Texto Refrigeración y Aire Acondicionado - I-2015

0. Refrigeración y Aire acondicionado UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA INGENIERIA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA

Refrigeración y Aire Acondicionado 1.

CAPITULO 1

SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRIO OBJETIVOS •

Describir sistemas de producción de frio.

•

Explicar aplicaciones del frio en industrias alimenticias.

•

Describir la clasificación de los sistemas de producción de frio.

•

Presentar leyes ambientales para el manejo de refrigerantes.

1.1 HISTORIA DE LA REFRIGERACIÓN En el año 1755 ya se conocía el efecto de enfriamiento causado por el éter al evaporarse sobre la piel. En aquel tiempo el profesor de química William Cullen, demostró la formación del hielo en el agua en contacto con un recipiente conteniendo éter, al reducir la presión sobre el éter promovió su ebullición a una temperatura baja lo suficiente para proporcionar 1 la formación de hielo. Informaciones sobre métodos de licuefacción de gases a través de compresión fueron reunidas en la segunda mitad del siglo XVIII. En 1780, dos hombres llamados J.F. Clouet y G. Monge hicieron proceso de licuefacción al dióxido de azufre. La idea de unir las técnicas de evaporación y condensación y crear un sistema cíclico parece que ha sido sugerida por la primera vez por Oliver Evans de Filadelfia, más la primera máquina cíclica de refrigeración fue hecha por Jacobo Perkins. El sistema podría ser usado con cualquier fluido volátil, especialmente éter y consiste en cuatro componentes principales: evaporador, compresor, condensador y válvula de expansión. El mayor responsable por colocar máquinas de refrigeración en uso fue el escocés James Harrison. Se inició en el asunto a partir de un breve entrenamiento técnico en las clases de química durante su curso de tipografía en la universidad. Al percibir el efecto de enfriamiento 1

Artículo de la revista Fic Frio, TECUMSEH, do Brasil Ltda. Agosto 2006

del éter inventó, alrededor de 1850, una maquina accionada manualmente para producción de hielo. En los años 1856 y 1857 solicitó patentes en Gran Bretaña, y dio continuidad al desarrollo construyendo máquinas todavía más adelantadas en Inglaterra. El éter cuando es sometido a la presión de una atmósfera evapora a la temperatura de 34,5 ºC. Cuando el objetivo es producir hielo esta presión debe ser bien más baja para que la evaporación ocurra a temperaturas inferiores a 0ºc. Hoy en día la producción de frío es esencial para la conservación de los alimentos inclusive para muchos procesos industriales. Las aplicaciones del frío en la fabricación de helados en envasados de carne y volatería en conservación del pescado ¿Qué es la tecnología frigorífica? “Tecnologías que permiten la evacuación de calor de una determinada sustancia para alcanzar y/o mantener una temperatura deseada inferior a la de los alrededores” 1.2 CAPA DE OZONO El ozono es un gas de forma O 3 y es venenoso para el ser humano. La capa de ozono es una especie de sombrilla protectora de la atmósfera que permite preservar la vida sobre la Tierra, se encuentra concentrado entre los 10 y 50 kilómetros sobre la superficie terrestre y actúa como escudo para absorber la radiación ultravioleta (UV) proveniente del sol, demasiada radiación ultravioleta puede producir efectos nocivos en plantas y animales incluido el hombre

2. Refrigeración y Aire acondicionado ocasionando riesgos para la salud, como el cáncer de la piel, las cataratas oculares, la supresión del sistema inmunológico, etc. El ozono se produce a partir del oxígeno molecular mediante una serie de reacciones catalizadas. Si los rayos ultravioleta provenientes del sol son absorbidos por el ozono, se da un proceso llamado fotólisis, por eso el nombre de ozono estratosférico. 𝑂2 + 𝑙𝑢𝑧 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 → 𝑂3

Alrededor del 90% del ozono de la atmósfera está contenido en la estratosfera mientras que el 10% restante está localizado en la troposfera, la parte más baja de la atmósfera donde ocurren todos los fenómenos climáticos. Este ozono troposférico es peligroso ya que es nocivo para los seres vivos, al forma parte del denominado smog fotoquímico o contaminación del aire, principalmente en ciudades grandes. 1.2.1

AGOTAMIENTO DE LA CAPA DE OZONO

En este siglo XXI la atmósfera está bajo la amenaza de elementos químicos generados por industrias resultado de la acción humana. El ozono se degenera continuamente en la atmósfera debido a la polución, que puede destruir la capa de ozono lo cual acabaría con el equilibrio en la atmósfera. Los mayores culpables son las sustancias químicas llamadas CFC (clorofluorcarbono). Estos pueden mantenerse activos en la atmósfera por más de cientos de años con su acción de destruir lentamente a la capa de ozono.

