban a emplear la refrigeración mecánica.
"on el crecimiento de la industria el'ctrica y las instalaciones dom'sticas, se hicieron comunes los refrigeradores caseros y remplazaron las cajas de hielo, $ue necesitaban de un blo$ue diario de hielo. Este mayor inter's en los refrigeradores dom'sticos fue respaldado por el diseño de motores el'ctricos de potencia fraccionaria para impulsar los compresores en las *cajas de hielo mecánicas. mecánicas. Desde los primeros primeros años de la d'cada d'cada de A2 se han producido estos electrodom'sticos en gran n:meros y han #enido a ser una necesidad, más $ue un lujo lujo.. &o sólo sólo se cons conser er#a #ann los los alim alimen ento toss en nues nuestro tross hoga hogare ress hoy hoy día, día, sino sino la conser#ación comercial comercial de alimentos es una de las aplicaciones actuales más importante de la refrigeración. refrigeración. %a conser#ación conser#ación y el transporte transporte comerciales son tan comunes $ue sería difícil imaginar un país sin refrigeración. En Estados ?nidos, más de las tres cuartas partes del alimento $ue aparece en las mesas cotidi cotidian aname amente nte se produc produce, e, empaca empaca,, almace almacena na y con conse ser#a r#a con refrig refrigera eració ción. n. Be almac almacena enann millon millones es de tonela toneladas das de alimen alimentos tos en bod bodeg egas as refrig refrigera erada das9 s9 muchos muchos millones más se encuentran en bodegas de alimentos congelados, en congeladores pri#ados y en plantas plantas de empa$ues empa$ues y procesamiento. procesamiento. Bin los di#ersos tipos de refrigeración moderna en almacenes, bodegas, aeroplanos, carros de ferrocarril, camiones y barcos, el almacenamiento y transporte de todo tipo de artículos perecederos sería imposible. &o nos limitamos a disfrutar las frutas, #erduras y otros artículos importantes de producción nacional en determinada 'poca del año9 podemos tener alimentos procedentes de otras partes del país país y hasta de países lejanos durante todo el año. año. %a refrigeración ha mejorado la economía de muchas regiones, al ser un medio de preser#ar los productos productos en tránsito a consumidores consumidores lejanos. +a ayudado al desarrollo desarrollo de regiones agrícolas por mayor demanda de productos, e igualmente ha ayudado a las regiones lecheras y ganaderas. >ntess de A4 >nte A4 la mayo mayorr part partee de los los neum neumát átic icos os para para auto automó mó#i #ile les, s, cami camion ones es,, aeroplano aeroplanos, s, etc. Be basaba basaba en el hule natural natural producido producido en plantacione plantacioness del sureste sureste asiático. asiático. "uando "uando se limitaron limitaron los embar$ues embar$ues de láte7 procedente procedente de plantacio plantaciones nes foráneas a los Estados ?nidos a causa del inicio de la segunda Cuerra ;undial, la industria americana y el gobierno federal establecieron un programa cooperati#o de caucho sint'tico sint'tico $ue se basaba en en in#estigaciones in#estigaciones anteriores. Be podía fabricar caucho caucho artificial más durable y más resistente al desgaste empleando bajas temperaturas9 de este modo la refrigeración se #ol#ió #ital a esa industria. +a hab habido ido un rápido rápido increm increment entoo de produc productos tos nue nue#os #os desde desde la Begund Begundaa Cue Cuerra rra ;undial. ;undial. %a industria industria petro$uímic petro$uímicaa 1plásticos3, 1plásticos3, fábricas fábricas te7tiles te7tiles y la industria industria del procesamiento de datos son usuarios importantes del proceso de refrigeración. Bin la refrigeración 1y el aire acondicionado3 muchos de estos productos nue#os no se podrían haber fabricado ni usado. ?nos de los desarrollos más recientes relacionados con la situación energ'tica es la importaci importación ón de gas natural natural licuado, licuado, Be necesita necesitann temperatura temperaturass de 2 !" 1F2G 1F2G !(3 para $ue el gas pase al estado lí$uido, $ue se carga a un tan$ue refrigerado para su
embar$ue. ;ientras tanto el lí$uido debe mantenerse a 2 !" hasta $ue est' listo para e#aporarse de nue#o. %a calefacción y la refrigeración solares, junto con el aire acondicionado, #an a dar muchas oportunidades a nue#os productos, y a personal calificado de aplicaciones, instalación y ser#icio. En A/ los hogares, fábricas y construcciones comerciales en Estados ?nidos agregaron e$uipo nue#o de refrigeración y aire acondicionado, #aluado en más de / mil millones de dólares. El gran total fue en realidad mucho mayor, por$ue no se toma en cuenta el costo de muchos productos accesorios, como tubería, registros, aislamiento y controles $ue forman un sistema completo. >sí, la refrigeración y el aire acondicionado son de las industrias principales en Estados ?nidos. %os mercados mundiales en este campo tambi'n e7perimentan crecimiento rápido. "anadá, Hapón, >lemania, el Ieino ?nido, (rancia, ;'7ico, 0rán y =enezuela son de los principales usuarios de refrigeración y acondicionamiento de aire. Durante miles de años el hombre ha intentado #encer las incomodidades del calor y la humedad e7cesi#os. -ero fue en los primeros años del presente siglo $ue se inició el acondicionamiento de aire. El acondicionamiento científico del aire se originó en A2. -rimero se utilizó para ayudar en los procesos industriales, como por ejemplo, en el hilado del algodón, en la producción de fibras sint'ticas, para imprimir colores m:ltiples en di#ersos productos, etc. Be hizo popular en la d'cada de los 2, cuando cientos de teatros fueron e$uipados con sistemas de enfriamiento para atraer a los clientes durante los calurosos meses del #erano. Desde entonces el aire se acondiciona en muchos lugares) escuelas, oficinas, industrias, casas, automó#iles. %a primera compañía de acondicionamiento de aire fue fundada por Jilliam +. "arrier en A. En la actualidad, la "arrier "orporation es uno de los líderes de la industria. "arrier y #arias otras compañías han proporcionado muchas de las fotografías e ilustraciones empleadas en este te7to. %a clasificación de los oficios siempre ha sido un problema. Kl referente al acondicionamiento de aire entra en la categoría de la construcción. -ero el trabajo de un mecánico en acondicionamiento de aire no puede definirse con facilidad, ya $ue incluye los trabajos de muchas otras ramas de la construcción. %os sindicatos designaron como trabajo a las tareas específicas, tales como carpintería y plomería, dentro de los trabajos de construcción. >l hacerlo, han asignado el poco atracti#o título de ;ontador de refrigeración a los muchísimos hombres y al creciente n:mero de mujeres $ue se están con#irtiendo en mecánicos de acondicionamiento de aire. Bin embargo, el desarrollo efecti#o de la calefacción, #entilación y acondicionamiento de aire 1+=>", iniciales de las palabras +eating, =entilating and >ir "onditioning3 se inició, hace apenas años. %os sistemas de calefacción central se desarrollaron en el siglo @0@ y el acondicionamiento de aire mediante refrigeración mecánica ha progresado sólo durante los :ltimos años. -ese a ello, para A/, los sistemas de
+=>" en los Estados ?nidos alcanzaron un #alor total instalado de unos 2, ;illones de dólares anuales, de los cuales , millones correspondieron a #entas de e$uipo. El diseño de los sistemas de calefacción, #entilación y climatización 1aire acondicionado3 1+=>"3 tiene como objeti#os el control de temperatura, humedad, contaminantes, presurización diferencial y mo#imientos del aire de un espacio determinado. En general se fija un límite superior en el ni#el de ruido aceptable dentro de los espacios ocupados. -ara tener '7ito los sistemas deben cumplir satisfactoriamente las funciones pretendidas. %a mayoría de los sistemas de calefacción, #entilación y climatización están diseñados para el confort humano, de lo cual trata en detalle la referencia. Esta referencia debe ser estudiada hasta su total comprensión puesto $ue se trata del objeti#o principal del diseño de los sistemas +=>". -or otro lado, muchas aplicaciones industriales tienen otros objeti#os $ue el del confort humano. Bi se logra el confort humano a la #ez $ue se cumplen los re$uisitos industriales, tanto mejor será el diseño. -ara los sistemas de calefacción, #entilación y climatización se re$uiere la solución de las ecuaciones de e$uilibrio energíaFmasa para definir los parámetros de selección de e$uipos adecuados. %a solución de estas ecuaciones re$uiere a su #ez la comprensión de la rama de termodinámica llamada LLpsicometríaMM. El control automático del sistema +=>" es necesario para mantener las condiciones ambientales deseadas. El m'todo de control depende de los re$uisitos de cada espacio. %a selección y la disposición de los componentes del sistema dependen del m'todo de control. %os controles son necesarios debido a di#ersas condiciones atmosf'ricas y cargas internas. Estas #ariaciones deben ser consideradas y comprendidas antes de iniciar el diseño del sistema. ;ás adelante se trataran los principios de control. %a reciente proliferación de ordenadores ase$uibles con memoria I>; de más de Nb ha posibilitado para la mayoría de las oficinas la automatización de sus tareas de diseño. "ada oficina debe e#aluar sus necesidades, elegir entre los programas e7istentes en el mercado y, finalmente, comprar un ordenador compatible y sus e$uipos perif'ricos. &inguna empresa puede permitirse el lujo de in#ertir el tiempo en desarrollar su propio programa en su totalidad. >demás hay $ue tener en cuenta el tiempo $ue re$uiere cual$uier programa, incluso a$uellos desarrollados por la propia empresa, hasta $ue sean utilizados con todas sus posibilidades. %os programas comerciales no siempre ofrecen la información re$uerida, por lo $ue será necesario adaptarlos a las modificaciones o necesidades particulares. %a documentación de los programas comerciales deberá describir la operación en detalle para $ue las modificaciones puedan ser realizadas con un mínimo esfuerzo
REFRIGERACIÓN BASICA %os principios básicos de la refrigeración tienen como fundamentos dos leyes termodinámicas. Termodinámica es una palabra griega $ue $uiere decir energía t'rmica. %a termodinámica estudia las relaciones entre el calor y las otras formas de energía. %a segunda ley de la termodinámica establece $ue el calor siempre se transmite del cuerpo más caliente hacia el más frío. &unca del objeto más frío hacia el más caliente. >demás, mientras más grande es la diferencia de temperatura, más rápidamente se transmite el calor. %a primera ley de la termodinámica trata de la energía. %a energía puede definirse como la capacidad para desarrollar trabajo. ?n recibo el'ctrico dom'stico, por ejemplo se basa en la cantidad de energía consumida. Be mide un NiloOatFhora durante cierto periodo. "uando una persona plancha la ropa, la energía el'ctrica se con#ierte en energía t'rmica. -ara encontrar $u' cantidad de energía se consume, se multiplica simplemente la potencia de la plancha por el n:mero de horas $ue se usó. PQ respecto a la persona $ue estu#o planchando8 Kl o ella, tambi'n utiliza energía. Esta clase de energía se mide en pieFlibras. En este caso, el peso de la plancha por el n:mero de #eces $ue se mue#e cierta distancia determinada los piesFlibra. Estos ejemplos nos ayudan a entender la segunda ley termodinámica. Esta ley establece $ue la energía no puede ser destruida) sólo puede ser transformada de una forma u otra. Es importante la comprensión de estas dos leyes termodinámicas. Ellas constituyen los principios básicos de la refrigeración. Enunciadas de manera simple, son)
1. la energía no puede destruirse. Rnicamente se transforma 2. El calor siempre se mue#e del objeto más caliente hacia el más frío. Entre mayor es la diferencia de temperatura, más rápidamente se mue#e. %a refrigeracin es el proceso de transferir remo#er calor. ?n simple enfriador de comida campestre, por ejemplo, utiliza hielo para refrigerar su contenido. El calor es remo#ido cuando se drena el agua de la hielera. ?na unidad de refrigeración mecánica trabaja del mismo modo. ?n refrigerador bombea el calor de la parte interior hacia la parte e7terior. El resultado es lo $ue llamamos *frío. El frío no puede fabricarse, sino $ue es la condición resultante de remo#er el calor. En este capítulo e7plicaremos los principios científicos del calor y cómo se aplican a la unidad mecánica de refrigeración. Sambi'n identificaremos todos los componentes del sistema y trazaremos el ciclo de comprensión.
TI!OS DE REFRIGERACIÓN E7isten cinco tipos de refrigeración, a saber) 1. Dom'stica 2. "omercial
". >ire acondicionado #. ;arina $. 0ndustrial
Dom%&'ica %a refrigeración dom'stica o casera, como tambi'n se le llama, se usa primordialmente para la preser#ación de los alimentos. %as bajas temperaturas controlan el crecimiento de bacterias en los alimentos. "uando se reduce dicho crecimiento se e#ita $ue la comida se descomponga. %os mecánicos $ue hacen trabajos de refrigeración dom'stica son personas $ue principalmente se dedican a hacer reparaciones. ;uchos fabricantes nacionales de refrigeradores tienen centros de ser#icio autorizados en la mayoría de las ciudades. Estos fabricantes entrenan a sus mecánicos para dar ser#icio a sus propios productos. >demás, contratan a personas con cierta e7periencia en la reparación de aparatos9 por lo tanto alguien con conocimiento sobre refrigeración tendrá una mayor aceptación entre sus solicitantes de trabajo.
Comercia( %a refrigeración comercial abarca9 e$uipo para supermercados, refrigeración para restaurantes y di#ersos tipos de refrigeradores comerciales, tales como los $ue pueden encontrarse en las morgues, hospitales y florerías. %a refrigeración comercial utiliza dos escalas de temperatura. %a primera, ligeramente arriba del punto de congelación T2!(, 1!"U, se utiliza para el almacenamiento de carne, $uesos, bebidas, por nombrar unos cuantos. -uesto $ue estos productos contienen agua, una temperatura inferior a 2!( 1!"3 los congelará. %a segunda escala es para trabajar a bajas temperaturas. El patinaje sobre hielo, los almacenes fríos, y todos los gabinetes para alimentos congelados son ejemplo de aplicaciones de bajas temperaturas. Kstas normalmente oscilan entre y !( 1F/! F2V!"3.
Aire acondicionado El aire acondicionado es una aplicación de refrigeración a temperatura alta. %a temperatura del refrigerante en el e#aporar se diseña a 4!( 14.4!"3. 1-osteriormente hablaremos acerca de los refrigerantes.3 >sí, si se perciben signos de congelamiento en un serpentín de enfriamiento de un e$uipo de aire acondicionado, dicho e$uipo está funcionando mal. Be necesitan los mismos conocimientos a ni#el de iniciación tanto para mecánicos de refrigeración como de aire acondicionado. %a diferencia principal está en los controles de temperatura. En el aire acondicionado, mientras más grande es el e$uipo, más complicado es el sistema de control. En refrigeración, mientras más baja sea la temperatura, es más complejo el sistema de control. El aire acondicionado y la refrigeración son dos campos separados, pero no independientes.
)arina %a refrigeración marina se usa en la industria de la pesca. ;uchos países, como la ?nión Bo#i'tica y Hapón, tienen grandes flotas pes$ueras $ue cuentan con un barco *matriz $ue con#ierte la pesca en comida o fertilizantes. %a refrigeración en barcos re$uiere una instalación especial para superar los problemas de corrosión causada por el aire y el agua salinos $ue se usan para condensar #apores de refrigerantes a lí$uidos.
Ind*&'ria( %a refrigeración industrial tiene muchas más aplicaciones $ue las refrigeraciones mencionadas anteriormente. -or ejemplo, cuando se fabrican losetas asfálticas o de #inilo para pisos, se hace circular agua helada por los tambores $ue rolan los ingredientes fundidos calientes para hacer una hoja continua. > medida $ue 'sta #iaja en un transportador, la hoja se estampa en blo$ues. Durante el proceso final se el transportador a un t:nel de aire refrigerado para enfriar y empacar la loseta. %a refrigeración industrial juega tambi'n un papel #ital en la in#estigación del espacio e7terior. %os científicos prueban metales a temperaturas tan bajas como grado Nel#in 1F2G2!"3, $ue está a un solo grado del cero absoluto 1F2G!"3 1F4V!(3. En teoría, la acti#idad molecular se detiene en el cero absoluto y se reduce la resistencia al flujo de corriente. >sí, a temperaturas ultra bajas, con la ayuda de rayos láser, los científicos pueden determinar la formación $uímica de minerales. ;ediante este m'todo se encontró, por ejemplo, $ue no había nue#os elementos $uímicos en las rocas traídas desde la luna. >sí mismo se obtu#o el e$ui#alente de toda la información de un juego completo de enciclopedias dentro de un pe$ueño rayo láser de luz. El futuro parece brillante para hacer carrera en el campo de la refrigeración. %as oportunidades aumentarán a medida $ue la industria crezca. %os e7perimentos de la actualidad incluyen la posibilidad de transmitir todas las comunicaciones telefónicas a tra#'s de Estados ?nidos por medio de un simple rayo láser. Bi esto se con#ierte en realidad, la refrigeración transformaciones de energía $ue in#olucran trabajos mecánicos y calor será una parte del proceso.
1.INTRODUCCIÓN A LA REFRIGERACIÓN:
1. 2. 3. ". *. (. 0. . . 1%. 11. 12. 13. 1".
____________ es el primer país donde se usó hielo para refrigeración. El ciclo de refrigeración mecánica se empleó en los primeros años de ______________. Los sistemas de refrigeración y aire acondicionado representan una de las mayores industrias norteamericanas y mundiales. ¿ierto o falso! #or cada 1$ %%%$%%% de dólares de &alor instalado de e'uipo se necesitan ¿2 ( o 13 t)cnicos en refrigeración y aire acondicionado! El calor es la ausencia del frío. ¿ierto o falso! El +cero a,soluto- es % / en la escala /ahrenheit. ¿ierto o falso! itar los cuatro componentes principales de un ciclo de refrigeración mecánica. itar las cuatro tu,erías de coneión en un sistema de refrigeración. 4efinir el efecto de refrigeración. El tu,o 'ue une al e&aporador con el compresor se llama _____________. El tu,o 'ue une al compresor con el condensador se llama ____________. El tu,o 'ue une al condensador con el dispositi&o reductor de presión se llama ________________. 5i se usa un reci,idor en el sistema$ el tu,o 'ue &a del condensador al reci,idor se llama _________________. ¿uáles son los dos tipos de serpentines 'ue se usan en sistemas de refrigeración!
CO)!ORTA)IENTO DE +A )ATERIA , E+ CA+OR R2-1 ESTADO DE +A )ATERIA
Soda la materia conocida se presenta en tres formas o estados) sólidos, lí$uido o gaseoso 1#apor. Entre esos estados se tienen las siguientes características)
1. E&'ado &(ido %a materia en estado *sólido conser#ará su forma y dimensiones físicas. %os sólidos con la consistencia suficiente conser#arán su tamaño y peso. %os sólidos de baja densidad perderán cantidades moleculares con ciertas condiciones, y perderán peso y cantidad. El dió7ido de carbono, "<2, en el estado sólido se conoce como hielo seco. -asará del estado sólido al estado gaseoso en forma directa bajo ciertas condiciones 1#'ase sección I2FA.3 2. E&'ado (/0*ido +a materia en el estado lí$uido retiene su cantidad y peso, si tiene la densidad suficiente, pero su forma depende de la del recipiente $ue la contiene. Bi se #acía un pie c:bico de agua de un recipiente c:bico $ue mida pie por lado a un recipiente de dimensiones distintas, la cantidad y el peso de agua permanecen igual, aun$ue las dimensiones cambien 1#'ase figura I2F3. "on el tiempo, los lí$uidos ligeros como el agua, pierden cantidad y peso debido a e#aporación molecular hacia el estado gaseoso 1#'ase sección I2FA3. ". E&'ado ga&eo&o +a materia en el estado gaseoso, $ue a #eces se llama estado de *#apor, o tan sólo #apor, no mantiene sus dimensiones ni densidad, sino $ue depende de un recipiente para ello. Bi un cilindro de pie c:bico de capacidad $ue contenga #apor de agua, o alg:n otro #apor, se conecta con un cilindro de 2 pies c:bicos de capacidad en el $ue, teóricamente, se haya hecho un #acío perfecto, el #apor se e7pandirá ocupando el #olumen del cilindro mayor, y tambi'n el del cilindro original. +ay otros cambios $ue se lle#an a cabo en el #apor, $ue se describirán despu's 1#'ase figura I2F2.3 >un$ue estas diferencias específicas e7isten en los tres estados de la materia, con mucha frecuencia al cambiar condiciones de presión y temperatura, la misma sustancia puede e7istir en cual$uiera de ellos. -or ejemplo, el agua e7iste como sólido) hielo, como lí$uido) agua, como gas) #apor. %os sólidos tienen siempre forma definida, mientras $ue los lí$uidos y gases no la tienen por sí mismos y se amoldarán a la forma de su recipiente.
R2-2 )OI)IENTO )O+ECU+AR Soda la materia se compone de pe$ueñas partículas, llamadas mol'culas, y la estructura molecular de la materia toda#ía se puede descomponer en átomos 1estudiado por la $uímica.3
>prenderá mas adelante cómo se descompone el átomo toda#ía más en electrones, protones y neutrones. En esa parte del libro estudiará la teoría electrónica, $ue se ocupa del flujo de la corriente el'ctrica, $ue es el mo#imiento de electrones a tra#'s de un conductor. -or lo pronto nos ocuparemos sólo de la mol'cula, la partícula más pe$ueña en la $ue se puede di#idir cual$uier materia o sustancia, y seguir teniendo su densidad. -or ejemplo, una mol'cula de agua 1+ 2<3 está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de o7ígeno. Bi esta mol'cula de agua se rompiera o di#idiera más en partículas atómicas o subatómicas, ya no sería agua. %as mol'culas #arían en forma, tamaño y peso. En física se sabe $ue las mol'culas tienden a unirse entre sí. El carácter de la sustancia o de la materia misma depende de la forma, tamaño y peso de las mol'culas indi#iduales de $ue est'n hechas, tambi'n de la distancia entre ellas. Bon, en gran medida, capaces de cierto mo#imiento. "uando se agrega energía calorífica a una sustancia 1figura I2F3, aumenta la energía interna de las mol'culas, $ue aumentan su mo#imiento o #elocidad. "on este aumento en el mo#imiento de las mol'culas tambi'n se presenta un aumento en la temperatura de la sustancia. "uando se saca calor de una sustancia, por lo tanto, la #elocidad del mo#imiento molecular disminuye tambi'n y habrá una disminución o decremento de la temperatura interna de esa sustancia.
!RI)ERA +E, DE +A TER)ODIN)ICA %a primera ley de la termodinámica 1$ue es la rama de la ciencia $ue se ocupa de la acción mecánica del calor3 establece $ue *la energía ni se puede crear ni destruir, sólo se transforma de una forma a otra. 1"on el desarrollo de la energía nuclear, lo anterior ya no es correcto. Bin embargo, para los fines de este libro, la primera ley de la termodinámica se aplica en su totalidad. %a energía misma se define como la capacidad de efectuar trabajo, y el calor es una forma de energía. Sambi'n es la forma final, ya $ue todas las formas de energía terminan como calor. +ay otras formas comunes de energía) mecánica, el'ctrica y $uímica, $ue pueden con#ertirse con facilidad entre sí. El turbogenerador impulsado por #apor, en una planta el'ctrica, es un dispositi#o $ue con#ierte la energía t'rmica en energía el'ctrica. %a energía $uímica se puede con#ertir en energía el'ctrica empleando un acumulador. %a energía el'ctrica se con#ierte en energía mecánica mediante el empleo de una bobina magn'tica $ue produce un mo#imiento de jalón o empujón, o mediante el uso de un motor el'ctrico, para crear mo#imiento rotatorio. %a energía el'ctrica se puede cambiar en forma directa a energía t'rmica, mediante alambres de resistencia de un calefactor, como por ejemplo en un tostador el'ctrico de pan, parrilla el'ctrica, horno el'ctrico, anticipador 1es una resistencia $ue calienta al termostato de control de temperatura de clima3, y cosas semejantes.
R2-# SEGUNDA +E, DE +A TER)ODIN)ICA %a segunda ley de la termodinámica establece $ue *para hacer $ue cambie de lugar la energía t'rmica, se debe establecer y mantener una diferencia de temperaturas. %a energía t'rmica pasa hacia la parte más baja de la escala de intensidad. El calor de un material de mayor temperatura 1intensidad3 pasará a un material a más baja temperatura 1intensidad3, y este proceso continuará mientras e7ista una diferencia de temperaturas. %a #elocidad de flujo #aría en forma directa con la diferencia de temperatura. ;ientras mayor sea la diferencia de temperaturas, $ue en general se llama delta temperatura o >S, mayor será la #elocidad de flujo de calor. En forma normal, mientras menor sea >S, menor será la #elocidad de flujo de calor. El calor y el flujo de calor se e7presan en formas y t'rminos distintos, de importancia para la industria de la refrigeración.
R2-$ )EDICION DE +A TE)!ERATURA Sodos estamos familiarizados con mediciones comunes como las de longitud, anchura, #olumen, etc. Sambi'n debemos familiarizarnos con los m'todos de medición de la energía t'rmica. %a cantidad de energía t'rmica en una sustancia depende de la cantidad de sustancia y de la intensidad o ni#el de energía en ella. El ni#el de energía t'rmica se mide sobre la base de comparaciones, por medio de un termómetro. El termómetro fue desarrollado empleando el principio de la e7pansión y contracción de un lí$uido, como por ejemplo el mercurio, en un tubo de diámetro interior pe$ueño, conectado a un recipiente del lí$uido. >l sujetar el lí$uido a un cambio de temperatura 1intensidad de calor3, subirá hasta determinada marca al aumentar la temperatura, o bajará si la temperatura disminuye. %as dos normas más comunes de medición de temperatura 1intensidad3 son las escalas (ahrenheit y "elsius 1$ue antes se llamaba centígrada. %a figura I2F4 muestra una comparación directa de las escalas de un termómetro (ahrenheit y uno "elsius.
R2-3 CONERSIÓN DE TE)!ERATURAS "on mucha frecuencia se hace la con#ersión de la temperatura en una escala a otra escala mediante una tabla de con#ersión, pero si no se cuenta con una, se puede hacer con facilidad empleando las fórmulas siguientes) 4F 5
4F 5 1.64 7C 8 "29 4F 5 : 74C 8 "29 $
7R2-19
4C 5
4C 5
4C 5
$ :
4F - "2 1.6 74F ; "29
7R2-29
E
-ara con#ertir una temperatura de recinto de GG !( a su e$ui#alente en la escala "elsius 1o centígrada3)
7a9 4C 5 == - "2 1.6 7>9 4C 5 $ 7== ; "29 5
$
7#$9 5
2$4C.
:
E
-ara con#ertir una temperatura de !" a (ahrenheit)
7a9 4F 5 1.6 ? "@ 8 "2 5 $# 8 "2 5 634F 7>9 4F 5
: $
? "@ 8 "2 5 $# 8 "2 5 634F.
+asta ahora, en la medición de intensidad calorífica hemos localizado dos puntos definidos de referencia) el punto de congelación y el punto de ebullición del agua, tanto en la escala (ahrenheit como en la "elsius. Debemos ubicar toda#ía un tercer punto, el cero absoluto. Es el punto donde, se cree, todo mo#imiento molecular cesa. "omo se hizo notar ya, en la escala (ahrenheit de temperatura $ueda apro7imadamente a 4V! por debajo del cero, o sea, 4V !(9 mientras $ue en la escala "elsius $ueda a unos 2G! abajo del cero, o sea, 2G !". +ay algunas leyes básicas, $ue se describirán en capítulos posteriores, $ue se basan en el empleo de las temperaturas absolutas. Bi se da una temperatura en grados (ahrenheit,
&. del S.) ?nas fórmulas alternati#as, cuyo uso es más sencillo, son)
!" W T1!(X43Y./U 4, y !( W 1!"X43 7./F4
Fig*ra R2-$ Escalas termom'tricas (ahrenheit, "elsius, IanNine y Nel#in)
a3 b3 c3 d3
Semperatura de ebullición del agua9 "ondiciones normales de temperatura9 Semperatura de fusión del agua9 "ero absoluto.
Bumando 4V! a esta indicación la con#ertirá en grados IanNine, o !I9 mientras $ue si la indicación es en escala "elsius, sumando 2G! la con#ertirá en grados Zel#in, !Z. Estas con#ersiones se muestran en la figura I2F. 2 E
P"ual es la temperatura de congelación del agua en grados IanNine 1!I38 "omo el punto de congelación del agua es 2!(, sumando 4V! se obtiene $ue esa temperatura es 4A2! IanNine 12! X 4V! W 4A2!3.
R2-= CANTIDAD DE CA+OR %a cantidad de calor es distinta de la intensidad de calor, por$ue tiene en cuenta no sólo la temperatura de la sustancia $ue se está midiendo, sino tambi'n su peso. %a unidad de "antidad de calor es la unidad t'rmica británica 1[tu3. El agua se usa como norma para esta unidad9 una [tu es la cantidad de calor necesario para #ariar la temperatura de libra de agua grado (ahrenheit al ni#el del mar. Dos [S? pro#ocarán un cambio de temperatura de 2 grados (ahrenheit en libra de agua9 < bien causarán un cambio de temperatura de grado (ahrenheit de 2 libras de agua. -or lo tanto, cuando e7amina el cambio de temperatura del agua, se puede utilizar la siguiente ecuación)
7R2-"9 En la cual "ambio de calor 1en [tu3 W peso 1en libras3 7 diferencia de temperaturas E
"alcular la cantidad de calor necesario para aumentar la temperatura de lb de agua de !( a !(.
