martes, 11 de junio de 2013

capitulo 3


CAPÍTULO III REFRIGERACIÓN
CAPÍTULO III:
REFRIGERACION
MANUAL DE BUENAS
PRÁCTICAS EN
REFRIGERACIÓN
18
como los CFC, HCFC, HFC y otros (sistemas de
absorción de amoníaco, de bromuro de litio, entre
los más usuales); máquinas de aire en sistemas abiertos
o cerrados (muy ineficientes); equipos de enfriamiento
de baja capacidad (hasta 1 ton de refrig.)
que usan el efecto Peltier o efecto termoeléctrico;
otros sistemas refrigerantes a base de propano o
butano y para refrigeración de muy baja temperatura
se utiliza CO2.
La criogenia en sí constituye un área altamente
especializada de la refrigeración para lograr temperaturas
muy bajas hasta cerca del cero absoluto
(-273ºC), cuando se trata de licuar gases como helio,
hidrógeno, oxígeno, o en procesos de alta tecnología
y energía atómica.
La refrigeración mecánica se usa actualmente en
acondicionamiento de aire para el confort así como
congelación, almacenamiento, proceso, transporte y
exhibición de productos perecederos. Ampliando
estos conceptos, se puede decir que sin la refrigeración
sería imposible lograr el cumplimiento de la
mayoría de los proyectos que han hecho posible el
avance de la tecnología, desde la construcción de un
túnel, el enfriamiento de máquinas, el desarrollo de
los plásticos, tratamiento de metales, pistas de patinaje,
congelamiento de pescados en altamar, hasta la
investigación nuclear y de partículas, aplicaciones en
el campo de la salud y otros.
Clasificación según la aplicación:
1. Refrigeración doméstica.
2. Refrigeración comercial.
3. Refrigeración industrial.
4. Refrigeración marina y de transporte.
5. Acondicionamiento de aire de “confort”.
6. Aire acondicionado automotriz
7. Acondicionamiento de aire industrial.
8. Criogenia.
4 Objetivo de
la refrigeración mecánica
El objetivo de la refrigeración mecánica es enfriar
un objeto o ambiente por medio de los dispositivos
desarrollados por el ser humano para este fin.
Para lograr este propósito partimos de
conocimientos de la física de los materiales y en particular,
los gases, según los cuales, el calor, como
forma de energía, siempre tiende a fluir hacia un contorno
más frío. Este proceso físico se efectúa a mayor
o menor velocidad según las características de
resistencia que oponga el material por el cual el calor
circula, si es un sólido; o según la velocidad, forma,
posición, densidad y otras propiedades, si se trata de
un fluido como el aire o el agua.
Por consiguiente, se ha hecho necesario definir
una serie de fenómenos que involucran el proceso de
enfriamiento y también crear herramientas que
faciliten tanto el uso de esas definiciones como la
comprensión directa a partir de las características de
cada fenómeno representado. Tal es el caso de los
diagramas, gráficos y ecuaciones, por citar algunos.
5 Definiciones
Debemos saber que la técnica de la refrigeración
está íntimamente ligada con la termodinámica; es
decir relacionada con la transferencia de calor. Con
el fin de entender bien la acción de los refrigerantes
dentro de un sistema es necesario conocer las leyes
que gobiernan el proceso.
Temperatura: La temperatura de un cuerpo es su
estado relativo de calor o frío. Cuando tocamos un
cuerpo, nuestro sentido del tacto nos permite hacer
una estimación aproximada de su temperatura, de
modo análogo a como la sensación de esfuerzo muscular
nos permite apreciar aproximadamente el valor
de una fuerza. Para la medida de la temperatura
debemos hacer uso de una propiedad física medible
que varíe con aquella, lo mismo que para la medida
de una fuerza empleamos alguna propiedad de un
cuerpo que varía con la fuerza, tal como un resorte
en espiral. El instrumento utilizado para la medición
de temperatura se denomina termómetro, en el cual
se emplean diversas propiedades de materiales que
varían con la temperatura, tales como: la longitud de
una barra, el volumen de un líquido, la resistencia
eléctrica de un alambre o el color del filamento de
una lámpara, entre otros.
Escalas termométricas: Se ha definido dos
escalas de temperatura, una en el Sistema
Internacional [SI], cuya unidad es el grado centígrado
[ºC] y la otra en el sistema inglés, en el cual la
unidad es el grado Fahrenheit [ºF].
Ambas se basan en la selección de dos temperaturas
de referencia, llamados puntos fijos: el punto
de fusión del hielo [mezcla de agua saturada de aire
y hielo] y el punto de ebullición del agua, ambos a
la presión de una atmósfera.