Figura 1.1 Rayos ultravioletas provenientes del sol llegan a la Tierra.

Los rayos ultravioleta se clasifican en tres tipos: los rayos ultravioleta C (UV-C) que es absorbida plenamente en la atmósfera, los rayos ultravioleta B (UV-B) son de alta frecuencia produce cáncer de la piel, por eso son malignos y los rayos ultravioleta A (UV-A) son los de baja frecuencia, y es beneficioso para los seres vivos del planeta. La exposición a una mayor radiación UV-B podría suprimir la eficiencia del sistema inmunológico del cuerpo humano. El aumento de la radiación UVB además provocaría cambios en la composición química de varias especies de plantas, cuyo resultado sería una disminución de las cosechas y perjuicios a los bosques, y resultaría perjudicial para las pequeñas criaturas del planeta, las larvas de peces, etc.

Las SAO (sustancias agotadoras del ozono) en general son sustancias que tienen capacidad de liberar radicales cloro y bromo en la estratósfera, se encuentran en algunos equipos frigoríficos y de aire acondicionado, se utilizan como fluido refrigerante. 1.2.2

AGUJERO DE OZONO

El agujero del ozono es un fenómeno descubierto en la Antártida el año 1985, pero también se presenta con menor intensidad en el polo Ártico y en otros sitios del planeta Tierra, ha crecido casi todos los años.

Refrigeración y Aire Acondicionado 3. − Difundiendo la información entre la población, orientando acciones para cuidar y preservar el Medio Ambiente. 1.2.4

Figura 1.2 Imagen del agujero del ozono (Foto NASA 24 de Septiembre,2005)

El tamaño del agujero de ozono presentó unos máximos históricos en los años 2000, 2003 y 2005, llegando a cubrir una extensión sobre la Antártica en torno a los 30 millones de kilómetros cuadrados, tres veces más que el territorio de Australia o Estados Unidos, incluida Alaska. 1.2.3

PROTECCIÓN OZONO

DE

LA

CAPA

DE

El programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) se preocupó de la capa de ozono desde su creación en 1972. En marzo de 1985 el Convenio para la protección de la capa de ozono fue firmado en Viena. El convenio preveía futuros protocolos para la enmienda. En septiembre de 1987 se firmó el protocolo de Montreal que fue el primer paso para proteger la capa de ozono, disponiéndose que para años mas tarde debía llegar a una reducción y eliminación de determinados CFCs. Para ello la humanidad debe concientizar en: − Evitando el consumo de contengan CFC’s o SAOs.

productos de

− Evitando la liberación de estos gases, de los aerosoles, refrigeradores y limpiezas. − Controlando los tiempos y exposición a la radiación del sol.

horas

de

− Usando protección adecuada en las actividades al aire libre (sombreros, bloqueadores, etc.).

LEYES AMBIENTALES Y RESOLUCIONES PARA EL SECTOR DE REFRIGERACIÓN

La primera reunión internacional donde se reconoció los efectos adversos de la Sustancias Agotadoras de Ozono (SAO) sobre el medio ambiente fue el Convenio de Viena, firmado en marzo de 1985 con la asistencia de 41 países, mas tarde se firmó el Protocolo de Montreal en septiembre de 1987, participando únicamente 24 naciones, al realizarse la reunión en Londres este número se había visto aumentado considerablemente, quienes identificaron las principales sustancias agotadoras del Ozono CFC completamente halogenados y halones. El Fondo Multilateral es el mecanismo principal mediante el cual los países desarrollados ayudan a los países en desarrollo a implementar el Protocolo de Montreal. Las actividades aprobadas por el comité ejecutivo se ponen en ejecución a través de cuatro agencias de implementación; •

Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA)

•

Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial (ONUDI)

•

Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD)

•

Banco Mundial (BM)

Los grupos de expertos consideran tanto los recursos científicos como los medios y tecnologías existentes para reemplazar y eliminar gradualmente las sustancias que van destruyendo el ozono. Las partes se reunieron por cuarta vez en Copenhague en noviembre de 1992 y acordaron que todos los CFC, al igual que el metilcloroformo quedasen eliminados a mas tardar hasta 1996, y que los halones quedasen eliminados en 1994 a más tardar. En cuanto a los HCFC estos quedarían eliminados el año 2030, debido a que son sustitutos de los CFC y tienen menor efecto agotador del ozono.

