Frío Industrial

Frío Industrial Arturo Solís Parra C.F.G.M. Técnico en Instalaciones Frigoríficas y de Climatización.

Salesianos Manuel Lora Tamayo

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Índice Conceptos básicos de Frío 1.1.

Unidades de medida ................................................................................... 4

1.2.

Temperatura ................................................................................................. 4

1.2.1. Escala Centígrada o Celsius. ............................................................... 4 1.2.2. Escala Fahrenheit. ................................................................................. 5 1.2.3. Escala Kelvin. ......................................................................................... 5 1.2.4. Factores de conversión de escalas de temperatura. tem peratura. ....................... .................. ..... 5 1.2.5. Instrumentos de medida de temperatura. ......................................... 6 1.3.

Presión. .......................................................................................................... 7

1.3.1. Presión absoluta y presión relativa. .................................................... 9 1.3.2. Instrumentos de medida de presión. .................................................. 9 1.4.

Trabajo, potencia y energía. .................................................................... 10

1.4.1. Energías almacenadas almace nadas..................................... .................. ...................................... .................................. ............... 11 1.4.2. Energías de tránsito. ............................................................................ 12 1.5.

Calor ............................................................................................................ 12

1.5.1. Estados de la materia. ........................................................................ 13 1.5.2. Calor sensible y calor latente. ........................................................... 14 1.5.3. Saturación, recalentamiento y subenfriamiento. ............................ 16 1.6.

Ley de los gases ideales. .......................................................................... 16

1.6.1. Ley de Boyle-Mariotte. ....................................................................... 16 1.6.2. Ley de Charles. .................................................................................... 17 1.6.3. Ley de Gay-Lussac. ............................................................................ 17 Ciclos Frigoríficos 2.1.

Clasificación de los ciclos termodinámicos. .......................................... 18

2.1.1. Máquinas de adsorción: .................................................................... 18 2.1.2. Máquinas de absorción: .................................................................... 18 2.1.3. Máquinas de eyección ...................................................................... 20 2.1.4. Máquinas de compresión .................................................................. 22 2.2.

Ciclos de compresión especiales ............................................................ 24

2.2.1. Sistemas multietapa. ........................................................................... 24 2.2.2. Sistemas compuestos ......................................................................... 25 2.2.3. Sistemas en cascada ......................................................................... 25

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Introducción: En este texto se pretende dar una idea general de los conceptos, procedimientos y técnicas utilizadas en la construcción, mantenimiento y reparación de instalación de frío industrial. Si bien el texto se fundamenta en conceptos teóricos, no es menos cierto que pretende también aportar aplicaciones prácticas y problemas reales que pueden aparecer en el diario de un técnico dedicado a las instalaciones de frío. Pero, como en casi todas las facetas de la vida, la experiencia práctica es la mejor herramienta para poder desarrollar de forma plena cualquier profesión o empresa, por lo que acompañar al documento con un buen grupo de prácticas y adquirir experiencia mediante practica profesional es imprescindible para poder llegar a ser un buen técnico en frío industrial.

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1. Conocimientos básicos de Frío 1.1. Unidades de medida Cualquier técnico en instalaciones frigoríficas ha de ser capaz de manejar un conjunto de unidades de medida que tienen relación con los distintos fluidos que se ponen en juego dentro de una determinada instalación. Entre estos fluidos podemos destacas el fluido termodinámico, conformado por el refrigerante; el fluido caloportador, que puede ser aire, agua u otro que permita transferir el calor en el sistema; el fluido eléctrico, necesario para mover compresores, bombas o ventiladores de nuestro sistema… Así pues el técnico debe estar habituado al manejo de las unidades de medida de los distintos elementos de la instalación, así como de sus múltiplos, submúltiplos y factores de conversión, puesto que en muchas ocasiones la instalaciones proceden de diversos países con distintos sistemas de unidades que no pueden impedir que el técnico sea capaz de conocer el estado del sistema en cualquier momento.

1.2. Temperatura Dentro de nuestro sistema frigorífico, una unidad fundamental a conocer es la temperatura. Como profundizaremos más adelante, la temperatura es un indicador de la variación de calor en un cuerpo o, en nuestro caso, en el fluido refrigerante, si bien no todos las variaciones de calor, implican modificación de temperatura como es el caso de la modificación del calor latente de un cuerpo que implica un cambio de estado sin variar la temperatura. Las temperaturas se pueden medir fundamentalmente mediante las siguientes escalas:

1.2.1. Escala Centígrada o Celsius. Creada por el científico sueco Anders Celsius en 1742, establece como puntos de referencia para la medida de temperatura la correspondiente a la fusión del hielo y a la ebullición del agua para una presión de 760 Torr, o lo que es lo mismo 760 mm Hg. Se establece, de forma arbitraria, el valor 0 a la fusión del hielo y 100 a la ebullición y se divide en una escala de 100 partes la distancia entre estos dos valores.

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Los valores superiores a la fusión del hilo son positivos y los menores a este negativos o “bajo cero”. Es, pesar de no ser la escala establecida en el sistema internacional de medida, la más utilizada en aplicaciones de medida de temperatura en instalaciones frigoríficas y de climatización.