En la escala del SI [centígrada] el punto de
fusión del hielo corresponde al cero de la escala y
el punto de ebullición del agua a la división 100.
En la escala del sistema inglés [Fahrenheit], estos
puntos característicos corresponden a las divisiones
32 y 212 respectivamente.
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En la escala centígrada cada división es 1/100
parte del rango definido y se le denomina grado centígrado.
En la escala Fahrenheit se obtiene dividiendo
la longitud de la columna entre los puntos fijos en
180 divisiones. Ambas escalas pueden prolongarse
por fuera de los puntos de referencia. No existe un
límite conocido para la máxima temperatura alcanzable,
pero si lo hay para la temperatura mínima.
Este valor se denomina cero absoluto y corresponde
a - 273,2ºC.
Existe una tercera escala cuyo punto cero coincide
con el cero absoluto y tiene sus equivalencias en
la escala centígrada y Fahrenheit. Estas escalas se
denominan absolutas. La escala centígrada absoluta
se denomina también Kelvin y la escala Fahrenheit
absoluta se denomina Rankine. Las temperaturas de
la escala Kelvin exceden en 273º las correspondientes
de la escala centígrada y la escala Rankine
en 460º a las de la escala Fahrenheit. Por lo tanto
los puntos de fusión del hielo y de evaporación en las
escalas equivalentes absolutas serán:
Expresado en fórmulas:
TK [Kelvin] = 273 + tC
TR [Rankine] = 460 + tF
En virtud de que las escalas, centígrada y
Fahrenheit se dividen en 100 y 180 divisiones respectivamente,
el intervalo de temperatura correspondiente
a un grado centígrado es 180/100 o sea 9/5
del intervalo de temperatura correspondiente a un
grado Fahrenheit.
El punto cero de la escala Fahrenheit está evidentemente
32F por debajo del punto de fusión del
hielo. Se consideran negativas las temperaturas por
debajo del cero de cada escala.
Para convertir una temperatura expresada en una
escala en su valor correspondiente en la otra escala,
recurrimos al siguiente razonamiento, a partir de un
ejemplo: una temperatura de 15ºC es un valor situado
15 unidades en esa escala por encima del punto
de fusión del hielo. Puesto que ya vimos que una
división en la escala centígrada equivale a 9/5 de
división en la escala Fahrenheit, un intervalo de 15ºC
corresponde a un intervalo de 15 x 9/5 = 27F y por
consiguiente esta temperatura se encuentra un intervalo
de 27F por encima del punto de fusión del hielo.
Como la temperatura de fusión del hielo en la escala
Fahrenheit está 32F por encima del cero de esta
escala, debemos sumarle esto al resultado anterior
para encontrar su equivalencia: 27 + 32 = 59F.
Expresado esto como una fórmula:
tF = 9/5 tC + 32
y su inversa:
tC = 5/9 (tF - 32)
Fórmulas éstas muy fáciles de memorizar y de
gran utilidad cuando no se dispone de una tabla de
conversión y se necesita hacer la conversión en el
campo.
Energía: Un cuerpo posee energía cuando es
capaz de hacer trabajo mecánico mientras realiza un
cambio de estado. La unidad de energía térmica es el
joule [J], la kilocaloría [kcal], y British Thermal Unit
[Btu]; para la energía eléctrica es el kilovatio hora
[Kwh].
• Energía cinética: es la energía que posee un
cuerpo debido a su movimiento.
• Energía potencial: es la energía debida a su
posición o configuración.
• Energía interna: podemos elevar la temperatura
de un cuerpo, bien poniéndolo en contacto
con otro segundo cuerpo de temperatura más
elevada, o realizando trabajo mecánico sobre
él; por ejemplo, el aire comprimido por una
bomba de bicicleta se calienta cuando empujamos
el pistón hacia abajo, aunque también
podría calentarse colocándolo en un horno. Si
analizáramos una muestra de este aire
caliente, sería imposible deducir si fue calentado
por compresión o por flujo calorífico
procedente de un cuerpo más caliente. Esto
promueve la cuestión de si está justificado
hablar del calor de un cuerpo, puesto que el
estado presente del cuerpo puede haberse
alcanzado suministrándole calor o haciendo
trabajo sobre él. El término adecuado para
definir este estado es el de energía interna. La
energía interna de un gas a baja presión puede
identificarse con la suma de las energías
cinéticas de sus moléculas. Tenemos evidencias
exactas de que las energías de las
moléculas y sus velocidades, sea el cuerpo
sólido, líquido o gaseoso, aumentan al aumentar
la temperatura.
