¿Qué es una tonelada de refrigeración? Comentario: Aún en nuestro n uestro medio es muy frecuente hablar de toneladas de refrigeración, la cual es realmente una unidad americana en el efecto frigoríco de la fusión del hielo. La tonelada de refrigeración puede denirse como la cantidad de calor latente absorbida por la fusión de una tonelada corta de hielo sólido puro en 24 horas, puesto que el calor latente de fusión de libra de hielo es de 44 !"#, el calor latente de una tonelada $2,%%% libras& de hielo sería 44'2,%%%, osea 2((,%%% !"# por 24 horas.Ahora, si lo di)ides entre 24, nos dan las cl*sicas 2,%%% !"#+shora.
Signicado: La tonelada de refrigeración (TRF) es la unidad unidad nominal nominal de potencia empleada en algunos países, especialmente de -orteamrica, para referirse a la capacidad de e/tracción de carga trmica $enfriamiento& trmica $enfriamiento& de los equipos frigorícos frigorícos y y de aire acondicionado. acondicionado. 0uede denirse como la cantidad de calor latente absorbida latente absorbida por lafusión la fusión de de una tonelada corta de corta de hielo sólido puro en 24 horas1 en e n los equipos, esto equi)aldría a una potencia capa de e/traer 2 %%% !"#s !"#s por por hora, lo que en el3istema el 3istema nternacional de #nidades $3& #nidades $3& equiale a !"#$ %. 3i partimos de que para con)ertir una libra libra de de hielo en una libra de agua líquida se ocupan 44 !"#+s, y de que una tonelada corta equi)ale a 2%%% libras, al multiplicar 44'2%%%, tenemos que durante el proceso se absorber*n 2(( %%% !"#s del ambiente $5er " $5er "ransmisión ransmisión de calor&. calor&. A efecto de con)ertir este )alor en una medida nominal, se consideró un período de 24 horas, por lo que al di)idir los 2(( %%% !"#s por las 24 horas, el resultado es6 2(( %%%24 7 2 %%% !"#h. -o obstante que es una unidad llamada a desaparecer con la adopción global del 3 3,, actualmente se sigue empleando de manera con)encional en el medio. 8l cambio se est* dando de manera gradual, pues los fabricantes e ingenieros
ahora especican la capacidad de los equipos tanto en !"#h como en 9att o )atios, mientras que algunos ya sólo lo hacen en 9att.
•
EL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESION DE VAPOR
8l ciclo de :arnot in)ertido no es pr*ctico para comparar el ciclo real de refrigeración. 3in embargo es con)eniente que se pudieran apro/imar los procesos de suministro y disipación de calor a temperatura constante para alcanar el mayor )alor posible del coeciente de rendimiento. 8sto se logra al operar una m*quina frigoríca con un ciclo de compresión de )apor. 8n la ;igura <.= se muestra el esquema del equipo para tal ciclo, >unto con diagramas "s y 0h del ciclo ideal. 8l )apor saturado en el estado se comprime isoentrópicamente a )apor sobrecalentado en el estado 2. 8l )apor refrigerante entra a un condensador, de donde se e/trae calor a presión constante hasta que el ?uido se con)ierte en líquido saturado en el estado <. 0ara que el ?uido regrese a presión mas ba>a, se e/pande adiab*ticamente en una )*l)ula o un tubo capilar hasta el estado 4. 8l proceso <@4 es una estrangulación y h <7h4. 8n el estado 4, el refrigerante es una mecla húmeda de ba>a calidad. ;inalmente, pasa por el e)aporador a presión constante. e la fuente de ba>a temperatura entra calor al e)aporador, con)irtiendo el ?uido en )apor saturado y se completa el ciclo. Bbser)e que todo el proceso 4@ y una gran parte del proceso 2@< ocurren a temperatura constante.