1.2.2. Escala Fahrenheit. Escala de temperatura creada por el físico alemán Daniel Gabriel Fahrenheit en 1724. En esta escala, y utilizando un termómetro de alcohol, se estableció como 0 de la escala de temperatura a una mezcla de hielo y sal y el valor 100 correspondía a la temperatura del cuerpo humano en condiciones normales. A sí pues, comparando escalas de temperatura tendríamos que la fusión del hielo correspondería a 0º C y 32 º F y la ebullición del agua a 100º C y 212º F. La distancia entre los dos valores Fahrenheit se divide en 180 partes iguales que conforman la escala. Al igual que la escala centígrada, la Fahrenheit puede tener valores positivos o negativos, por lo que se denominan a ambas escalas relativas. Esta escala es muy utilizada aún en países anglosajones (Gran Bretaña, Estados Unidos, Australia…) si bien en el futuro se establecerá el sistema internacional de unidades que toma como escala de temperatura el Kelvin.

1.2.3. Escala Kelvin. Esta escala es la recogida por el sistema internacional de medidas. Se parte del unos nuevos puntos de referencia, concretamente del punto triple del agua, en donde se encuentran en equilibrio la presión, la temperatura y el volumen específico del agua y donde podemos encontrar el agua en sus tres estados. El otro punto de referencia es el cero absoluto de temperatura. Valor que solo se ha podido alcanzar de forma teórica, puesto que aún no existen medios físicos para bajar tanto la temperatura de un cuerpo y que corresponde al punto donde cualquier molécula carece de movimiento alguno. Al cero absoluto se le da el valor “0 K” y al punto triple del agua, haciendo corresponder las distancias a la escala Centígrada, le corresponde el valor 273,15 K. A esta escala se la denomina absoluta, puesto que no existen valores de temperatura negativos, al no existir temperatura inferior al cero absoluto, origen de referencia Kelvin.

1.2.4. Factores de conversión de escalas de temperatura. A continuación se presenta la relación de conversión de los distintas escalas de temperatura consideradas. !"" !!

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1.2.5. Instrumentos de medida de temperatura. El instrumento utilizado para realizar la medida de temperatura es el termómetro. Este inicialmente se basaba en la variación del volumen de un líquido al aumentar su temperatura, manteniendo su presión constante. En la actualidad el sistema de toma de temperatura se ha diversificado, siendo muy aplicados en la actualidad aquellos vasados en sistemas electrónicos. Todos estos pasaremos a continuación a describirlos brevemente. Termómetros de Bulbo.

Están constituidos por una pequeña cámara, denominada bulbo, en donde se encierra una pequeña cantidad de fluido en estado líquido o en forma de gas, y conectados por un pequeño capilar a un manómetro que registra la presión del gas contenido en el bulbo. Cuando aumenta la temperatura del bulbo, la presión del fluido sube proporcionalmente, indicando el manómetro, escalado en grados, la temperatura a la que se encuentra el elemento en contacto con este bulbo. La variación de presión, que se traduce posteriormente en temperatura, se registra mediante un tubo en espiral que se denominado de “Bourdon” que al soportar un amento de presión tiende a desenrollarse, desplazando a su vez la aguja sobre la escala de medida.

Termómetros de resistencia.

Estos sistemas de medida de temperatura utilizan las propiedades eléctricas de determinados materiales. Son muy utilizados en termómetros de contacto para superficies y tienen rangos de medida entre -200º C y 1.700º C. Podemos clasificar en: •

Termoresistencias; formadas por alambres finos cuya resistencia cambia al variar la temperatura. Las mas usuales se fabrican encapsuladas dentro de una vaina cerrada por un extremo y sellada con material aislante que evita la entrada de humedad. Las más comunes son la PT100 con valor de 100 !  a 0º C. Son las que miden rangos de temperatura más amplios, las más exactas y fiables. (de 200 a 500º C.)

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Termistores; denominados NTC, son diodos o transistores semiconductores capaces de medir pequeñas temperaturas gracias a sus valores elevados de resistencia. Son muy precisos pero tienen un rango de temperatura muy estrecho (de 0 a 30º C.) Termopares; Elemento formado por dos hilos de distinto material, que al ponerse en contacto con una fuente de calor generan una diferencia de potencial (tensión) proporcional a la temperatura de la fuente de tensión aplicada. En el termopar se distinguen dos zonas diferentes denominadas unión fría y unión caliente, siendo la temperatura medida la diferencia de temperatura entre estas dos zonas. Los termopares se designan mediante letras (T, E, J, K, R, N, B) que indican los materiales que contienen. El más utilizado en el mundo de la refrigeración es el termopar tipo T (Cu-Constantan). Termómetros de infrarrojos.

Son muy útiles en aplicaciones eléctricas, electrónicas, de calefacción, ventilación y aire acondicionado, y resultan muy seguros en trabajos con carga eléctrica, movimientos rotativos, en posiciones difíciles de alcanzar o con temperaturas extremadamente altas. Generalmente poseen un rayo de luz piloto para indicar el centro del punto de medida. Como inconveniente fundamental, estos termómetros no dan mediciones precisas en superficies pulidas o de pequeñas dimensiones, siendo afectados por la proximidad de otras fuentes de calor.

1.3. Presión. Se define el concepto de presión como la relación entre la fuerza ejercida sobre un cuerpo y la superficie sobre la que se ejerce dicha fuerza. !

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Donde la fuerza en el sistema internacional viene expresada en Newton (N) y la superficie en metros cuadrados (m 2). La unidad en el sistema internacional de presión es el “Pascal”  Pa. La presión es de aplicación para sólidos, líquidos y gases, siendo la presión ejercido por ellos o sobre ellos de distinta naturaleza, en función, entre otros, del recipiente que los contiene.