Escala absoluta Temperatura de fusión Temperatura de
del hielo ebullición del agua
Kelvin 273K 373K
Rankine 492R 672R
CAPÍTULO III:
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Equivalente mecánico del calor: La energía en
forma mecánica se mide en ergios, julios, kilográmetros,
o libras-pie; la energía en forma térmica
se mide en caloría, kilocaloría o Btu.
Se define la kilocaloría como 1/860 Kw-h, luego,
por definición:
1 cal = 4,18605 julios
1 kilocaloría = 4186,05 julio = 427,1 kgm
1 Btu = 778.26 libras-pie
Trabajo: se lo representa por la letra [W], es el
resultado de aplicar una fuerza sobre un objeto y
obtener movimiento en el sentido de la fuerza aplicada.
Calor: se lo representa generalmente por la letra
[Q]. Es una forma en que se manifiesta la energía. El
calor, como la energía mecánica, es una cosa intangible,
y una unidad de calor no es algo que pueda
conservarse en un laboratorio de medidas. La cantidad
de calor que interviene en un proceso se mide
por algún cambio que acompaña a este proceso, y
una unidad de calor se define como el calor necesario
para producir alguna transformación tipo convenida.
Citaremos tres de estas unidades: la caloríakilogramo,
la caloría-gramo y la unidad térmica
británica [Btu].
• Una caloría-kilogramo o kilocaloría es la cantidad
de calor que ha de suministrarse a un
kilogramo de agua para elevar su temperatura
en un grado centígrado
• Una caloría-gramo es la cantidad de calor que
ha de suministrarse a un gramo de agua para
elevar su temperatura en un grado centígrado.
• Un Btu es la cantidad de calor que ha de suministrarse
a una libra de agua para elevar su
temperatura en un grado Fahrenheit.
Evidentemente, 1 caloría-kilogramo = 1000
calorías-gramo
Puesto que 1 libra = 0,454 kilogramos y 1F =
5/9ºC, la Btu puede definirse como la cantidad de
calor que ha de suministrarse a 0,454 kg de agua
para elevar su temperatura en 5/9ºC, y equivale a:
1 Btu = 0,454 kilogramos X 5/9ºC = 0,252 kcal.
Por consiguiente,
1 Btu = 0,252 kcal = 252 cal
Relación cuyo valor es muy útil recordar para cálculos
en el campo.
Las unidades de calor definidas varían levemente
con la temperatura inicial del agua. Se conviene generalmente
utilizar el intervalo de temperatura entre
14,5ºC y 15,5ºC en el sistema internacional SI y entre
63F y 64F en el sistema inglés de medidas. Para la
mayor parte de los fines la diferencia es lo bastante
pequeña para que pueda considerarse despreciable.
Es esencial aclarar la diferencia entre cantidad de
calor y temperatura. Estas expresiones suelen confundirse
en la vida ordinaria. Para ello, un ejemplo:
Supuestos dos recipientes idénticos, montados
sobre mecheros de gas idénticos, uno de ellos con
una pequeña y el otro con una gran cantidad de
agua, ambos a la misma temperatura inicial, digamos
20ºC; si los calentamos durante el mismo tiempo
comprobaremos mediante termómetros, que la temperatura
de la pequeña cantidad de agua se habrá elevado
más que la de la gran cantidad. En este ejemplo
se ha suministrado la misma cantidad de calor a cada
recipiente de agua obteniéndose un incremento de
temperatura distinto. Continuando el experimento, si
nos proponemos alcanzar una misma temperatura
final, digamos 90ºC, es evidente que la alcanzaremos
más rápidamente en el recipiente con menor cantidad
de agua, o lo que es igual, habremos necesitado
menor cantidad de calor en este caso; o sea para un
mismo rango de temperatura, las cantidades de calor
necesarias han sido significativamente distintas.
En términos termodinámicos se interpreta que el
calor es la forma de energía que pasa de un cuerpo a
otro en virtud de una diferencia de temperatura entre
ellos.
Termodinámica
La termodinámica estudia cuestiones eminentemente
prácticas. Considera un sistema perfectamente
definido (el gas contenido en un cilindro, una cantidad
de determinada sustancia, por ejemplo vapor de
un gas refrigerante que se expande al pasar por un
orificio, etc.), el cual es obligado a actuar directamente
sobre el medio exterior y realizar, mediante la
generación de fuerzas que producen movimientos,
una acción útil. No toma en consideración los procesos
internos de la materia que no afectan al medio
circundante y que no tienen utilidad práctica o ser
medidos, por ejemplo la acción intermolecular o
entre los electrones interactuando entre sí que solo
originan trabajo interno.