4. Refrigeración y Aire acondicionado Bolivia se adhiere a los convenios internacionales sobre la capa de ozono, a partir de la aprobación de la ley Nº 1584 del 3 de agosto de 1994, el cual nos permite adherirnos al Convenio de Viena, Protocolo de Montreal y las enmiendas de Londres y Copenhague. Se implantó un sistema de concesión de licencias de importación y exportación de sustancias controladas nuevas, recicladas y

regeneradas, el cual se encuentra establecido en nuestro país en el Decreto Supremo Nº 27421 del sistema de Licencias de Importación y Control de Sustancias Agotadoras de Ozono, regulado con el Reglamento de gestión ambiental de Sustancias agotadoras del Ozono aprobado por Decreto Supremo Nº 27562 en fecha 9 de junio de 2004.

Figura 1.3 Modificación realizada al Protocolo de Montreal en noviembre de 1992, para la eliminación de los HCFC.

1.3 MÉTODOS PARA LA PRODUCCIÓN DE FRIO

sistemas que permiten la licuefacción de los componentes del aire.

Existen tres métodos producción de frío. 2

c)

principales

para

la

a) Mezclas refrigerantes La disolución de determinadas sales en ciertos líquidos requiere una absorción de calor. Esta disolución produce frío. b)

Expansión de un gas comprimido

Al comprimir un gas se eleva su temperatura, contrariamente la expansión de un gas comprimido reduce la temperatura del gas expansionado, bajo este principio trabajan los

2

“Formulario del Frio” , Pierre Rapin, pág. 63.

Evaporación de un líquido puro

En esta aplicación de este fenómeno da lugar a tres tipos de máquinas frigoríficas. Máquinas de evaporación y compresión, en la práctica, son las únicas que se usan en refrigeración doméstica y comercial. Máquinas de absorción, se basa en el principio de que la solubilidad de un gas en un líquido sobre el cual no ejerce acción química alguna disminuye con el aumento de temperatura. Máquinas de evaporación de agua, con el empleo de eyectores. Este sistema produce agua fría en una cámara flash. En la cámara se mantiene al vacío con el eyector de vapor, que

Refrigeración y Aire Acondicionado 5. retira el vapor generado mediante su arrastre por el chorro de baja presión y lo descarga al condensador.

Según el avance tecnológico se conoce la siguiente clasificación:

1.4 CLASIFICACIÓN GENERAL DE LA APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRIO

Figura 1.4 Clasificación de los sistemas de producción de frio.

1.5 SISTEMA DE COMPRESIÓN MECÁNICA El sistema de refrigeración más simple está compuesto por una caja de paredes aisladas, donde se coloca interiormente el evaporador conteniendo fluido frigorígeno 3. Dentro del refrigerador el aire está en contacto con el recipiente de fluido frigorígeno y provoca la ebullición del líquido que se evapora, el aire enfriado a su contacto dentro el recipiente 3

Fluido que hace bajar la temperatura de más a menos.

provoca el enfriamiento del género, aplicado en refrigeración doméstica.

muy

Un sistema de refrigeración comercial comprende cuatro elementos importantes. El refrigerador, llamado comúnmente cámara fría mantiene una temperatura baja. El evaporador en cuyo interior se evapora el fluido frigorígeno absorbiendo en el refrigerador el calor que procede de los productos que se han de enfriar. El grupo compresor- condensador que es encargada de comprimir los vapores del fluido frigorígeno que procede del evaporador y por

6. Refrigeración y Aire acondicionado acción de compresión, permite la condensación del fluido comprimido, y el dispositivo de expansión que regula la cantidad de fluido frigorígeno. 1.6 SISTEMA DE ABSORCIÓN