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La medida de presión resulta de gran importancia a la hora de realizar el análisis de funcionamiento de un sistema frigorífico. Además se da la circunstancias que la presión es una variable a medir común en muchas disciplinas técnicas y existen muchas unidades diversas que se ajustan mejor o peor según los valores de presión que estemos midiendo. Por ejemplo, para las instalaciones frigoríficas el “Pa”  es una unidad muy pequeña, por lo que se utilizan otras que se adecúan mejor a los niveles de las presiones de los equipos frigoríficos. La unidad más utilizada para medir presión en instalaciones de frío es el “bar” , aunque en algunas ocasiones se pueden encontrar presiones medidas en “kg/cm2” o en “psi” unidad esta última muy utilizada en países de habla inglesa. En la siguiente tabla aparece la relación de las principales unidades de presión:

Para la medida de presión en caso de vacío también se utilizan unidades de medida de presión adecuadas a la magnitud, siendo comúnmente utilizadas unidades como la “micra o micrón”, que no es más que 10 -3 veces la presión de un en milímetros de columna de mercurio o el “milibar”, submúltiplo del “bar” de presión, más apropiado para la medida de vacío.

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1.3.1. Presión absoluta y presión relativa. Para realizar correctamente los cálculos de medida de presión en una instalación hemos de tener en cuenta que hay que distinguir dos presiones que actúan sobre la instalación frigorífica; La presión absoluta y la presión relativa. La  presión relativa  hacer referencia a la que podemos encontrar, por ejemplo en el interior del circuito frigorífico de una instalación, indicándonos la presión que ejerce el refrigerante sobre las paredes de las tuberías o la que ejerce el compresor para hacer circular en refrigerante por el circuito. Esta presión se mide con el manómetro . La  presión absoluta  incluiría, además de la presión que hemos indicado antes, la que ejerce la atmosfera o presión atmosférica de la zona en donde estemos haciendo la medida de nuestra instalación. La presión atmosférica, que se mide con el barómetro , es variable y es la que nos indican los meteorólogos para cada día y cada zona, si bien es cierto que estas variaciones son pequeñas en comparación con las registradas por el manómetro de nuestra instalación, por lo que para operaciones técnicas la presión atmosférica se estima con un valor de “1 bar” de presión. Por consiguiente podemos deducir que: !! !!

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Donde PA indica la presión absoluta, P R la relativa medida con manómetro y PATM la presión atmosférica medida en la zona. De esta ecuaciones se deducen las siguientes cuestiones: •

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La presión absoluta siempre es positiva, puesto que parte del “0” absoluto de presión o vacío perfecto en donde no existe presión. Las presiones relativas si pueden ser negativas, pero no pueden ser menores que la presión atmosférica de la zona. Al realizar vacío a un sistema, su presión es negativa, si la medimos con un manómetro de presión relativa, si bien algunos vacuómetros miden en escala absoluta.

1.3.2. Instrumentos de medida de presión. Como bien indicamos antes, los instrumentos utilizados para realizar las medidas de presión son el manómetro y el barómetro. Como también se ha indicado el primero de ellos mide presión relativa y el segundo presión atmosférica, por lo que para el tema que tratamos nos vamos a centrar en el manómetro como elemento de medida. Este instrumento se basa en la deformación de un tubo de Bourdon, sometido a la fuerza que ejerce el gas refrigerante. Consta de un tubo enrollado y cerrado por uno de sus extremos. El extremo cerrado, al deformarse por efecto de la presión desplaza una aguja sobre una

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escala graduada, siendo el desplazamiento de esta proporcional a la presión. El extremo opuesto que se encuentra en principio abierto, es el que se conecta, mediante una unión hermética, con el fluido que se desea medir. Para el trabajo del frigorista es muy usual montar un equipo para la m edida de presión denominado puente de manómetros o analizador de presiones. Este conjunto consta de dos manómetros con diferentes escalas, una de alta presión y otra de baja, junto con un cuerpo donde se sitúan dos válvulas que comunican entre sí tres tomas de presión. Cierran este conjunto una gomas o latiguillos con unas bocas apropiadas para la conexión con las válvulas de servicio de la instalación frigorífica. Las válvulas del puente de manómetro nos permiten, cuando se encuentran cerradas, medir la presión de aspiración y descarga de nuestro circuito a través de las gomas de alta y baja presión (roja y amarilla respectivamente) y cuando están abiertas permiten operaciones de trasiego de refrigerante, vacío del circuito y pruebas de estanqueidad entre otras, con ayuda de la toma de servicio (de color amarillo). En la actualidad es posible encontrar en el mercado analizadores digitales que nos permiten, en un mismo instrumento, realizar la medida de presión y temperatura de nuestra instalación, obteniendo los valores característicos y las desviaciones para cada tipo de refrigerante. Estos equipos poseen sondas de temperatura y tomas de presión que nos indican incluso los valores de recalentamiento y subenfriamiento de la instalación.

1.4. Trabajo, potencia y energía. Se entiende por trabajo  al que realizar una determinada fuerza al desplazarse una distancia. Si esta distancia tiene cierto ángulo respecto al desplazamiento este también ha de ser tenido en cuenta. Por ejemplo, cuando desplazamos un objeto pesado deslizándolo por el suelo desde un punto a otro, la fuerza aplicada y la distancia nos dan idea del trabajo que hemos realizado. Así pues, podemos indicar que el trabajo es igual a: !