Primer principio de la termodinámica
Trabajo y calor en ciclo cerrado: si consideramos
dos estados posibles [U1] y [U2] de energía interna de
una sustancia (un gas refrigerante), definidos por: una
presión, una temperatura y un volumen, p1, t1, v1 y
p2, t2, v2; confinada en un sistema cerrado, compuesto
de dos serpentines [A] y [B], separados por un
compresor y un orificio de restricción del flujo,
conectados a ambos de manera que la sustancia pase
del serpentín [A] al [B] por el compresor y del [B] al
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[A] por el orificio, cerrando un circuito; para que
haya un cambio desde uno de estos estados, [U1] al
otro, [U2] hay que realizar un trabajo [W] sobre él,
para lo cual empleamos el compresor, enviando la
sustancia hacia el serpentín [B], donde adopta la
condición de estado definida por p2, t2, v2. Posteriormente
se lo devuelve al estado inicial [U1], permitiéndole
perder presión hasta el valor inicial
haciéndole pasar por el orificio desde el serpentín [B]
al serpentín [A], donde alcanza el estado definido
por p1, t1, v1. La expansión del gas produce un efecto
refrigerante que necesita absorber calor [Q].
En el proceso descrito vemos que hemos pasado
de una condición de estado a otra mediante el aporte
de trabajo mecánico [W] y hemos vuelto a la condición
de estado primitiva, no por vía de trabajo
mecánico, sino por absorción de calor [Q].
Se puede hacer la siguiente afirmación, expresada
en forma matemática:
U2 - U1 = Q - W
Despejando [Q]:
Q = U2 - U1 + W
Conocida como la expresión del primer principio
de la termodinámica: "La variación de la energía
interna de una sustancia no depende de la manera
en que se efectúe el cambio [la trayectoria del trabajo]
por el cual se haya logrado esa variación".
Es el principio fundamental en que se basa la
refrigeración y en la práctica significa que es imposible
crear o destruir energía, también enunciado
como: "nada se pierde, nada se gana, todo se
transforma".
Segundo principio de la termodinámica
El segundo principio de la termodinámica
establece que "es imposible construir un motor o
máquina térmica tal que, funcionando periódicamente,
no produzca otro efecto que el de tomar
calor de un foco calorífico y convertir íntegramente
este calor en trabajo".
Aplicado a máquinas frigoríficas, las cuales
pueden ser consideradas como motores térmicos funcionando
en sentido inverso, podemos establecer un
enunciado aplicable a estas: "es imposible construir
una máquina frigorífica que, funcionando periódicamente
(según un ciclo), no produzca otro efecto
que transmitir calor de un cuerpo frío a otro caliente."
Una máquina frigorífica toma calor [Q1] a baja
temperatura, el compresor suministra trabajo mecánico
[W] y la suma de ambos se expulsa al exterior en
forma de calor [Q2] a temperatura más alta.
Del primer principio, esto se expresa:
Q2 = Q1 + W
Esto significa que el serpentín que se emplea para
enfriar el gas (el condensador) debe manejar (entregar
al medio externo de intercambio (aire o agua) la
suma del trabajo realizado por el compresor, además
del calor extraído de la máquina frigorífica.
La búsqueda de la eficiencia es una meta principal
en refrigeración y para medirla definimos la
relación entre trabajo consumido [W] y calor extraído
[Q1], como:
Q1/W
Y como W = Q2 - Q1, la expresión para la eficiencia
térmica queda:
Q1
Eficiencia =
Q2 - Q1
El coeficiente de desempeño se usa para definir
la eficiencia de un compresor. Se lo expresa como la
relación entre la cantidad de calor que el compresor
puede absorber, bajo condiciones de funcionamiento
normalizadas, y la potencia eléctrica suministrada a
este para tal fin. Las unidades empleadas son:
[Btu/Wh] o Kcah/kwh].
A mayor capacidad de un compresor, aumenta
este valor por cuanto los componentes intrínsecos
que consumen energía, tales como fricción, pérdidas
de carga, etc. son proporcionalmente menores, así,
en pequeños compresores empleados en refrigeración
doméstica este valor es del orden de 4 ~ 5
Btu/Wh, en tanto que en compresores de mayores
capacidades, estos valores son típicamente de
10 ~12 Btu/Wh.