SO+UCION "omo la diferencia de temperatura 1>S3 W !(, entonces "alor W [tu W J 7 >S W 7 W [tu En el ejemplo anterior se agrega calor al agua, pero tambi'n se usa la misma ecuación se ha de eliminar calor. E
"alcular la cantidad de calor eliminado si se enfrían 2 lb de agua de / !( a 4 !(. 2
&. del S.) Sratándose de temperaturas absolutas, de acuerdo con el sistema internacional de medidas, se omite la palabra y el signo de *grados, por ejemplo, el punto de congelación del agua es 2G N 12G Nel#in3 o 4A2 I 14A2 IanNine3.
SO+UCION
[tu W J 7 >S W 2 7 4 W / [tu
R2-6 CA+OR ES!ECFICO El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor en [tu necesaria para cambiar la temperatura de una libra de la sustancia grado (ahrenheit. >ntes habíamos dicho $ue [tu es la cantidad de calor necesario para #ariar la temperatura de libra de agua grado (ahrenheit, o para cambiar la temperatura de la misma cantidad de agua la misma unidad de medida en un termómetro. -or lo tanto, el calor específico del agua es .9 y el agua es la base de la tabla de calores específicos de la figura I2FV. =erá el lector $ue las diferentes sustancias tienen di#ersas capacidades para absorber o ceder calor. %os #alores de calor específico de la mayor parte de las sustancias #arían al cambiar la temperatura9 algunos #arían tan sólo un poco, mientras $ue otros pueden cambiar en forma considerable.
Fig*ra R2-3 "alores específicos de sustancias comunes 1en [tuYlb !(, o "alYZg !"3. >gua +ielo >ire seco =apor >luminio
. . .24 .4/ .22
%atón -lomo +ierro ;ercurio "obre >lcohol -etróleo >ceite de oli#a =idrio -ino ;ármol
.A . . . .A .V . .4G .2 .VG .2
Bupongamos $ue dos recipientes se colocan frente a un elemento calefactor o $uemador, lado a lado. ?no de ellos contiene agua y el otro un peso igual de aceite de oli#a. Be apreciará pronto $ue la temperatura del aceite de oli#a aumenta mayor #elocidad $ue la del agua, lo cual demuestra $ue el aceite de oli#a absorbe calor con más rapidez $ue el agua.
&. del S.) En el sistema m'trico, la unidad de cantidad de calor es la caloría9 pero en cálculos t'cnicos se emplea la Nilocaloría, calorías. Be le representa con la palabra caloría escrita con may:scula y su abre#iatura es "al. Es la cantidad de calor $ue se necesita para ele#ar grado centígrado la temperatura de Nilogramo de agua. "al W .AG [tu, y [tu W .22 "al.
Bi la rapidez del aumento de temperatura del aceite de oli#a fuera apro7imadamente el doble $ue la del agua, se podría decir $ue el aceite de oli#a sólo necesitó la mitad del calor en comparación con el agua para aumentar su temperatura grado (ahrenheit. Bobre la base del #alor de . para el calor específico del agua, se llegaría a la conclusión $ue el calor específico del aceite de oli#a debe ser . en forma apro7imada, o sea, la mitad del agua. 1En la tabla de los calores específicos de las sustancias se #e $ue el aceite de oli#a tiene calor específico igual a.4G.3 %a ecuación 1I2F3 se puede escribir ahora en la siguiente forma) [tu W J 7 c 7 >S
7R2-#9 En la cual " Wcalor específico de la sustancia. E
"alcular la cantidad necesaria de calor para ele#ar la temperatura de lb de aceite de oli#a de G !( a / !(. 4
SO+UCION
"omo >SW ! y c del aceite de oli#a es .4G, entonces "alor W [tu W J 7 c 7 >S W 7 .4G 7 W 4/ [tu El calor específico de una sustancia tambi'n cambiará cuando cambia el estado de la misma. El agua es un muy buen ejemplo de esta #ariación de calor específico. +emos #isto $ue, en estado lí$uido, su calor específico es .9 pero como sólido 1hielo3, su calor específico es . y .4/ es el #alor del calor específico en el estado gaseoso 1#apor de agua. En un circuito de refrigeración nos interesarán, en especial, sustancias en estado lí$uido o gaseoso, y su capacidad para absorber o ceder calor. Sambi'n, en la distribución de aire para enfriamiento o calentamiento de determinada zona, nos interesarán los posibles cambios de #alores del calor específico. ;ás adelante #eremos esto en detalle. El aire, cuando se calienta y $ueda libre, o sea, $ue se deja e7pandir a presión constante, tiene un calor específico igual a .24. El refrigerante 2 1I23 es gaseoso a unos G !( 12 !"3 y a presión constante tiene un calor específico igual a .4/, mientras $ue el calor específico del I2 lí$uido es .24 a /V !( 1 !"3. "uando se manejan metales y las temperaturas de mezclas, se debe tener en cuenta una combinación de pesos, calores específicos y diferencias de temperatura en los cálculos generales de transferencia de calor. -ara calcular la transmisión total de calor de #arias sustancias es necesario sumar las cantidades indi#iduales como sigue) [tu, W 1J 7 c7 >S3 X 1J27 c27 >S23 X 1O 7 c7 >S3
E
P"uándo calor se debe agregar a un recipiente de cobre $ue pesa lb y $ue tiene lb de agua a G !(, para alcanzar / !(8 El calor específico del cobre es .A [tuYlb !(. SO+UCION
%a ecuación 1I2F3 se puede emplear de la siguiente manera) [tu W 1J7 c7 >S3 X 1 J2 7 c2 7 >S23
En la cual J , " y >S se refieren al recipiente de cobre, y J 2, " 2 y >S2 se refieren al agua. -or lo tanto, [tu W 1 7 .A 7 3 X 1 7 . 73 W A.2 X 4 W A.2 [tu
R2-: CA)BIO DE ESTADO Qa podemos pasar a describir los cinco cambios principales de estado)
So(idificacin Es un cambio de estado lí$uido a sólido. +ic*efaccin Es un cambio de estado sólido a lí$uido. aoracin
Es un cambio de estado lí$uido a #apor 1gaseoso3.
Conden&acin Es un cambio de estado gaseoso a lí$uido. S*>(imacin
Es un cambio de estado sólido a #apor, sin pasar por el estado lí$uido.
"uando se calienta una sustancia sólida, el mo#imiento molecular es principal de oscilación, y las mol'culas no llegan muy lejos de su posición normal u original. -ero a determinada temperatura, diferente para las di#ersas sustancias, si se agrega más calor no necesariamente aumentará el mo#imiento molecular9 en lugar de ello, el calor agregado hará $ue algo del sólido se licue 1$ue se #uel#a lí$uido. >sí, el calor adicional origina un cambio de estado del material. %a temperatura a la cual se lle#a a cabo este cambio de estado de la sustancia se llama su punto de fusión. Bupongamos $ue se deja en el congelador un recipiente de agua al $ue se ha puesto un termómetro 1figura I2FG. "uando la saca del congelador se ha transformado en un blo$ue de hielo9 se ha lle#ado a cabo la solidificación. Bupongamos tambi'n $ue el termómetro en el hielo indica $ue la temperatura es 2 !(. Bi se deja estar a temperatura ambiente, el hielo absorberá calor del aire ambiente hasta $ue el termómetro indi$ue una temperatura de 2 !(, y entonces algo hielo comenzará a cambiar y transformarse en agua. Bi el calor contin:a pasando del aire del recinto al hielo, más hielo se con#ertirá en agua, pero el termómetro continuará marcando 2 !( hasta $ue se haya fundido todo el hielo. Be ha lle#ado a cabo la licuefacción. Despu's se describirá este cambio de estado, sin cambio de temperatura.
"omo se dijo, cuando se ha fundido todo el hielo, el termómetro indicará una temperatura de 2 !(, pero la temperatura del agua continuará subiendo hasta $ue alcance o iguale la temperatura del recinto. Bi se agrega el calor suficiente al recipiente de agua mediante dispositi#os adecuados 1figura I2F/3 como un $uemador o un soplete, la temperatura del agua aumentará hasta llegar a 22 !(1 !". > esta temperatura, y bajo presión atmosf'rica *normal, 14.Gpsia3 le efectuará otro cambio de estado) la #aporización, o e#aporación. >lgo del agua se con#ertirá en #apor y, se agrega más calor, toda el agua pasará al estado de #apor9 sin embargo9 la temperatura del agua no pasará de 22 !(. Este cambio de estado, en el $ue no cambia la temperatura, se describirá tambi'n despu's. Bi el #apor se pudiera confinar en un recipiente cerrado, y si se $uitara la fuente de calor, el #apor cedería calor al aire $ue le rodea y se condensaría de nue#o formando agua lí$uida. %o $ue se ha lle#ado a cabo es la condensación, $ue es el proceso in#erso a la #aporación. El o7ígeno es gaseoso a más de 2AG !(9 es lí$uido entre esa temperatura y 24 !(, y sólido a menores temperaturas $ue la :ltima citada. El hierro es sólido hasta $ue su temperatura alcanza 2/ !(, y se e#apora a una temperatura apro7imadamente de 4A !(. %o $ue hemos aprendido hasta ahora, con algunos ejemplos, es cómo puede pasar un sólido a lí$uido, y cómo puede pasar un lí$uido a #apor. -ero es posible $ue una sustancia cambie su estado físico para pasar directamente de sólido a #apor, sin fundirse primero y formar lí$uido. > esto se le llama sublimación. Es probable $ue todos nosotros hayamos #isto este cambio físico, cuando se lle#a a cabo, sin darnos cuenta completamente. %os trapos h:medos o mojados, al colgar en el e7terior a temperaturas inferiores a la de congelación, se secan con rapidez debido a la sublimación9 tambi'n el hielo seco 1dió7ido carbono, "< 2, sólido3 se sublima y pasa a gas bajo la presión y temperatura normales.
R2-1@ CA+OR SENSIB+E El calor $ue se puede sentir o medir se llama calor sensible. Es el calor $ue pro#oca un cambio de la temperatura de una sustancia, pero no un cambio de su estado. %as sustancias, al estar en estado sólido, lí$uido o gaseoso, contienen calor sensible hasta cierto grado, siempre $ue sus temperaturas sean mayores $ue el cero absoluto. %as ecuaciones $ue se emplearon para calcular la cantidad de calor, al igual $ue las $ue se usaron para los calores específicos, se podrían clasificar como ecuaciones para calor sensible, ya $ue en ninguna de ellas inter#ienen un cambio de estado.
"omo ya se mencionó, una sustancia puede e7istir en forma sólida, lí$uida o gaseosa. %a sustancia en estado sólido tendrá algo de calor sensible, al igual $ue en los demás estados de la materia. %a cantidad total de calor $ue se necesita para hacer cambiar una sustancia de estado sólido a estado #apor depende de 3 su temperatura inicial cuando era sólido, 23 la temperatura a la cual pasa del estado lí$uido al estado de #apor, y 43 su temperatura final como #apor. Sambi'n se comprende el calor $ue se necesita para lle#ar a cabo los dos cambios de estado.
R2-11 CA+OR +ATENTE En un cambio de estado, la mayor parte de las sustancias tienen un punto de fusión al cual pasan del estado sólido al lí$uido sin aumentar su temperatura. En este punto, si la sustancia está en estado lí$uido y le se $uita calor, se solidificará sin cambiar su temperatura. El calor $ue inter#iene en ambos procesos) pasar de sólido a lí$uido o de lí$uido a sólido, sin cambiar la temperatura, se llama calor latente de fusión. %a figura I2FA muestra la relación entre temperatura en grados (ahrenheit y los calores tanto sensible como latente, ambos en [tu. "omo se hizo notar antes, el calor específico del agua es . y del hielo es ., y está es la razón de la diferencia de pendientes de las rectas $ue representan al sólido 1hielo3 y al lí$uido 1agua. -ara aumentar la temperatura de una libra de hielo de !( a 2 !( sólo se necesitan V [tu de calor9 la otra recta muestra $ue sólo se necesitan / [tu para cambiar / !( la temperatura de una libra de agua, de V !( a V/ !(, y el calor aumenta de // a AV [tuYlb. Sambi'n, la figura I2FA muestra $ue inter#iene un total de 2 [tu de calor sensible en las AV [tu necesarias para con#ertir una libra de hielo a !( en una de agua a V/ !(. Esto implica una diferencia de 44 [tu, $ue es el calor latente de fusión del hielo, o de congelación del agua, dependiendo de sí se está $uitando o agregando calor. %a palabra latente se deri#a del #ocablo latino $ue significa escondido. Be trata de calor escondido, $ue no lo registra un termómetro ni se puede sentir. &o es necesario decir $ue no hay aumento o disminución del mo#imiento molecular en el interior de la sustancia, por$ue se indicaría con una #ariación de temperatura $ue mostraría el termómetro. [tu W 1J7 c7 >S3 X 1J7 calor latente3 X 1J27 c27 >S23
7R2-39
E
"alcular la cantidad de calor $ue se necesita para $ue los lb de hielo a 2 !( se con#iertan en agua a !(.
SO+UCION
?samos la ecuación 1I2FV3, en la cual [tu W 17 . 7 23 X 1 7 443 1 2 F 2!3 X 1 7 . 7 /3 1! F 2!3 W V X 44 X / W V/
R2-12 )ETODOS DE TRANS)ISIÓN DE CA+OR %a segunda ley de la termodinámica, $ue se presentó antes, dice $ue el calor pasa sólo en una dirección, $ue es de la mayor temperatura 1intensidad3 a la menor temperatura 1intensidad. Este paso se lle#a a cabo mediante uno o más de los siguientes m'todos básicos)
1. "onducción
2. "on#ección ". Iadiación R2-12.1 CONDUCCIÓN Be define la conducción como el paso de calor entre las mol'culas #ecinas de una sustancia, o entre sustancias $ue se tocan y tienen buen contacto entre sí. "uando se lle#a a cabo el paso de calor dentro de una sola sustancia, como por ejemplo en una #arilla metálica con un e7tremo en una flama, el mo#imiento t'rmico contin:a hasta $ue hay un e$uilibrio de temperatura a lo largo de la #arilla. Bi la #arilla se sumerge en agua, las mol'culas en mo#imiento rápido, en la superficie de 'sta transmitirán algo de su calor a las mol'culas del agua, y es así $ue se lle#ará a cabo otra transferencia de calor mediante conducción. > medida $ue se enfría la superficie e7terior de la #arilla, habrá toda#ía algo de calor dentro de ella, y continuará pasando hacia la superficie e7terna y de ahí al agua, hasta $ue se alcance un e$uilibrio de temperatura. %a rapidez a la $ue pasa el calor por conducción #aría en las diferentes sustancias o materiales, si son de las mismas dimensiones. %a rapidez de paso de calor #aría de acuerdo con la capacidad del material o la sustancia de conducir el calor. En general, los sólidos son mucho mejores conductores $ue los lí$uidos9 a su #ez, los lí$uidos conducen el calor mejor $ue los gases o #apores. %a mayor parte de los metales, como plata, cobre, acero y hierro, conducen el calor con bastante rapidez. En cambio otros sólidos, como el #idrio, la madera u otros materiales de construcción, conducen el calor a mucha menos rapidez y por lo tanto se emplean como aisladores. El cobre es un e7celente conductor de calor, al igual $ue el aluminio. Esas sustancias se usan en general para fabricar condensadores, e#aporadores y tubos de refrigerante $ue conectan los di#ersos componentes de un sistema de refrigeración, aun$ue a #eces se usa el hierro con determinados refrigerantes. %a rapidez a la cual se conduce el calor a tra#'s de una sustancia depende de factores tales como 3 el espesor del material, 23 el área de su sección trans#ersal, 3 la diferencia de temperatura entre los dos lados del material, 43 la conducti#idad t'rmica 1factor N3 del material, y 3 la duración del flujo de calor. %a figura I2F es una tabla de conducti#idad t'rmicas 1factores N3 de algunos materiales comunes. &ota) %os factores N están dados en [tuYhrFpie 2F!(Ypulg de espesor del material. Esos factores se usan en forma adecuada con la siguiente ecuación) [tu W > @ Z @ >S @ Biendo > W área de la sección trans#ersal, pies 2
Z W conducti#idad t'rmica, [tuYFpie 2F!(Ypulg >S W diferencia de temperatura entre los dos lados, !( @ W espesor del material, pulgadas Fig*ra R2-1@ "onducti#idades t'rmicas de materiales comunes de construcción y aislamiento. %os #alores N están e7presados en [tuYhr pie 2 !(Ypulgada de espesor del material.
)a'eria( Sriplay (ibra de #idrio, aglomerante orgánico >islamiento de poli estireno e7pandido >islamiento de poliuretano e7pandido ;ortero Estuco %adrillo com:n ;aderas duras 1arce, encino3 Qeso con agregado de arena ;aderas blandas 1abeto, pino3
Cond*c'iidad ./ .2 .2 .V . . . . ./ .V
%os metales $ue tienen alta conducti#idad se usan en el sistema de refrigeración por$ue se desea $ue la transferencia de calor sea rápida tanto en el e#aporador como en el condensador. El e#aporador es el lugar donde se elimina el #apor del espacio o sustancia acondicionado, y el condensador disipa ese calor a otro medio o ambiente. En el caso del e#aporador, el producto o aire se encuentra a una mayor temperatura $ue la del refrigerante dentro del tubo, y hay paso de calor hacia la temperatura más baja9 ;ientras $ue en el condensador, el #apor de refrigerante está mayor temperatura $ue el medio de enfriamiento $ue pasa a tra#'s de, o alrededor del condensador, y en este caso de nue#o el calor pasa hacia la temperatura menor. El tubo sencillo, sea de cobre, aluminio u otro metal, transportará el calor seg:n su conducti#idad, o factor N9 pero este paso de calor se puede aumentar por adición de aletas al tubo. Estas aletas aumentan el área de transferencia de calor y con ello aumentan la eficiencia general del sistema. Bi la adición de aletas hace $ue se dupli$ue el área, se puede demostrar, empleando la ecuación 1I2FG3, $ue debe duplicarse la transmisión general, en comparación de la $ue se alcanza con tubo simple.
R2-12.2 CONECCION l hacerlo, absorbe calor del alimento y las paredes del refrigerador, las cuales, mediante conducción, han recogido calor del recinto. Despu's de haber absorbido calor, el aire se e7pande, se hace más li#iano y sube hasta $ue de nue#o alcanza al serpentín de enfriamiento, donde cede su calor. El ciclo de con#ección se repite mientras haya diferencia de temperaturas entre el aire y el serpentín. En las unidades comerciales, se pueden poner mamparas dentro de la caja para $ue se dirijan las corrientes de con#ección y tomen los patrones $ue se deseen de flujo de aire alrededor del serpentín. El agua $ue se calienta en una bandeja estará bajo la acción de las corrientes de combustión $ue se desarrollan por la aplicación del calor. El agua $ue est' más cercana a la fuente de calor, al absorber calor, se calienta y se e7pande. "omo se hace menos densa, sube y la remplaza la demás agua, $ue está más fría y es más densa. Este proceso continuará hasta $ue toda el agua $uede a la misma temperatura. %as corrientes de con#ección, de acuerdo a lo $ue se describió y a lo $ue se habla en este libro, son naturales 1pasi#as. "omo en el caso del refrigerador, un flujo natural 1pasi#o3 es lento. En algunos casos, la con#ección se debe aumentar empleando #entiladores o sopladores y, en el caso de lí$uidos, se usan bombas para tener circulación forzada 1acti#a3 para transmitir calor de un lugar a otro.
R2-12." RADIACION ?n tercer m'todo de transmisión de calor es mediante radiación, por medio de ondas semejantes a las de la luz o del sonido. %os rayos de sol calientan la Sierra por ser ondas caloríficas radiantes, $ue #iajan en línea recta sin calentar el espacio o el aire intermedios. El calor de un foco el'ctrico, o de una estufa caliente es de naturaleza
radiante y lo sienten $uienes están pró7imos, aun$ue no se caliente el aire entre la fuente y el objeto, a pesar de $ue los rayos pasen a tra#'s de 'l. Bi el lector se ha sentado a descansar bajo la sombra de un árbol o de una construcción en un día caluroso de #erano, y pasa a la luz solar directa, el impacto directo de las ondas de calor le llegará como un mazazo, aun cuando la temperatura del aire a la sombra sea apro7imadamente igual a la del aire bajo los rayos del sol. > bajas temperaturas sólo hay una pe$ueña cantidad de radiación, y sólo se manejan pe$ueñas diferencias de temperatura9 por lo tanto, la radiación tiene muy poco efecto en el proceso real de la refrigeración misma. -ero los resultados de la radiación debido a los rayos solares directos puede ocasionar una mayor carga de refrigeración en una construcción, al estar e7puesta a la trayectoria de esos rayos. El calor radiante lo absorben los materiales oscuros u opacos, mientras $ue las superficies de colores claros reflejan las ondas de calor radiante, al igual $ue lo hacen con los rayos luminosos. %os diseñadores y los fabricantes de ropa hacen uso de este hecho bien conocido y durante el #erano ponen a la #enta #estidos de materiales de colores claros. Este principio tambi'n se emplea en el campo de acondicionamiento de aire durante el #erano, cuando los techos y paredes tienen colores claros, y los rayos del sol penetran menos en el recinto acondicionado y con ello se reduce el e$uipo general de enfriamiento $ue se necesita. Sambi'n, el calor radiante penetra con facilidad en el #idrio transparente de las #entanas, pero será absorbido por el #idrio trasl:cido u opaco. "uando el calor o la energía radiante 1ya $ue todo calor es energía3 es absorbido por un material o sustancia, se con#ierte en calor sensible, $ue es el $ue se puede sentir o medir. Sodo cuerpo o sustancia absorbe hasta cierto punto energía radiante, dependiendo de la diferencia de temperaturas entre dicho cuerpo y las demás sustancias. Soda sustancia radia energía siempre $ue su temperatura sea mayor $ue la del cero absoluto, y $ue otra sustancia cerca de ella est' a una temperatura menor. Bi un automó#il se ha dejado bajo los rayos del sol, con las #entanillas cerradas, durante bastante tiempo, la temperatura dentro del mismo será mucho mayor $ue la del aire ambiente $ue lo rodea. Esto demuestra $ue la energía radiante $ue absorbe los materiales de los $ue está formado el automó#il se con#ierte en calor sensible, $ue se puede medir.
R2-1" AIS+A)IENTO En la sección I2F2. se hizo notar $ue determinadas sustancias son e7celentes conductoras del calor, mientras $ue otras son malas conductoras, y a 'stas se les llama aisladoras. -or lo tanto, cual$uiera material $ue estorba o ayuda a e#itar el paso de calor por cual$uier mecanismo se llama, y se puede usar como, aislamiento. -or supuesto $ue ning:n material detendrá por completo el flujo de calor. Bi hubiera dicha
sustancia, sería muy difícil enfriar un espacio dado hasta la temperatura deseada y conser#arla así. Bustancias como el cocho, fibra de #idrio, lana mineral y espumas de poliuretano son buenos ejemplos de materiales aislantes9 -ero hay muchas otras sustancias $ue se usan para aislar recintos o construcciones refrigerados. %os materiales comprensibles, como por ejemplo las sustancias fibrosas, dan mejor aislamiento si se instalan flojas o en forma de colchoneta, $ue si se instalan comprimidas o bien empacadas. %a conducti#idad t'rmica de los materiales 1#alor N3, la temperatura $ue se debe mantener en el espacio refrigerado, la temperatura ambiente $ue rodea al recinto, los espesores permisibles de pared y el costo de los di#ersos tipos de aislamiento, son todos ellos puntos $ue se deben considerar al seleccionar el material adecuado para un proyecto dado. %a mayor parte del personal de ser#icio no inter#iene en la selección o instalación de material aislante en una instalación de refrigeración, pero muchas personas manejan di#ersos tipos de aislamiento y bajo di#ersas condiciones. El asilamiento debe ser resistente al fuego y a la humedad, y tambi'n a prueba de plagas. %as cajas grandes refrigeradas, o los enfriadores del tipo de cuartos fríos, normalmente se aíslan con material rígido, como por ejemplo cartón de corcho, fibra de #idrio, blo$ues de espuma, o cosas por el estilo. %as cajas o receptáculos de menor tamaño podrían llenarse o aislarse con un aislador tipo espuma $ue fluye como lí$uido y se e7pande para llenar de espuma la ca#idad $ue disponga. %as cajas a baja temperatura necesitan un aislamiento $ue tambi'n sea resistente al #apor, como por ejemplo, espuma de unicel, si las paredes del recinto refrigerado no están hechas de metal en su e7terior. "on esa resistencia al #apor no penetrará 'ste con facilidad pasando por el aislamiento y condensándose allí, por$ue se reduciría la eficiencia de aislamiento.
R2-1# EFECTO DE +A REFRIGERACIÓN. +A TON ?n concepto $ue se ha empleado mucho en trabajos de refrigeración, para definir y medir la capacidad de los efectos de la refrigeración, se llama ton, o tonelada de refrigeración. Es la cantidad de calor absorbido cuando se funde una tonelada 1de 2 lb3 de hielo durante un período de 24 horas. %a ton de refrigeración es igual a 2//, [tuYdía. Be puede calcular multiplicando el peso del hielo $ue se funde 12 lbYdía3 por el calor latente de fusión del hielo, $ue es 144 [tuYlb. Entonces 2 lbY24 horas @ 44 [tuYlb W 2//, [tuY24 horas W 2//, [tuYdía
< sea, 2, [tu por hora 12//, \ 243, -or lo tanto, una ton de refrigeración W 2, [tuYhr. E
?n sistema de refrigeración de ton tiene una capacidad de 7 2, [tuYhr W 2, [tuYhr.
R2-1$ RESU)EN %os cambios de estado de la materia pueden lle#arse a cabo agregándole o $uitándole calor. El efecto o la intensidad del calor se puede medir empleando termómetros. El calor siempre pasa de un estado más caliente a uno más frío. %as sustancias tienen distintas capacidades para absorber calor. El calor se da en dos formas) sensibles y latente. %a unidad de medida para e7presar cantidad de calor es la [tu. El calor puede transmitirse por #arios m'todos) conducción, radiación y con#ección. ?n aislador es una sustancia $ue retarda el flujo de calor. En el ciclo de refrigeración se trabaja con un sistema cerrado, en el $ue los efectos del calor y la presión se relacionan mucho, y en el capítulo I #eremos el comportamiento de los fluidos y las presiones. A /
&. del S.) En algunas tablas, los #alores N aparecen en [tuYhrFpie 2F!(Ypie, y entonces se deben multiplicar por 2 para obtenerlos en las unidades $ue se citan a$uí, ya $ue pie W 2 pulgadas. En otros casos los #alores aparecen en sistema m'trico. El factor de con#ersión es [tuYpie 2F!(horaYpul W .24 NcalYmFhoraF!". Bi el #alor está en el B0 1sistema internacional de unidades3, entonces [tuGpie2F!(FhoraYpul W .44 JYmF!", en donde J W Oatts de energía t'rmica transferida. A &. del S.) En el sistema m'trico, ton de refrigeración W G2GV "al Ydía W"alYhr. En sistema B0, ton de refrigeración W . Zj W .2A ZJ.
!ROB+E)AS R2-1. %a materia puede e7istir en tres formas. D' los nombres de esas formas. R2-2. P"uál es la partícula más pe$ueña de la materia8 R2-". PEs la temperatura una medida de la cantidad o intensidad de calor8 R2-#. P]u' $uiere decir *cero absoluto8 R2-$. Enunciar la primera ley de termodinámica. R2-3. Enunciar la segunda ley termodinámica. R2-=. Definir la unidad t'rmica británica 1[tu. R2-6. "on#ertir V/ !( a grados "elsius.
R2-:. P"uánto calor se necesita para ele#ar la temperatura de lb de agua de G !( a 2 !(8 R2-1@. Bi pasan G [tu a lb agua $ue se encontraba a G2 !(, Pcuál será la Semperatura final del agua8 R2-11. P"uál es el #alor del calor específico del agua8 R2-12. El calor latente se puede medir con un termómetro. P"ierto o falso8 R2-1". %a energía t'rmica se transmite mediante uno o más de tres mecanismos. "ite Esos mecanismos. R2-1#. R2-1$.
El calor $ue hace #ariar la temperatura de una sustancia se llama) ^^^^^^^^^^^^^^ El calor $ue hace #ariar el estado de una sustancia se llama) ^^^^^^^^^^^^^^.