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Donde la Fuerza se mide en “Newton” la distancia en “metros” y el coseno del ángulo de la fuerza aplicada la objeto no tiene dimensión. La unidad

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resultante del producto de fuerza por distancia es el “Julio”. Como veremos más adelante el trabajo no tiene que ser siempre en línea recta ni tampoco mecánico. Muy relacionado con el trabajo está el término de potencia que por definición se entiende por: “cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo”. La ecuación que mide la potencia viene definida por: !

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La unidad de potencia es el “vatio” que se obtiene de dividir un Julio por segundo. Como veremos en otras unidades existen otras medidas de potencia que son de aplicación en frío y que se ajustan más al calculo de una instalación. En la siguiente tabla: 1 kW

1.000 W

1 CV

736 W

1 HP

746 W

1 Pie-libra/segundo

1,356 W

1 kcal/hora

1,163 W

Por último, la energía se define como: “Capacidad que tiene un sistema de realizar un trabajo”. También la podemos definir como la facultad que tiene un sistema de almacenar trabajo, que se puede desarrollar posteriormente, como por ejemplo la carga de una batería. Dentro del concepto de energía podemos hacer una clasificación en función de la forma de manifestación de esta energía. Nos vamos a centrar fundamentalmente en las formas de energía más utilizadas en instalaciones frigoríficas:

Energías almacenadas

Energías de tránsito

Energía potencial.

Trabajo mecánico.

Energía cinética.

Trabajo de flujo.

Energía Interna.

Calor.

1.4.1. Energías almacenadas Energía Potencia:  Esta energía, común en todos los fluidos y en los solidos,

es aquella que se manifiesta al descender dicho fluido desde una altura determinada a otra inferior. El ejemplo clásico es la energía almacenada en una presa debido a la diferencia de altura entre la superficie del agua de la presa y la salida por la parte más baja del agua para producir, por ejemplo, electricidad en una turbina. Esta energía al liberarse cambia de tipo, transformándose en, por ejemplo, energía cinética. Por último indicar que esta

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energía, depende además de la diferencia de cotas (alturas) de la masa de fluido y de la gravedad en le lugar. !!

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Energía Cinética: La energía potencial se debía, como antes indicamos, a

la diferencia de cotas en un fluido (o en un sólido) por lo que podemos afirmar que esta energía se puede dar tanto en fluidos en reposo como en movimiento. Sin embargo, la energía cinética solo se da en sistemas en movimiento ya que esta depende de la velocidad del fluido en nuestro caso. Así pues la expresión de esta energía relaciona la masa del cuerpo o fluido “m” con la velocidad que este desarrolla “v” como regla general: !

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Energía Interna:  Esta energía se debe al movimiento interno de las

moléculas de una sustancia. Podemos decir pues que la energía interna se debe a las energías cinéticas y potenciales de las moléculas y sus relaciones de atracción y vibración.

1.4.2. Energías de tránsito. Trabajo o Energía de Flujo:  Podemos definir esta energía como aquella que

aparece un sistema termodinámico (como puede ser el circuito refrigerante de un sistema frigorífico)al fluir un gas con unas determinadas presiones de entrada y de salida y con secciones te tubería de entrada y salida distintas. Un ejemplo de esta energía es la que podemos medir antes y después de una válvula de expansión en una instalación frigorífica. Trabajo o Energía Mecánica:   Es el que podemos introducir en un sistema

termodinámico a través de energía mecánica. Un ejemplo claro sería la energía que introducimos en nuestro sistema a través de la compresión del refrigerante. Para comprimir el gas realizamos un trabajo mecánico que disminuye el volumen del cilindro al desplazarse el pistón aumentando la presión del gas. Este trabajo mecánico, una vez realizado, se transforma en otro tipo, como por ejemplo en energía cinética en el fluido (aumentamos su velocidad dentro de la instalación). Calor:  Forma de energía de transito por excelencia, no es muy diferente a

las otras formas de energía de tránsito, es decir, esta forma no se puede almacenar, puesto que siempre tiene a escapar igualándose con su entorno. El calor lo estudiaremos a continuación.

1.5. Calor El calor, como hemos indicado en la sección anterior, es una forma de energía. Esta transferencia de energía siempre se produce desde el cuerpo más caliente al más frio, o dicho de otro modo, la energía calorífica se desplaza siempre de forma natural del foco caliente al foco frío. Foco Frío

CALOR

Foco caliente

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Sin embargo, esta transmisión de calor se puede producir de distintas formas en función de la fuente de calor y del medio por donde se transmite, por lo que se clasifica esta transmisión en tres formas distintas, pero que pueden aparecer vinculadas en muchas ocasiones:

Radiación

Convección

Conducción

•

•

•

Conducción:  Forma de transmisión del calor que se produce en los

sólidos donde el calor se propaga entre átomos o moléculas contiguas. Convección:  Transmisión que aparece en líquidos y gases en donde aparecen corriente de fluido llamadas convectivas originadas por la modificación de la densidad de los fluidos al cambiar su temperatura. Radiación:   Trasferencia del calor a través de ondas electromagnéticas (fotones), que a diferencia de la otras formas de transferencia, no necesitan un medio para su propagación (incluso se propagan en el vacío. La radiación térmica, que a distintos niveles emiten todos los cuerpos, suele corresponder con la banda de frecuencia infrarroja.

1.5.1. Estados de la materia. La materia podemos encontrarla en tres estados bien diferenciados, en función de su temperatura, presión y contenido de calor. Podemos encontrar  Solido.  