Calor específico: es numéricamente igual a la
cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad
de masa de una sustancia para incrementar su temperatura
en un grado. Las sustancias difieren entre sí
en la cantidad de calor necesaria para producir una
elevación determinada de temperatura sobre una
masa dada. Si suministramos a un cuerpo una cantidad
de calor, que llamaremos Q, que le produce una
elevación t de su temperatura, llamamos capacidad
calorífica de ese cuerpo a la relación Q/ t y se
expresa ordinariamente en calorías por grado centígrado
[cal/ºC] o en British Thermal Units por grado
Fahrenheit [Btu/F]. Para obtener una cifra que
caracterice a la sustancia de que está hecho un cuerpo,
se define la capacidad calorífica específica, o abreviadamente
calor específico, a la capacidad calorífica
por unidad de masa de esa sustancia y lo denominamos
c =capacidad calorífica/masa = Q/ t/m =
Q/ t.m
El calor específico de una sustancia puede considerarse
constante a temperaturas ordinarias y en
CAPÍTULO III:
REFRIGERACION
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PRÁCTICAS EN
REFRIGERACIÓN
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intervalos no demasiado grandes. A temperaturas
muy bajas, próximas al cero absoluto, todos los
calores específicos disminuyen, y para ciertas sustancias
se aproximan a cero.
Calor latente de vaporización: es el calor en
BTU [KCAL] requerido para llevar 1 libra [1 kilogramo]
de un fluido, de estado líquido a gaseoso en
estado de saturación a presión constante. Este valor
desciende inversamente con el cambio de presión. La
temperatura se mantiene constante durante todo el
proceso de cambio.
Calor latente de fusión: es el calor necesario en
BTU [KCAL] necesario para cambiar 1 libra [1kilogramo]
de una sustancia de estado sólido a líquido.
La temperatura se mantiene constante durante el
proceso.
Energía térmica - Formas de transmisión
La energía térmica se puede transmitir como
calor de tres maneras:
Radiación: es la transmisión de energía cinética
interna en forma de emisión de ondas electromagnéticas
de un cuerpo a otro (no necesita medio sólido
ni fluido).
Conducción: se efectúa en sólidos y se entiende
como la transferencia de energía cinética como
vibración molecular.
Convección: es la transferencia de energía térmica
por el movimiento de masa.
Se han enunciado solamente algunos de los principios
termodinámicos que los técnicos de refrigeración
deben reconocer y aplicar en sus actividades
cotidianas; pero es necesario profundizar en su
conocimiento y en el de todos los fenómenos físicos
que se producen en un sistema de refrigeración. Se
recomienda que los técnicos adquieran estos
conocimientos en cursos especializados.
6 Propiedades de los gases
Para comprender bien un sistema de refrigeración
es necesario conocer las propiedades fundamentales
de los gases refrigerantes empleados.
Las propiedades de presión, temperatura y volumen
se dan por conocidos. Otras propiedades termodinámicas
definidas son:
• Energía interna: está identificada como U y se
expresa como BTU/libra, o Kcal/kg. Es producida
por el movimiento y configuración de
las moléculas, los átomos y las partículas subatómicas.
La parte de energía producida por el
movimiento de las moléculas es llamada energía
sensible interna y se mide con el termómetro y
la energía producida por la configuración de
los átomos en las moléculas es denominado
calor latente y no se puede medir con termómetro.
• Entalpía: está identificada como una h y se
expresa en BTU/libra, o Kcal/kg. Es el resultado
de la suma de la energía interna U y el
calor equivalente al trabajo hecho sobre el sistema
en caso de haber flujo. En estado estacionario
es igual al calor total contenido o Q.
• Entropía: está identificada como S y se expresa
en BTU/ºF*libra o Kcal/ºC*kg. El cambio de
entropía es igual al cambio de contenido de
calor dividido por la temperatura absoluta Tk.
7 Cambio de estado
de los gases
Los cambios termodinámicos de un estado a otro
tienen lugar de varias maneras, que se denominan
procesos:
• Adiabático: es aquel en el cual no hay entrada
ni salida de calor. El proceso de expansión
de un gas comprimido se entiende como adiabático
porque se efectúa muy rápido.
• Isotérmico: el cambio se efectúa a temperatura
constante durante todo el proceso.
• Isoentrópico: el cambio se efectúa a entropía
constante.
• Politrópico: el cambio se efectúa según una
ecuación exponencial.
8 Gráfico de Mollier
Todos los gases refrigerantes tienen tabuladas sus
propiedades en función de la temperatura, presión y
volumen. Además se han diseñado herramientas de
ayuda para facilitar el entendimiento y cálculo del
comportamiento de ellos durante los cambios de
estado o en cualquier condición que se encuentren.
Para ello es necesario conocer la Presión o la
temperatura si el gas está en cambio de fase, o conocer
presión y temperatura si es un gas sobrecalentado.
El gráfico de Mollier es una ayuda de gran valor
tanto para calcular como para visualizar un proceso
y o analizar un problema en cualquier equipo que se
esté diagnosticando.
Aquí es importante destacar que de la comparación
entre gráficos de distintos gases, permite apreciar
las diferencias de presiones y temperaturas de
operación que se lograrán en un mismo sistema si se
efectúa una sustitución de refrigerante y las consecuencias
en cuanto a seguridad, pérdida o ganancia
de eficiencia y logro de la temperatura de trabajo
deseada.