R2-13. El paso de una sustancia en estado sólido directamente al estado gaseoso se %lama) ^^^^^^^^^^^^^^^ R2-1=. El calor $ue hace cambiar el estado lí$uido al estado de #apor se llama) ^^^^^^^ de ^^^^^^^^^^^ R2-16. Definir la *ton de efecto de refrigeración. R2-1:. P"uántas [tu hay en una ton normal de efecto de refrigeración8 R2-2@. %os aislamientos, Pson buenos o malos conductores de calor8
F+UIDOS , !RESIONES
R"-1 GENERA+IDADES. El diccionario describe a un fluido, como *cual$uier sustancia $ue puede fluir, lí$uido o gas. -or lo tanto, un refrigerante se puede clasificar como fluido, ya $ue dentro del ciclo de refrigeración e7iste en forma tanto lí$uida como en forma de #apor o gas. Bin embargo, como se mencionó antes, el hielo, $ue es un sólido, tambi'n se usa para eliminar calor, y su uso en refrigeración ha $uedado un tanto relegado por el descubrimiento de la #ersatilidad de las sustancias y compuestos $uímicos $ue se usan hoy como refrigerantes. R-2 !RESIÓN DE F+UIDOS El peso de un trozo de madera o cual$uier otro material sólido funciona como una fuerza hacia abajo $ue obra sobre lo $ue soporte a dicho sólido. %a fuerza de este objeto sólido es su peso total, y ese peso total se distribuye en el área sobre la cual recarga. Bin embargo, el peso de determinado #olumen de agua act:a no sólo como una fuerza hacia abajo sobre el fondo del recipiente $ue la contiene, sino tambi'n como una fuerza lateral sobre los lados del recipiente. Bi se hace un agujero en el lado del recipiente abajo del ni#el del agua 1figura IF3, el agua $ue se encuentra arriba del agujero se forzará hacia fuera, por$ue su fuerza está actuando hacia abajo y hacia los lados. %a presión de un flujo es la fuerza por unidad de área $ue ejerce un gas o un lí$uido. En general se e7presa en t'rminos de psi 1libras por pulgada cuadrada. =aría en forma directa con la densidad y la profundidad del lí$uido y al mismo tiempo con la profundidad bajo su superficie. %a presión es igual en todas direcciones. &ótese la diferencia entre los t'rminos usados) fuerza y presión. (uerza $uiere decir el peso total de la sustancia9 presión $uiere decir la fuerza unitaria por pulgada cuadrada. Bi el tan$ue de la figura IF mide pie en todo sus lados, y está lleno de agua, tenemos pie c:bico de agua. El peso de esa agua es V2.4 libras, apro7imadamente, y se ejerce sobre el fondo del tan$ue. Ela área del fondo es igual a 44 pulgadas cuadradas 1o sea, 2 pulgadas 2 pulgadas W 44 pulgadas2. Bi usamos la ecuación -resión W
fuerza
7R"-19
_rea
< sea - W ^( > %a presión unitaria del agua será (uerza -resión W área W
V2.4 lb 44 pulg 2
Esta presión de .4 psi se ejerce hacia abajo y tambi'n hacia los lados. Bi se fabrica un tan$ue como el de la figura IF2, la presión del agua hace $ue el tubo se llene con agua hasta el mismo ni#el $ue el $ue tiene en el tan$ue. %a presión del fluido es la misma en cada pulgada cuadrada de las paredes del tan$ue $ue se encuentren a la misma profundidad, y act:a en ángulo recto con respecto a la superficie del tan$ue.
E
?n tan$ue tiene su base de V pies cuadrados y se llena con agua hasta una profundidad de pies. "alcular a3 el #olumen del agua, b3 el peso del agua, c3 la fuerza sobre el fondo del tan$ue, y d3 la presión sobre el fondo del tan$ue. SO+UCION
a3 b3 c3 d3
=olumen W 4 pies . pies W 4/ pies -eso W 4/ pies . V2.4 lbYpie W 2AA lb (uerza W peso W 2AA lb -resión W peso . área W 2AA . 24 W . psi 1área W 4 pies . 4 pies . 44 pulg 2Ypie2 W 24 pulg 23
&. del S.) En el sistema m'trico, la densidad del agua es apro7imadamente NgYdm , y entonces las con#ersiones de presión son)
NgYcm2 W psiY4. 29 psi W NgYcm2 4.2 >tmósferas W NgYcm2 . W bares.
>demás, en el sistema B0 la presión se mide en pascales o Nilo pascales.
R"-" A+TURA DE F+UIDO %a presión y la altura tienen una relación estrecha tratándose de un fluido. En hidráulica, $ue es la rama de la física $ue trata de las propiedades de los lí$uidos, la profundidad de un cuerpo de agua se llama *altura del agua. %a presión del agua #aría directamente con respecto a su profundidad. -or ejemplo, si el tan$ue de la figura IF tu#iera 2 pies de altura y estu#iera lleno de agua, tendría un #olumen de 2 pies de agua y pesaría 2 V2.4 W 24./ libras. En este caso la fuerza del agua sobre el fondo del tan$ue sería 24./ lb y la presión unitaria sería ./VV psi, $ue es 24./ lb 44 pulg2. Es el doble de la presión $ue ejercía cuando la altura del agua era sólo de pie. -or lo tanto, en un recipiente abierto por arriba, la presión del agua será igual .4 psi por cada pie de altura. Bi hay una disminución o aumento en la altura de un cuerpo de agua habrá una disminución o aumento correspondiente en la presión implicada, así como en el peso del agua, siempre y cuando las demás dimensiones permanezcan igual. Bi la altura del agua sólo fuera de V pulgadas 1 ½ pie3, la presión fuese .4 `, o sea, .2G psi9 Q si en el tan$ue hubiera pies de agua, la presión sería .4 , o sea, 4. psi. Esta relación se puede e7presar en la ecuación
- W .4 h
7R"-29
En la cual - W presión, psi + W altura, pies de agua
FIGURA R"-2 %a presión del fluido es igual en el tubo $ue En el tan$ue. El tan$ue de la figura IF tiene un área de pie 2, y su altura es de pie9 por lo tanto, la presión sobre el fondo del tan$ue es .4 psi. Bi tu#i'ramos un estan$ue con área de pies2 cuya profundidad fuera pie, la presión en el fondo del estan$ue seguiría siendo tan sólo .4 psi, aun cuando hay mayor #olumen de agua. Esto hace resaltar la relación entre presión y profundidad y demuestra $ue no necesariamente hay una relación entre presión y #olumen. ?na #ez establecida la relación entre presión y profundidad, podemos transponer la ecuación de modo $ue la profundidad en el tan$ue se puede calcular si conocemos el #alor de la presión en el fondo del tan$ue.
NgYcm2 W A/. N-a W A,/, -a. %os manómetros se consiguen normalmente en graduaciones de psi, NgYcm 2, N-a, bares o atmósferas.
Bi p W .4 h, entonces se cumple h W pY.4, ya $ue se obtiene por transposición de la primera ecuación. 2 E
Bi un manómetro ubicado en el fondo de un tan$ue de agua de pies de alto muestra una lectura de psi, a3 Pcuál es la profundidad del agua en el tan$ue8 Q b3 P$u' indicaría el manómetro si el tan$ue estu#iera lleno8 SO+UCION
a3 h W ^ p^^ W ^^^^ W pies de agua .4 .4 b3 p W .4
R"-# !RINCI!IO DE !ASCA+ > medidas del siglo @=00, un matemático franc's [laise -ascal, lle#ó a cabo e7perimento con presiones de agua y aire. Bu trabajo condujo a la formulación de lo $ue se llama el principio de -ascal, $ue las presiones $ue se aplican a un lí$uido confinado se transmiten por igual a tra#'s del lí$uido, independientemente del área sobre la $ue se aplica la presión. >l aplicar este principio, -ascal in#entó la prensa hidráulica, $ue permite una gran multiplicación de una fuerza. En la figura IF la presión es igual en todos los recipientes, independientemente de su forma, por$ue la presión no depende de la forma del recipiente. %a figura IF4, para dar un ejemplo de este principio, muestra un recipiente $ue contiene un fluido $ue puede ser aceite9 el recipiente tiene un cilindro pe$ueño y uno grande conectados por un tubo, y en cada cilindro tiene pistones con ajuste herm'tico. Bi el área de la sección trans#ersal del pistón pe$ueño es pulg 2 y la del grande es pulg2, al aplicar una fuerza de lb al pistón pe$ueño soportará un peso de lb en el pistón mayor, por$ue se ejercerá una presión de psi en todo el fluido. "omo se #io antes, la presión es igual a la fuerza di#idida entre el área, una fuerza de lb aplicada a un área de pulg 2 originará una presión de psi. -or transposición, la fuerza es igual a la presión multiplicada por el área, y por lo tanto, se podrá soportar un peso de lb cuando se apli$ue una presión de psi en un área de pulg 2.
2
&. del S.) -ara el sistema m'trico, las relaciones correspondientes, más sencilla, son p, NgYcm 2 W h, m de aguaY y h, m de agua W p, NgYcm 2.
R"-$ DENSIDAD Desde el punto de #ista de la física, la densidad es el peso de una sustancia por unidad de #olumen, y se puede e7presar en cual$uier combinación adecuada de unidades de peso y #olumen, como por ejemplo libras por pie c:bico, o libras por pulgada c:bica. Be puede plantear una ecuación $ue e7prese esa relación)
D 5 HH
7R"-"9
En la cual D W densidad J W peso = W #olumen "omo se mencionó antes, el peso del agua por pie c:bico, o densidad, es apro7imadamente V2.4 lbYpie , y se puede e7presar tambi'n como .V lbYpulg , ?n pie contiene G2/ pulg , y V2.4 G2/ W .V. En la figura IF se dan las densidades de algunas otras sustancias de uso com:n. %a gra#edad específica de cual$uier sustancia es la relación del peso de un #olumen dado de la sustancia al peso del mismo #olumen de una sustancia de referncia. "uando se trata de sólidos o lí$uidos, se usa agua como sustancia de referncia para el cálculo de la gra#edad específica, y aire o hidrógeno como sustancia de referncia cuando se trata de gases. Densidad 1sólido o lí$uido3 W gra#edad específica densidad del agua 1lbYpie 3 %a gra#edad específica del agua es . y en la figura IF se enlistan los #alores para otras sustancias. %a presión en el seno de un fluido es directamente proporcional a la densidad del fluido. Bi #emos el tan$ue de la figura IF $ue, lleno de agua pesa V2.4 lb, ejerce una fuerza sobre su fondo igual a V2.4 lb y una presión igual a .4 psi. Bi estu#iera lleno de gasolina, cuya gra#edad específica es .VV, entonces la fuerza sobre su fondo sólo sería el VV de la $ue se ejerce cuando está lleno de agua, y la presión de la gasolina sólo es el VV de la anterior. -or lo tanto, se puede e7presar la relación como) -resión W altura de fluido densidad
7R"-#9 p W h D
- W presión, lbYpie2 + W altura de lí$uido, o profundidad bajo la superficie, en pies D W densidad, lbYpie < bien, siendo - W presión, psi + W altura de lí$uido o profundidad bajo la superficie, en pulg D W densidad, lbYpulg Be debe tener cuidado al usar esta ecuación, para asegurar $ue se usen las unidades de peso y longitud correctas en la ecuación.
Fig*ra R"-$ Densidad y gra#edad específica de algunas sustancias comunes.
Bustancia
Densidad 1lbYpie3
Cra#edad específica
>gua pura V2.4 >luminio V/ 2.G >moniaco lí$uido a V !( /. .V2 %atón /. %adrillo com:n 2 ./ "obre V /.A/ "orcho en lámina, promedio .24 Casolina 4 .2 .VV =idrio, promedio G 2./ +ierro fundido 44/ G.2 -lomo G . ;ercurio /4/ .V -etróleo combustible, promedio 4/.V .G/ >cero, promedio 4/V G./ ;aderas) Encino ./ -ino 4.2 . HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH
ñr
&. del S.) "uando se trata de cálculos t'cnicos en sistema m'trico, la densidad, en NgY% o en gYcm son num'ricamente igual a la gra#edad específica. Esto se debe a $ue densidad del agua es prácticamente
Biendo4
R"-3 O+U)EN ES!ECFICO El #olumen específico de una sustancia se e7presa en general como el n:mero de pies c:bicos $ue ocupa lb de dicha sustancia. En el caso de los fluidos, #aría con la temperatura y la presión. El #olumen de un lí$uido estará afectado por un cambio de su temperatura9 pero como es prácticamente imposible comprimir lí$uidos, el #olumen no se altera por un cambio en la presión. El #olumen de un gas o #apor sí se afecta, definiti#amente, por cual$uier cambio ya sea en la temperatura o presión a las $ue se sujete. En refrigeración, el #olumen del #apor bajo las condiciones di#ersas $ue inter#ienen es de la mayor importancia para seleccionar los conductos adecuados de refrigerante. Despu's, en el capítulo IG, se presentará los #ol:menes específicos y las presiones para el caso de los refrigerantes9 pero como ejemplo del efecto $ue tiene la temperatura sobre un #apor de refrigerante, #eamos la figura IFV, donde aparecen las propiedades del refrigerante 2 1IF23. &ótese $ue a X !(, el #olumen específico del #apor es .4V pies Ylb, mientras $ue a /V !(, sólo es ./ pies Ylb. En forma correspondiente, hay un aumento de presión 1psia3 de 2V.4/ psia a /.4 psia. &ótese tambi'n el cambio de densidad de A.4 lbYpie a /.VG lbYpie. En las columnas de presión se encuentran dos #alores de presión) pisa, $ue son presiones absolutas, y psig, $ue son presiones manom'tricas. E7plicaremos a continuación la diferencia $ue e7iste entre ellas.
R"-= !RESIÓN AT)OSFERICA %a tierra está rodeada de una capa de aire, llamada atmósfera, $ue alcanza una altura de millas sobre la superficie de la Sierra. El aire tiene peso y tambi'n ejerce una presión, $ue se llama presión atmosf'rica. Be ha calculado $ue una columna de aire con superficie de sección trans#ersal de pulgada cuadrada $ue se prolongue desde la superficie de la tierra al ni#el del mar, hasta los límites de la atmósfera, pesaría apro7imadamente 4.G libras.
Fig*ra R"-3 -ropiedades del refrigerante IF2 en estado de lí$uido y #apor saturados. ='anse las presiones $ue corresponden a una temperatura de e#aporación de !( y a una temperatura de condensación de /V !(.
Semp. !(
F F 2 - F G F F 2 F F F 2 G /V 2
-IEB0& -sia -sig
.4 .V .42/ .// G.G .V G.4 A./A 2.422 2./4A 2V.4/ 2A. A. V.A4 A.V/2 /.4 ./V /.GV 24A.
2A.V 2/.VG 2G. 2.2 .4 2.2 2.4 4.4A V.G A. .GA 4.V4 24.V 4V.G GV.AA A.4 G.V VA.V 24.V
=<%?;E& DE% =>-
G/.V G.2/ 22.V A.A2 4.AG 2.G 2.A .AG .G/ .V .4V .2 . .VV .44 ./ . .22 .V
DE&B0D>D DE %0]?0D< lbYpie
4.V 2.2A . AG.A A.V2 A.2 A2.2 A.G A./ A.VV A.4 /A.V /G.A/ /.4 /2.A /.VG G/.GA G. G.4
"<&SE&0D< DE ">%
F 22.G F G.A F 2.4G F G. F 2. .G . V.G G.44 /.2 A.V .V/ .AV A. 2.2 2G.GG . G.2/ 4./
V./ /. VV.2 VA. G./ G4.V G.V GV.2 GV.G GG.2G GG./ G/. GA.A /2.4 /4./2 /./2 /G.V //.AG A.
G .V4 2 4.A
.A4 4.A
. ./
VV.2 V.
. A.2
A.4/ A.2/
"omo se hizo notar antes en este capítulo, fuerza $uiere decir tambi'n peso de sustancia, y presión significa fuerza por unidad de área 1pulgada cuadrada39 por lo tanto, la presión atmosf'rica normal se considera de 4.G psi al ni#el del mar. Esta presión no es constante9 #aría con la altitud o ele#ación sobre el ni#el del mar, y habrá #ariaciones debidas a cambios de temperatura y contenido de #apor de agua en el aire. Esta presión atmosf'rica, se puede demostrar formando un barómetro sencillo, como el $ue se muestra en la figura IFG. Be usa un tubo de #idrio de apro7imadamente cm de longitud cerrado por un e7tremo9 una cubeta y una cierta cantidad de mercurio. Be llena el tubo con mercurio, se tapa el e7tremo abierto con el dedo para $ue no se salga el mercurio y se in#ierte, introduci'ndolo en la cubeta de mercurio. >l $uitar el dedo, el ni#el del mercurio en el tubo baja algo, dejando un espacio #acío en el e7tremo superior, o cerrado, del tubo. %a presión atmosf'rica $ue empuja hacia debajo la superficie del mercurio, sostiene al metal dentro del tubo hasta cierta altura, $ue determina la mencionada presión sobre la superficie abierta del mercurio. Esa altura, al ni#el del mar, será apro7imadamente pulgadas. "omo se mostró antes en la figura IF, la gra#edad específica del mercurio es .V9 esto es, el mercurio pesa y ejerce una presión .V #eces más $ue un #olumen igual de agua. "omo una columna de agua de pulgada de altura ejerce una presión de .V psi, una columna igual de mercurio ejercerá una presión .V .V W .4A psi. ?na columna de mercurio de pulgadas ejercerá una presión igual a .4A W 4.G psi, $ue es igual a la presión atmosf'rica. > la in#ersa, la presión atmosf'rica al ni#el del mar, 4.G psi, obrando sobre la cubeta abierta del mercurio, di#idida entre la presión $ue ejerce una columna de mercurio de pulgada 1.4A psi3, debe hacer $ue la columna de mercurio en el tubo ad$uiera una altura apro7imada de pulg. En realidad, son 2A.A2 pulgadas de mercurio.
4.G W pulg, columna de mercurio 1+g.3 .4A
Sambi'n se puede usar agua en este barómetro, en lugar de mercurio9 pero el tubo tendría $ue ser de unos 4 pies de alto, lo cual no es práctico.
4.G W 4G pulg agua 1.A pies, . m de agua3 .V
Fig*ra R"-6 ;anómetro de agua $ue se usa para medir presiones de aire. R"-6 )EDICION DE +A !RESIÓN ?n manómetro es uno de los dispositi#os $ue se usan en el campo de refrigeración y aire acondicionado para medir la presión. Este tipo de medidor de presión emplea un lí$uido, $ue en general es mercurio, agua o aceite de manómetros, en calidad de indicador de la cantidad de presión implicada. El manómetro de agua se usa por costumbre cuando se miden presiones de aire, debido a la poca densidad del fluido $ue se mide. En la figura IF/ se muestra un manómetro sencillo de ramas abiertas. El tubo de #idrio en forma de ? están parcialmente lleno de agua, como se #e en la figura IF/ a, y está abierto en ambos e7tremos. El agua está al mismo ni#el en ambas ramas de la ?9 por$ue esas ramas están abiertas a la atmósfera y no ejerce presión e7terna sobre ellas. %a figura IF/b muestra el manómetro cuando se usa con una rama conectada a una fuente de presión positi#a de aire $ue se #a a medir. El agua está a ni#eles distintos en los brazos, y la diferencia indica la cantidad de presión $ue se aplica. Be dice $ue en un espacio en donde no hay presión alguna hay un #acío perfecto. Bi el espacio tiene una presión menor $ue la atmosf'rica, se define como #acío parcial. Be acostumbra a e7presar este #acío parcial en pulgadas de mercurio, y no como presión negati#a.
Fig*ra R"-: ;anómetro de mercurio, $ue se usa para medir #acío. Fig*ra R"-1@ "onstrucción interna de un manómetro de presión) a3 cone7ión adaptadora, en general con rosca para tubo de 9 b3 tubo de [ourdon9 c3 eslabonamiento9 d3 sector de engrane9 e3 engrane con el eje de la guja9 f3 resorte de calibración9 g3 restricto9 h3 caja9 j3 sección trans#ersal del tubo de [ourdon. %as líneas punteadas indican cómo la presión hace $ue se enderece el tubo de [ourdon y hace funcionar al manómetro. En algunos casos tambi'n se refiere a determinada presión absoluta, e7presada en psia, y se ahondará en estos conceptos un poco más adelante en el capítulo. Bi se ha hecho #acío parcial en el brazo iz$uierdo del manómetro, por medio de una bomba de #acío, como se #e en la figura IFA, el mercurio del ramal derecho bajará, y la diferencia entre los ni#eles indicará el #acío parcial $ue hay, en pulgadas de mercurio. %os manómetros $ue usan los t'cnicos de ser#icio con más frecuencia, para determinar lo $ue sucede dentro del sistema de refrigeración, son del tipo de tubo de [ourdon. "omo se #e en la figura IF, $ue es una representación del interior de uno de ellos, el elemento esencial es el *tubo de [ourdon.
Es un tubo metálico de sección trans#ersal o#alada, $ue forma una cur#a a lo largo de su longitud, casi completando un círculo. ?n e7tremo del tubo es cerrado y el otro se conecta al e$uipo o componente $ue se est' probando. "omo se #e en la figura IF, los manómetros se ajustan a psi, $ue representan la presión atmosf'rica. -or lo tanto, cual$uier presión adicional $ue se apli$ue al estar conectado el manómetro a una parte del e$uipo, tenderá a enderezar el tubo de [ourdon, y con ello a mo#er la aguja, puntero o apuntador, por medio de su eslabonamiento mecánico9 así se indica la cantidad de presión $ue se aplica. El manómetro marcado con a3 en la figura IF es un ejemplo de manómetro de presión, para indicar presiones superiores a la atmosf'rica9 el manómetro marcado con b3 es uno compuesto, $ue tiene función doble9 registrar una presión superior a la atmosf'rica, y registrar tambi'n presión inferior a la de la atmósfera.
Fig*ra R"-11 ;anómetro $ue se usan en refrigeración, con escalas de presión. 1"ortesía de ;arsh Iefrigeración.3 %as presiones inferiores a la atmosf'rica se e7presan, por costumbre, en pulgadas de mercurio *de #acío. El rango de mediciones de manom'trica y pulg de mercurio de #acío está indicado en ese manómetro compuesto.
Fig*ra R"-12 Ielación entre presión absoluta, atmosf'rica y manom'trica. -resión -resión manom'trica absoluta -B0C -B0> 4 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 4.G -resión ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 44.G mayor $ue 2 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 4.G la atmosf'rica, en psi ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 24.G -resión ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 4.G atmosf'rica 13 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 2 -resión menor $ue %a atmosf'rica
2 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
en pulg de +g ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
12A.A23
R"-: !RESIÓN ABSO+UTA %a figura IF2 muestra $ue hay una relación definida entre las presiones absoluta, atmosf'rica y manom'trica. -ara muchos problemas, no se necesita tener en cuenta la presión atmosf'rica, y por lo tanto el manómetro de presión se calibra para indicar cero a la presión atmosf'rica. -ero cuando hay gases dentro de un recipiente, separados de la atmósfera, como por ejemplo en una unidad de refrigeración, es necesario tener en cuenta la presión atmosf'rica y los cálculos matemáticos se deben hacer en t'rminos de la presión absoluta de $ue se trate.
R"-1@ !RESIÓN DE UN GAS El #olumen de un gas está influido por un cambio ya sea de la presión, de la temperatura o de ambas. +ay leyes $ue gobiernan los cálculos matemáticos $ue se hacen para determinar esas #ariables. %a ley de [oyle establece $ue el #olumen de un gas #aría en forma in#ersa a su presión, si permanece constante su temperatura. Esto $uiere decir $ue el producto de la presión por el #olumen permanece constante, o $ue si la presión de un gas se duplica, el #olumen nue#o será la mitad del #olumen original. Sambi'n se puede suponer $ue, si el #olumen se duplica, la presión absoluta se reducirá hasta la mitad de lo $ue era originalmente. Este concepto se puede e7presar como -= W -2=2 En la cual - W presión original = W #olumen original -2 W presión nue#a =2 W #olumen nue#o
7R"-$9
Be debe recordar $ue - y - 2 se deben e7presar en t'rminos de presión absoluta, cuando se emplea la ecuación 1IF3 en forma adecuada. E
Bi la presión manom'trica en 2 pies de gas aumenta de 2 psig a psig, manteniendo constante la temperatura, Pcuál será el nue#o #olumen8 SO+UCION
- W 2 X 4.G
"omo
W 4.G psia -2 W X 4.G
-= W -2=2, entonces
W V4.G psia
=2 W -= -2
= W 2 pies
por lo tanto,
=2 W 8
=2 W 4.G 2 W .G2 pies V4.G
Be puede emplear esa misma ecuación 1IF3 para calcular la presión nue#a. E
Bi se aplica más presión a un #olumen de 2 pies de gas a 2 psig para el #olumen disminuya a .G2 pies , y se mantiene constante la temperatura del gas, Pcuál es la nue#a presión en psig8 SO+UCION
- W 4.G psia 12 X 4.G3
-2 W -= =2
= W 2 pies
-2 W 4.G 2 W V4.G psia .G2
=2 W .G2 pies
-2 W V4.G 4.G W psig
R"-11 EJ!ANSION DE UN GAS %a mayor parte de los gases e7panden su #olumen prácticamente a la misma tasa cuando aumenta la temperatura. Bi el gas está confiado, y por lo tanto su #olumen
permanece constante, la presión en el recipiente aumentará apro7imadamente a la misma tasa cuando aumenta la temperatura. Seóricamente, si la presión permanece constante, un gas o #apor se e7pandirá o contraerá a una tasa de Y4A2 por cada grado (ahrenheit o IanNine de cambio de temperatura.V El resultado de la teoría sería un #olumen cero a una temperatura de 4V!(, o el cero absoluto. %a ley de "harles dice $ue el #olumen de un gas está en proporción directa con su temperatura absoluta, siempre $ue se conser#e constante la presión. Esto es,
7R"-39
= W S =2 W S2 Q - W S -2 W S2
S W temperatura absoluta - W presión absoluta
7R"-=9
-ara eliminar las fracciones, la ecuación se puede e7presar como =S2 W =2S y -S2 W -2S E
Bi la temperatura de 2 pies de gas aumenta de 4 !( a 2 !(, Pcuál será el #olumen nue#o si no hay cambio en la presión8 SO+UCION
=2 W =S2 W 2 12 X 4V3 S
4 X 4V W V
W 2.2 pies
E
Bi un recipiente tiene 2 pies de un gas a 2 psig, Pcuál será la nue#a presión, en psig, si la temperatura aumenta de 4 !( a 2 !(8 SO+UCION
-2 W -S2 W 12 X 4.G3 12 X 4V3 S
4 X 4V W 4.2 psig
4.2 4.G W 2. psig
En muchos casos en $ue se maneja #apor de refrigerante, ninguna de las tres #ariables posibles permanece en el mismo #alor, #alor, y se debe usar una combinación de las leyes anteriores. Esa combinación combinación es la ley general general del gas perfecto) perfecto)
-= W p2=2 o sea p=S2 W p2=2S S
7R"-69
En la cua cual las las unid unidaades de p y S son son de pres resión ión y temp tempeeratu ratura ra absolu olutas tas, respecti#amente. E
Bi se comprime un #olumen de 4 pies de gas a una temperatura original de G !( y a la presión atmosf'rica, tambi'n tambi'n original, y se alcanza un #olumen de la mitad del #olumen original y la temperatura aumenta a 2 !(, Pcuál será el #alor de la presión nue#a8 SO+UCION
Iearreglando la ecuación 1IF/3, obtenemos -2 W -=S2 =2S -or lo tanto, -2 W 4.G 412 X 4V3 W 4,4 W 2.G psia 2 1 G X 4V3 ,V 2.G 4.G W G.4G psig
R"-12 !UNTO DE EBU++ICIÓN %o más importante $ue se debe comprender comprender al manejar los fenómenos fenómenos en un sistema de refrigerac refrigeración ión es el *pun *punto to de ebullició ebullición n del lí$uido lí$uido 1refrigerante 1refrigerante33 del sistema. sistema. Es la disminución del punto de ebullición lo $ue hace $ue el refrigerante absorba calor y se #aporice o *hier#a, y al re#'s, si se ele#a el punto de ebullición, el #apor cede su calor latente latente y se condensa. condensa. [ásicamen [ásicamente, te, el sistema sistema de refrigeración refrigeración trabaja mediante mediante el *control del punto de ebullición. V
& del S.) En escala centígrada, la tasa apro7imada de cambio de #olumen es Y2G por cada grado centígrado o Zel#in de cambio en la temperatura.
Be mencionó en el capítulo 2 el punto de ebullición, defini'ndolo como la temperatura a la cual un lí$uido pasa a #apor, o un #apor se condensa a un lí$uido, dependiendo de la absorción o emisión de energía t'rmica. %a gráfica $ue se usó se basa en el agua a presión atmosf'rica normal, $ue es 2A.A2 pulgadas de mercurio, o GV mm +g, y a G !( 12 !"3. En estas condiciones, el agua hier#e a 22 !( 1 !"3 al agregar energía calorífica, o se condensa al eliminar energía calorífica. "uando se menciona al *punto de ebullición, tambi'n se debe mencionar la presión a la $ue está sujeto el lí$uido. "uando se dice $ue el punto de ebullición del agua es 22 !( o !", se supone $ue el agua está sujeta a una presión barom'trica normal, de GV mm de mercurio.