Aquella sustancia que conserva su forma sin estar contenido en ningún envase. Los sólidos mantienen una estructura molecular cuasi estática, donde estas moléculas vibran de forma rápida, pero manteniendo su posición relativa con respecto a el resto de moléculas que le rodean. Cuanto más calor y temperatura tienen estas moléculas, mayor es esta vibración. Líquido.  Las moléculas de los líquidos se encuentran también muy próximas

entre sí pero no forman una estructura rígida como en el caso de los sólidos,

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sino que pueden desplazarse con libertad. Una característica fundamental de la materia en estado líquido es que toma la forma del envase donde se encuentra. Gas. El gas debe estar encerrado para herméticamente para evitar que se

escape a la atmósfera. También tiene como propiedad que sus moléculas están mucho más separadas puesto que las moléculas tiene poca atracción entre ellas, volando libremente dentro del contenedor y chocando contra las paredes de este. Se puede comprimir, aplicando presión al envase que los contiene y al aumentar su temperatura aumenta la velocidad de las moléculas y los choques entre ellas y las paredes del recipiente. Sublimación Solidificación Sólido

Condensación Gas

Líquido Fusión

Vaporización Sublimación

•

•

•

•

Temperatura de fusión. Es la temperatura a la que un sólido cambia al estado líquido. También se llama punto de fusión. Temperatura de ebullición. Es la temperatura a la que un líquido cambia al estado vapor. También se llama punto de ebullición, temperatura de vaporización o de saturación. Temperatura de condensación. Es la temperatura a la que un vapor cambia al estado líquido. También se llama temperatura de saturación. Temperatura de solidificación. Es la temperatura a la que un líquido cambia al estado sólido.

A presión constante: Temperatura fusión = Temperatura solidificación Temperatura vaporización = Temperatura de condensación

1.5.2. Calor sensible y calor latente. El calor sensible es la energía que recibe un cuerpo para aumentar su temperatura sin modificar su estructura molecular interna, es decir, si que se produzca en este cuerpo un cabio de estado. Por ejemplo, si calentamos

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agua dejando que esta pase de 15º a 50º C todo el calor que le hemos aplicado se ha utilizado para aumentar su temperatura. Hablamos de calor latente cuando el calor que se aplica a un cuerpo (o se extrae de este) se utiliza solo para que éste cambie de estado, permaneciendo su temperatura constante. El ejemplo clásico es cuando llevamos agua a ebullición a presión atmosférica. En este proceso se produce vaporización del agua a estado gaseoso, todo el calor que se aplica se utiliza para desprender moléculas de gas del agua líquida hasta que se agota por completo esta agua en estado líquido. Todo el proceso se realiza a una temperatura constante de 100º C. (caso particular del agua, dependerá esta temperatura de la presión y del fluido en cuestión). En forma general, y para los casos más simples podemos determinar el calor que absorberá o cederá un determinado cuerpo o sustancia al aumentar su temperatura, sin que se llegue a producir un cambio de estado mediante la siguiente expresión:

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Donde “Q” representa el calor, m es la masa de la sustancia, “ Ce” es el calor específico que dependerá de la sustancia y del estado en que se encuentre (sólido, líquido o gas) y “ t2“ y “t1” son respectivamente las temperaturas final e inicial a las que se somete la sustancia. Importante indicar que si el resultado anterior fuera positivo nos estaría indicando que el calor se ha cedió, pero si el resultado es negativo nos quiere decir que el calor es cedido al ambiente u a otro cuerpo en contacto con el analizado. La ecuación anterior no es aplicable para obtener el calor latente, es decir, para calcular el calor en un cambio de estado, puesto que al coincidir las temperaturas final e inicial, el resultado nos daría “0”. Para el cálculo del calor latente se utiliza una fórmula similar que no tienen en cuente la temperatura:

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En esta última expresión “ CL “ indica el calor específico del cambio de fase, que también dependerá de si estamos fusionando/solidificando o vaporizando/condensando.

Gráfico de temperatura en función del calor para el agua

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1.5.3. Saturación, recalentamiento y subenfriamiento. Estos tres conceptos están muy relacionados con los estados de la materia. Para cualquier sustancia se denomina punto de saturación o simplemente saturación en líquido o en vapor (gas) cuando estamos justo entre los extremos del cambio de estado de líquido a gas. Tendremos líquido saturado cuando comencemos el cambio de estado a gas, podemos decir que es el punto donde aún no ha aparecido ninguna burbuja de gas. De igual modo, el punto de saturación de gas o vapor es el punto donde ha desaparecido por completo el líquido y solo podemos ya encontrar gas. Se denomina líquido subenfriado a cualquier cantidad de sustancia que se encuentre en estado líquido por debajo de la saturación, o lo que es lo mismo, a temperatura inferior a la saturación del fluido para esa presión. Se llama gas recalentado a cualquier cantidad de sustancia que se encuentre en estado gaseoso por encima de la saturación, o lo que es lo mismo, a temperatura superior a la saturación del fluido para esa presión. La temperatura de saturación, que es diferente para cada fluido, también es variable con la presión a la que está sometido dicho fluido. Estos conceptos son de suma importancia para las instalaciones frigoríficas y se estudiarán con más detenimiento en unidades posteriores.