23
8.1 Análisis del gráfico
El gráfico tiene en su ordenada la presión absoluta
[en psia o en Kg/cm2 absolutos] a escala logarítmica
y en la coordenada o abcisa, la entalpía en
BTU/lbm o en Kcal/kgm a escala lineal.
Ahora bien, en este gráfico encontramos tres
zonas bien definidas:
• Zona de líquido.
• Zona de vapor (o cambio de estado de líquido
a gas en la ebullición).
• Zona de gas.
La línea izquierda de la curva indica el inicio de
la evaporación y se denomina línea de líquido saturado.
En este punto se inicia la evaporación del líquido (en
nuestro caso del refrigerante) y varía según la presión
y la temperatura.
La zona de vapor indica el paso de líquido a gas
y ocurre a presión y temperatura constante, hasta que
todo el fluido se haya evaporado. Por consiguiente,
durante este proceso vemos que la cantidad de líquido
va disminuyendo mientras que el vapor va aumentando,
cambiando solamente la entalpía.
La línea derecha de la curva indica el fin de la
evaporación, se denomina línea de vapor saturado y
en este punto se inicia el proceso denominado de
recalentamiento y por lo tanto todo el gas es sobrecalentado.
Después de esa línea todo el fluido o
refrigerante poseerá otras condiciones que dependen
de la temperatura y la presión.
El punto de unión de las líneas de líquido saturado
y de vapor saturado se denomina punto crítico y en
él, tanto la temperatura como la presión se denominan
temperatura crítica y presión crítica respectivamente.
En este punto el refrigerante puede estar
como líquido o como vapor y no tiene un valor
Gráfico de Mollier.
CAPÍTULO III:
REFRIGERACION
MANUAL DE BUENAS
PRÁCTICAS EN
REFRIGERACIÓN
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determinado de calor latente de vaporización. Por
encima de este punto el gas no pasa a fase liquida a
pesar de la presión.
El proceso de evaporación bajo las condiciones
de presión o temperatura predeterminada, es progresivo
y un punto cualquiera de él identifica porcentualmente
la cantidad de líquido convertido en
vapor y se define como calidad del vapor y en el gráfico
podemos leer la entalpía [h] que le corresponde,
o sea la entalpía que el refrigerante tiene en ese
punto. Esas líneas están dibujadas en la zona de
evaporación de arriba hacia abajo y naturalmente
están contenidas entre 0 (totalmente líquido) y 1
(totalmente vapor). La suma de puntos de calidad 1
corresponde a la línea de vapor saturado
Por fuera de la curva de vapor, las líneas de temperatura
constante están dibujadas casi verticalmente
hacia arriba en la zona de líquido y casi verticalmente
hacia abajo en la zona de gas sobrecalentado.
Las líneas de entropía [s] constante están dibujadas
en la zona de gas sobrecalentado. En el caso de
un ciclo de refrigeración, representan el proceso de
compresión del refrigerante, el cual sucede isoentrópicamente.
Las líneas de volumen específico constante del
gas refrigerante están indicadas en metros cúbicos
por kilogramo del material [m3/kg] y están dibujadas
en la zona de gas sobrecalentado. Esta información
nos permite conocer las características del gas en un
punto y en particular, en el ciclo de refrigeración,
para conocer el volumen o la masa manejados por el
compresor.
La breve descripción del gráfico de Mollier
[Figura IV-a] antes hecha se puede entender mejor
con ejercicios de aplicación en cada caso particular,
o con ejemplos, como veremos a continuación.
8.2 Ciclo mecánico de
refrigeración
En el gráfico siguiente se superponen un esquema
de un sistema de refrigeración y un gráfico de Mollier
para destacar la correlación que existe entre ambos
cuando se identifican los procesos que se llevan a
cabo en cada uno de los cuatro componentes principales
de un sistema de refrigeración con los puntos
característicos que identifican cada uno de los pasos
en el diagrama de Mollier.
Diagrama de un ciclo básico de refrigeración.
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Debemos recordar que el objeto de un proceso
de refrigeración es extraer calor de los materiales:
alimentos, bebidas, gases y de cualquier otro material
que deseemos enfriar, valiéndonos de los principios
de la física como del conocimiento del ingenio humano
sobre el comportamiento de los fluidos y materiales
desarrollados durante el avance de la tecnología.
Como su nombre, ciclo, lo indica, se trata de un
proceso cerrado en el cual no hay pérdida de materia
y todas las condiciones se repiten indefinidamente.