;ig. <.=. 8squema de la maquinaria y los diagramas "s y 0h de un ciclo de refrigeración por compresión de )apor. A diferencia de muchos otros ciclos ideales, el ciclo de compresión de )apor que se presentó en la ;igura <.=, contiene un proceso irre)ersible que es el proceso de estrangulación. 3e supone que todas las dem*s partes del ciclo son re)ersibles. La capacidad de los sistemas de refrigeración se e/presa con base a las toneladas de refrigeración que proporciona la unidad al operarla en las condiciones de diseCo. #na
tonelada de refrigeración se dene como la rapide de e/tracción de calor de la región fría $ o la rapide de absorción de calor por el ?uido que pasa por el e)aporador & de 2 DEmin o 2%% !tumin. Btra cantidad frecuentemente citada para una m*quina frigoríca es el ?u>o )olumtrico de refrigerante a la entrada del compresor, que es el desplaamiento efecti)o del compresor. 8l coeciente de rendimiento de un refrigerador se e/presa como6
8l coeciente de rendimiento de una bomba de calor se e/presa como6
CICLO INVERTIDO DE CARNOT Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.
La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p! es el siguiente
"ramo #$ isoterma a la temperatura T 1 "ramo $C adiabática "ramo C% isoterma a la temperatura T 2 "ramo %# adiabática
&n cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales' •
•
La presión, volumen de cada uno de los vértices. &l traba(o, el calor y la variación de energía interna en cada una de los procesos.
•
&l traba(o total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo.
Los datos iniciales son los que figuran en la tabla ad(unta. # partir de estos datos, )emos de rellenar los )uecos de la tabla. Variables A
B
*resión p +atm
p A
!olumen v +litros
v A
v B
"emperatura T +-
T 1
T 1
C
T 2
D
T 2
Las etapas del ciclo *ara obtener las variables y magnitudes desconocidas emplearemos las fórmulas que figuran en el cuadroresumen de las transformaciones termodinámicas. . Transformación A->B isoterma! La presión p B se calcula a partir de la ecuación del gas ideal !ariación de energía interna
"raba(o Calor
/. Transformación B->C adiab"tica! La ecuación de estado adiabática es
o bien,
despe(a vc de la ecuación de la adiabática . Conocido vc y T 2 se obtiene pc, a partir de la ecuación del gas ideal. Calor
.
. Se
!ariación de energía interna "raba(o
0. Transformación C->D isoterma! !ariación de energía interna
"raba(o Calor
1. Transformación D-> A adiab"tica! Se despe(a v D de la ecuación de la adiabática . Conocido v D y T 2 se obtiene p D, a partir de la ecuación del gas ideal.
.
Calor !ariación de energía interna "raba(o
El ciclo completo •
Variación de ener#$a interna
&n un proceso cíclico reversible la variación de energía interna es cero •
Traba%o
Los traba(os en las transformaciones adiabáticas son iguales y opuestos. # partir de las ecuaciones de las dos adiabáticas, la relación entre los vol2menes de los vértices es traba(o. •
, lo que nos conduce a la e3presión final para el
Calor
&n la isoterma T 1 se absorbe calor Q45 ya que v B>v A de modo que
&n la isoterma T 2 se cede calor Q65 ya que v D
Rendimiento del ciclo
Se define rendimiento como el cociente entre el traba(o realizado y el calor absorbido
•
Ciclo ideal de refrigeración
.@#n ciclo ideal de refrigeración por compresión de )apor funciona con F2 entre las temperaturas de saturación de @2%G: en el e)aporador y 4,H4G: en el condensador. :alcular la capacidad de refrigeración, el coeciente de operación $:B0& si el ?u>o m*sico de refrigerantes es de %,H Dgs. eterminar tambin el :B0 si el ciclo fuera el de una bomba de calor. 2.@8l ciclo ideal de refrigeración por compresión del problema anterior e/perimenta los siguientes cambios6 I 8l refrigerante a la salida del e)aporador est* recalentado hasta @%G: I 8l refrigerante a la salida del condensador est* subenfriado hasta 4%G: I 8l compresor tiene un rendimiento adiab*tico del (%J
•
&R'CS' C'*&RS+,- R./
8l proceso de compresión real incluir* efectos friccionantes los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor, lo cual puede aumentar o disminuir la entropía. 8n un ciclo real puede ocurrir que el refrigerante se sobrecaliente un poco en la entrada del compresor y se subenfría en la salida del condensador. Adem*s el compresor no es isoentrópioco. 8sto se obser)a en la ;igura <.H.