1.6. Ley de los gases ideales. Estas leyes, que son la base de la termodinámica y que también son el fundamento del funcionamiento de cualquier sistema frigorífico, están basadas en una serie de hipótesis que estiman un gas formado por moléculas puntuales, sin masa y sin carga. Los choques entre las moléculas también son ideales y estos son proporcionales a la temperatura que se aplica sobre dicho gas. Si bien los gases reales no son como es tomado para enunciar estas leyes, es cierto que el comportamiento es similar y simplifica el cálculo para cualquier instalación, por lo que las ecuaciones que se van a enunciar a continuación, con algunas modificaciones, también son aplicables a instalaciones reales.

1.6.1. Ley de Boyle-Mariotte. Esta ley que solo es aplicable a procesos isotérmicos , es decir, donde la temperatura se mantiene constate   durante el proceso, determina que el volumen varía de forma inversa con la presión de este sistema: !!  ! !!

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1.6.2. Ley de Charles. Ecuación que si centra en los procesos Isobáricos, es decir donde la presión del sistemas se mantiene constante. Esta ley determina que el volumen es directamente proporcional a la temperatura en los proceso a presión constante: !! !!

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1.6.3. Ley de Gay-Lussac. El principio de la ley de Gay-Lussac es que, para un proceso isocórico, o sea donde el volumen es constante a lo largo del proceso, la presión sería directamente proporcional a la temperatura del sistema por lo que obtenemos: !! !!

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De la combinación de estas ecuaciones podemos obtener la general de los gases ideales aplicable a cualquier situación que se enuncia como la ley general de los gases ideales, que además de tener en cuenta presión volumen y temperatura, relaciona “ n” o número de moles del gas y “ R” denominada constante de los gases ideales: !  ! !

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 2. Ciclos Frigoríficos. 2.1. Clasificación de los ciclos termodinámicos. La primera clasificación que podemos realizar en relación a los ciclos termodinámicos se basa en la forma que opera el gas dentro del circuito, es decir, en función de que el refrigerante produzca su efecto frigorífico en estado sólido, líquido o gaseoso; con o sin cambio de fase y con o sin adicción de uno o varias sustancias que modifiquen la concentración en el sistema. Podemos clasificar entonces en sistemas:

2.1.1. Máquinas de adsorción: Los vapores del refrigerante son captados mediante un absorbente sólido. Este adsorbedor, que puede ser de carbón activo a de algún tipo de silica-gel es capaz de retener el gas a baja presión y temperatura proveniente del evaporador. Posteriormente, mediante la adicción de calor a través de una fuente externa, se libera el refrigerante en un proceso denominado desadsorción, pasando el refrigerante a un estado de mayor presión y temperatura que al inicio del proceso de adsorción. Una particularidad de este proceso es que no es continuo, es decir que debe existir una parada entre la adsorción y la desadsorción, con lo que es necesario realizar configuraciones con una doble cámara de adsorbedor en donde se realice el proceso de forma alternada. Una de sus principales desventajas es su bajo coeficiente de eficacia energética “COP”, sin embargo, aunque el ciclo se conoce desde principios de pasado siglo, ahora se ha vuelto a apostar por el, puesto que tiene cierta utilidad en instalaciones donde la fuente de calor para el proceso de adsorción provenga de energías renovables, como por ejemplo del calor residual procedente de una placa solar térmica.

2.1.2. Máquinas de absorción: El principio de funcionamiento es muy similar al explicado en la máquina de adsorción, pero en este caso el fluido realiza la transición de calor mediante un absorbente líquido que hace cambiar la concentración de refrigerante en función de la cantidad de calor que este posea.

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Al igual que en una instalación por compresión, existe una zona de baja y otra de alta presión. El absorbedor contiene una mezcla débil en refrigerante (mayor porcentaje de absorbente), el refrigerante es absorbido en esta parte del circuito. El refrigerante fluye hacia el absorbedor porque su presión es mayor en estado gaseoso que la presión de vapor de la mezcla con el fluido absorbente que encontramos en el absorbedor. Este efecto de succión mantiene la presión y la temperatura bajas en el evaporador. En el absorbedor se produce desprendimiento de calor de forma natural. Para continuar el proceso, mediante una bomba que permite la circulación del fluido mezclado, que ahora es rico en refrigerante, se circula hacia el generador separador, en donde mediante el aporte de calor separamos el refrigerante del absorbente, alcanzándose una presión más elevada que a la entrada de la mezcla. El refrigerante que se ha transformado de nuevo en un gas ha ganado presión y temperatura y se dirige ahora hacia el condensador de la instalación. El absorbente vuelve hacia el absorbedor pobre en refrigerante, una vez que este ha salido hacia el condensador, donde comienza de nuevo el proceso de absorción.

Desde el punto de vista energético, los sistemas de absorción tienen un nivel de rendimiento superior a los de adsorción, pero a su vez este es menor que los sistemas de compresión usados mayoritariamente en la actualidad, siendo su COP bajo (del orden de 1,4) en relación a la compresión (del orden

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de 3). Si bien es cierto que los sistemas de absorción se prestan a la utilización con sistemas de cogeneración de energía o aquellos que aprovechan la energía solar, lo que hace que actualmente se barajen nuevas posibilidades para estos sistemas. Por otra parte, los sistemas de absorción tienen un limitado grupo de refrigerantes, que no permiten obtener rangos de temperatura de evaporación muy amplios además de que uno de los refrigerantes más utilizados en estos sistemas, el amoniaco, presenta un elevado grado de toxicidad, lo que lo limita para ciertas aplicaciones. Sin embargo presenta la ventaja de que los fluidos que utiliza para la refrigeración son naturales, de bajo coste y que no afectan ni a la capa de ozono y producen efecto invernadero. En tabla que se muestra a la izquierda vemos las combinaciones de refrigerante absorbente más utilizados en la actualidad.