Fig*ra R"-1" Fig*ra R"-1# "ur#a de presión temperatura de ebullición. En realidad, el punto de ebullición de un lí$uido cambia en el mismo sentido $ue la presión a al $ue está sujeto. Es una ley básica muy importante en física, $ue debemos recordar. En un capítulo posterior la aplicaremos a di#ersos refrigerantes, pero para los fines de este capítulo capítulo supondrem supondremos os $ue el refrigeran refrigerante te es agua. agua. %a figura IF presenta presenta dos ejemplos del punto de ebullición del agua) al ni#el del mar 1 !"3 y a 4 metros sobre el ni#el del mar1G !"3. Es ob#io $ue ello se debe debe a $ue la presión presión atmosf'rica disminuye. disminuye. De nue#o, el punto punto de ebullición de un lí$uido #aría con la misma tendencia $ue el cambio de presión a la cual se sujeta el lí$uido. G G
& del S.) En algunos países es muy com:n tener alturas sobre el ni#el del mar tan ele#adas $ue ya no se puede seguir omitiendo el efecto de la altura altura sobre el punto de ebullición. En esos casos, lo indicado es a3 determinar la presión atmosf'rica en el lugar de inter's, y b3 determinar el punto de ebullición del lí$uido a la presión determinada en a3. -ara el primer paso, o sea determinar determinar la presión atmosf'rica en el lugar, lugar, se puede in#estigar en oficinas meterológicas, se puede determinar con un barómetro, o se puede calcular mediante la fórmula - h WeFhY/V atmósferas, estando h en metros sobre el el ni#el del mar. mar. -ara el segundo paso, se puede consultar una tabla tabla de puntos de ebullición en función de la altura, o bien se puede emplear una ecuación adecuada. -or ejemplo, para el agua, la ecuación sería !( 1punto de ebullición3 ebullición3 W F.GG24 F 2 1psia3 X1./A/VYpsia3 X.4/4 psiaX . 0npsia, X /.GV psia 2.G//F/ psiaX /V.V4. Esta ecuación ecuación es #álida para presiones presiones entre entre y AV psia. -or ejemplo, ejemplo, para la ciudad de ;'7ico, a 22 metros sobre el ni#el del mar, -hWeFhY/V W.GG atm W. psia, y punto de ebulliciónW AA !(WA2.G/ !"
Bi se determina el punto de ebullición del agua a diferentes presiones, tanto mayores como menores $ue la presión atmosf'rica, y se grafican las temperaturas obtenidas, se obtiene lo $ue muestra la figura IF4. En ella podemos #er $ue el punto punto de ebullición del aguase puede ele#ar a 2GV !( con una presión de psig, o bajar a 4 !( a una presión de 2A.VG2 2A.VG2 pulg de mercurio. mercurio. -or lo tanto, para obtener obtener un punto de ebullición ebullición
determinado sólo es necesario mantener una presión e$ui#alente, la $ue indi$ue la cur#a de presiónFtemperatura del lí$uido. >l hablar del punto de ebullición se sobreentiende $ue se añade energía calorífica para tratar de ele#ar la temperatura sensible del lí$uido, pero entonces se lle#a a cabo la ebullición. -ara todo fin práctico, nunca es posible posible bajar el punto de ebullición de unos lí$u lí$uid idos os amen amenos os de su temp temper erat atur uraa sens sensib ible le sin sin $ue $ue se pres presen ente te la ebul ebulli lici ción ón o e#aporación, ni ele#ar la temperatura sensible sobre el punto de ebullición sin $ue se presente la ebullición o #aporización. -ara $ue permanezcan como lí$uido, el punto de ebullición siempre debe estar más ele#ado $ue la temperatura sensible.
R"-1" TE)!ERATURA DE CONDENSACIÓN CONDENSAC IÓN Bi la sustancia está en estado de #apor, para $ue permanezca así la temperatura sensible debe ser mayor $ue la temperatura temperatura de condensación. condensación. Bi se elimina energía energía t'rmica del #apor hasta el punto en $ue la temperatura trate de descender de la temperatura de condensación condensación del #apor, 'ste se licuará o condensará. condensará. El punto de ebullición y la temperatura de condensación son lo mismo para un lí$uido. %a :nica diferenc diferencia ia es el fenómeno fenómeno $ue se lle#a a cabo. El punto de ebullició ebulliciónn se presenta cuando un lí$uido pasa a ser #apor, #apor, y la temperatura temperatura de condensación condensación se realiza cuando un #apor pasa al estado lí$uido. En cada caso, la temperatura a la cual se efect:a el cambio #aría de acuerdo con la presión a la cual están sujetos sujetos el lí$uido o el #apor. #apor. Bi la presión disminuye, el punto de ebullició ebulliciónn o el punto de condensac condensación ión disminuyen disminuyen.. Bi se ele#a la presión, presión, se ele#a ele#a el punto de ebullición ebullición o de condensación. condensación.
R"-1# !UNTO DE FUSION El punto de fusión es la temperatura a la cual se lle#a a cabo la solidificación de un lí$uido o la fusión de un sólido. Sambi'n la afecta la presión a la $ue se sujeta sujeta el sólido. Bi se ele#a el punto de fusión de un sólido aumentando la presión hasta $ue el punto de fusión sea igual a la temperatura sensible del sólido, cual$uier intento posterior de ele#ar el punto de fusión hará $ue el sólido se licue o funda. Este principio es lo $ue permite el descenso descenso de los glaciares. "uando el peso de la nie#e nie#e y el hielo del glaciar es lo suficientemente ele#ado para aumentar el punto de fusión en la base de hielo, y llegar a la temperatura sensible del hielo, cual$uier aumento en la presión hará $ue se funda f unda la base del hielo y $ue el glaciar se mue#a sobre una capa de agua. El control del punto de fusión casi no tiene importancia en refrigeración, y en general es un resultado indeseable indeseable de mantener mantener determinada temperatura. temperatura. En acondicionamiento acondicionamiento de aire, la formación de hielo es una des#entaja manifiesta y se debe eliminar.
R"-1$ TE)!ERATURA DE SATURACIÓN En la sección IF2 se afirmó $ue el punto de ebullición y la temperatura de condensación de un lí$uido a determinada presión son iguales. Esto $uiere decir $ue el lí$uido ha alcanzado el punto en el $ue contiene toda la energía t'rmica $ue es capaz sin pasar al estado de #apor. > este estado se le llama *lí$uido saturado, lo cual $uiere decir $ue si se agrega cual$uier cantidad más de calor, el lí$uido her#irá. %o com:n es $ue si el #apor se enfría hasta llegar a un punto en el $ue es tan denso $ue cual$uier reducción en su energía t'rmica lo hace condensar pasando a lí$uido, a esta condición se le llama *#apor saturado. En las secciones I2FA y I2F, cuando se describieron los calores sensibles y latente, se dijo $ue el calor sensible cambia la temperatura y el calor latente cambia el estado físico. -or lo tanto, el lí$uido a la temperatura de ebullición está saturado con calor sensible, y cual$uier calor agregado sería calor latente, para e#aporar el lí$uido. El #apor a la temperatura de condensación ha llegado a esa temperatura $uitándole el calor sensible, hasta $ue su densidad llega a un punto en el $ue cual$uier eliminación posterior de calor pro#ocará la condensación del #apor, y el calor eliminado será calor latente. En este punto, se dice $ue el #apor es un *#apor saturado.
R"-13 SOBRECA+ENTA)IENTO El sobrecalentamiento es el calor $ue se agrega a un #apor despu's de haberlo transformado en #apor. Es sencillamente un aumento de la temperatura del #apor con respecto a su punto de ebullición. -or ejemplo, si el agua fuera a her#ir a !", y antes de dejar los conductos en una caldera ad$uiera mayor cantidad de calor alcanzando una temperatura de !", ese #apor tendría un sobrecalentamiento de !", $ue es la diferencia entre el punto de ebullición del lí$uido y la temperatura real 1sensible3, física, del #apor. > 'ste se le llama #apor sobrecalentado. -ara eliminar su calor y condensar el #apor, lo primero $ue se necesita es *de sobrecalentar el #apor hasta llegar al punto de saturación 1temperatura de condensación3, para despu's $uitar el calor latente de e#aporación y poder obtener el lí$uido. El sobrecalentamiento es muy importante en los sistemas de refrigeración, para obtener la capacidad má7ima del sistema, aunada a mayor #ida del e$uipo. En #arios de los capítulos siguientes se mencionará el sobrecalentamiento.
Fig*ra R"-1$ Cráfica $ue muestra todos los t'rminos sobre cambios de estado físico y temperatura de agua en estado sólido, lí$uido y #apor. R"-1= SUBENFRIA)IENTO "uando un lí$uido se encuentra a una temperatura menor $ue su punto de ebullición, se dice $ue está *subenfriado. -or ejemplo, el agua a las condiciones normales atmosf'ricas, con una temperatura de 2 !", está subenfriada / !" 1 !" 2 !" W / !" de subenfriamiento3. El subenfriamiento del lí$uido en el sistema de refrigeración o acondicionamiento de aire tiene importancia para obtener la capacidad y eficiencia má7imas. Esto se describirá más en los capítulos siguientes.
R"-16 RE!ASO -ara unir todos los conceptos $ue #imos, se #ol#ió a presentar la figura I2FA como figura IF y se agregaron #arios t'rminos. "omenzando con hielo a !( y agregando energía t'rmica, se lle#an a cabo los siguientes cambios) . Be agrega calor sensible al lí$uido sobreenfriado, ele#ando su temperatura hasta la temperatura de fusión, $ue es 2 !( o !". 2. >l alcanzar la temperatura de fusión, el calor adicional $ue se agregue es calor latente $ue transforma el hielo en agua. . Estando todo el sólido 1hielo3 con#ertido en lí$uido 1agua3, la energía t'rmica $ue se agregue será calor sensible, $ue ele#a la temperatura del lí$uido 1agua3 hasta alcanzar el punto de ebullición. En este punto lo $ue se tiene es un lí$uido saturado. 4. Bi se agrega más calor 1calor latente3, el lí$uido pasa de lí$uido saturado a #apor saturado. . Despu's de haber e#aporado por completo a lí$uido, cual$uier calor adicional $ue se agregue ele#ará la temperatura de #apor. Es calor sensible $ue sobrecalienta al #apor. 0niciando con #apor sobrecalentado y eliminándole energía calorífica, se tendrán los cambios siguientes) . >l eliminar calor sensible del #apor disminuirá su temperatura y el #apor se desobrecalentará hasta llegar a ser #apor saturado a una temperatura $ue se llama temperatura de condensación. 2. Bi se sigue eliminando calor se reducirá el #apor saturado a lí$uido saturado, toda#ía a la misma temperatura. %a temperatura de condensación 1#apor saturado con calor latente3 y la temperatura de ebullición 1lí$uido saturado $ue no contiene calor latente3 son iguales. . >l seguir $uitando calor sensible del lí$uido se disminuirá su temperatura. El lí$uido s' subenfriará por debajo del punto de ebullición hasta llegar a la temperatura del punto de fusión. 4. >un$ue nunca lo mencionamos, este lí$uido a la temperatura de fusión tambi'n se podría decir $ue es un lí$uido saturado, en base al cambio de estado de lí$uido a sólido.
. Bi se elimina calor latente del lí$uido se hace $ue pase a sólido por cesión de su calor latente de solidificación 1o de fusión, $ue es lo mismo3. V. >l seguir eliminando calor sensible se hará disminuir la temperatura, o s' subenfriará el sólido 1hielo3 con respecto al punto de fusión. >ntes de proseguir a las descripciones de los sistemas de refrigeración se deben comprender todos los t'rminos anteriores.
-I<[%E;>B
R"-1. Definir *presión de un fluido. R"-2. P]u' unidad se usa para e7presar la presión de un fluido8 -si 1libras 7 pulgada cuadrada3. R"-". Definir el t'rmino *fuerza $ue se emplea al describir la presión de un fluido. R"-#. "alcular la fuerza total, y tambi'n la presión, $ue se ejerce sobre el fondo de un San$ue lleno de agua. %as dimensiones del tan$ue son pies pies pie De altura. R"-$. Definir el t'rmino *altura de fluido. R"-3. Bi se llena de agua un tan$ue de base plana hasta alcanzar un ni#el de / pies, P"uál es la presión $ue se ejerce sobre el fondo del tan$ue8 R"-=. P]u' presión ejerce a media altura entre el fondo del tan$ue y la superficie del >gua8 R"-6. "alcular la presión $ue se ejerce sobre el techo de una construcción sobre el $ue Be encuentra una torre de enfriamiento. %a torre pesa / lb llena de agua y Srabajando. El tamaño de la base de la torre es pies 4 pies. R"-:. En una prensa hidráulica, P$u' fuerza se debe ejercer en el pistón pe$ueño $ue Siene un área de 2 pulg 2 si se debe soportar un peso de V lb en el pistón mayor, ]ue tiene un área de V pulg 28 R"-1@. P"uál sería la presión del lí$uido en la prensa del problema IFA8
R"-11. Definir *densidad. R"-12. %a densidad del agua es ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ . R"-1". Definir *gra#edad específica. R"-1#. Definir *#olumen específico. R"-1$. P]u' factor afecta al #olumen específico de un lí$uido8 R"-13. P]u' factores afectan al #olumen específico de un #apor8 R"-1=. Enunciar la ley de [oyle. R"-16. Bi se #an a comprimir pies de un gas a una presión de 2 psig para tener 2 -ies siendo iguales las temperaturas inicial y final, Pcuál sería la nue#a presión En psig8 R"-1:. Bi se #an a comprimir 2 pies de un gas a una presión de /./ psi para tener -ie siendo iguales las temperaturas inicial y final, Pcuál sería la nue#a presión En psig8 R"-2@. Enunciar la ley de "harles. R"-21. Bi la presión permanece constante, calcular el nue#o #olumen de 4 pies de gas "uando aumenta su temperatura de V !( a 2 !(. R"-22. Escribir y e7plicar la fórmula general de la ley del gas perfecto. R"-2". Bi se comprimieron pies de gas a una temperatura inicial de V !( y presión 0nicial de G.G psig, hasta llegar a pies y la temperatura se ele#ara a 2G !(, P"uál sería su nue#a presión8 R"-2#. P"uál sería el nue#o #olumen de 2 pies de gas a G !( y G.2 psig iniciales, sí Bi pasara a tener !( y 4V./ psig8 R"-2$. Definir *sobrecalentamiento. R"-23. Definir *subenfriamiento R"-2=. P"uál es la diferencia entre un lí$uido saturado y un #apor saturado8
TUBERAS DE REFRIGERACIÓN )ATERIA+ES , )ANE
R$-2 )ATERIA+ES DE TUBERA !ARA REFRIGERACION %a mayor parte del tubo $ue se usa en acondicionamiento de aire está hecho de cobre. Bin embargo, hoy en día el aluminio se usa mucho para fabricar los circuitos internos s' los serpentines del e#aporador y condensador, aun$ue no se ha e7tendido su uso en fabricación en el campo por$ue no se puede trabajar con tanta facilidad como el cobre, y es más difícil de soldar. %a tubería de acero se usa para armar los sistemas de refrigeración muy grandes en los $ue se necesitan tubos de V pulg de diámetro o mayores. En la refrigeración moderna no se usan cone7iones roscadas de tubo de acero, por$ue no se puede hacer herm'ticas. Estos sistemas son soldados, y cuando se necesita conectar al e$uipo o se necesitan uniones de ser#icio se usan cone7iones atornilladas.
El t'rmino tubing se aplica en general a materiales de pared delgada, $ue se unen mediante sistemas $ue no sean de rosca cortada en la pared del tubo. -or otro lado, el t'rmino tubo com:n y corriente es el $ue se aplica a materiales con pared gruesa, como por ejemplo hierro y acero, en los cuales se pueden cortar roscas en la pared y $ue se unen mediante cone7iones $ue se atornillan en el tubo. Estos tubos tambi'n se pueden soldar. sí, en la figura IF el tubo de cobre tipo % de ` tiene un diámetro interior de .4. El tubo de ` nominal de acero tiene un diámetro interno de . y un diámetro e7terno de .G. Debido al tratamiento especial $ue se da al *tubing de aluminio y al tubo de acero soldado, no se describirá en este capítulo la t'cnica de fabricación.
Fig*ra R$-1 ;'todo d medir *tubing y tubo estándar. R$-" TUBING DE COBRE Este *tubing se usa en la mayor parte de los sistemas dom'sticos de refrigeración, y es cobre especialmente reconocido. "uando se forma el tubo de cobre tiene una tendencia a endurecerse, y esta tendencia podría originar grietas en los e7tremos del *tubing cuando se a#ellanan o se aplanan. El cobre se puede reblandecer por calentamiento hasta $ue su superficie tenga color azul, y dejándolo enfriar. > este proceso se le llama recocido y se hace en fábrica. El *tubing de cobre $ue se usa en refrigeración y acondicionamiento de aire s' llama^tubing >"I, $ue $uiere decir $ue se usa en trabajos de refrigeración y ante acondicionado, y $ue se ha fabricado y procesado especialmente para este objeto. El *tubing >"I tiene nitrógeno a presión para e#itar la entrada de aire, humedad y pol#o, y tambi'n para dar má7ima protección contra los ó7idos perjudiciales $ue se forman normalmente durante el latonado. %os e7tremos están taponados, y los tapones se deben #ol#er a poner despu's de cortar un tramo del *tubing.
R$-".1 C(a&ificacin de( '*>ing de co>re El *tubing de cobre tiene tres clasificaciones) Z, % y ;, $ue se basan en los espesores de pared) Z) pared gruesa, aprobado para refrigeración y aire acondicionado
%) pared media, aprobado para refrigeración y aire acondicionado ;) pared delgada9 no se usa en sistemas de refrigeración. El *tubing ; de pared delgada no se usa en tuberías de refrigerante a presión, por$ue no tiene el espesor de pared necesario para cumplir con los reglamentos de seguridad9 sin embargo, se usa en tuberías de agua, drenado de condensados y otras necesidades relacionadas con el sistema. El *tubing Z de pared gruesa se emplea en usos especiales, cuando se esperan condiciones e7cepcionales de corrosión. El tipo % es el $ue se usa con más frecuencia para aplicaciones normales en refrigeración. %a figura IF2 muestra una tabla de especificaciones para *tubing tipos Z y %. >mbos tipos se consiguen en #ariantes de e7trusión sua#e o dura.
R$-".2 T*>ing de co>re e?'r*ido &*ae "omo su nombre lo dice, se recuece para hacer $ue el tubo sea más fle7ible y fácil de doblar y conformar. Be consigue en el comercio en tamaños de 6 a DE y se #ende con frecuencia en rollos de G., y metros. %os rollos se deshidratan y sellan en fábrica. El *tubing de cobre sua#e se puede soldar o usar con cone7iones abocinadas o mecánicas de otro tipo. "omo se dobla y se conforma con facilidad debe sujetarse con abrazaderas u otros componentes para soportar su propio peso.
& de S.) En español no se diferencia entre tubo *tubing y tubo *pipe9 el conte7to es lo $ue define lo $ue se trata. Bin embargo, en este capítulo sí haremos la distinción, y en el resto del libro sólo usaremos la palabra *tubing cuando sea necesario aclarar para $ue el lector no se confunda.
DI)ETRO Tio
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` 2 2
.4 .4 .VVV .G/ .2 .2V . .A/ 2.4V 2.A4 .42
. .4 .42 .4 . . .V .G ./ .A .
.A/2 .2/4A .V2 .4/ .V4 .//4 .4 .G2 2.4GA .2V 4.2A2
Bu aplicación más frecuente es para tamaños de tuberías de a DE. "uando el diámetro es mayor $ue, se hace difícil 'l darle forma.
R$-"." T*>ing de co>re e?'r*ido d*ro Este *tubing tambi'n se usa mucho en sistemas comerciales de refrigeración y aire acondicionado. > diferencia del e7truido sua#e, es duro y rígido y tiene la forma de tramos rectos. Be debe usar con cone7iones formadas para dar los cambios de dirección y dobleces necesarios. > causa de su construcción rígida es más auto soportante y necesita de pocos soportes. Bus diámetros #an de a más de V. El *tubing e7truido duro se #ende en tramos normales de V m $ue están deshidratados, cargados con nitrógeno y taponados en ambos e7tremos para mantener una condición interna limpia y libre de humedad. El empleo de *tubing e7truido duro se asocia con más frecuencia con tamaños mayores de tubería, de o más.
CO)!ONENTES DE+ CIC+O DE CO)!RENSIÓN R3-1 GENERA+IDADES El ciclo de refrigeración por comprensión de #apor, como el $ue se describió en el capítulo I, es el m'todo más com:n de transferencia de calor en las instalaciones de refrigeración. +ay cuatro componentes principales en ese ciclo) e#aporación, compresor, condensador y dispositi#o de reducción de presión.
R3-2 EA!ORADORES El e#aporador o serpentín de enfriamiento es la parte del sistema de refrigeración donde se elimina el calor del producto de aire, agua o lo $ue se #aya a enfriar. "uando el refrigerante entra a los conductos del e#aporador absorbe calor del producto por enfriar, y al hacerlo comienza a her#ir y se e#apora. En este proceso, el e#aporador lle#a a cabo el objeto principal del sistema) la refrigeración. %os fabricantes desarrollan y producen e#aporadores de di#ersos diseños y formas para cumplir con las necesidades de sus posibles clientes. El serpentín de #entilador, o de con#ección forzada 1figura IVF3 es el diseño más com:n9 se usa en instalaciones tanto de refrigeración como de aire acondicionado. %as aplicaciones específicas pueden necesitar del empleo de superficies planas de placas, para congelar por contacto. -ara ello se coloca tubo continuo, o se tro$uela, entre las dos placas de metal, $ue se sueldan entre sí en las orillas, y se hace #acío en el espacio entre las placas. Estas pueden armarse tambi'n en grupos como entrepaños, utilizando el refrigerante en #arios arreglos de flujo 1#'ase figura IVF23. En el capítulo IV definimos al e#aporador como a$uella parte del sistema de refrigeración en la $ue el refrigerante pasa de lí$uido a #apor mediante el proceso de e#aporación. Este se lle#a a cabo cuando el calor del producto o la carga es absorbido por el refrigerante en el e#aporador. "omo se describió antes, los e#aporadores pueden ser tres tipos)
1. Subos desnudos 2. Subos aletados ". -lacas %a mayor parte de las #itrinas comerciales, cuartos enfriadores, cajas de enfriamiento y refrigeradores de florería emplean el diseño de serpentín de tubo aletado. ?n e#aporador de este tipo tiene #entajas definidas en comparación con el e#aporador de tubo desnudo, $ue se #e en la figura IF. %a carga de calor $ue maneja el e#aporador llega al serpentín de enfriamiento mediante uno o más de los tres mecanismos de transmisión de calor) conducción, con#ección o radiación. -ero este calor pasa al refrigerante sólo mediante uno de estos mecanismos, la conducción. El área adicional de las aletas, además de la del tubo desnudo, permite una mayor #elocidad de transferencia desde el aire $ue rodea al serpentín, como se #e en la figura IF2. -or lo tanto, mientras mayor sea el área de la superficie de conducción del calor desde el producto hasta el refrigerante en el e#aporador, mayor será la transferencia posible de calor. Bi el calor del producto llega al e#aporador, pero no lo absorbe el refrigerante dentro del serpentín, la caja o la zona estarán a una temperatura mayor $ue la deseada. >l aumentar el área superficial del e#aporador se aumenta su capacidad. ;uchos e#aporadores comerciales se diseñan para con#ección natural como medio de paso del aire por el serpentín. Desde luego, la capacidad de este tipo de serpentines se
basa principalmente en flujo no estorbado. Bi se coloca el serpentín de manera inadecuada, o si su diseño o instalación es tal $ue se restrigue la circulación del aire a su alrededor y a tra#'s de 'l, el serpentín no puede trabajar a la eficiencia má7ima. "uando el aire pasa por el serpentín de enfriamiento cede su calor y por lo tanto se enfría. >l enfriarse, se contrae, su #olumen es menor y pesa más $ue un #olumen igual de aire más caliente. >sí se establecen las corrientes de con#ección de aire, $ue lle#an consigo el calor del producto $ue se #a a enfriar.
Fig*ra R$-1 E#aporador de tubo desnudo. Fig*ra R$-2 >letas planas $ue se le agregan al tubo. Fig*ra R$-" E#aporador comercial con #entilador para circulación de aire. %a circulación de este aire de con#ección se puede ayudar, lo cual se hace con frecuencia, con #arios m'todos, uno de los cuales es el empleo de mamparas de metal u otros materiales. Esas mamparas o des#iadores se colocan d' tal modo $ue las corrientes de aire tienen $ue mo#erse siguiendo determinadas trayectorias para obtener la transferencia óptima de calor. Bi hay dudas acerca de sí las corrientes de con#ección pueden producir el flujo necesario de aire a tra#'s del serpentín de e#aporación para con ello sacar cantidades satisfactorias de calor del aire y del producto, lo indicado es emplear circulación forzada del aire $ue pasa por el serpentín. %os e#aporadores $ue usan circulación forzada tienen tubos aletados, y uno o más #entiladores a7iales del tipo de h'lice para lograr la circulación. En estos casos no son absolutamente necesarias las mamparas para dar un patrón normal de circulación, aun$ue se usan con frecuencia. %a figura IF muestra un e#aporador comercial con un #entilador para circulación de aire. "on la circulación forzada de aire, es necesario $ue el #entilador sea capaz de)
1. +acer circular la cantidad suficiente de aire para eliminar el calor del producto. 2. Distribuir el aire a una #elocidad adecuada por el recinto o el espacio acondicionado. ". >segurar $ue no haya *zonas muertas. Bi la #elocidad del aire $ue pasa en determinado casos es mayor $ue la $ue se recomienda, hay la tendencia a una deshidratación muy rápida, como se dijo en un capítulo anterior.
Fig*ra R3-1 Berpentín con sopladores 1"ortesía de Zramer Srenton "ompany. Fig*ra R3-2 -laca de #acío Dole) a3 cha$ueta e7terior de la placa. Es robusta, de acero soldado el'ctricamente9 superficie lisa. b3 Subo de acero continuo a tra#'s del cual pasa el refrigerante. "3 Entrada del condensador. D3 Balida al compresor. Be usan cone7iones de cobre para todos los refrigerantes, e7cepto para el amoniaco, para el $ue
sólo se usan cone7iones de acero. e3 "one7ión en la $ue se hace el #acío, para despu's permanecer sellada. f3 Espacio #acío en la placa seca. El espacio en la placa de soporte contiene solución eut'ctica al #acío. &o se necesita mantenimiento debido a la construcción sencilla y robusta. &o hay partes en mo#imiento, nada $ue se gaste o $ue se eche a perder9 no es necesario el ser#icio. 1"ortesía de Dole Iefrigerating "ompany.3 En la figura IVF se muestra otras formas de e#aporación tipo placa. Bu uso está muy difundido en refrigeradores pe$ueños, congeladores y fuentes de sodas, y las placas se pueden conformar con facilidad a una di#ersidad de formas. %os e#aporadores tipo placas tambi'n se arman en grupos o bancos para su instalación en cuartos fríos de almacenamiento, y se colocan cerca del techo, como se #e en la figura IVF4. Este tipo se puede conectar para $ue el flujo del refrigerante sea en serie en paralelo, dependiendo de las necesidades de uso. %os serpentines tipo placa tambi'n se usan en refrigeración de camiones y carros de ferrocarril, para transportar alimentos refrigerados, o alimentos congelados, y su diseño es semejante al $ue se #e en la figura IVF. "on frecuencia, el espacio entre las placas se llena con una solución $ue retiene su temperatura si la unidad no funciona durante períodos cortos.
Fig*ra R3-# E#aporadores de placas para almacenes fríos. 1"ortesía de Dole Iefrigerating "ompany.3 El serpentín del tipo de tubo desnudo se puede usar para enfriar ya sea aire o un lí$uido, y los e#aporadores más pe$ueños se fabrican de tubo de cobre. El tubo de acero se usa en e#aporadores de sistemas $ue usan amoniaco como refrigerante, en los e#aporadores mayores con otros refrigerantes. ?na capa de aire se adhiere a la superficie e7terna de un serpentín y funciona como aislado, frenando el proceso de transferencia de calor. Este proceso depende principalmente del área de la superficie y de la diferencia de temperaturas. ?no de los m'todos $ue se usan para compensar o superar la p'rdida de conducción debida a la película de aire es aumentar el área. Esto se puede lograr agregando aletas al tubo del e#aporador, como se #e en la figura VFV. %a adición de aletas no suprime la capa de aire9 da más área a la $ue se pega o adhiere la capa de aire9 proporciona más área superficial para el paso del calor, sin aumentar el tamaño del serpentín de manera apreciable.
Fig*ra R3-$ "amión refrigerado. 1"ortesía de Dole Iefrigerating "ompany.3 Fig*ra R3-3 Subos aletados para e#aporador. 1Ieproducido con autorización de >B+I>E +andbooN and -roduct Directory, AG.3
tra#'s del e#aporador. En la figura IVFG se #e ese tipo de serpentín de con#ección forzada. Dependiendo del diseño y del uso del serpentín, el #entilador puede estar situado ya sea para empujar o jalar el aire, para $ue 'ste pase por el serpentín. En el primer caso se dice $ue su acción es forzada, y en el segundo $ue su acción es inducida. El empleo de un #entilador mejora el flujo de aire y la transferencia de calor del aire al refrigerante dentro del serpentín, ya $ue aumentará la cantidad de aire $ue se pone en contacto con el área superficial del serpentín. ;uchos fabricantes de serpentines diseñaron sus unidades de transferencia de calor con filas alternadas de tubo, lo $ue permite, mediante el empleo de un soplador, $ue se ponga en contacto un gran #olumen de aire con la superficie del tubo o las aletas unidas a 'l.