;ig. <.H. iagrama "@s para un ciclo de refrigeración por compresión de )apor con eciencia adiab*tica en el compresor. La eciencia adiab*tica del compresor )iene dada por
•
AKFAA 8 "808FA"#FA 8-"FB0MA
•
T+&'S RFR+0R.-TS C/'R'F/1'R'C.R2'-'S
Los refrigerantes :;: consisten de cloro, ?úor y carbono. Los refrigerantes m*s comunes en este grupo son el F, F2 y F= $con la mecla F=%2&. "al como se mencionó m*s arriba, estos refrigerantes )ienen siendo usados ampliamente desde N<%, en muchas aplicaciones, incluyendo refrigeración domstica, refrigeración comercial, almacenamiento frío ,transporte y aire acondicionado del auto. ebido a que no contienen hidrógeno, los :;: son muy estables químicamente, y tienden a tener buena compatibilidad con la mayoría de los materiales y lubricantes tradicionales como los del tipo mineral. A lo largo de toda la )ariedad de :;:, tienen una amplia )ariedad de características de presión @ temperatura, y por lo tanto cubren un amplio margen de aplicaciones. 3us propiedades termodin*micas y de transporte son generalmente buenas, y por lo tanto ofrecen un potencial muy bueno de eciencia. La buena estabilidad tambin resulta en un ba>o ni)el de to/icidad y no ?amabilidad, obteniendo una clasicación de A en seguridad. 3in embargo, debido a que contiene cloro, los refrigerantes :;: daCan la capa de oono $B0&, y debido a su larga )ida en la atmósfera, aumentan el calentamiento global $KO0&. e manera similar, e/isten gases ambientalmente ecológicos, pero con un alto )alor de KO0. 3in embargo, estos no son controlados por el 0rotocolo de Pioto debido a que son controlados y est*n siendo eliminados por el 0rotocolo de ontreal. "radicionalmente, los refrigerantes :;: fueron muy baratos y ampliamente disponibles, hoy en día son mucho m*s caros y su disponibilidad disminuye.
3+R'C/'R'F/1'R'C.R2'-.'S Los refrigerantes Q:;: consisten de hidrógeno, cloro, ?úor y carbón. Los refrigerantes m*s comunes en este grupo son el F22, F2< y F24 $dentrode )arias meclas&. ebido a que contienen hidrógeno, los Q:;: son en teoría menos estables químicamente que los :;:, pero sin embargo
tienden a tener buena compatibilidad con la mayoría de los materiales R lubricantes tradicionales.
3+R'F/1'R'C.R2'-.'S Los refrigerantes Q;: consisten de hidrógeno, ?úor y carbono. Los refrigerantes m*s comunes son el F<4a, F<2, F2= y F4
a to/icidad y ba>a ?amabilidad&. A diferencia de los :;: y Q:;:, no contienen cloro, y por lo tanto no daCan la capa de oono. 3in embargo, debido a su largo período de )ida, son refrigerantes ecológicamente aceptables pero con un alto )alor de KO0. 8stos son controlados por el 0rotocolo de Pyoto. Actualmente, los refrigerantes Q;: tienen un precio moderado, contra el precio de las meclas que est*n comenando a aumentar de precio. Aunque numerosos países est*n desarrollando leyes para controlar el uso y emisión de gases Q;:, muchos est*n disponibles, y lo continuar*n siendo por un futuro mayor.