2.1.3. Máquinas de eyección El principio de funcionamiento de los equipos de eyección se basa en el efecto Venturi, por el que al circular un fluido por una sección más estrecha de una tubería se produce una caída de presión en dicha sección y un aumento de su velocidad. La caída de presión, cuando estamos en presencia de un gas ideal o casi ideal, lleva aparejada una disminución de la temperatura de ese gas.

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De la expresión anterior se puede observar que si “z 1” y z2” son aproximadamente iguales puesto que la altura relativa de las dos secciones del tubo es aproximadamente igual y la presión y la velocidad en la zona 1 del tubo es constante, en el punto 2 (estrechamiento del tubo) la velocidad “v 2” aumentará y por consiguiente la presión en este punto ha de disminuir paraue la igualdad se cumpla. En la ecuación “ !” indica la densidad del fluido.

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En la figura que representa al sistema podemos observar como los gases son impulsados por efecto Venturi en el eyector. La condensación y la evaporación se producen igual que en un sistema de compresión pero a la salida del condensador se produce un fraccionamiento del fluido refrigerante, de tal forma que parte de este fluido va a parar al evaporador, absorbido por el eyector y otra parte se dirige al generador, donde una vez calentador, se utiliza como fluido de arrastre para producir el efecto de aspiración en el eyector. Por el tubo “1” del eyector circula el gas procedente del generador. Al pasar por el estrechamiento 4 se produce un aumento de la velocidad y una disminución de la presión en dicha sección. Este efecto origina la succión del gas que proviene del evaporador en la cámara de mexcla y que accede al eyector a través del tubo “0”. Una vez producido el efecto, los dos gases mezclados pasan a trabes de un ensanchamiento que los lleva a su presión de trebajo, saliendo por la sección “6” de nuevo camino del condensador. Como se puede observar, este ciclo no posee compresor, y l a uníca aportación eléctrica es la pequeña bomba que impulsa el gas en estado líquido hacia el generador, que no es más que una caldera en donde calentamos el gas y lo llevamos a estado gaseoso para realizar la impulsión. También en este ciclo es necesaria la instalación de un elemento de expansión a la entrada del evaporador que permite la caida de presión y temperatura para que el ciclo pueda realizar el cambio de estado y robar calor al sistema.

1 Generador de vapor.  2 Bomba. 3 Conexiones para refrigeración por agua.  4 Condensador  5 Válvula expansión con flotador. 6 Evaporador. 7 Eyector.

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El dispositivo de la figura es el esquema de un sistema por eyección tipo, donde el mismo refrigerante actúa como gas impulsor, si bien pueden existir versiones de este ciclo que permiten la utilización de dos gases diferentes para la succión del gas uno denominado refrigerante y otro impulsor, que a la salida del condensador deberá ser separado en sus componentes para volver a mezclarse en el eyector.

2.1.4. Máquinas de compresión Esta forma de generar frío es la más utilizada hasta la fecha, siendo casi la única utilizada para máquinas de pequeñas dimensiones y de tipo comercial. Si bien es cierto que su coeficiente de eficacia energética “COP” es relativamente alto, no lo es menos que necesitan un aporte de energía externa, normalmente eléctrica, para lograr la impulsión del gas refrigerante. Los componentes de este tipo de instalaciones son de todos conocidos. Evaporador, condensador, válvula de expansión (o capilar) y compresor. Este último elemento es el diferenciador con los ciclos antes descritos. En este caso no es necesaria una fuente de calor externa para realizar el ciclo, pero si un elemento que sea capaz de aumentar presión y temperatura en el fluido utilizado de refrigerante cuando a la salida del evaporador se encuentra en estado gaseoso. En el esquema de la figura de la izquierda podemos observar un ciclo de compresor simple con una sola etapa. Este tipo de esquema es muy común en instalaciones de frío doméstico, para temperaturas medias y altas, y en procesos donde la potencia frigorífica es relativamente pequeña. La sencillez del ciclo, unido con su bajo coste de fabricación e instalación han hecho que este sistema prolifere en las instalaciones actuales. En el ciclo, como es sabido se produce una cesión de calor a presión constante con un cambio de estado de gas a líquido en el condensador, una absorción o robo de calor en el sistema también a presión y temperatura constante en el evaporador y un aporte de trabajo mecánico para aumentar la presión y temperatura en el compresor. Por último se produce una expansión o laminado del refrigerante con caída de temperatura en la válvula o dispositivo de expansión del sistema. Los puntos que se pueden ver en diagramas T-S anterior son los siguientes: 1 Salida evaporador, entrada compresor 2 Salida compresor entrada condensador.

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3 Salida condensador entrada válvula expansión. 4 Salida válvula expansión entrada evaporador. De los puntos obtenidos en el esquema anterior podemos deducir los distintos valores de potencia y calor que el sistema pone en juego. Así pues tenemos que la producción de frío en un circuito de compresión que siga el diagrama sería igual a: !!

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De donde se Qa es el calor absorbido en el evaporador en kcal/h, m es el caudal másico de refrigerante en kg/h y h1 y h4 son respectivamente las entropías de los puntos 1 y 4 expresadas en kcal/kg. De igual modo, para obtener el calor cedido al exterior en la fase de condensación del proceso se utiliza la siguiente fórmula: !!