Fig*ra R3-= E#aporador con tubos aletados y aire forzado. 1"ortesía de "arrier >irF"onditioning "ompany.3 El mo#imiento forzado o inducido del aire $ue cruza el serpentín ocasionará en general $ue ceda mayor cantidad de su calor al refrigerante dentro del serpentín, para un determinado período. En los primeros días de la refrigeración mecánica, los serpentines de enfriamiento se mantenían a una temperatura menor a la de congelación. "omo la temperatura de esos e#aporadores no subía de 2 !(, la escarcha $ue se acumulaba sobre ellos no tenía oportunidad de fundirse y eliminarse cuando estaba trabajando el e$uipo. Esas unidades tenían $ue pararse y desescarcharse en forma manual, ya $ue la escarcha $ue se acumulaba en el e#aporador limitaba la cantidad de calor $ue 'ste podía sacar del aire $ue pasaba por 'l. En muchas aplicaciones actuales de refrigeración, se deben mantener bajas temperaturas, y por ello los productos se deben mantener en estado congelado en almacenamiento. -ero el descongelado de la unidad de enfriamiento se lle#a a cabo por otros m'todos $ue no son manuales, como se #erá en el capítulo IA. %os depósitos sobre la unidad de enfriamiento pro#ienen de la humedad del aire y los productos en el espacio por refrigerar. "uando se elimina esa agua del aire, la humedad de 'ste disminuye, -uede ser $ue las condiciones sean tales $ue no se desee tener una temperatura demasiado baja o un bajo contenido de humedad del aire $ue rodee a la unidad de enfriamiento. Bi la temperatura de un recinto refrigerado necesita mantenerse a unos 2 !", se debe emplear un serpentín o e#aporador en el $ue el refrigerante est' a menor temperatura $ue la deseada. "uando el aire entra en contacto con el serpentín de enfriamiento a una
temperatura menor $ue !", algo de escarcha se forma en la superficie del mencionado serpentín. "uando se alcanza la temperatura $ue se desee, el mecanismo de control detiene el funcionamiento de la unidad de refrigeración. Estando la temperatura del aire en 2 !", ese aire, más caliente, fundirá la escarcha de la unidad de enfriamiento, o sea $ue la descongelará. Esto se lle#ará a cabo en forma natural, en especial si se trata de un serpentín con circulación forzada de aire, en el $ue al aire a mayor temperatura se le impulsa para $ue pase por la superficie del e#aporador. El período de apagado en el ciclo de la unidad debe ser lo suficientemente largo como para asegurar un desescarchado completo del serpentín. Bi no es así, hay la posibilidad sólo de desescarchado parcial, $ue hace $ue se acumule la humedad en la parte inferior de la unidad. Bi esto sucede, se originará una acumulación de hielo en toda la superficie del serpentín, $ue e#olucionará hasta una completa tapazón de 'ste. %as condiciones de diseño pueden ser tales $ue se deba mantener la lata humedad, para conser#ar la frescura del producto $ue se est' enfriando, o para e#itar la p'rdida de peso o el deterioro. Ejemplos de aplicaciones en las $ue se desea una humedad relati#a alta son el cuarto frío de almacenamiento, en donde se mantiene fresco al aire, o una #itrina de e7hibición en una florería, con atmósfera cargada de humedad. %os cuartos o cajas de almacenamiento de #erduras tambi'n se deben mantener con alta humedad. Estas condiciones se pueden lograr mediante el empleo de e#aporadores no congelantes, $ue son serpentines sobre dimensionados $ue se usan con #ál#ulas termostáticas de e7pansión como dispositi#o medidores. -ara mantener la temperatura del espacio refrigerado a unos 2 !", el serpentín de gran superficie necesita de una temperatura interna de refrigerante de :nicamente a 4 !". "on ello, la temperatura e7terna del serpentín será apro7imadamente !" a !", la cual permite sólo raras #eces la acumulación de escarcha, y está desaparecerá con rapidez cuando la temperatura del recinto $uede satisfecha y el compresor se pare. El drenado de condensado se muestra en la figura IVF/, bajo el serpentín no escarchante, aun cuando no se use gran cosa cuando el sistema trabaja en forma normal. Este tipo de serpentín se diseña par ano eliminar demasiada humedad del aire, y por lo tanto se puede mantener una humedad relati#a hasta de / dentro del espacio refrigerado. %os e#aporadores $ue se han descrito hasta ahora han sido del tipo de e7pansión seca, para diferenciarlos de los de tipo de e7pansión inundada.
Fig*ra R3-6 ?nidad de e#aporación con drenado de agua condensada. 1"ortesía de [orgFJarner "entral En#ironmental Bystems, 0nc.3 Fig*ra R3-: Berpentín de e7pansión seca con #ál#ula termostática de e7pansión. 1Ieproducido con autorización de >B+I>E +andbooN and -roduct Directory, AG.3
El serpentín directo, o de e7pansión seca, se diseña para tener e#aporación completa del refrigerante en el serpentín mismo, del cual sólo sale #apor. Este #apor, en general está sobrecalentado en la :ltima parte del serpentín. Bobrecalentar $uiere decir ele#ar la temperatura del #apor de refrigerante arriba de la necesaria para pasarlo de lí$uido a #apor. Entonces, el refrigerante llegará al compresor en estado sobrecalentado, recogiendo más calor al pasar por el tubo de succión. %a figura IVFA es un es$uema $ue muestra un serpentín de e7pansión directa con #ál#ula termostática de e7pansión. El serpentín tiene una mezcla de refrigerante lí$uido y gaseoso siempre $ue la unidad está trabajando. Be mantiene un sobrecalentamiento constante mediante la acción de la #ál#ula, la cual se origina en el bulbo t'rmico, con sensibilidad a los cambios de temperatura $ue se lle#en a cabo en su lugar. %a #ál#ula automática de e7pansión puede mantener las características del serpentín seco, o de e7pansión directa. Este tipo en general se usa cuando se pre#' una carga uniforme. %os controles del refrigerante se describen con más detalle en este capítulo y, más adelante y de nue#o, en el capítulo I. El e#aporador del tipo inundado está lleno con refrigerante lí$uido. Está diseñado de tal modo $ue el ni#el del refrigerante lí$uido se mantenga mediante un arreglo de flotador $ue se ubica en un acumulador y fuera del serpentín e#aporador. En la figura IVF se muestra un diseño típico. -arte del refrigerante lí$uido se e#apora en el serpentín, y ese #apor pasa al acumulador. De la parte superior de 'ste pasa al tubo de succión y a continuación al compresor, en el $ue todo lí$uido $ue pueda $uedar en el acumulador $ueda disponible para recircular en el serpentín del e#aporador. "uando se calibra al e$uipo en forma correcta, el lí$uido residual es mínimo.
Fig*ra R3-1@ Enfriador inundado. 1"ortesía de "arrier >ir "onditioning "ompany.3 "uando se e#apora el refrigerante en el serpentín inundado como resultado del calor $ue ha absorbido, desciende su ni#el. > medida $ue baja el flotador siguiendo al ni#el del lí$uido, permite $ue pase al acumulador más refrigerante, de modo $ue se mantiene un ni#el de lí$uido bastante constante. ?n serpentín inundado tiene una e7celente eficiencia de transmisión de calor, por$ue sus superficies inferiores están mojadas de lí$uido, en #ez de estar en contacto con #apor. El diseño de los serpentines de enfriamiento de lí$uido #aría dependiendo de sus aplicaciones, al igual $ue los de enfriamiento de aire. "omo hay mayor transferencia de calor entre lí$uidos y metales $ue entre aire y metales, un serpentín sumergido tiene la capacidad de eliminar #arias #eces la cantidad de [tu $ue uno enfriado por aire bajo condiciones semejantes.
%os serpentines sumergidos se usan en enfriadores tipo baño de agua, en los $ue la capacidad de *mantenimiento de frío se pone a trabajar cuando se echan latas con leche tibia u otros lí$uidos a enfriar. %os arreglos de carcasa y tubos, y de carcasa y serpentín, así como los de otros tipos se usan para enfriar uno o más lí$uidos, o hasta para enfriamiento de soluciones de salmuera. En la figura IVF se muestra un enfriador de carcasa y serpentín, para agua. Es del tipo de e7pansión directa, con el refrigerante circulando en el interior del serpentín y el agua por el lado de la carcasa o en#ol#ente, a una temperatura no mucho menor $ue 4 !" para e#itar la congelación. El e#aporador de tubo dentro del tubo, al $ue a #eces se llama de doble tubo, es un serpentín de enfriamiento lí$uido $ue da altas tasas de transferencia de calor entre el refrigerante y el lí$uido $ue se enfría. %a trayectoria del flujo de refrigerante puede ser ya sea en los tubos, aun$ue en general la salmuera o lí$uido $ue se enfría circula dentro del tubo interior, y el refrigerante $ue saca el #apor circula entre los dos tubos. Este tipo de serpentín de intercambio de calor tambi'n se usa en un diseño de condensador $ue se describirá más adelante en este capítulo. En la figura IVF2 se muestra un enfriador [audelot, y tiene #arias aplicaciones. Be puede usar para enfriar agua u otros lí$uidos para di#ersos usos industriales, y con frecuencia se usa para enfriar leche. %os tubos del e#aporador son #erticales, y el lí$uido por enfriar se circula sobre los serpentines de enfriamiento por gra#edad desde la bandeja o distribuidor ubicado sobre ellos. El lí$uido se acumula en una bandeja colectora abajo del serpentín, de donde puede recirculares al enfriador [audelot, o bien bombearse a su destino en el proceso industrial.
Fig*ra R3-11 Enfriador de agua de en#ol#ente y tubos, y enfriador directo de lí$uido por e7pansión 1tipo tubo en ?3. 1Ieproducido con autorización de >B+I>E +andbooN and -roduct Directory, AG.3 R3-" EFECTO DE REFRIGERACIÓN Be ha descrito ya el paso del calor del producto al aire y a continuación al refrigerante dentro del serpentín de enfriamiento. %a cantidad de calor $ue recoge del producto y del aire cada libra de refrigerante en su paso por el e#aporador se llama efecto de refrigeración, o efecto refrigerante. El refrigerante lí$uido $ue entra al dispositi#o de medición y al serpentín de enfriamiento tiene determinado contenido de calor a su
temperatura dada, al igual $ue el #apor de refrigerante $ue sale del serpentín de enfriamiento a su temperatura menor. %a diferencia entre los contenidos de calor de esas dos fases 1lí$uido y #apor3 es la cantidad de calor absorbe una libra de refrigerante al circular por el serpentín de enfriamiento. -or lo tanto, el efecto refrigerante se #aloriza en t'rminos de [tu por libra de refrigerante circulado. El calor absorbido por el refrigerante depende de dos condiciones principales del refrigerante y de las temperaturas a esas condiciones)
1. %a temperatura del refrigerante lí$uido $ue entra al control de refrigerante. 2. %a temperatura de e#aporación, o la temperatura del #apor $ue sale del e#aporador. [ajo las siguientes condiciones, Pcuál sería el efecto de refrigeración8 El refrigerante entra al dispositi#o de medición en estado lí$uido a la temperatura de condensación de !(, y sale del e#aporador en estado gaseoso a 4 !(. "onsultando la tabla de refrigerante en el >p'ndice, $ue presenta las propiedades del IF 2 saturado, se #e $ue la entalpía 1contenido de calor3 del refrigerante lí$uido a !( es .V [tuYlb, mientras $ue la entalpía del #apor a 4 !" $ue sale del serpentín de enfriamiento es /2.G [tuYlb. -or lo tanto, la diferencia entre esos n:meros es . [tuYlb, $ue es la cantidad de calor $ue absorbe cada libra de refrigerante del producto o del aire bajo las condiciones especificadas. "on el ejemplo anterior, se puede #er $ue si la cantidad de calor $ue se ha de eliminar en un proyecto es ,A [tu, se deben hacer circular lb del refrigerante por minuto. Esto se debe a $ue bajo las condiciones $ue se dieron en el ejemplo, la capacidad de eliminación del calor del refrigerante es igual a . [tuYlb circulada por el e#aporador. "uando la cantidad total de [tu $ue se debe eliminar se di#ide entre esa capacidad de lb del refrigerante, llegamos a al ecuación
"@.:"@ B'*MLr 5 @.3@@ (>MLr $1.$$ B'*M(> Entonces V lbYhr W lb de refrigerante 1grYmin.3 V minYhr $ue deben circular Ymin. "omo se hizo notar ya, las dos #ariables $ue modifican al efecto refrigerante por libra circulaba son la temperatura del líquido que entra y la temperatura del valor que sale . -or lo tanto, si se disminuye la temperatura del lí$uido $ue entra aumentará el efecto de refrigeración.
Esto $uiere decir $ue tendrán $ue circular menos libras de refrigerante para efectuar el trabajo necesario. Sambi'n, si se ele#a la temperatura de e#aporación y al mismo tiempo la temperatura de condensación permanece igual, la cantidad de refrigerante $ue se necesita circular será menor. Esto se puede demostrar como sigue) Bi la temperatura de condensación, $ue es la del refrigerante lí$uido $ue entra al e#aporador, se puede bajar de !( a/V !(, la entalpía bajará a 2G.G2 [tuYlb. Bi la entalpía del #apor $ue sale permanece igual, habrá un aumento de .44 [tuYlb ene l efecto de refrigeración, y el nue#o efecto tendrá un #alor de 4.AA [tuYlb. %a misma carga necesaria de ,A [tu $ue en el ejemplo anterior, di#idida entre el nue#o efecto de refrigeración de 4.AA [tuYlb da como resultado un re$uerimiento de V2 lbYhr. "uando di#idimos esto entre V minutos, #emos $ue se deben circular unas A.G lb de refrigerante cada minuto. -or el contrario, si la temperatura del e#aporador se puede aumentar de modo $ue el #apor $ue salga del serpentín de enfriamiento est' a !( en lugar de a 4 !(, habrá un aumento de .G [tuYlb en la entalpía del #apor. Esto tiene como consecuencia $ue, con las #ariables $ue se mencionaron antes, mientras menor sea la temperatura del lí$uido $ue entra al dispositi#o medidor y al serpentín, mayor será el efecto refrigerante. En consecuencia, mientras mayor sea la temperatura de e#aporación, mayor será el efecto de refrigeración. "omenzamos estudiando al e#aporador en el ciclo de refrigeración principalmente por$ue es donde el calor se elimina del producto. El calor lo absorbe el refrigerante, el cual se e#apora en el serpentín, y pasa despu's al compresor. >llí se comprime antes de continuar en el ciclo y pasar al condensador.
R3-# CA!ACIDAD DE+ SER!ENTIN DE EJ!ANSION DIRECTA %a capacidad de cual$uier serpentín de e7pansión directa depende de)
1. %a temperatura del refrigerante $ue circula 2. %as temperaturas de bulbo seco y bulbo h:medo del aire $ue circula en el e7terior del serpentín. ". El #olumen de aire $ue circula. "omo se dijo antes, si se hace #ariar la temperatura del lí$uido $ue entra al serpentín de enfriamiento, tambi'n #aría el efecto refrigerante. Esto afecta la capacidad del serpentín de enfriamiento y, si la temperatura del aire en el e7terior del serpentín permanece igual, cual$uier #ariación en la temperatura de succión tambi'n hará #ariar la diferencia de
temperatura entre el refrigerante y el aire. Bi disminuye esta diferencia de temperatura, la #elocidad a la $ue se e#apora el refrigerante tambi'n disminuye. %a misma disminución de e#aporación de refrigerante se tendrá si disminuye la cantidad de aire $ue pasa por el serpentín, por$ue mientras menor cantidad haya de aire se enfriará a menor temperatura, y se reducirá la diferencia de temperaturas entre el refrigerante y el aire. "omo se hará notar despu's, la condición id'ntica afecta de modo distinto al serpentín de enfriamiento y al compresor) a medida $ue aumenta la capacidad del serpentín, la del compresor disminuye. -or lo tanto, los componentes $ue se seleccionan e instalan en el campo, no una unidad de condensación pa$uete, necesitan de un cuidadoso balanceo de las características del e#aporador y compresor, para seleccionar el punto o puntos a los $ue ambos tengan la misma capacidad. %a energía t'rmica se retira de una sustancia, sea aire, agua o cual$uier otro material, mediante un sistema de refrigeración. El calor se transfiere a un refrigerante a un punto de ebullición lo suficientemente menor $ue la temperatura de la sustancia $ue se #a a enfriar, para obtener la #elocidad deseada de transmisión de calor. Esto $uiere decir $ue la #elocidad de transferencia de calor, $ue se mide en [tuYhr, depende del tamaño del serpentín de e7pansión directa. Es la cantidad de superficie e7puesta a la sustancia $ue se #a a enfriar y tambi'n la diferencia de temperatura 1>S, !(3 entre la sustancia y el punto de ebullición del refrigerante. >$uí nos encontramos con un tercer punto a considerar, por$ue la configuración de la superficie del e#aporador afecta directamente la cantidad de superficie disponible para absorber el calor. -or lo tanto, la capacidad de transmisión de [tuYhr de un e#aporador depende de tres cosas)
1. Bu superficie 2. Bu coeficiente ". %a diferencia promedio de temperatura 1D;S3
R3-#.1 S*erficie "omo se describió en el capítulo IV, los e#aporadores se clasifican en tres tipos) 1. De tubo desnudo 2. De tubo aletado ". De placas "ada uno de estos tipos de serpentines tienen la misma capacidad de absorción de calor por pulgada cuadrada de superficie del material . %a cantidad de tubo $ue inter#iene
#aría entre los di#ersos tipos debido a la capacidad diferente $ue tiene cada tramo de tubo, de absorber calor. El tubo aletado tendrá mucho mayor superficie por pulgada de longitud $ue el tubo desnudo, el cual a su #ez tendrá más superficie $ue el tubo encerrado en una placa. El cálculo normal de todos los tipos de serpentines se basa en cada pulgada cuadrada de superficie del tubo básico, sea desnudo, aletado o de placas, y la diferencia en el efecto de absorción de calor se e7presa por el #alor del coeficiente ? para cada uno de los tipos.
R3-#.2 Coeficien'e U El coeficiente ? se llama coeficiente general de transmisión de calor, y se define como la cantidad de energía t'rmica, en [tuYhora $ue absorberá pie cuadrado de superficie y por cada grado de diferencia promedio de temperatura entre la fuente de calor y el refrigerante en ebullición. El coeficiente ? sólo se aplica a la superficie básica del tubo, y se ajusta para tener en cuenta la superficie adicional en forma de aletas $ue puedan estar fijas al tubo básico, o a la forma de encerramiento entre placas. %os serpentines de tubos desnudos tienen coeficientes ? entre . y . [tuYpie 2 !(. %os serpentines de tubos aletados los tienen entre 2. a . [tuYhr pie 2 !(, dependiendo del n:mero de aletas por pulgada de tubos. ;ientras mayor sea el n:mero de aletas, mayor será el coeficiente ?. Es claro $ue mientras mayor sea el n:mero de aletas será más difícil hacer $ue el aire pase entre ellas para sacar el calor. >demás, si se supone $ue el serpentín #a a trabajar a una temperatura menor $ue !" 12 !(3, toda la humedad condensada del aire se depositará entre las aletas y reducirá con rapidez la capacidad del serpentín. %os serpentines para aplicaciones de congelador, o a temperaturas menores a !( 1F !"3 son de tubo desnudo, cuando es mucha y continua la formación de escarcha y los períodos entre desescarchado son grandes. Bi se emplea tubo aletado, tendrá entre tres a seis aletas por pulgada, y se usan cuando hay período de desescarchado en cada período <(( 1apagado3 del sistema. %os serpentines de aire acondicionado tienen en general de a aletas por pulgada, para obtener altas capacidades de transmisión de calor, sin embargo, siguen teniendo buenas características de drenado de condensado. >> W aletasYpulg 2 Descarchado W V aletasYpulg2 R3-#." Diferencia romedio de 'emera'*ra %a diferencia promedio de temperatura 1D;S3 es el promedio de las diferencias de temperatura entre la sustancia $ue se #a enfriar y el punto de ebullición del refrigerante. "omo la diferencia de temperatura hace $ue pase el calor del aire al refrigerante, y como el aire y el refrigerante cambian de temperatura al pasar por el e#aporador, es
necesario determinar el promedio de la diferencia de temperatura, pasar así calcular la diferencia #erdadera de temperaturas. -ara comprobar en forma correcta el sistema de refrigeración o de aire acondicionado y determinar si tiene la carga correcta y está trabajando en el rango correcto de punto de ebullición del refrigerante 1límites de la presión en la succión3, es necesario definir la diferencia promedio de temperaturas en el serpentín. "on ello se determina la entrada de calor al e#aporador. En casos de refrigeración, como por ejemplo en los productos lácteos, productos #egetales, florería, etc, el fabricante en general establece y eti$ueta al e$uipo con la diferencia promedio de temperatura del aire a tra#'s del serpentín. En los dispositi#os de enfriamiento para lí$uidos, en general se da la caída de temperatura del lí$uido. En las unidades de aire acondicionado, sin embargo, se calcula la caída de temperatura $ue se desea para obtener mejores resultados de acuerdo con las condiciones del aire $ue rodea al espacio acondicionado. > esas condiciones se les llaman condiciones exteriores de diseño. En zonas de alta humedad, en las $ue permanecen cercanas las temperaturas del día y la noche, la diferencia promedio de temperatura se calcula midiendo la temperatura del aire $ue entra al serpentín de e7pansión directa, la temperatura del aire $ue sale de 'l, y el punto de ebullición del refrigerante dentro del serpentín, y con ellas se aplica la siguiente ecuación) D;S W 1E>S [-3 1%>S[-3 2 Diferencia media de t! %os elementos $ue se usan en esta ecuación se definen como sigue)
EAT Temera'*ra de( aire 0*e en'ra Be mide en el lado de entrada del serpentín de e7pansión directa. %a medición se debe hacer tan cerca de la cara del serpentín como sea posible, pero no a menos de cm, para e#itar p'rdidas de radiación del termómetro hacia la superficie fría del serpentín. +AT Temera'*ra de( aire 0*e &a(e Esta temperatura se debe medir en el lado de salida de cada circuito del serpentín para asegurarse $ue la carga es uniforme en todas las #ueltas. En un serpentín tipo >, la temperatura del aire $ue sale se debe tomar en cada lado de la > y calcular el promedio. %as temperaturas del aire $ue sale de di#ersas partes del serpentín no deben #ariar más de 2 !(. B! !*n'o de e>*((icin de( refrigeran'e Be determina mediante la presión de succión, $ue se con#ierte a temperatura mediante la tabla o gráfica de presión de temperatura para el refrigerante $ue se est' usando. Esta presión se debe medir en la salida del serpentín. Bi ello no es posible, y se hace la medición en la entrada del compresor, se debe sumar a la indicación del manómetro la caída de presión en la tubería de succión para obtener un punto de ebullición tan e7acto como sea posible.
Este m'todo de cálculo de la diferencia promedio de temperatura no es e7acto, debido al efecto de enfriamiento #ariable en el aire $ue pasa por el serpentín. Bin embargo, es lo suficientemente apro7imado como para ser de aplicación general a los sistemas de refrigeración y aire acondicionado. %as mejores diferencias promedio de temperatura, en zonas de poca #ariación diaria, en un serpentín de aire acondicionado, son de
R3-# CO)!RESORES Despu's $ue el refrigerante ha absorbido #apor y e#aporación en el serpentín de enfriamiento, pasa por la tubería de succión al siguiente de los componentes principales del circuito de refrigeración, $ue es el compresor. Fig*ra R3-12 Enfriador de [audelot. 1Ieproducido con autorización de >B+I>E +andbooN and -roduct Directory, AG.3 Esta unidad, $ue tiene dos funciones principales en el ciclo, se clasifica con frecuencia como el corazón del sistema, por$ue es el $ue hace circular al refrigerante por el sistema. %as funciones $ue lle#a a cabo son) . Iecibir o eliminar el #apor de refrigerante del e#aporador, de modo $ue se puedan mantener en 'l la temperatura y presión deseadas. 2. >umentar la presión del #apor de refrigerante mediante el proceso de compresión, y en forma simultánea aumentar la temperatura del #apor para $ue ceda su calor al medio de enfriamiento del condensador. %os compresores se clasifican en general en tres tipos principales) alternati#os o reciprocantes, rotarios y centrífugos. El compresor alternati#o se usa en la mayor parte de las aplicaciones pe$ueñas, comerciales e industriales, en unidades condensadoras. Este tipo de compresor se puede clasificar a su #ez de acuerdo a su construcción, si es abierto y accesible para ser#icio en el campo, o completamente herm'tico y sin pod'rsele dar ser#icio en el campo. El tamaño de los compresores alternati#os #aría desde el $ue se necesita para un cilindro y su pistón de operación, hasta uno tan grande $ue tiene V cilindros y pistones. El cuerpo del compresor puede estar fabricado en una o dos piezas de fierro colado, acero colado, o, en algunos casos, aluminio. El arreglo de los cilindros puede ser horizontal, radial o #ertical, y pueden estar en línea o dispuestos en = o en J. %a figura IVF muestra el e7terior de un compresor alternati#o normal $ue se usa en aplicaciones comerciales.
>sí como los compresores difieren en cuanto a diseño y construcción, tambi'n lo hacen sus componentes indi#iduales. -ero su propósito principal es el mismo) la compresión del #apor de refrigerante hasta lle#arlo a una presión y temperatura altas, de modo $ue se pueda reducir su contenido calorífico y se condense en un lí$uido $ue se pueda usar una y otra #ez en el ciclo.
Fig*ra R3-1" "omprensor alternati#o típico. "onditioning, 0nc.3
1"ortesía de [orgFJarner >ir
%os pistones de los compresores pueden tener #ál#ulas de succión ubicada en la cabeza del pistón9 a este arreglo se le llama de #ál#ulas a la cabeza. < bien, el pistón puede tener cabeza maciza y las #ál#ulas de succión y descarga pueden estar ubicadas en una placa de #ál#ulas o cabeza de cilindro. ?na placa de #ál#ulas normal, $ue muestra las #ál#ulas internas de succión y descarga, de un compresor alternati#o de dos cilindros, se muestra en la figura IVF4.
Fig*ra R3-1# (lujo de gas por #ál#ulas de lengketa. 1"ortesía de "arrier >irF"onditioning "ompany.3
%a figura IVF muestra es$uemas de un pistón de compresión y las #ál#ulas internas de succión y descarga en diferentes etapas del ciclo de compresión.
Fig*ra R3-1$ "ómo act:an las presiones diferenciales en las #ál#ulas de compresor alternati#o. %a figura IVFV muestra un conjunto $ue consta del pistón, su perno, la biela y el cigkeñal. Sodos los componentes del conjunto del pistón alternati#o tienen ma$uinado de precisión, están cuidadosamente balanceados para eliminar #ibraciones, y ajustados con tolerancias estrechas para asegurar $ue el compresor tenga alta eficiencia de bombeo del #apor del refrigerante. En figura IVFG se #e un tipo distinto de cigkeñal, con diseño e7c'ntrico. %a biela se arma en un disco e7c'ntrico, con contrapesos fijos.
Fig*ra R3-13 "igkeñal tipo mani#ela. 1"ortesía de "arter >irF"onditioning "ompany.3 Fig*ra R3-1= "ompany.3
"igkeñal tipo e7c'ntrico.
1"ortesía de "arrier >irF"onditioning
Bi el cigkeñal no está ma$uinado casi por completo, se debe balancear dinámicamente. %as #ál#ulas internas de un compresor se desgastan bastante en el funcionamiento normal, por$ue deben abrir y cerrar cientos de #eces por minuto cuando trabaja el compresor. En general, las unidades comerciales pe$ueñas tienen #ál#ulas de disco o de lengketa de acero de alta calidad, por$ue son de operación menos ruidosa, más eficiente
y son de construcción más sencilla9 duran más $ue las #ál#ulas no fle7ibles del tipo placa de anillo. %a figura IVF/ muestra uno de los di#ersos diseños de #ál#ulas internas para compresor. Es muy importante el funcionamiento correcto de las #ál#ulas para obtener una alta eficiencia general del compresor. Bi las #ál#ulas de succión no asientan en forma correcta y permiten $ue escape #apor de refrigerante del cilindro, el pistón no puede bombear todo el #apor comprimido a la tubería de gas caliente. Bi hay escape en la #ál#ula de succión, el #apor comprimido, o parte de 'l, pasará al tubo de succión y calentará al #apor de baja presión y temperatura $ue hay allí.