Dentro del ciclo de refrigeración y basado en la
presión de operación se puede dividir el sistema en
dos partes:
• Lado de alta presión: parte del sistema que
esta bajo la presión del condensador.
• Lado de baja presión: parte del sistema que
esta bajo la presión del evaporador.
El proceso básico del ciclo consta de cuatro
elementos.
8.2.1 Lado de alta presión
Compresor: (1-2) comprime el refrigerante en
forma de gas sobrecalentado. Este es un proceso a
entropía constante y lleva el gas sobrecalentado de la
presión de succión (ligeramente por debajo de la presión
de evaporación) a la presión de condensación,
en condiciones de gas sobrecalentado.
Condensador: (3-4) extrae el calor del refrigerante
por medios naturales o artificiales (forzado). El
refrigerante es recibido por el condensador en forma
de gas y es enfriado al pasar por los tubos hasta convertir
toda la masa refrigerante en líquido; su diseño
debe garantizar el cumplimiento de este proceso,
de lo contrario se presentarán problemas de
funcionamiento.
Para condensadores enfriados por aire, puede
decirse que la temperatura del refrigerante en un
condensador debe estar 15K por encima de la temperatura
promedio del aire alrededor de este (temperatura
del condensador = temperatura ambiente
+ 15ºC).
Dispositivo de expansión: (5-6) es el elemento
que estrangula el flujo del líquido refrigerante para
producir una caída súbita de presión obligando al
líquido a entrar en evaporación. Puede ser una válvula
de expansión o un tubo de diámetro muy pequeño
en relación a su longitud [capilar].
8.2.2 Lado de baja presión
Evaporador: (6-7) suministra calor al vapor del
refrigerante que se encuentra en condiciones de cambio
de estado de líquido a gas, extrayendo dicho calor de los
productos o del medio que se desea refrigerar.
El evaporador debe ser calculado para que
garantice la evaporación total del refrigerante y producir
un ligero sobrecalentamiento del gas antes de
salir de él, evitando el peligroso efecto de entrada de
líquido al compresor, que puede observarse como
presencia de escarcha en la succión, lo cual prácticamente
representa una condición que tarde o temprano
provocará su falla.
Cumpliendo el ciclo, el sistema se cierra nuevamente
al succionar el refrigerante el compresor en
condiciones de gas sobrecalentado.
8.2.3 Otros dispositivos
Adicionalmente, usualmente se insertan a ambos
lados de presión (alta/Baja) en el sistema, con fines
de seguridad y de control, varios dispositivos como
son:
Filtro secador: su propósito es retener la
humedad residual contenida en el refrigerante y al
mismo tiempo filtrar las partículas sólidas tanto de
metales como cualquier otro material que circule en
el sistema. Normalmente se coloca después del condensador
y antes de la entrada del sistema de expansión
del líquido. La selección del tamaño adecuado
es importante para que retenga toda la humedad
remanente, después de una buena limpieza y
evacuación del sistema.
Visor de líquido: su propósito es el de supervisar
el estado del refrigerante (líquido) antes de entrar al
dispositivo de expansión. Al mismo tiempo permite
ver el grado de sequedad del refrigerante.
Separador de aceite: como su nombre lo indica,
retiene el exceso de aceite que es bombeado por el
compresor con el gas como consecuencia de su miscibilidad
y desde allí lo retorna al compresor directamente,
sin que circule por el resto del circuito de
refrigeración. Solo se lo emplea en sistemas de
ciertas dimensiones.
Existen otros dispositivos que han sido desarrollados
para mejorar la eficiencia del ciclo de refrigeración,
tanto en la capacidad de enfriamiento (subenfriamiento),
como en el funcionamiento (control de ecualización);
o para proteger el compresor como es el caso de los
presostatos de alta y baja que bloquean el arranque
del compresor bajo condiciones de presiones en
exceso o en defecto del rango permitido de operación
segura, e impiden que el compresor trabaje en sobrecarga
o en vacío y los filtros de limpieza colocados en la
línea de succión del compresor en aquellos casos en
que se sospeche que el sistema pueda tener vestigios
no detectados de contaminantes.
CAPÍTULO III:
REFRIGERACION
MANUAL DE BUENAS
PRÁCTICAS EN
REFRIGERACIÓN
26
8.3 Relación entre el ciclo
de refrigeración
mecánica y el gráfico
de Mollier
Es importante recordar que el gráfico de Mollier
indica en el eje horizontal (o abcisa) la variación de la
entalpía y en el eje vertical (u ordenada), la variación
de la presión absoluta. En el ciclo de refrigeración
ilustrado se ha presentado al mismo tiempo el ciclo
teórico y el ciclo real. Allí, al analizar con atención
podemos observar y visualizar todos los pasos que
ocurren dentro del sistema de refrigeración, así:
Arrancamos el proceso desde el punto 1 representado
en la figura. Involucra el proceso [1-2] correspondiente
al trabajo introducido por el compresor
que lleva el gas del punto 1 al 2 transcurriendo a
entropía constante. El refrigerante sale en forma de
gas sobrecalentado y va perdiendo calor rápidamente
(de 2 a 3), a presión aproximadamente constante.