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Siendo en este caso Qc el calor cedido en el condensador y las entalpías las correspondientes a los puntos 2 y 3 entrada y salida del condensador respectivamente. Para obtener la potencia isoentrópica del gas ideal, o potencia necesaria para comprimir el gas ideal con un determinado caudal másico la expresión sería: !!

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Esta potencia, que en realidad es un trabajo, se expresa en kcal/hora. Por último representaremos un esquema de instalación de una sola etapa en la que aparece recalentamiento y subenfriamiento representando el proceso más real en instalaciones frigoríficas que existe. En esta ocasión representamos en los ejes de la gráfica la presión y la entalpía. Se puede observar que los punto B y C dan lugar al efecto de recalentamiento en el evaporador y los punto F a G el denominado subenfriameinto después de la condensación.

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2.2. Ciclos de compresión especiales Dentro de los ciclos de compresión podemos encontrar algunos que buscan la mejora del rendimiento o de la capacidad energética a través de modificaciones en parte de la instalación. Normalmente estas instalaciones un tanto singulares no son de aplicación en frío doméstico y son poco usadas en frío comercial, siendo su principal aplicación en las instalaciones de carácter industrial.

2.2.1. Sistemas multietapa. En las instalaciones en donde el refrigerante alcanza en la condensación temperaturas muy elevadas, como ocurre en el caso del amoniaco, que pueden originar averías en el compresor, fundamentalmente cuando la relación de compresión sobrepasa en 7 u 8 veces la presión de aspiración se suele utilizar este método que consiste en realizar una refrigeración intermedia en el proceso de compresión. El sistema consta de al menos dos compresores, uno denominado de baja presión y otro de alta, el primero situado a la salida del evaporador y el segundo a la entrada del condensador. Entre ambos se sitúa un intercambiador térmico encargado de bajar la temperatura del refrigerante pero sin modificar su presión. Este intercambiador puede estar alimentado por agua u otro fluido refrigerante capaz de bajar la temperatura del gas sin llegar a condensarlo. A la salida del intercambiador se produce una segunda compresión que lleva al refrigerante a su presión de condensación pero sin un valor tan elevado de temperatura. Este proceso presenta como ventaja un menor sufrimiento de la instalación y una temperatura de descarga más baja, que permite la utilización de condensadores menores. Como inconveniente, aunque la potencia total no aumenta, incluso disminuye si la instalación se construye de forma óptima, si que el mantenimiento es mayor al ser necesario vigilar dos compresores más un sistema de intercambio térmico intermedio.

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2.2.2. Sistemas compuestos Este tipo de sistemas es otra aplicación de los ciclos de compresor, que se puede ver como una modificación de los sistemas de tipo mulltietapa. Al igual que en los procesos multietapa necesita una compresión escalonada y un enfriamiento intermedio. Pero a diferencia del sistema anterior, en el caso de los ciclos compuestos se produce un fraccionamiento del refrigerante. Concretamente, el fluido refrigerante se fracciona en el punto 5 del esquema de la izquierda, parte del refrigerante (concretamente la fracción “m v”) pasa a la expansión en la valvula V2, donde extraerá el calor del sistema a través de la evaporación. Posteriormente, el gas es comprimido en una primera etapa de baja presión. Tras esta primera etapa el gas pasa a una cámara de mezcla donde se le sumará la masa de refrigerante extraída previa expansión, “m” masa de refrigerante que no llega a cambiar de estado en todo el proceso. El compresor de alta presión aspira el total de la masa de refrigerante puesta en servicio con la ventaja añadida de que al mezclar las masas m v + m el fluido resultante “m c” tiene una presión en aspiración del segundo compresor igual a la de descarga del compresor de baja presión pero a menor temperatura. El proceso finaliza con la condensación de todo el gas refrigerante en y la vuelta a fraccionar antes de la cámara de mezcla. El control de la proporción de refrigerante para la evaporación y el refrigerante fraccionado se realiza a través de la válvula de expansión V1. Éste tipo de montaje puede tener diversas variantes con dos o más compresores y el más utilizado en instalaciones frigoríficas industriales de mediana y gran potencia.

2.2.3. Sistemas en cascada Un sistema en cascada es aquel en el que se realizan distintas etapas utilizando distintos tipos de refrigerante. La principal particularidad es que, al poner en juego distintos refrigerantes, las distintas etapas son independientes y no mezclan fluidos. La fuente fría (evaporador) de una máquina frigorífica de compresión simple (o por etapas), se alimenta de una fuente caliente (condensador) de la máquina correspondiente en la etapa inferior de la cascada.

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Para poder realizar esta instalación es necesario aprovechar el calor absorbido en la vaporización de un escalón con el cedido en la condensación del siguiente. Este procedimiento hace necesaria la instalación de intercambiadores de calor entre las distintas etapas. El número de escalones entre las distintas etapas puede variar en función de la instalación desde 2 en los casos más sencillos hasta 4 o 5 en instalaciones más complejas. En la imagen se muestra un sistema en cascada de dos etapas en donde se han combinado un proceso con R-134 a con un ciclo con CO2  produciendo una temperatura de salída en torno a los -40º C, siendo la temperatura de condensación de 45º C. Como ventaja se puede apreciar que podemos llegar a obtener temperaturas de evaporación muy bajas, necesaria para ciertos procesos industriales. El inconveniente principal que presentan estos ciclos es que se pierde eficacia en el intercambiador intermedio, perdida que se acumula en cada etapa, por lo que se hace especialmente importante una buena selección de estos así como un adecuado aislamiento para evitar pérdidas.