Fig*ra R3-16 Sipos de #ál#ulas. 1"ortesía de "arrier >irF"onditioning "ompany.3 Bi la #ál#ula de descarga tiene escapes de algo del #apor de alta presión y alta temperatura al tubo de descarga, el gas caliente regresará al cilindro en la carrera de succión del pistón, limitando el #olumen de #apor de succión $ue entra al cilindro. En un compresor tipo abierto, un e7tremo del cigkeñal sobresale del cárter para conectarse en forma directa a un motor e7terno, o bien puede tener fija una polea para impulsión por bandas mediante un motor e7terno. Be debe tratar de e#itar las fugas de gas y aceite alrededor del cigkeñal, donde sobresale de la caja del compresor9 esto se logra mediante un sello de eje. En la figura IVFA se muestra un tipo de cierre o sello de eje. El cigkeñal $ue se muestra tiene un escalón para sello ínter construido, contra el $ue recargan una arandela de neopreno y un anillo de sello autolubricante. Be mantiene un sello herm'tico a los gases y al aceite entre el anillo de sello y el escalón del eje mediante la arandela de neopreno, $ue ajusta apretadamente en el eje. %os sellos de los compresores alternati#os están en el lado de baja presión, o de succión. Es deseable $ue se mantenga un sello tan perfecto como sea posible, por$ue si las condiciones son tales $ue se necesite $ue el lado de baja presión trabaje al #acío, una fuga en el sello o en cual$uier otro punto del lado de baja succionaría aire y humedad, $ue pasarían al sistema. En la mayor parte de los compresores alternati#os se usan empa$uetaduras entre las partes unidas para asegurar condiciones a prueba de fugas, por$ue la mayor parte de las superficies no están ma$uinadas tan finamente como para dar uniones herm'ticas metal a metal. -rincipalmente, las empa$uetaduras se usan entre la cabeza de cilindros y la placa de #ál#ulas, entre la placa de #ál#ulas y la caja del compresor, entre el cuerpo del compresor y la placa inferior, si la hay, y tambi'n entre las #ál#ulas e7teriores de ser#icio y sus bases de montaje. "uando las partes en contacto están fuertemente aseguradas, imprimen su forma y contorno en el material, el cual en general es lo suficientemente blando y resistente para tomar la impresión y con ello sellar cual$uier gas o aceite $ue posiblemente se #ayan a escapar a la atmósfera, y e#itar $ue entre el aire atmosf'rico. El material de la empa$uetadura debe ser tal $ue no haya reacción $uímica cuando se ponga en contacto con el aceite y el refrigerante en el sistema. "uando las empa$uetaduras necesitan cambio despu's de haber $uitado alg:n componente, y
posiblemente haberlo cambiado, las empa$uetaduras de repuesto deben ser del mismo material $ue usó el fabricante originalmente, y del mismo espesor $ue las $ue se $uitaron, $ue pudieron haber sido de aluminio, corcho, hule, asbesto o alguna formulación. ?na #ariación en el espesor afectará la eficiencia y funcionamiento del compresor. ?na empa$uetadura demasiado gruesa entre la caja del compresor y la placa de #ál#ulas aumentará el espacio libre sobre el pistón y causará una p'rdida de eficiencia #olum'trica. Bi la empa$uetadura es demasiado delgada, puede permitir $ue el pistón pegue contra la placa de #ál#ulas, dañando al compresor. "omo se mencionó, los compresores alternati#os del tipo abierto necesitan motores e7ternos de impulsión, $ue pueden conectarse en forma directa usando acoples. Esto hace $ue los compresores trabajen a la misma #elocidad $ue la de los motores de impulsión. < tambi'n un compresor puede tener un #olante en el e7tremo del cigkeñal, al cual lo hacen girar una o más bandas = $ue #an del #olante a una polea montada en el eje del motor. %a #elocidad a la $ue gire el compresor depende de la relación de los diámetros del #olante y de la polea del motor. %a #elocidad del compresor se puede calcular como sigue) Ipm del compresor W rpm del motor conductora conducida E
P> $u' #elocidad girará un compresor si tiene un #olumen de pulgadas y está impulsado por un motor de G2 rpm $ue tiene una polea de 4 pulgadas8 SO+UCION
Ipm del compresor W G2 4 W VA rpm
Fig*ra R3-2@ "ompresor alternati#o sellado. 1"ortesía de Secumseh ;anufacturing, 0nc.3 El objeto de un comprensor herm'tico es el mismo $ue el del compresor abierto) bombear y comprimir el #apor9 -ero su construcción es distinta por$ue el motor está sellado en la misma caja $ue el compresor. En la figura IVF2 se #e un corte de un compresor completamente herm'tico. &ótese el cigkeñal #ertical, con la biela y el pistón en posición horizontal. %a unidad completamente herm'tica tiene la #entaja de $ue no sobresale el cigkeñal9 por lo tanto no es necesario sello alguno y no hay posibilidad de fugas de refrigerante $ue salgan del compresor, o de aire $ue entre cuando el sistema trabaja al #acío. ?n componente de
este diseño no puede componerse en el campo. %as reparaciones internas se deben hacer en una unidad de ser#icio, o en la fábrica donde se construyó. >lgunos compresores herm'ticos se fabrican con resortes montados en el interior, para absorber las #ibraciones originadas por la pulsación del #apor de refrigerante $ue bombean los pistones. >lgunos compresores herm'ticos tambi'n tienen resortes o montaduras de #ibración de hule duro ubicadas en el e7terior, para absorber cho$ues y #ibraciones. %a parte inferior del compresor herm'tico trabaja como cárcamo de aceite, como un cárter de compresor tipo abierto. >l circular y lubricar el aceite a las partes mó#iles internas, se lle#a consigo algo de calor de compresión originado por la fricción de las partes mó#iles. El mismo aceite transfiere algo de ese calor a la en#ol#ente e7terna del compresor. %a mayor parte de los compresores herm'ticos se fabrican d' tal modo $ue el #apor de succión pasa por los de#anados del motor antes de pasar el cilindro o cilindros.
Fig*ra R3-21 Bilenciador e7terno de descarga. 1"ortesía de "arrier >irF"onditioning "ompany.3 "on ello, naturalmente, se ayuda a eliminar el calor de los de#anados del motor y tambi'n se ayuda a e#aporar cual$uier refrigerante lí$uido $ue pudiera haber entrado al compresor. %os silenciadores, o mofles, de succión y descarga se intercalan en algunos de los compresores herm'ticos menores, para absorber o disminuir el sonido originado por el #apor pulsante al ser bombeado a tra#'s del compresor. En la figura IVF2 se muestra un silenciador de succión en corte. En la figura IVF2 se #e un silenciador de tipo e7terno $ue se usa en algunos compresores. "omo el cigkeñal y el eje del motor están en la misma unidad, el funcionamiento en alta #elocidad origina bastante más ruido $ue en los compresores abiertos, $ue trabajan a menor #elocidad. -or eso es $ue se necesitan los silenciadores. En la figura IVF22 se muestra otro tipo de compresor. "ombina al motor en la misma en#ol#ente $ue el compresor, pero a diferencia de la unidad completamente herm'tica, en este tipo se tiene acceso al compresor, para sus reparaciones en campo. > esta unidad se le conoce por #arios nombres, como por ejemplo, semiherm'tico, accesible, o herm'tico reparable. %os compresores rotatorios se clasifican así por$ue trabajan por aplicación de un mo#imiento rotatorio o circular, en lugar del mo#imiento alternati#o $ue se describió antes.
Fig*ra R3-22 compresor herm'tico reparable. Fig*ra R3-2" "ompresor rotatorio de pistón rodante.
?n compresor rotatorio es una unidad de desplazamiento positi#o, en general se puede usar para bombear a un #acío mayor $ue uno alternati#o. +ay dos tipos principales de compresores rotatorios $ue se usan en el campo de la refrigeración) el de pistón rodante, con una hoja estacionaria, y el de aspas u hojas rotatorias. >mbos tienen capacidad, di#ersidad de aplicaciones, tamaño físico y estabilidad semejantes, pero difieren en el modo de funcionamiento. El de tipo de pistón rotatorio, como se #e en la figura IVF2, tiene el rodillo montado en un eje e7c'ntrico. %a hoja se ubica en una ranura en la caja del compresor. >l girar el pistón rodante, se succiona #apor al espacio sobre la hoja con tensión de resorte, como se #e, y el elemento rodante comprime al #apor hacia un espacio $ue disminuye constantemente, forzándolo a salir por la cone7ión de descarga, para #ol#er a iniciar otro ciclo de compresión. El pistón rodante no hace contacto metal con la pared del cilindro, por$ue, en funcionamiento normal, una capa de aceite de una holgura entre las dos superficies. %a figura rVF24 muestra el otro tipo principal de compresores rotatorios. Esta unidad consta de un cilindro y una placa o rotor e7c'ntrico $ue tiene #arias aspas, $ue están sujetas a su lugar ya sea con resortes o por la fuerza centrífuga. > medida $ue la placa gira en el cilindro, el #apor succionado $ueda atrapado en el espacio en forma de cuarto creciente $ue $ueda entre dos de las aspas. >l seguir girando el rotor, el gas succionado se comprime y su presión y temperatura aumentan hasta $ue se descarga de la caja. "omo se mencionó antes, una capa de aceite e#ita las fugas de #apor del cilindro, o entre los espacios delimitados por las aspas, mientras la unidad se encuentra trabajando. -ara e#itar $ue el gas caliente regrese al cilindro desde la cone7ión de descarga, cuando a 'sta la descubre el rotor, se coloca normalmente una #ál#ula de retención en el tubo de descarga. Durante el período de apagada la unidad, el #apor caliente no puede regresar al e#aporador debido a la #ál#ula de retención.
Fig*ra R3-2# "ompresor rotatorio de aspas. %os compresores rotatorios son unidades bien balanceadas y los $ue están encerrados en una en#ol#ente herm'tica, en general tienen soportes de resorte o están montados sobre resortes. En general, su funcionamiento es muy silencioso. "omo los compresores rotatorios herm'ticos tienen transmisión directa, trabajan a la #elocidad del motor, $ue en general es 4 rpm, y aun$ue el ni#el de sonido está en relación directa con la #elocidad y el caballaje, trabajan en forma relati#amente silenciosa, de acuerdo con cual$uier comparación. Be usan silenciadores de descarga para e#itar $ue las pulsaciones del gas $ue se descarga cause #ibraciones $ue pasen al tubo de descarga y al condensador. %os principios de diseño y funcionamiento $ue se describieron a$uí corresponden a las unidades dom'sticas y comerciales pe$ueñas, aun$ue en general, tambi'n se aplican estos principios a compresores rotatorios mayores.
%a aplicación principal de algunos de ellos es en el campo de la baja temperatura, donde se usan como compresores de primera etapa, o de refuerzo. En la figura IVF2 se muestra una unidad completa de refrigeración con compresor centrífugo. "omo los demás tipos de compresores, comprime al #apor de refrigerante por acción o fuerza centrífuga, como lo dice su nombre. Esta acción la lle#a a cabo principalmente el impulsor o rotor, como se #e en la figura IVF2V. El #apor se toma en la succión cerca del eje del rotor y se descarga en las aberturas de escape en la orilla e7terna del rotor. "on la rotación del impulsor, el #apor de la succión se toma con rapidez y pasa a las cámaras del impulsor, en donde se impulsa hacia el e7terior de las secciones de carcasas por fuerza centrífuga. -ara mantener esa fuerza centrífuga, el impulsor se trabaja a altas #elocidades mediante una fuerza e7terna, como por ejemplo un motor el'ctrico, de gasolina, o turbina de #apor. %a diferencia de presiones entre el #apor $ue entra y sale es pe$ueña. -or lo tanto, no es una unidad de desplazamiento positi#o como los tipos $ue se acaban de describir, y no es capaza de acumular la presión contra una #ál#ula cerrada en el sistema.
Fig*ra R3-2$ ?nidad completa de refrigeración con compresor centrífugo. ?n compresor centrífugo puede tener uno o más impulsores. %os compresores de #arias etapas se fabrican d' tal manera $ue la descarga de un impulsor o etapa entra a la succión de la siguiente. Bi la #elocidad del motor de impulsor no da la #elocidad adecuada de funcionamiento, se pueden emplear engranajes para aumentar la #elocidad, o acoples fluidos, para llegar a las condiciones óptimas de funcionamiento. "omo no hay pistones ni #ál#ulas internas de succión o descarga, hay poco desgaste y ajetreo en la unidad. %os cojinetes principales de la carcasa, $ue sostienen el eje motriz, son los componentes más sujetos al desgaste.
R3-# CONDENSADORES El siguiente componente principal en el ciclo de refrigeración, $ue sigue en la etapa de compresión, es el condensador. [ásicamente, es otra unidad de intercambio de calor en la cual el calor $ue el refrigerante recogió en el e#aporador, y tambi'n el $ue le agregó el compresor, se disipa a alg:n medio de condensación. El #apor a alta presión y temperatura $ue deja al compresor está sobrecalentado, y este sobrecalentamiento se acostumbra eliminar en la tubería de descarga de gas caliente, y en la primera parte del condensador. >l bajar la temperatura del refrigerante a su punto de saturación, comienza a condensar el #apor en un lí$uido, $ue se #uel#e a usar en el ciclo. %os condensadores pueden tener enfriamiento por aire, agua o enfriarse por e#aporación. %os refrigeradores dom'sticos tienen, en general, un condensador
enfriado por aire, $ue depende del flujo del aire por gra#edad para $ue pase por 'l.
Fig*ra R3-2= ?nidad pe$ueña de condensador con enfriamiento de aire. Depende de un suministro de aire relati#amente *frío, por$ue, para tener flujo de calor del refrigerante en el condensador, al medio de enfriamiento, el aire debe estar a una temperatura más baja $ue la del refrigerante. +asta cuando la temperatura del ambiente es mayor $ue / !", sigue siendo menor $ue la del refrigerante en el condensador, y 'ste cede algo de calor al regresar a su estado lí$uido. %os condensadores enfriados por aire se construyen de manera algo semejante a los demás tipos de cambiadores de calor, con serpentines de tubo de cobre o aluminio con aletas. %os e#aporadores deben tener filtros frente a ellos para reducir su obstrucción por el pol#o, pelusa y otros materiales9 pero los condensadores no tienen esos filtros, y por lo tanto se deben limpiar con frecuencia para e#itar la reducción de su capacidad. %os condensadores remotos enfriados por aire tienen, en general, mayor espaciamiento de aletas, para e#itar $ue se tapen con tanta rapidez como los $ue se montan directamente en la unidad de condensación. Sambi'n, pueden estar ubicados lejos del compresor, lo cual es una #entaja notable. > #eces una unidad completa de condensación se coloca en alg:n lugar dentro de la construcción en la $ue se #a usar, y el calor $ue se disipa en el condensador y en el motor pueden ocasionar un aumento de temperatura dentro del espacio de almacenamiento, o del e$uipo mecánico. > resultas de ello, la unidad debe tener una presión y temperatura de descarga mayor, lo cual disminuiría su eficiencia. %a figura IVF2/ muestra un condensador remoto enfriado por aire, $ue puede instalarse en el e7terior, junto a una construcción o en un techo plano. En ese lugar, al aire libre, se dispone de un suministro adecuado de aire de enfriamiento, a la temperatura ambiente del e7terior, y con ello se e#itan las temperaturas indeseables en la construcción. El mo#imiento de aire por el serpentín se pro#oca ya sea por medio de un #entilador centrífugo mo#ido por bandas o uno de h'lice con acoplamiento directo.
Fig*ra R3-26 "ondensador remoto enfriado por aire. El #entilador de baja #elocidad y aspas anchas mue#e el #olumen necesario de aire sin originar demasiado ruido. Este tipo de condensador puede armarse en cual$uier combinación de unidades $ue se necesiten para la eliminación re$uerida de calor. El aire puede succionarse o soplarse por los serpentines. En otro diseño, un solo condensador puede tener más de un circuito en la disposición de su serpentín, de modo $ue se puede usar con #arios e#aporadores y compresores separados.
En la mayor parte de las instalaciones de condensadores remotos enfriados por aire en Estados ?nidos, la diferencia entre la temperatura ambiente del aire y la de condensación del refrigerante es de unos G !". -or lo tanto, si la temperatura e7terior es !", el refrigerante se condensa a unos 4G !". -ueden surgir dificultades con los condensadores remotos enfriados por aire si se trabaja a bajas temperaturas ambientes, a menos $ue se tomen las debidas precauciones para mantener las presiones normales para la unidad. >ntes, en este capítulo, afirmamos $ue las temperaturas y presiones de condensación demasiado altas disminuyen la eficiencia general de operación de la unidad. > la in#ersa, una presión y temperatura de condensación demasiado baja, afectará la operación eficiente del sistema originando una reducción de la diferencia de presión a tra#'s del dispositi#o medidor y con ello se pierde flujo de refrigerante al serpentín de enfriamiento. Despu's, en este capítulo, se describirá el efecto de la caída de presión a tra#'s de un dispositi#o medidor sobre la capacidad y eficiencia generales de un sistema. >lgunos condensadores remotos enfriados por aire con #entiladores m:ltiples tienen controles para encender y apagar uno o más de los #entiladores durante los períodos de bajas temperaturas ambientes. El flujo de aire a tra#'s de otros tipos de condensadores se puede controlar mediante persianas ajustables,
1. En#ol#ente y tubos 2. En#ol#ente y serpentín ". Subo dentro de tubo. "omo se hizo notar en un capítulo anterior, el agua en general es un medio eficiente para transmitir calor, ya $ue su calor específico es [tu por libra por !( de cambio de temperatura. Bi 2 lb de agua aumentan 2 !( y si este calor se elimina en minuto, $uiere decir $ue se eliminan [tu por minuto de la fuente. Sambi'n, si esta tasa de transmisión de calor contin:a durante hora 1V minutos3, esto $uiere decir $ue el agua absorbe , [tuYhr. Bi en el ejemplo anterior se pusiera un condensador enfriado por agua, podrían circularse galones de agua 1. litros3 por minuto. Sambi'n, si el calor de compresión fuera V [tuYhr, significaría $ue la carga del e#aporador sería 24, [tuYhr9 es una carga de refrigeración de 2 ton.
El agua de un pozo u otra fuente subterránea sería bastante mas fría $ue el aire ambiente del e7terior. Bi se usa agua de torre de enfriamiento, su temperatura se puede bajar en esa torre, despu's de haber recogido calor en el condensador, hasta llegar a unos a 4 !" de la temperatura ambiente de bulbo h:medo. El empleo de una torre de enfriamiento y bomba de recirculación del agua permite 'l reh:so del agua, e7cepto por una pe$ueña p'rdida por e#aporación, y mantiene el consumo y el costo del agua al mínimo. El condensador enfriado por agua tipo en#ol#ente y tubos consiste en una en#ol#ente o carcasa cilíndrica de acero $ue contiene #arios tubos de cobre paralelos a la en#ol#ente. Be bombea agua por los tubos mediante las cone7iones e7tremas, en los espejos. El #apor caliente del refrigerante entra a la carcasa en su parte superior, como se #e en la figura IVF2A, y el refrigerante lí$uido pasa, seg:n se necesite, por la salida en el fondo de esta combinación de condensador y recibidor. %os espejos se atornillan a la carcasa del condensador, con lo $ue se pueden sacar con facilidad para permitir el rolado o limpieza de los tubos de agua, y $uitar los depósitos minerales $ue se puedan haber formado en el interior de los tubos y $ue causen un flujo restringido del agua, una reducción de la transmisión de calor, o ambas cosas. ?n control del flujo del agua9 esto es, el n:mero de #eces $ue pasa por la longitud del condensador, o el n:mero de pasos $ue haga, se determina por la construcción de los cabezales y espejos del condensador. Bi el agua entra un espejo, pasa por todos los tubos a la #ez, y sale del condensador por el otro cabezal, el condensador es de un paso. Bi la entrada y la salida del agua se encuentran ambas en el mismo cabezal, se trata de un condensador de dos pasos, o de un n:mero par de pasos.
Fig*ra R3-2: "ondensador de en#ol#ente y tubos. Fig*ra R3-"@ "ondensador de en#ol#ente y serpentín, con enfriamiento por agua. Bi, en lugar de #arios tubos dentro de la carcasa del condensador, hay uno o más serpentines armados a tra#'s de los cuales pasa el agua para eliminar el calor del #apor $ue se condensa, se dice $ue el condensador es de en#ol#ente y serpentín. %a figura IVF muestra un condensador de 'stos. En una unidad compacta y en general sir#e como condensador y recibidor combinados en el circuito. &ormalmente, este tipo de condensador sólo se usa en unidades de baja capacidad y cuando hay seguridad de tener agua razonablemente limpia, por$ue el :nico medio de limpiarlo es la#arlo con limpiador $uímico. El condensador de tubo dentro de tubo, de doble tubo, de tubos conc'ntricos, o de trombón, se puede clasificar como condensador de combinación, enfriado por aire y agua.
Fig*ra R3-"1 "ondensador tipo tubos conc'ntricos enfriado por agua. "omo se #e en la figura IVF, tiene el refrigerante pasando por el tubo e7terior, en el $ue $ueda e7puesto al efecto enfriador del aire $ue pasa naturalmente por el e7terior de los tubos e7teriores, mientras $ue se hace circular agua por los tubos interiores. En general, el agua entra por los tubos inferiores y sale por la parte superior.
De este modo, se obtiene la eficiencia má7ima, por$ue el agua más fría puede eliminar algo de calor del refrigerante en estado lí$uido, y con ello lo subenfría. Entonces, el agua más caliente toda#ía puede absorber calor del #apor, ayudando al proceso de condensación. "uando la temperatura ambiente es tal $ue no se puede tener una temperatura de condensación satisfactoria con un condensador enfriado por aire, y cuando el suministro de agua es inadecuado para un uso muy intenso, se puede usar con #entaja un condensador e#aporati#o. En la figura IVF2 se muestra un diagrama de este tipo de condensador. Be muestra el uso combinado de agua y aire con objeto de eliminar calor del #apor de refrigerante dentro del serpentín del condensador. En realidad hay doble transferencia de calor en esta unidad) el calor del #apor y el serpentín $ue lo contiene se transmite al agua, $ue moja la superficie e7terna del serpentín9 y a continuación pasa al aire a medida $ue el agua se e#apora. El aire puede soplarse o succionarse a tra#'s del agua de aspersión. "uando el aire se sopla por la unidad, el #entilador y el motor están en la corriente de aire seco $ue entra. "uando el sistema tiene un #entilador de succión, es esencial $ue se instalen eliminadores de niebla antes del #entilador. Bi no es así, habría una rápida acumulación de costra en todos los componentes del #entilador. >:n con las unidades de soplado de aire, hay posibilidad $ue algo del agua de aspersión salga del condensador e#aporati#o, y se deben instalar placas deflectoras para e#itarlo.
R3-$ RECIBIDORES "omo se mencionó antes, algunos condensadores de carcasa y tubos enfriados por agua tambi'n sir#en como recibidores, en los $ue el refrigerante lí$uido ocupa el fondo del condensador, donde no hay tubos de agua. Bi hay demasiado lí$uido en este tipo de condensador y recibidor, algunos de los tubos de agua $uedarán cubiertos por el refrigerante. "on ello se reduce el área de transferencia de calor en el condenador. En los sistemas diferentes a los $ue tienen condensador y recibidor y a los $ue trabajan con una carga crítica de refrigerante, se necesita un recibidor. Es en realidad un recipiente de almacenamiento para el refrigerante $ue no circula en el sistema. %os recibidores $ue son parte de unidades comerciales pe$ueñas y auto contenidas en general son lo bastante grandes como para contener la carga completa de operación en el sistema. Esto se aplica tambi'n a #arios de los sistemas mayores. Bin embargo, en algunos casos, el recibidor puede no ser lo suficientemente grande como para contener la carga total de refrigerante, si se hace necesario abrir el sistema para una reparación o cambio de un componente. Bería necesario un recibidor au7iliar para dar la capacidad en los
paros. Bi no lo hay, el refrigerante en e7ceso se tendría $ue bombear en un bote #acío de refrigerante, o dejarse escapar a la atmósfera. En general, los fabricantes de recibidores toman medidas precautorias contra la posibilidad de acumulación de presión o demasiado aumento de temperatura en el recibidor, o en un condensador y recibidor de combinación. Entre las medidas de seguridad se encuentran normalmente la instalación de #ál#ulas de ali#io de presión, $ue por costumbre tienen tensión de resorte, $ue abren si aumenta demasiado la presión en el recibidor. ?na #ál#ula de tipo tapón fusible se puede instalar9 se diseña para fundirse a determinada temperatura y dejar salir al refrigerante si, por cual$uier moti#o, se alcanza esa temperatura en el recibidor.
R3-3 CONTRO+ES DE F+U
1. ;antener la presión y punto de ebullición adecuados en el e#aporador para manejar la carga t'rmica deseada. 2. -ermitir el flujo del refrigerante hacia el e#aporador a la #elocidad necesaria para eliminar el calor de la carga. El dispositi#o reductor de presión es uno de los puntos di#isores del sistema. El medio principal de controlar el flujo de refrigerante en los primeros años de la refrigeración, era una #ál#ula manual básica. >l conocer su trabajo y su e$uipo, los primeros operadores en las fábricas de hielo y operaciones semejantes con cargar constantes, sabían hasta cuánto abrir la #ál#ula manual de acuerdo al trabajo $ue se había de hacer. Bin embargo, en las aplicaciones modernas $ue tienen cargas #ariables con frecuencia, esto no es práctico, por$ue el ajuste de la #ál#ula manual se tendría $ue cambiar de acuerdo con la #ariación de la carga. %os cinco tipos principales de dispositi#os reductores de presión $ue se usan hoy en di#ersas fases de refrigeración son)
1. 2. ". #. $.
=ál#ula automática de e7pansión =ál#ula termostática de e7pansión Subo capilar (lotador de lado de baja (lotador de lado de alta.
Sodos ellos se usan para reducir la presión del refrigerante lí$uido y, en algunos casos, para controlar el flujo. %a #ál#ula manual, naturalmente, no es adecuada para el funcionamiento automático, por$ue cual$uier #ariación en las necesidades re$uiere de ajuste manual9 por ello fue $ue llegó la #ál#ula automática. %a #ál#ula automática de e7pansión, o de presión constante, $ue se #e en la figura IVF , mantiene una presión constante en el serpentín de enfriamiento mientras el compresor trabaja. En esta #ál#ula de e7pansión de presión constante tipo diafragma, la presión del e#aporador efect:a el mo#imiento del diafragma, al cual se fija el conjunto de la aguja. Es necesaria la estabilidad en el flujo de refrigerante y la e#aporación para $ue trabaje en forma correcta esta #ál#ula de e7pansión de presión constante.
Fig*ra R3-"" =ál#ula de e7pansión de presión constante. =ál#ula manual, su uso se limita a condiciones de cargas más o menos constantes en el e#aporador, caso $ue se aplica tambi'n en la #ál#ula automática de e7pansión. En ambas #ál#ulas hay un tornillo $ue presiona al resorte sobre el fuelle o diafragma. "uando se mue#e el tornillo en el sentido de las manecillas del reloj hace $ue haya más presión en el fuelle o diafragma y empuja la #ál#ula para $ue abra más, admita más refrigerante al e#aporador, y con ello se tenga mayor presión de operación. Bi desea menor presión de operación en el serpentín de enfriamiento, se libera la presión del resorte al hacer girar al tornillo en sentido contrario al de las manecillas del reloj9 en consecuencia, se afloja el fuelle o el diafragma. Esto permite $ue cierre la #ál#ula y se impide el flujo de refrigerante. Despu's de un ajuste, se debe permitir $ue pase el tiempo suficiente para $ue el dispositi#o de control se estabilice antes $ue se #uel#a a cambiar el ajuste. -ara una carga dada del serpentín e#aporador a donde #a el refrigerante, sólo hay un ajuste correcto de la #ál#ula automática de e7pansión) cuando se escarcha por completo el serpentín. Bi se disminuye la presión, habrá reducción del flujo del refrigerante y disminuirá la capacidad de absorción de calor del serpentín. Bi se ele#a la presión, aumentará el flujo de refrigerante y aumentará la posibilidad de $ue el refrigerante lí$uido inunde y llegue a tubo de succión, de donde podría al compresor y dañarlo. "omo las cargas de refrigeración no permanecen constantes, y no pueden estar presentes en toda instalación constantemente para hacer ajustes compensatorios, se desarrolló otro tipo de #ál#ula, la #ál#ula termostática de e7pansión. "omo la #ál#ula automática de e7pansión, la termostática puede ser del tipo de fuelle o de diafragma, la cual se muestra en la figura IVF4.
>mbas tienen un conjunto de tubo capilar y bulbo sensor, $ue transmite a la #ál#ula la temperatura del #apor de succión a la salida del serpentín del e#aporador, donde se fija el bulbo sensor. El objeto básico de la #ál#ula de e7pansión termostática es mantener un suministro amplio de refrigerante en el e#aporador, sin permitir $ue pase refrigerante lí$uido al tubo de succión y al compresor. "uando el dispositi#o medidor es una #ál#ula termostática de e7pansión, su funcionamiento depende del #apor sobrecalentado $ue sale del e#aporador, ya $ue algo del e#aporador sir#e para sobrecalentar al #apor hasta unos 2 4 !" sobre la temperatura $ue corresponde a la presión de e#aporación. El tubo capilar, $ue se basa en el principio $ue se acaba de describir, es la forma más sencilla de dispositi#o de control o medición de refrigerante, y en general es menos costoso. &o tiene partes mó#iles $ue se gasten o $ue necesiten cambiarse, por$ue es un tubo de pe$ueño diámetro y de longitud adecuada para la carga de refrigeración $ue debe manejar. Este dispositi#o de reducción de presión, como cual$uier otro, se coloca entre el condensador y el e#aporador, al final de la tubería de lí$uido, o en lugar de una tubería de lí$uido. En la figura IVF se muestra un capilar para control de refrigerante. %as #entajas de este control las acabamos de describir9 sin embargo, sus des#entajas son $ue está sujeto a taponamientos, $ue necesitan de una carga e7acta de refrigerante, y $ue no es tan sensible a los cambios de carga como otros dispositi#os de medición.