Luego dentro del condensador, bien sea por medios
naturales (convección natural) o por ventilación forzada,
se extrae el calor del refrigerante (de 3 a 4), proceso
que transcurre a presión y temperatura constantes.
Allí, el refrigerante pasa de ser vapor saturado seco
(gas), en el punto 3, a líquido o vapor saturado húmedo
en el punto 4 y aproximadamente una vuelta antes
de la salida del condensador. En la última parte del
condensador, que corresponde al segmento [4-5], el
refrigerante en forma de líquido experimenta un enfriamiento
adicional (tendiendo a la temperatura ambiente)
y menor que la temperatura de condensación;
denominando a esta parte zona de subenfriamiento.
Los procesos descriptos hasta ahora están dentro de lo
que se definió como lado de alta presión del sistema.
Luego de estar en el punto [5], se inicia una caída
súbita de presión que ocurre en el dispositivo de
expansión, correspondiendo a los puntos [5-6]. Este
es un proceso adiabático, es decir que sucede a
entalpía constante. Podemos observar que la salida
del vapor en el punto 6 no corresponde con la línea
de líquido saturado sino que se presenta como una
mezcla de vapor con baja calidad (Baja sequedad).
En ese punto se inicia el recorrido del vapor por el
evaporador entre los puntos 6 y 7, tomando el calor
que necesita para completar la evaporación a presión
y temperatura constantes y es en este proceso cuando
se realiza el efecto de refrigeración, o lo que es
igual el enfriamiento de las superficies que están en
contacto con el evaporador. Antes de salir del
evaporador (algunas vueltas) el refrigerante ha llegado
a condiciones de saturado seco (gas) en 7 y sigue
calentándose hasta llegar a la succión del compresor
de 7 a 1, nuevamente a presión aproximadamente
constante. Este sobrecalentamiento nos permite asegurar
que el refrigerante será aspirado siempre como
gas. Esta parte del sistema es lo que se conoce como
lado de baja presión del sistema.
En ocasiones se aprovecha la baja temperatura, a
través de una disposición de las tuberías de retorno
de gas al compresor y el dispositivo de expansión (en
caso de que este sea un tubo capilar), dispuestas en
contacto directo, en forma de intercambiador de
calor, para subenfriar el refrigerante después de la salida
del condensador, permitiendo ganar rendimiento del
evaporador equivalente al segmento [4-5].
Adicionalmente, el profesional que analiza el diagrama
de Mollier podrá calcular para cualquier ciclo
diseñado, la cantidad de calor que debe ser manejado en
él y seleccionar el equipamiento necesario (compresor,
condensador, válvula de expansión, evaporador) según
la masa de refrigerante a circular por el sistema.
8.4 Herramientas
computacionales para
el cálculo de sistemas
de refrigeración
Se recomienda a los profesionales de la refrigeración
que aún no estén familiarizados con la
navegación en Internet, que adquieran las habilidades
necesarias para hacerlo, pues en Internet se
publican informaciones valiosas que deben ser
tenidas en cuenta para mejorar los procedimientos
empleados en servicios y se obtiene información
actualizada sobre las características y principios de
funcionamiento de gran cantidad de dispositivos y sistemas
que pueden serle de valiosa ayuda en su trabajo.
Debido a la complejidad de los cálculos para un
sistema de refrigeración o para el acondicionamiento
de ambientes, aunado a la tendencia y necesidad de
orden mundial cada vez mayor, de ser eficientes
energéticamente hablando, se han desarrollado un
gran número de herramientas computacionales (software)
para la asistencia en el diseño de estos sistemas.
La Universidad Técnica de Dinamarca, por
ejemplo, ha desarrollado un programa de cálculo de
sistemas de refrigeración que cubre diversos aspectos
de diseño y aplicaciones, de libre acceso, que resulta
ser una herramienta de gran utilidad para explicar
los diversos fenómenos que se llevan a cabo en un
sistema de refrigeración. También resulta de utilidad
práctica como guía para el cálculo efectivo de sistemas
y la toma de decisiones en el diseño. El idioma
empleado es el inglés. La dirección de Internet [URL]
en la WWW [World Wide Web] es:
http://www.et.web.mek.dtu.dk/Coolpack/UK/download.html

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