RFR+0R.-TS -.T1R./S 5arios hidrocarbonos, el amoníaco y dió/ido de carbono pertenecen al grupo denominado refrigerantes naturales. "odos los refrigerantes naturales e/isten en los ciclos de la naturalea, inclusi)e sin inter)ención del ser humano. "iene un )alor de B0 igual a % y no son KO0. Las
inno)aciones y e)olución en la tecnología han contribuido en la consideración de estos refrigerantes naturales. ebido a su mínimo impacto ambiental y por ser m*s apropiados y acordes desde el punto de )ista de la sustentabilidad tecnológica, los sistemas frigorícos con refrigerantes naturales pueden >ugar un rol importante en el futuro de muchas aplicaciones. Amoníaco $-Q<, FSS& 8l amoníaco contiene nitrógeno e hidrógeno, y es ampliamente utiliado en muchas industrias. Qa sido empleado como refrigerante desde los aCos (%%, y hoy en día es comúnmente usado en refrigeración industrial, alcena>e frío, en procesos alimenticios y m*s recientemente est* siendo usado en refrigeración comercial y chillers. 8l FSS es químicamente estable, pero reacciona ba>o ciertas condiciones, por e>emplo, cuando se pone en contacto con dió/ido de carbono o agua o cobre. 0or otro lado, es compatible con el acero y con el aceite correctamente seleccionado. Las características de presión y temperatura del FSS son similares al F22. 3in embargo, sus propiedades termodin*micas y de transporte son e/celentes, aumentando potencialmente la eciencia de los sistemas. ebido a su alto grado de to/icidad y ba>a in?amabilidad, posee una clasicación igual a !2. A diferencia de los gases ?uorados, no tiene impacto en la capa de oono y tiene un )alor igual a cero de calentamiento global $KO0&.
3+R'C.R2'-'S (3C) 8stos refrigerantes contienen carbono e hidrógeno, y son ampliamente usados en dentro de muchas industrias. Los m*s comúnmente usados para propósitos de la refrigeración son el isobutano $:4Q2, FH%%a& y propano $:
y fueron re@aplicados desde la dcada de los N%. Aparte de su uso en refrigeración industrial, los refrigerantes Q: se han usado en refrigeradores domsticos, refrigeración comercial, acondicionadores de aire y chillers. Los refrigerantes Q: son químicamente estables, y e/hiben una compatibilidad similar a los :;: y Q:;:. Los Qc tambin tienen e/celentes propiedades termodin*micas y de transporte. ebido a su alta in?amabilidad, los Q: tienen una clasicación de seguridad de A<. Al igual que el FSS, los refrigerantes Q: no tienen impacto en la capa de oono y su efecto en el calentamiento global es insignicante. "anto el FH%%a y F2N% son muy barat os pero su disponibilidad depende del país.
+,4+' C.R2'-' (C'56 R$77) 8ste refrigerante contiene carbono y o/ígeno, y es ampliamente empleado en muchas industrias. Qa sido e/tensi)amente usado durante mediados de los aCos (%%, pero se discontinuó su uso con la aparición de los :;: y Q;:;. A nales de los aCos NN%, emergió nue)amente como refrigerante y su uso se ha )enido incrementando en las industrias de la refrigeración, almacena>e frío, refrigeración comercial, y bombas de calor, entre otros. 8l FS44 es químicamente estable y no reacciona en la mayoría de las condiciones, y es compatible con muchos materiales. Las características de presión y temperatura del FS44 son diferentes a de la mayoría de los refrigerantes con)encionales, y es por eso, por e>emplo, que opera a presiones siete )eces mayores que el F22, con lo cual el sistema debe ser diseCado con consideraciones especiales para soportar altas presiones. Adem*s, tiene una ba>a temperatura crítica, de manera que cuando la temperatura ambiente supera los 2=G :, se necesita el diseCo de un sistema especial. 0or otro lado, sus propiedades termodin*micas y de transporte son e/celentes, haciendo que los sistemas sean potencialmente ecientes en climas fríos. ebido a su ba>a to/icidad y no in?amable, tiene una clasicación de seguridad de A. A diferencia de los refrigerantes ?uorados, no tiene impacto en la capa de
oono. 3in embargo posee un )alor igual a de potencial de calentamiento global $KO0&. 8l FS44 es muy barato y ampliamente disponible en el mercado.