Fig*ra R3-"# =ál#ula termostática de e7pansión, tipo diafragma Fig*ra R3-"$ tubo capilar. %a superficie de su sección trans#ersal es tan pe$ueña $ue sólo se necesita una partícula diminuta para tapar el capilar, o una pe$ueña cantidad de humedad para $ue se congele dentro de 'l. Be debe instalar un secador y filtro o colador a la entrada del tubo capilar para e#itar la posibilidad de taponamiento.
Fig*ra R3-"3 (lotador del lado alta. ?n flotador del lado de alta, como su nombre lo indica, se coloca en el lado de alta presión del sistema. -uede ser de diseño y construcción #ertical u horizontal, y se
puede ubicar cerca ya sea del condensador o del e#aporador. En la figura IVFV se muestra un flotador normal del lado de alta. Bu diseño es tal $ue, a medida $ue se llena la cámara de flotador con refrigerante, el flotador sube y ele#a la aguja de la #ál#ula, separándola de su asiento. "on ellos pasa el refrigerante, o se mide, hacia el lado de baja presión del sistema y al e#aporador. "omo el flotador mediante el mecanismo de pi#ote, se ajusta para abrir a determinado ni#el sólo $ueda una pe$ueña cantidad de lí$uido en la cámara del flotador del lado de alta) la mayor parte del refrigerante del sistema está en el e#aporador. -or lo tanto, la carga del refrigerante del sistema es crítica, hasta el grado $ue sólo es deseable tener el refrigerante suficiente para mantener el ni#el adecuado de e#aporador y inundado, sin $ue lí$uido moje el tubo de succión y el compresor. Bi la carga es e7cesi#a, se tendrá inundación, mientras $ue si hay poca carga, al e#aporador le hará falta refrigerante y el sistema será ineficiente. ?n dispositi#o medidor de flotador de lado de baja es a$uel en el $ue el flotador está en el e#aporador, o en una cámara adyacente al serpentín de enfriamiento $ue está inundado y mantiene determinado ni#el de lí$uido dentro del e#aporador. Be fabrica en algo similar a la del flotador de alta, e7cepto $ue a medida sube el flotador cierra el flujo del refrigerante. En la figura IVFG se #e su acción) el lí$uido de alta presión está a la entrada de la cámara del flotador. "uando aumenta la carga en el e#aporador, se e#apora lí$uido y el ni#el del mismo en el e#aporador y en la cámara de flotación desciende. >l bajar el flotador, jala la aguja separándola de su asiento, permitiendo $ue entre más refrigerante hasta $ue se alcance el ni#el deseado.
Fig*ra R3-"= (lotador del lado de baja. Fig*ra R3-"6 =ál#ula de retención. Bi baja la carga en el e#aporador, habrá menos e#aporación y el ni#el de lí$uido se mantendrá9 El flotador hará $ue la aguja cierre contra su asiento. De este modo el flotador del lado de baja puede mantener el flujo correcto de refrigerante de acuerdo a las necesidades, y seg:n la carga #ariable. En general, no se puede usar el mismo dispositi#o de flotador si se desea cambiar de refrigerante en el sistema, debido a sus características de operación, por$ue los refrigerantes tienen diferentes gra#edades específicas, y cambian otras características. Be necesita tener un flotador con la flotabilidad correcta. ?na válvula de retención, como la $ue se #e en la figura IVF/, se usa a #eces para e#itar $ue la alta presión de un sistema o e#aporador se regrese a un e#aporador a menor presión, cuando en un sistema se tienen #arios serpentines trabajando a #arias presiones. Sambi'n se puede usar para e#itar una igualación de presiones cuando el sistema no est' en funcionamiento. Este tipo de #ál#ula abre con facilidad si el flujo es en la dirección
correcta, pero cierra en la dirección opuesta con ayuda de la tensión de un resorte o el peso de la misma #ál#ula interna.
Fig*ra R3-": =ál#ula solenoide. ?na válvula solenoide, o de accionamiento magn'tico, se usa con frecuencia en las tuberías de refrigeración. El principio de funcionamiento se e7plicará en un capítulo posterior. %a figura IVFA muestra un corte donde se #e la construcción interna de esa #ál#ula. "uando se desea cerrar el flujo de lí$uido de manera positi#a, para un ciclo de limpieza $ue permita poner en marcha al compresor sin carga, se instala una #ál#ula solenoide en la tubería de lí$uido antes del dispositi#o medidor. Bu funcionamiento está controlado por un termostato y un circuito el'ctrico o por #arios otros m'todos de accionamiento de #ál#ulas. %a mayor parte de esas #ál#ulas cierran por gra#edad y por el peso del 'mbolo y #ál#ula, cuando se interrumpe el circuito el'ctrico u otro medio de mantener abierta la #ál#ula.
R3-= TUBOS DE REFRIGERANTE
%as partes anteriores de este capítulo se han dedicado a la selección, balanceo y funcionamiento correctos de los componentes principales de un sistema de refrigeración. -ero, independientemente de lo bien $ue se hayan seleccionado y balanceado los anteriores, el funcionamiento del sistema depende de los medios de transportar al refrigerante, tanto en forma lí$uida como de #apor, de un componente a otro en el circuito de refrigeración. >l igual $ue se debe construir, dar ser#icio y mantener abierta una carretera entre dos poblaciones para dar acceso adecuado a los #ehículos $ue la tienen $ue usar, así la tubería de un sistema de refrigeración debe tener las dimensiones e instalación correctas para $ue no haya restricciones al flujo del refrigerante. El aceite de refrigeración, necesario para la lubricación adecuada de las partes mó#iles del compresor y del dispositi#o medidor, debe ser fácilmente miscible con el refrigerante lí$uido. El aceite pasará con el lí$uido, si el tubo de 'ste tiene las dimensiones adecuadas para $ue tambi'n pase el refrigerante a todo lo largo a una #elocidad correcta. Bi el sistema es sellado o auto contenido, es responsabilidad del fabricante el dimensionamiento y la instalación correcta de los tubos de refrigerante. -ero un sistema construido en el campo, donde se usen productos de di#ersos fabricantes, es problema y responsabilidad de la persona $ue diseñe el sistema completo y de las $ue instalen y conecten los componentes.
?n tubo de lí$uido demasiado estrecho o $ue tenga muchas restricciones 1cone7iones y codos3 podría causar con facilidad una caída de presión demasiado grande en el tubo, lo cual podría ocasionar p'rdida de capacidad del dispositi#o de reducción de presión, en comparación con la capacidad necesaria en el serpentín de enfriamiento. El dimensionamiento correcto de todos los tubos de refrigerante y las tablas $ue se deben usar en la selección de tubos para lí$uido, succión y gas caliente, se describen en el capítulo I. %os tubos a tra#'s de los cuales fluye el #apor de refrigerante son los más críticos, y son los tubos de succión y los de gas caliente o de descarga. %a #elocidad del #apor debe ser cuando menos 2 metros por minuto 1G piesYmin3 en los tramos horizontales, y mayor $ue 4 mYmin 1 piesYmin3 en los #erticales, para $ue se arrastre el aceite de refrigeración con el #apor y regrese al compresor. Bi los tubos son demasiados grandes, no se puede mantener la #elocidad deseada y puede ser $ue el aceite no regrese y al compresor se le agote su carga de lubricante. Bi el e#aporador está arriba del compresor, en general del aceite regresará al mismo por gra#edad, siempre y cuando la tubería no tenga subidas o trampas 1lugares bajos3. Bi el e#aporador está abajo del compresor, o cuando el condensador está a determinada distancia sobre el compresor, el #apor tener la #elocidad adecuada para arrastrar las gotitas de aceite con 'l. Be deben incluir trampas de aceite en la tubería, o bien podría necesitarse emplear tubos dobles si el control de capacidad del compresor #aría de acuerdo a las condiciones #ariables de carga. Estas medidas aseguran $ue a:n en caso de carga mínima, de a 2 de la capacidad nominal, el #apor de refrigerante tenga #elocidad adecuada para arrastrar al aceite con 'l -I<[%E;>B
R3-1. Dar los nombres de los cuatro componentes principales del ciclo de refrigeración -or compresión. R3-2. P"uáles son los m'todos $ue se usan con mayor frecuencia para compensar las -'rdidas por conducción debidas a una capa de aire $ue rodea los tubos del Berpentín de e#aporación8 R3-". P[ajo $u' condiciones deben instalarse serpentines de e#aporación sin Escarchamiento8 R3-#. P"uáles son algunos de los tipos de serpentines de enfriamiento $ue se usan para Enfriar lí$uidos8 R3-$. P"uáles son las tres clasificaciones principales de compresoras, por el m'todo de "ompresión8
R3-3. P"uáles son los dos tipos de lengketas de #ál#ulas para compresor alternati#o8 R3-=. P"uáles es la diferencia entre un compresor herm'tico y uno abierto8 R3-6. P"uáles son los dos tipos principales de compresores rotatorios $ue se usan en 'l "ampo de la refrigeración8 R3-:. P"uántas #ál#ulas se usan en la operación de compresión de un compresor "entrífugo8 R3-1@. P"uáles es el objeto principal del condensador8 R3-11. P"uáles son los tipos principales de condensadores8 R3-12. P"uáles son los tipos principales de dispositi#os de reducción de presión $ue s' ?san para controlar el flujo de refrigerante al e#aporador8 R3-1". P"uál tipo de dispositi#o de reducción de presión es el más sencillo8 P-or$u'8 R3-1#. P"uál es el objeto de una #ál#ula de retención8 R3-1$. P"uál es el objeto de una #ál#ula solenoide8
REFRIGERANTES R=-1 DEFINICIÓN %os refrigerantes son fluidos #itales para los sistemas de refrigeración tanto del tipo de compresión como del de absorción. >bsorben calor del lugar donde no se le desea y lo e7pulsan en cual$uier otro lugar. %a e#aporación o ebullición del refrigerante lí$uido absorbe el calor $ue se desprende en la condensación del #apor. "ual$uier sustancia $ue sufra cambio de fase pasando de lí$uido a #apor y #ice#ersa, puede trabajar como refrigerante en los sistemas tipo compresión de #apor. Bin
embargo, sólo las sustancias $ue sufren esos cambios a las temperaturas y presiones :tiles tienen #alor práctico.
R=-2 RE+ACION !RESIÓN-TE)!ERATURA Este tema se describió en la sección IF, pero debido a su importancia al tratar di#ersos refrigerantes, tambi'n lo describiremos a$uí. Sodos los lí$uidos tienen relaciones presiónFtemperaturas, pero son distintas para di#ersos lí$uidos. -ara ser más específicos, a las condiciones atmosf'ricas normales, el agua hier#e a !" 122 !(3, el refrigerante 2 a 2A.4 !" 1F2 !(3, el refrigerante 22 a 4 !" 1F4 !(3, etc. -ara fines de descripción de los principios de relaciones presiónFtemperatura, comenzamos con el lí$uido más com:n, el agua.
R=-" AGUA CO)O REFRIGERANTE El agua es el refrigerante más eficiente desde el punto de #ista de absorción de calor) A/ [tu por libra de agua e#aporada 144 "alYZg3. Sambi'n se le puede hace her#ir y producir temperaturas de refrigeración hasta de 4 !( 14 !"3 y durante alg:n tiempo se usó mucho en sistemas grandes de refrigeración en los $ue el producto era agua a 4 !" para acondicionamiento de aire y procesos. -ara comprender cómo se lle#a a cabo esto, el lector sólo necesita recordar $ue un sistema de refrigeración trabaja *controlando el punto de ebullición del refrigerante. -ara hacer $ue el agua absorba calor y hier#a, sólo es necesario bajar el punto de ebullición lo suficiente debajo de la temperatura de la $ue se #a a sacar el calor 1la de la fuente de calor3, para obtener una #elocidad deseada de transferencia los capítulos de calor. En siguientes se describirá cómo se lle#a a cabo esto.
Fig*ra R3=-1 "ur#a de presiónFtemperatura para el agua. Bi, por ejemplo, deseamos sacar calor de un aceite a !( 1 !"3 y el diseño del e$uipo re$uiere de una diferencia de temperatura >S entre la temperatura del aceite y la del refrigerante 1agua3, necesitamos $ue el punto de ebullición del agua sea 4 !( 1 !"3. P]u' presión debemos mantener en el agua para obtener este punto de ebullición.
R=-".1 C*ra de re&in-'emera'*ra %a figura IGF muestra una cur#a presiónFtemperatura para el agua. Esta cur#a es una gráfica de los puntos de ebullición del agua di#ersas presiones aplicadas. "on esta cur#a, podemos determinar $ue para obtener un punto de ebullición de 4 !(, necesitamos encontrar 4 !( en la escala #ertical de la iz$uierda, *punto de ebullición del agua, mo#ernos hacia la derecha por la línea de 4 !( hasta alcanzar la cur#a
presiónFtemperatura. En este punto, recorremos la gráfica hacia abajo a lo largo de las líneas #erticales de las presiones, y llegamos a lo $ue parece ser 2A +g en la zona de #acíos. %o malo de usar una cur#a de este tipo para el agua es la ine7actitud en $ue se incurre en las zonas de menores temperaturas, debido al gran cambio de puntos de ebullición $ue se tienen con un cambio muy pe$ueño de la presión aplicada.
R=-".2 Ta>(a de re&in-'emera'*ra ?n modo más e7acto de presentar la relación temperatura presión es mediante una tabla. %a figura IGF2 muestra la tabla para el agua. >l recorrer la columna de la temperatura y llegar al punto deseado de 4 !( y a continuación leer lo $ue aparece en la columna de la presión, #emos $ue la presión aplicada $ue se desea es 2A.VG +g de #acío.
R=-"." De&en'aa& de( ag*a como refrigeran'e -ara recuperar el #apor de agua y #ol#erlo a usar en el sistema de refrigeración, es necesario ahora ele#ar la temperatura de condensación del #apor a un ni#el suficientemente alto sobre la temperatura del material $ue absorbe el calor 1el suministro de calor3 para hacer $ue la tasa de intercambio de calor sea lo suficientemente alta para lle#ar a cabo esta tarea. Bi suponemos $ue #amos a pasar calor al agua G !( 1/ !"3 y $ue #amos a tener una diferencia de temperatura 1>S3 de 2 !( 14 !"3 entre la temperatura del sumidero de calor y la de condensación del agua, P$u' presión de condensación necesitamos mantener8 ?n sumidero de calor a G !( más 2 !( de >S es una temperatura de condensación de !( 1/ !"3. En la tabla de presiónFtemperatura #emos $ue lo $ue se necesita es un #acío de 2/ +g. De lo anterior llegamos a la conclusión $ue el sistema completo de refrigeración trabaja al #acío, o a presión inferior a la atmosf'rica. "on estos límites de presión de operación se hace muy difícil mantener el sistema herm'tico a los escapes y se necesita mucho mantenimiento. "omo resultado de ello, el uso de agua como refrigerante tu#o corta #ida.
R=-# REFRIGERANTE DE A!+ICACIÓN GENERA+ Be puede decir $ue no hay refrigerante *uni#ersal. "omo la refrigeración mecánica se emplea para di#ersas temperaturas, algunos refrigerantes son adecuados para refrigeración a alta temperatura, como por ejemplo, climatización9 otros trabajan a
menores temperaturas, como los $ue se usan para almacenamiento de productos, procesos de congelación y aplicaciones donde se necesitan temperaturas a:n menores. %a selección de un refrigerante para determinar aplicación depende de propiedades $ue no relacionan con su capacidad de eliminar calor9 por ejemplo de su to7icidad, inflamabilidad, densidad, #iscosidad y disponibilidad. >sí, la selección de un refrigerante para determinado objeto es un e$uilibrio entre propiedades contradictorias. Desde los primeros días de la refrigeración se han usado muchos refrigerantes. %a e7perimentación, in#estigación y pruebas siguen toda#ía con #arias sustancias $uímicas, o compuestos y mezclas de sustancias $uímicas. Be han usado, a tra#'s del tiempo, aire, butano, cloroformo, 'ter, propano, agua y otros compuestos orgánicos e inorgánicos. El amoniaco es uno de los refrigerantes antiguos, $ue se tienen en plan de reser#a. Be usó en algunos de los primeros e$uipos, y se contin:a empleando en algunas de las unidades comerciales e industriales más grandes. El amoniaco necesita del empleo de e$uipo mucho más robusto $ue el necesario para algunos de los demás refrigerantes $ue se usan hoy día. El dió7ido de azufre y el cloruro de metilo se usaron mucho durante alg:n tiempo en refrigerantes dom'sticos y en unidades comerciales pe$ueñas de condensación. Debido a su to7icidad e inflamabilidad, la mayor parte de los sistemas $ue usaban esos refrigerantes se han cambiado o se están cambiando a medida $ue se deterioran. El dió7ido de azufre 1anhídrido sulfuroso3 fue, y toda#ía es, un refrigerante bastante estable, no e7plosi#o y no inflamable. Siene un olor e7tremadamente irritante y desagradable $ue, si se presentara una fuga en el sistema, se notaría y se localizaría con facilidad. Bin embargo, debido a su to7icidad, hasta una fuga pe$ueña puede ser noci#a para $uien se encuentre cerca del e$uipo, y se sabe $ue este gas es perjudicial para los arbustos y otros tipos de plantas. El cloruro de metilo emite un #apor con olor dulce cuando se pone en contacto con la atmósfera9 es muy distinto al del dió7ido de azufre, pro tambi'n es tó7ico. %a inhalación de bastante #apor ocasiona síntomas semejantes a los originados por los anest'sicos. >un$ue no se considera noci#o para los flores o las plantas, es un refrigerante moderadamente. Beg:n el informe ;+F2G de ?nderOriters %aboratory, sus límites e7plosi#os en el aire son de /. a G.2 en #olumen. "on el descubrimiento de otras sustancias y compuestos $uímicos, se e#aluaron las #entajas y des#entajas de cada uno de los refrigerantes $ue se usaban. +oy se tienen en cuenta las características de los di#ersos refrigerantes, desde el punto de #ista tanto físico como $uímico. %a disponibilidad y costo de cada refrigerantes es tambi'n de mucha importancia. %as características y propiedades de #arios refrigerantes se pueden encontrar en el >p'ndice, en las Tablas y gráfica de refrigerante . Estos datos se presentan con autorización de (reon -roducts Di#isión, E.
0. du -ont de &emours "o., 0nc. En este capítulo se mostrarán algunos datos de los refrigerantes más usados, en gráficas y tablas.
& del S.) ?nderOriters %aboratory es una institución en Estados ?nidos dedicada a determinar propiedades, elaborar normas y emitir dictámenes, entre otras cosas, para compañías aseguradoras en ese país.
El sistema actual $ue se usa para numerar los refrigerantes fue desarrollado por la Du -ont "ompany, primera empresa en #ender muchos de los nue#os refrigerantes. >l principio se usaba la letra ( 1$ue $uiere decir (reon, marca registrada de Du -ont3, precedida por #arios n:meros. Despu's, a medida $ue entraron en escena otros productores de refrigerantes halocarbonados, Du -ont puso su sistema de numeración al alcance de toda la industria. "omo resultado de ello, hoy los refrigerantes se identifican con una I, o n:mero de refrigerante, como IF2, IF22, etc. El sistema de numeración se describe en la norma 4FVG de la >B+I>E 1>merican Bociety of +eating, Iefrigerating and >irF"onditioning Engineers3, $ue la ha adoptado el >merican &ational Btandards 0nstitute como norma E&B0 [GAFVG. -ara los fines de este capítulo, sólo la parte del sistema $ue describe los refrigerantes más comunes es la $ue se usará. ]uienes deseen mayores informes acerca de los di#ersos refrigerantes pueden consultar la norma $ue acabamos de citar. -ara seleccionar y emplear un refrigerante en un proyecto específico y especializado, se deben tener en cuenta las siguientes características)
1. -ropiedades $uímicas a. 0nflamabilidad >. E7plosi#idad c. So7icidad d. Estabilidad 2. -ropiedades (ísicas a. -unto de ebullición >. -unto de congelación c. =olumen específico d. Densidad e. -resión crítica f. Semperatura "rítica g. "alor latente de e#aporación L. ;iscibilidad i. Detección de fugas R=-$ INF+A)ABI+IDAD , EJ!+OSIIDAD "uando un sistema trabaja en forma satisfactoria, no hay necesidad de preocuparse por el refrigerante $ue tiene dentro. Bin embargo, si se presentara un incendio en la
cercanía de cual$uier componente del sistema, hay peligro de $ue pueda e7tenderse y e7iste la posibilidad de una e7plosión si un refrigerante con propiedades desfa#orables escapa por tubos rotos. Bi se presenta una fuga o si se deben hacer reparaciones a alg:n componente, se deben tener en cuenta la inflamabilidad y la e7plosi#idad posibles, así como la to7icidad del refrigerante. >un cuando el sistema se pueda #aciar y todo el refrigerante del recibidor condensador, las soldaduras $ue sea necesario hacer en la reparación o cambio de un componente, pueden ser peligroso si hay el #apor suficiente dentro de los tubos de cone7ión, por el peligro del calor de la flama del e$uipo de reparación. %os hidrocarburos refrigerantes 1llamados tambi'n refrigerantes hidrocarbonados incorrectamente3, entre los cuales se encuentran el butano 1IFV3, el etano 1IFG3 y el propano 1IF2A3 son todos muy inflamables y e7plosi#os. Be debe tener el cuidado adecuado con las flamas abiertas cerca de un sistema en el $ue se use cual$uiera de esos refrigerantes. %os refrigerantes de hidrocarburos halogenado 1llamados tambi'n refrigerantes halocarbonados 3, se consideran no inflamables, pero algunos se #uel#en tó7icos por la acción del fuego. Entre ellos están el triclorofluorometano 1IF3, el diclorodifluorometano 1IF23, y el monoclorodifluorometano 1IF223. El IF2, $ue es un refrigerante azeótropo, es una mezcla de 4/./ de IF22 y .2 de IF 1cloropentafluorometano3, y es no inflamable. +ay algunos nombres $uímicos de *trabalenguas para algunos de los refrigerantes, y se consiguió cierto ali#io cuando se desarrolló un sistema de numeración, $ue actualmente se usa con más frecuencia, en lugar de los nombres $uímicos. %a marca de $uien fabricó el refrigerante en general #a al principio, y sigue el n:mero del refrigerante, pero en la práctica general, el n:mero está precedido por la palabra Refrigerante, o tan sólo por una I.
R=-3 TOJICIDAD %a institución ?nderOriters %aboratories ha lle#ado a cabo e7tensas pruebas para determinar la to7icidad de todos los refrigerantes. &o inter#inieron seres humanos en estas pruebas9 en general los cuyos de laboratorio acusan rápidamente los efectos de inhalar gases y #apores tó7icos. El aire es la e7cepción a la regla de $ue todas las sustancias gaseosas son, hasta cierto grado, tó7icas. Desde luego, hay #arios grados de to7icidad. El dió7ido de carbono lo e7halamos al respirar, y por lo tanto es inocuo para los seres humanos hasta determinada concentración en la atmósfera $ue les rodee. Bin embargo, una persona $ue se e7ponga a una atmósfera con / a de dió7ido de carbono, o más perdería rápidamente el conocimiento. %as pruebas efectuadas por los ?nderOriters %aboratories fueron para el tipo de compuesto o sustancia $uímica, el porcentaje del #apor $ue se probó en la atmósfera dada, y la duración de e7posición del animal a la mezcla. %os ?nderOriters
%aboratories han desarrollado una clasificación num'rica $ue #a del al V. El n:mero más bajo es para el refrigerante menos tó7ico. %a figura IGF es una lista de la clasificación de los refrigerantes y de la concentración y duración de la e7posición $ue produce lesiones gra#es.
Fig*ra R=-" "lasificación de los ?nderOriters %aboratories para peligro de muerte por gases y #apores.
Crupo 2
4 V
%imitaciones "oncentración de gases o #apores de . a durante unos min pueden -roducir lesiones gra#es o la muerte. "oncentraciones de gases o #apores De . a durante unos min. fueF den producir lesiones gra#es o la muerte. "oncentraciones de gases o #apores de 2 a 2. durante hora pueden produF cir lesiones gra#es o la muerte. "oncentraciones de gases o #apores de 2 a 2. durante unas 2 horas pueden -roducir lesiones gra#es o la muerte. Cases o #apores $ue son menos tó7icos $ue los del grupo 4, pero más tó7icos ]ue los del grupo V. "oncentraciones de gases o #apores de un 2 durante períodos de unas 2 horas aparentemente no producen lesiones.
Iefrigerante
R=-=
!RESIÓN , TE)!ERATURA CRITICAS
Sodo refrigerante, sea un solo elemento, un compuesto o una combinación de elementos, tiene entres sus características una presión y una temperatura arriba de las cuales no podrá estar en forma de lí$uido, sin importar $u' tanto se aumente la presión. Este punto corresponde a la presión crítica y la temperatura crítica del refrigerante. En la figura IGF4 se muestran algunas propiedades críticas. %as presiones y temperaturas $ue se #en en esa figura $uedan muy por encima de las $ue se pueden encontrar en el condensador. Estos refrigerantes son estables $uímicamente entre los límites especificados.
Fig*ra R=-# -resiones y temperaturas críticas de algunos refrigerantes. -resión crítica Iefrigerante 1psia3 IF2 IF22 IF2
AV.A G2.A A
Semperatura crítica 1!(3 2.V 24./ GA.A
&o tienen tendencia, en condiciones normales, a reaccionar con cual$uiera de los materiales $ue se usan en la fabricación de los componentes del sistema de refrigeración, ni tampoco se descomponen $uímicamente. Bi el refrigeración de un sistema fuera inestable, rápidamente se #ol#ería in:til, por$ue una reacción $uímica cambiará las características o propiedades del refrigerante. %a descomposición de un refrigerante origina la presencia de gases incondensables, $ue pro#ocan la presencia de altas presiones y temperaturas dentro del sistema, o de lodo $ue puede originar problemas mecánicos.
R=-6 !RO!IEDADES FSICAS Dijimos antes $ue un refrigerante absorbe mucho más calor cuando pasa del estado lí$uido al #apor, $ue cuando absorbe calor siendo lí$uido o siendo #apor. -or lo tanto,
es de gran importancia el punto de ebullición de un refrigerante, por$ue se debe e#aporar con facilidad debajo de la temperatura a la $ue se tiene $ue enfriar el espacio p producto. %os refrigerantes $ue no tienen un punto de ebullición relati#amente bajo necesitan $ue el compresor se trabaje a un alto #acío. Esto podría causar una disminución de la capacidad y eficiencia del sistema. El punto de congelación del refrigerante es otra propiedad importante, en especial con las temperaturas e7tremadamente bajas, por$ue esta temperatura debe ser lo suficientemente más baja $ue cual$uier temperatura pre#ista en el e#aporador. El calor latente del refrigerante $ue se escoja es, en general, alto, lo cual es una característica deseable para los sistemas de gran capacidad. "uando el calor latente es alto, se hace circular menos refrigerante por cada ton de efecto refrigerante obtenido, y se puede emplear un compresor de menor caballaje. En sistemas de baja capacidad, el empleo de un refrigerante con un bajo contenido de calor necesita de más circulación de refrigerante en comparación de uno cuyo refrigerante tenga mayor calor latente. El primer refrigerante hará tambi'n $ue sea más fácil el control del sistema, por$ue se necesitan dispositi#os de control menos sensibles en un sistema por donde circule una gran cantidad de refrigerante. %a densidad y el #olumen específico de un refrigerante son dos propiedades cuya relación es recíproca. >l comparar los refrigerantes para di#ersas aplicaciones, se deben tener en cuenta sus #entajas y des#entajas. -ara utilizar tubos de menor diámetro para los refrigerantes de debería emplear un refrigerante con alta densidad o bajo #olumen específico. %a construcción de ese sistema cuesta menos, así como su instalación. En algunas instalaciones comerciales, donde hay mucha altura entre los componentes del sistema, puede ser con#eniente usar un refrigerante con baja densidad y alto #olumen específico. En esos sistemas se necesita menos presión para hacer circular al refrigerante a tra#'s de los componentes y tubería. %as sustancias $ue se comparan deben tener una relación mutua en determinado punto. %os tres refrigerantes de la figura IGF se comparan en estado #apor a !( 1F !"3.
Fig*ra r=-$ "omparación entre #apores de refrigerantes a !(.
=<%?;E& EB-E"0(0"<
DE&B0D>D
Iefrigerante
1pieYlb3
1lbYpie3
IF2 IF22 IF2
.4V .24 ./2
.V/ ./ .2
%a figura IGFV da una comparación del #olumen específico y la densidad de los tres refrigerantes mismo, en estado lí$uido a/V !( 1 !"3. %a temperatura de !( y IGF y IGFV se clasifican como temperaturas base, estándar o de norma, en el >B+I>E +andbooN of (undamentals.
Fig*ra R=-3 "omparación entre refrigerantes lí$uidos a /V !(. =<%?;E& EB-E"0(0"<
DE&B0D>D
I efrigerante
1pieYlb3
1lbYpie3
IF2 IF22 IF2
.24 .V .
/.VG G.2G/ GV.
?na característica $ue tambi'n es importante en un refrigerante, es su baja solubilidad o miscibilidad con aceite, pero si es demasiado baja tambi'n puede originar problemas. %a solubilidad o miscibilidad es la capacidad $ue tiene el refrigerante en estado lí$uido para mezclarse con el aceite necesario para lubricar las partes mó#iles del compresor. El aceite #a a circular del condensador al recibidor con un refrigerante altamente soluble, pasando por la tubería de lí$uido y el dispositi#o medidor para llegar al e#aporador. -ero como el refrigerante se e#apora en el e#aporador, se presenta otra situación, por$ue el aceite y el #apor de refrigerante no se mezclan con facilidad. El aceite $ue circula por el sistema puede seguir adelante hacia el compresor sólo si el #apor se mue#e con la suficiente rapidez como para arrastrar al aceite con 'l, por el tubo de succión hasta el cárter del compresor. Bi los tubos de #apor, sean el de succión o el de gas caliente, corren en dirección horizontal, se acostumbra a dimensionarlos de modo $ue el #apor #iaje a una #elocidad no menor $ue G pies por minuto 12 mYmin. "uando el #apor #a por un tubo #ertical
hacia arriba, su #elocidad no debe ser menor $ue , piesYmin 14V mYmin3 para asegurar $ue el aceite tambi'n sea arrastrado hacia arriba. Este es el caso, por ejemplo, cuando el e#aporador está colocado en alg:n lugar abajo del compresor o la unidad de condensación. "uando se usaban amoniaco o dió7ido de azufre, la detección de fugas era bastante fácil, ya $ue sus olores peculiares los percibe cual$uiera. Bin embargo, el confiar sólo en el olor para localizar fugas de esos refrigerantes puede ser decepcionante y a la #ez peligroso. %as fugas de amoniaco en un condensador enfriado por agua se pueden confirmar empleando papel tornasol, o de medición de -+, sumergido en el agua de salida del condensador. %as fugas en el resto del sistema se pueden localizar con el empleo de una bujía de azufre $ue, cuando se enciende, produce una nube blanca de humo cuando hay presencia de humos o #apores de amoniaco. > la in#ersa, los escapes en un sistema $ue use dió7ido de azufre como refrigerante se localizan empleando un trapo mojado con una solución de amoniaco y agua a un 2 apro7imado de concentración. Be formará una nube de humo blanco cuando el trapo se acer$ue al escape de dió7ido de azufre en el sistema. "on frecuencia, para localizar una fuga donde hay mucho #apor en el aire, se frota jabonadura en la zona sospechosa. "uando el sistema toda#ía está a presión, se formará burbujas en el lugar de la fuga. Este m'todo de detección no se debe usar si una parte del sistema está #acío, por$ue el jabón y el agua pueden succionarse y entrar al sistema. %a figura IGFG muestra un detector de fugas de halógeno, $ue se ha empleado con '7ito en sistemas de refrigerantes halogenados durante #arios años. Este detector de fugas consta de dos partes principales) el cilindro $ue contiene un gas, y la unidad detectora. El principio $ue se usa es $ue se succiona aire por la manguera de b:s$ueda, y pasa por una placa reactora de cobre $ue se ha calentado al rojo con la flama de gas. "uando se manipula la manguera de b:s$ueda de tal manera $ue se ponga en contacto con #apor de refrigerante $ue se escapa, dicho gas se succiona en la manguera. >l pasar a estar en contacto con la flama y la placa de reacción, el color de la misma cambia a un #erde azulado o #ioleta. -ara la mayor parte de las fugas, este detector trabaja en forma satisfactoria. Bin embargo, no es tan sensible como los detectores electrónicos de fugas $ue se #en en las figuras IGF/ o IGFA. Este tipo de detector es capaz de descubrir fugas tan bajas como gramos por año.
Bu uso ha ido en aumento aumento en el campo debido a su sensibilidad. sensibilidad. Sambi'n se consigue como unidad operada por baterías. baterías. >lgunas unidades tienen tienen un ajuste doble de control) un selector >ltoF[ajo y además una aguja de balanceo para control. El detector contiene una bomba interna $ue succiona aire pasándolo por el sensor y por la manguera de tubo.
Fig*ra R=-6 Detector Detector elect electrónico rónico de fugas. fugas. 1"ortesía 1"ortesía de de Iobinair Iobinair ;anufactu ;anufacturing ring "orporation.3 Fig*ra R=-: Detector electrónicos electrónicos de fugas. fugas. 1"ortersía de Iitchie Iitchie Engineering Engineering "o., 0nc.3
Bi hay algo de gas halogenado en el aire $ue pasa por los electrodos del elemento sensible, sensible, destellará destellará una señal interconstru interconstruida. ida. %a frecuencia frecuencia del destello aumentará aumentará depe depend ndie iend ndoo de la conc concen entr trac ació iónn del del refr refrig iger eran ante te en el aire aire.. Bi hay hay much muchaa concen con centra tració ción, n, el orige origenn de la fuga fuga se pue puede de locali localizar zar con e7acti e7actitud tud emplea empleando ndo adecuadamente adecuadamente el selector >ltoF[ajo y tambi'n el control de balanceo. Este tipo detector de fugas se puede modificar para producir una señal audible cuando haya fugas. En la actualidad, la mayor parte de las unidades son montadas en una caja, tipo bombeo para corriente alterna o directa, o bien son unidades manuales. +ay muchas unidades $ue tienen calibración automática automática o manual. %a unidad $ue se #e en en la figura IGF/ tiene una punta nue#a $ue minimiza el principal dolor de cabeza $ue originan los detectores de fugas. %a punta ya no no necesita tener tener filtros. Bi una gota de agua se pone en la corona de la punta, tan sólo agítela para desprenderla y la unidad #ol#erá a trabajar. trabajar. PBe ensució la punta8 %á#ela %á#ela con sol#ente $ue se pueda pueda e#aporar y s'$uela. -I<[%E;>B
R=-1. Describir el papel principal de un refrigerante. R=-2. El calor $ue absorbe un refrigerante $ue se e#apora se llama ^^^^^^^^^^^^^. ^^^^^^^^^^^^^. R=-". PEn cuáles dos categorías se pueden clasificar las propiedades de un refrigerante8 R=-#. PDe $u' color arderá la flama de un soplete de halógeno cuando se haya refrigeF rantes halogenados8 halogenados8 R=-$. P]u' detectores de fugas se pueden usar en #ez de un soplete de halógeno8
R=-3. %os cilindros de refrigerante nunca deben llenarse a más del ^^^^^^^^^^^^^^^ de su #olumen. R=-=. %os cilindros de refrigerante no deben calentarse a una temperatura mayor $ue ^^^^^^^^^^^^ ^^^^^^^^^^^^^^^^^ ^^^^^ !(. !(. R=-6. P"uáles son los colores $ue identifican al IF2, IF22 y IF28 R=-:. "on la tabla de bolsillo de presiónFtemperatura, encuentre la presión necesaria -ara mantener un punto de ebullición de 4 !( en un e#aporador, empleando empleando IF 22. R=-1@. P"uáles es la temperatura de condensación condensación en un sistema de refrigeración $ue ?sa IF2 y trabaja a una presión de descarga de 4V./ psig8
SISTE)AS DE REFRIGERACIÓN 1. 2. ". #. $. 3. =.
-or e#aporación natural -or absorción -or mezcla friog'nicas -or hielo de agua o "< 2 -or compresión mecánica -or e#aporación forzada de agua -or efecto termoel'ctrico.
%os anteriores sistemas se diferencian en el procedimiento y medios utilizados pero todos se basan en el principio físico llamado EA!ORACIÓN DE EBU++ICIÓN.
1. REFRIGERACIÓN REFRIGERAC IÓN !OR EA!ORACIÓN EA!ORACIÓN NATURA+ NATURA+ Iefrigeración por E#aporación &atural "onsiste en el enfriamiento $ue e7perimenta el agua contenida en una #asija cerrada y porosa por la e#aporación de gotas de agua $ue filtran por lo poros del recipiente, depositándose en su parte e7terior. El calor re$uerido para está e#aporación se obtiene del agua del recipiente9 al perder calor el agua se se produce el efecto efecto del refrigerante. Este sistema de refrigeración es el más antiguo $ue se conoce.
2. REFRIGERACIÓN !OR ABSORCION
>bsorción) Es una sustancia sustancia gaseosa gaseosa en la masa de de una sustancia sustancia lí$uida. lí$uida. >dsorción) Es la retención retención de una sustancia gaseosa gaseosa sobre sobre la superficie superficie de una sustanF cia sólida.
A)ONIACO 7GAS9
AGUA 7+IUIDO9
A)ONIACO 7GAS9
C+ORURO DE !+ATA !+ATA 7SÓ+IDO9
>[BDB&orcin ) sólidos y lí$uidos, lí$uidos, siendo este :ltimo el el más popularizado. popularizado. "om:nmente se utiliza como sustancia absorbente el agua y como gas refrigerante el amoníaco. . En'rada de ag*a CONDENSADOR
EA!ORADOR
El proceso de enfriamiento por absorción consiste en calentar una solución concentrada de amoníaco en el generador para liberar el amoníaco, $ue se desprende en forma de #apor de alta presión. Este #apor pasa al condensador condensador donde se licua por enfriamiento enfriamiento de agua. El amoníaco lí$u lí$uid idoo pasa pasa al e#ap e#apor orad ador or dond dondee se #apo #apori riza za abso absorb rbie iend ndoo calo calorr del del medi medioo y produciendo frío9 luego pasa pasa al absorbedor, absorbedor, donde los #apores #apores da amoníaco se disuel#en disuel#en en el agua formándose la solución $ue regresa al generador. generador. "ompletándose "ompletándose así el ciclo.
". REFRIGERACIÓN !OR )EPC+AS FRIOGENICAS "uando se mezcla agua o hielo triturado con distintas sales o ácidos se alcanzan disminuciones notorias de temperatura. %a mezcla más conocida es la del hielo o nie#e con sal com:n, con la cual se obtiene una temperatura de 2 !". Este m'todo fue empleando en la fabricación casera de helados, pero lo costoso e inseguro del proceso, como el de la demás mezcla friog'nicas, lo hacen inaplicable para mantener el enfriamiento en las ne#eras. En tabla siguiente se indican algunas mezclas friog'nicas y el descenso de temperatura $ue producen.
-roductos
-artes
Descenso de temperatura
Bulfato sódico ................................................ _cido sulf:rico 1V [3 ..................................
2 V
/!
>gua ............................................................. &itrato potasio ............................................. "loruro amoniaco .......................................
2!
>gua ............................................................. &itrato ...........................................................
V!
>gua .............................................................. "loruro amoniaco .......................................... &itrato potásico ............................................. Bulfato sódico ................................................
V /
Bulfato sódico ................................................ _cido clorhídrico ...........................................
/
G!
&ie#e o hielo machacado................................ -otasa ............................................................
4
/!
V!
>gua ............................................................. &itrato amoniaco ........................................... "arbonato sódico ..........................................
&ie#e o hielo machacado................................ Bal marina ....................................................
2
&ie#e o hielo machacado............................... Bal marina .................................................... "loruro amoniaco ........................................
2
24!
Bulfato sódico .............................................. &itrato amoniaco ......................................... _cido nítrico ................................................
V 4
2A!
&ie#e o hielo machacado ............................. Bal marina ................................................... &itrato amoniaco .........................................
2
!
&ie#e o hielo machacado............................. "loruro de calcio cristalizado.....................
4
A! 2!
4/!
#. REFRIGERAION !OR QIE+O
IE(I0CEI>"0 DE +0E%<
Este sistema utilizando a:n en algunas zonas, no es com:n en nuestro medio sal#o para los carritos e7pendedores de helados y bebidas refrescantes. Rltimamente se ha e7tendido la utilización de hielo seco 1gas carbónico helado "< 2F3 para la refrigeración de los camiones y #agones frigoríficos $ue transportan alimentos $ue se descomponen fácilmente. "on el hielo seco se obtiene más bajas temperaturas $ue con el hielo de agua y un mayor almacenamiento de energía frigorífica ya $ue cada Nilogramo de hielo seco re$uiere para su sublimación 1paso del estado sólido al gaseoso3, Nilocalorías. >un$ue el costo del hielo seco es unas #eces mayor $ue el hielo de agua, su mayor poder refrigerante lo hace económicamente aceptable para el transporte de alimentos refrigerados.
$. REFRIGERACIÓN !OR CO)!RESIÓN )ECANICA En los demás sistemas de refrigeración en 'ste se construye con base, el sistema mayor en t'rmicas fundamentales.
19 %os fluidos absorben calor mientras pasan del estado lí$uido al gaseoso y emiten calor cuando cambian de gas a lí$uido. 29 %a temperatura es constante durante el cambio de estado pero #aria directamente con la presión. "9 El calor siempre fluye de los cuerpos calientes a los cuerpos fríos. 1De cuerpos a mayor temperatura hacia cuerpos a menor temperatura3. #9 %a energía t'rmica y otras formas de energía son intercon#ertibles. El ciclo de refrigeración comprende) EB]?E;> DE% B0BSE;> DE I(I0CEI>"0<& ;E">&0">
19 >spiración 1por el compresor3 del gas a baja presión, pro#eniente del e#aporador. 29 "ompresión del gas refrigerante por el compresor. "9 En#ió al condensador del gas refrigerante a alta presión. #9 "ondensación del gas refrigerante en el condensador con desprendimiento de calor. $9 >lmacenamiento del lí$uido refrigerante en el colector o depósito de lí$uido. 39 Disminución de la presión del lí$uido refrigerante en la #ál#ula de e7pansión. %a e#aporación del refrigerante en el e#aporador con absorción de calor y productos. El e$uipo de refrigeración consta de dos partes principales) F%>DH> $ue comprende) 1. E7pansión. 2. Iespiración del compresor. ". -resión, accesorios y controles.
FD%S> $ue comprende) 1. =ál#ula de descarga del compresor. 2. "ondensador. ". Ieceptor o depósito de lí$uido. #. %ínea de lí$uido, accesorios y controles.
3. REFRIGERACIÓN !OR A!ORIPACIÓN FORPADA DE AGUA Este sistema emplea salmuera como medio refrigerante9 es #entajoso donde haya #apor caliente 1#apor motriz3 a una presión entre y atmósferas y agua suficiente.
REFRIGERACIÓN !OR A!ORIPACIÓN FORPADA DE AGUA
El ciclo comprende esencialmente) -or el eyector 1V3 $ue tiene #arias toberas 1G3, sale #apor caliente a gran #elocidad pro#eniente de una fuente e7terior 13 con lo cual el #apor frío del e#aporador 143 es aspirado y comprimido en el condensador 1A3 pasando antes por el difusor 1/3. Debido a la baja presión del e#aporador 1. atm.3, la salmuera 1V3 se e#apora e7pande y enfría así al resto de la misma, $ue una #ez enfriada se impulsa por medio de la bomba 13 al serpentín del refrigerador 13 donde se produce el efecto frigorífico deseado saliendo luego al recipiente de salmuera 123 cuyo objeto es asegurar herm'ticamente al aire en la cual termina el ciclo #ol#iendo a repetirse el proceso. UNIDAD DE REFRIGERACIÓN TER)OE+CTRICA
%as termocuplas están formadas por semiconductores del tipo & 1neutros3 unidos a los del tipo - 1positi#os3 por medio de placas de cobre cuyos e7tremos están a la misma temperatura por lo cual no tienen efecto termoel'ctrico apreciable. Este sistema de refrigeración es ampliamente utilizado en los laboratorios biológicos por su tamaño reducido, la ausencia de partes mó#iles, la producción rápida de frío y la facilidad de controlar y obtener las condiciones refrigerantes re$ueridas.
6. REFRIGERACIÓN TER)OE+CTRICA Be basa en el efecto frigorífico producido en las corrientes de un compuesto por dos mezclas diferentes, llamado termocupla $ue da una corriente el'ctrica. "omo en la electricidad son distintas formas de energía, por un adecuado tienden a con#ertirse una en otra. >sí al sumergir un e7tremo de la termocupla "obreF&í$uel en agua hir#iendo y el otro en hielo, fluye una corriente el'ctrica por los alambres $ue la forman9 este fenómeno se denomina efecto BEE[E"Z. Sambi'n se obser#a $ue si por una termocupla se hace circular una corriente el'ctrica, una de las uniones absorbe calor mientras la otra lo cede9 este fenómeno se denomina efecto -E%S0EI y es el utilizado en refrigeración. El mayor efecto refrigerante se obtiene con materiales $ue re:nen las siguientes condiciones)
1. [uen conductor para e#itar p'rdidas por resistencia. 2. ;al conductor t'rmico pues el calor debe ser absorbido en un e7tremo y cedido en el otro. ". [uena potencia termoel'ctrica para $ue produzca un cambio alto de #oltaje con la temperatura.
DIAGRA)A DE !RESIÓN-ENTA+!IA
7o DE )O++IER9 "omo ya hemos mencionado en este capítulo, un ingeniero en diseño re#isa cuidadosamente los datos del refrigerante en forma de gráficas y tablas antes de seleccionarlo para una instalación determinada. Esta información puede presentarse gráficamente en forma de diagrama, de ;ollier o de presiónFentalpía. En ellos s' grafican la presión absoluta y la entalpía. >un$ue estos diagramas pueden parecer complicados, realmente no son difíciles de entender. Bir#en como una herramienta #aliosa para analizar y comprender el funcionamiento de la refrigeración. En la misma forma $ue un chofer utiliza un mapa de carreteras para proyectar un #iaje, el ingeniero en diseño puede utilizar el diagrama de ;ollier para graficar los ciclos de refrigeración.
TABLA 6-5. PELIGROS POTENCIALES DE LOS REFRIGERANTES DE
F+UOROCARBÓN
Condicin Sa(ag*arda %os #apores pueden descompoF nerse al entrar en contacto con flamas o con superficies calienF tes.
!e(igro o'encia(
0nhalación de productos en descomF posición tó7ica.
[uena #entilación. %a descomposición tó7ica de productos sir#e como ad#erF tencia.
=apores $ue son 4 o #eces más %a inhalación de #apores concentraF pesados $ue el aire. %as altas conF dos puede ser fatal. centraciones pueden tender a acuF mularse en lugares bajos.
E#ite el mal uso. =entile el refrigerante en el e7terior. =entilación forzada con aire al ni#el de la concentración de #aF por.
%a inhalación deliberada produce 0nto7icación.
-uede ser fatal.
Dispositi#os indi#iduales de respiración con suministro de aire. "uerdas sal#a#idas al entrar a tan$ue u >lgunos lí$uidos de fluorocarbón 0rritación de la piel seca o sensible. otras áreas confinadas. tienden a remo#er los aceites natuF &o administrar epinefrina u otras drogas rales de la piel. similares. %í$uidos $ue hier#en a temperatuF "ongelamiento de la piel. ]uemaduF Cuantes y ropa de protección. ras muy bajas pueden salpicar so ra por congelamiento. bre la piel. %os lí$uidos pueden caer en los %os lí$uidos con punto de ebullición +ay $ue usar protección para los ojos. ojos. muy bajos pueden producir el congeF
-ueden ocurrir e7plosiones #iolentas. -robar el sistema propuesto y tomar las ;edidas apropiadas de seguridad.
TAB+A 3-3. RE+ACIONES !ARA QACER CA+CU+OS DE REFRIGERACIÓN 1.
Efecto neto de refrigeración W contenido de calor del #apor $ue deja el e#aporador [tuYlb contenido del lí$uido $ue entra, [tuYlb 2. Efecto neto de refrigeración, [tuYlb W calor latente de e#aporación, [tuYlb cambio en el contenido de calor de lí$uido partiendo de la temperatura de condensación a la e#aporación, [tuYlb. 1. Efecto neto de refrigeración, [tuY%b W capacidad, [tuYmin Iefrig. "irculado, lbYmin. W carga o capacidad, [tuYmin 2. Iefrigerante circulado en lbYmin Efecto neto de refriger, [tuYlb ". Desplazamiento del compresor, pieYmin W lbYmin de refrigerante circulado #olumen del gas $ue entra. #. Desplazamiento del compresor, pieYmin W capacidad [tuYmin=ol. gas $ue entra al compresor, pieYlb efecto neto de refriger, [tuYlb $. Desplazamiento del compresor, pie Ymin W lbYmin de refrigerante circulado #olumen del gas $ue entra. 3. Desplazamiento del compresor, pieYmin W capacidad [tuYmin =ol. de gas $ue entra al compresor, pieYlb efecto neto de refrigeración, [tuYlb =. "alor de compresión, [tuYlb contenido de calor del #apor $ue sale del compresor, [tuYlb contenido de calor del #apor $ue entra al compresor, [tuYlb. 6. "alor de compresión, [tuYlb W 424/ [tuYmin potencia del compresor Iefrigerante circulado, lbYmin :. Srabajo de compresión, [tuYmin W calor de compresión, [tuYlb W refrigerante circulado, lbYmin 1@. -otencia de compresión W trabajo de compresión, [tuYlb (actor de con#ersión, 42 4/ [tuYmin calor de compresión, [tuYlb capacidad, [tuYmin 11. -otencia de compresión W 42 4/ [tuYmin efecto neto de refrigeración, [tu Ylb capacidad, [tuYlb 42 4/ [tuYmin coeficiente de rendimiento "ompresión, hpYton W 4.G coeficiente de rendimiento -otencia, Oatts W compresión, hpYton G4.G "oeficiente de rendimiento W efecto neto de refrigeración, [tuYlb "alor de compresión, [tuYlb "apacidad, [tuYmin W refrigerante circulado, lbYmin efecto neto de refrigeración, [tuYlb "apacidad, [tuYmin W desplazamiento del compresor, pieYmin efecto neto de Iefrig., [tuYlb =olumen de gas $ue entra al compresor pieYlb "apacidad, [tuYmin W potencia de compresión 42 4/ [tuYmin efecto neto de Iefrig. [tuYlb
12. -otencia de compresión W 1". 1#. 1$. 1. 2. ".
"alor de compresión, [tuYlb
es el contenido de calor de refrigerante en [tuYlb a partir de un punto de referncia de 4 !( 14 !". Beg:n hemos analizado anteriormente, podemos determinar $ue hay calor por debajo de 4 !(, En efecto, e7iste calor hasta una temperatura tan baja como el cero absoluto, $ue es a 4A !( 12G !"3. Bin embargo, la cantidad de calor en una libra de refrigerante a una temperatura inferior a los 4 !( es insignificante para la mayoría de los casos de cálculos de carga para el dimensionamiento del e$uipo de aire acondicionado. 1='ase Sabla VFV.3 El punto de referncia o dato de 4 !( fue seleccionado debido a $ue es el :nico punto en $ue coinciden las escalas (ahrenheit y "elsius. Du -ont fue el primer fabricante de refrigerante de fluorocarbón, a los cuales enlistó con el nombre gen'rico de (reón $ue es su nombre comercial registrado. +oy e7isten muchos fabricantes de refrigerantes. ?no es la >llied "hemical "ompany, $ue, por ejemplo, usa el nombre comercial registrado de Cenetrón. %a figura VF4 da información detallada sobre la construcción, el uso y el #alor del diagrama presiónFentalpía. El diagrama de presiónFentalpía en la figura VF4 es un ciclo típico para un refrigerador dom'stico por las siguientes razones) ntalpía
1. El IF2 1Cenetrón 23 es usado com:nmente en refrigeradores dom'sticos. 2. %a temperatura de condensación de !( 1G.G !"3 no es rara. ". %as temperaturas normales de e#aporador son de a !( 1G./ a 2. !"3 para refrigeradores caseros. #. %a línea de compresión comienza en la línea de #apor saturado, $ue indica un sobrecalentamiento de ! en el e#aporador. El diagrama presiónFentalpía es una herramienta importante para el ingeniero en diseño y para el mecánico de calefacción, #entilación y aire acondicionado. Es :til para detectar problemas en un sistema.
CONSTRUCCIÓN DEL DIAGRAMA E( diagrama rere&en'a e( refrigeran'e. Es una presentación gráfica de los datos contenidos en las tablas termodinámicas. Siene tres zonas cada una de las cuales corresponden a un estado físico diferente del refrigerante. El diagrama simplificado muestra a los tres. %a zona de la iz$uierda representa refrigerante lí$uido subenfriado. %a zona central representa al refrigerante es un estado mi7to de lí$uido y #apor. Q la zona de la derecha representa al refrigerante en el estado de #apor sobrecalentado. %as líneas inclinadas $ue separan las zonas indican las condiciones límite o de frontera. En cual$uier punto sobre la línea a la iz$uierda de frontera, e7iste lí$uido saturado 1esto es, lí$uido a su temperatura de e#aporación pero sin $ue se haya formado ning:n rastro de #apor toda#ía3. En cual$uier punto sobre la línea de la derecha de frontera, e7iste #apor saturado 1esto es, #apor a su temperatura de e#aporación pero sin rastro alguno del lí$uido $ue se ha #aporizado3. -?&S< "I0S0"< <&> DE %0]?0D< B?[E&(I0>D< <&> DE %0]?0D<
<&> DE =>-
Q =>-D
B<[IE">%E&S>D< 123
E&S>%-0>
-or lo tanto, la línea de la iz$uierda es la línea de lí$uido saturado y la de la derecha la línea de #apor saturado. Estas líneas de frontera con#ergen al aumentar la presión y finalmente se juntan en el punto crítico, el cual representa la condición límite para la e7istencia de lí$uido. > temperaturas mayores $ue la crítica, el refrigerante puede e7istir sólo en la fase gaseosa.
PROPIEDADES DEL REFRIGERANTE En el diagrama completo aparecen cinco propiedades básicas del refrigerante) 1. !RESIÓNK &ia. %a escala #ertical del diagrama es la presión en libras absolutas. %as líneas de presión constante corren en forma horizontal a tra#'s de la carta. -ara obtener la presión manom'trica, se resta la presión atmosf'rica 1ordinariamente 4.G psi3 de la presión absoluta. %a escala de presión no está graduada en inter#alos constantes, sino $ue sigue una escala logarítmica, lo cual permite un amplio rango de cobertura en un diagrama de tamaño razonable.
2. ENTA+!IA 7&/m>o(o L9 B'*M(>. %a escala horizontal repreF senta la entalpía. %as líneas de entalpía constante son #erticaF les. En un proceso de flujo constante tal como un ciclo de refrigeración, la entalpía representa el contenido de energía por cada libra de refrigerante. %os #alores absolutos de la entalpía no son de un significado particular, pero los cambios de entalF pía entre los puntos de un proceso son muy importantes. ". TE)!ERATURAK 4F. -or lo general, las líneas de temperaF turas constante corren en dirección #ertical en las zonas de #aF por sobrecalentado de lí$uido subenfriado. En la zona de mezcla, siguen una trayectoria horizontal entre las líneas de saturación. El diagrama, normalmente simplificado, incluye líneas de temperatura sólo en zona de sobrecalentamiento. En la zona mi7ta, se muestra los puntos de intersección con las líneas de saturación.
#. O+U)EN ES!ECFICO 7&/m>o(o 9 ie "M(>. %as líneas de #olumen constante se e7tienden desde la línea de #apor saF turado hacia la zona de #apor sobrecalentado y forman un peF $ueño ángulo con la horizontal. %as líneas de #olumen espeF cífico no se incluyen normalmente en la zona de lí$uido de mezcla.
$. ENTRO!A 7&/m>o(o &9 B'*M(> 4F. %as líneas de entropía constante se e7tienden y forman un cierto ángulo con la línea de #apor saturado y a partir de ella. Estas líneas aparecen sólo en la zona de #apor sobrecalentado por$ue es donde ordinariaF mente se re$uiere los datos de entropía, la cual está relacioF nada con la disponibilidad de energía. %os cambios en la enF tropía, más $ue sus #alores absolutos son de inter's para el ingeniero. En un proceso de trabajo termodinámicamente reF #ersible, la entropía permanece constante. >demás no puede detectarse por medio de los sentidos, ya $ue es una relación matemática entre el calor y la temperatura. El cambio de entropía se define como la relación de la cantidad de calor $ue se agrega o se resta a la temperatura absoluta en la $ue ocurre el flujo t'rmico.
CIC+O DE REFRIGERACIÓN El ciclo normal de compresión de #apor consta de los siguientes cuatros procesos básicos) 1.
E#aporación del refrigerante lí$uido, $ue se con#ierte en #apor en condiciones de presión constante. 2. "ompresión del #apor desde una baja presión hasta una alta presión. Este proceso puede suponerse $ue ocurre a entropía constante! 3. "ondensación del refrigerante, el cual se con#ierte de #apor en lí$uido. >ntes de $ue pueda comenzar la condensación, el #apor debe lle#arse hasta el punto de saturación, remo#iendo cual$uier sobrecalentamiento e7istente. El proceso completo tiene lugar a presión constante. 4. %a e7pansión del refrigerante lí$uido desde un ni#el de presión en la mezcla de lí$uido y #apor hasta una presión más baja. Esto ocurre sin $ue haya transferencia de energía hacia dentro o hacia fuera del refrigerante. En consecuencia, la entalpía permanece constante! "ada uno de estos procesos básicos, permaneciendo constante una de las propiedades del refrigerante, puede ser representado por una recta en el diagrama. %os procesos a presión constante 1e#aporación y condensación3 se ilustran con rectas horizontales. %a e7pansión a entalpía constante se muestra por una línea #ertical. %a compresión a entropía constante está representada por una línea inclinada. %os siguientes dibujos es$uemáticos muestran cómo se representa el ciclo de refrigeración en el diagrama o carta. %as líneas de condensación y de e#aporación están dibujadas primero. %as líneas de e7pansión y de compresión se agregan despu's para completar el ciclo.
+a (/nea de conden&acinK trazada horizontalmente, 1a presión "onstante3 a la temperatura apropiada de condensación a partir De la línea de lí$uido saturado hacia el interior de la zona de ;ezcla, se origina en la zona de #apor sobrecalentado.