REFRIGERACIÓN

POR

Los sistemas de refrigeración por absorción difieren de los sistemas de compresión, puesto que usan la energía del calor en vez de la energía mecánica para realizar su trabajo. Estos sistemas poseen menos partes movibles que el sistema de compresión, como ser las válvulas y controles de la fuente de calor. Su aplicación está en instalaciones comerciales y domésticas en la forma de acondicionadores de aire. Los sistemas de absorción se usan ampliamente en vehículos, remolques y embarcaciones. En estos sistemas se reconocen cinco partes básicas: El evaporador, el absorbedor, el generador, el condensador y las líneas de refrigerante. Ahora analicemos cada parte y cómo se compara con el sistema de refrigeración por compresión. En el sistema de absorción el evaporador también se lo llama enfriador de agua. Su propósito es el mismo que el sistema de compresión es decir el refrigerante líquido se transforma en gas extrayendo calor de cualquier material que se desee enfriar. El absorbedor desempeñados funciones; primero, hace lo mismo que hace el lado de succión del compresor. En segundo lugar, comprime el gas refrigerante. El generador es el componente que aplica energía al ciclo que puede ser mediante gas natural, gas GLP, vapor, elemento calefactor eléctrico o agua caliente de colectores solares de alta temperatura. El gas refrigerante sale del generador y fluye hacia el condensador, que desempeña el mismo trabajo el de un sistema de compresión. 1.7 REFRIGERACIÓN TERMOELÉCTRICA En el área comercial la refrigeración termoeléctrica está poco desarrollada y hay pocos países proveedores, es el motivo por el cual debemos dedicar algunas líneas al respecto. El efecto termoeléctrico fue descubierto en 1822 por Seebeck.

1.7.1

EFECTO SEEBECK

4

Si se mantienen temperaturas diferentes en la soldadura de un circuito formado por dos cuerpos de naturaleza diferente se crea en este circuito una fuerza electromotriz. De este principio nace el pirómetro termodinámico para la medición de temperatura. 1.7.2

EXPERIENCIA DE PELTIER

En 1834 Jean Charles Peltier, experimentó en una pila termoeléctrica haciendo pasar corriente eléctrica. Si suprimimos de forma brusca la corriente e intercalamos la pila en el circuito de un galvanómetro, comprobaremos que en este la existencia de una corriente, debida a una fuerza electromotriz, en un sentido que se opone al paso de la corriente primitiva. Esta corriente calienta uno de los grupos de soldadura y enfría el otro. Altenkirch, en 1911, fue el primero en encontrar una aplicación práctica al “efecto Peltier” para la producción de frío. Dio una explicación teórica al problema a resolver y definió las propiedades físicas que debían poseer los materiales utilizados en el termopar. a) Potencia termoeléctrica elevada, b) resistividad eléctrica tan pequeña, y c) conducción térmica poco elevada. Estos tres factores determinan a fin de cuentas la reducción de la temperatura y permiten prever la rentabilidad del sistema. La General Electric Co. de Wembley realizó un dispositivo termopar empleando bismuto como polo positivo y telurato de bismuto como polo negativo. Se obtuvieron en el lado caliente una temperatura de +12 ºC y en el lado frío – 14 ºC.

1.8 CONTROL Y REDUCCIÓN DEL RIESGO DE FRÍO En los tiempos modernos la industria ha desarrollado técnicas y avances de incalculable valor. Casi podría asegurarse que existe un equipo, herramienta mecánica o una máquina perfecta para hacer cualquier tarea que se realice en la industria, pero siempre deben

4

Formulario del frio, Pierre Rapin, pág. 77.

Refrigeración y Aire Acondicionado 7. tomarse medidas de protección contra el frio, se pueden mencionar los siguientes: •

Utilizar equipos condiciones frías.

diseñados

•

Deben permitir el uso de guantes.

•

Conviene precalentar herramientas.

equipos

para

•

Tener cuidado con la salpicaduras de líquidos criogénicos.

•

Toda operación de recuperación del refrigerante deben hacer los profesionales cualificados.

y

1.9 ACTIVIDADES 1-1.

¿Qué es refrigeración? Respuesta.- La refrigeración consiste solamente en sustracción de calor de donde es indeseable y transferirlo a allí donde no lo es. Por tanto cuando un cuerpo caliente se enfría y su temperatura disminuye inferior a la de los cuerpos circundantes o del espacio que lo rodea, es lo que se conoce por refrigeración.

1-2.

¿Qué diferencia existe entre calor y temperatura? Respuesta.- El calor es una forma de energía, cuando esta energía es transferida a las partículas llamadas moléculas del cual está constituida la materia, estos se mueven más rápidamente, el resultado de la adición de esta energía es la elevación de su temperatura, manifestándose en un calentamiento de la sustancia.

1-3.

¿Cómo produce frío una máquina? Respuesta.- Esto es posible gracias a que un líquido puede ser evaporado a diferentes temperaturas cambiando la presión sobre él. Para que ocurra un cambio del estado líquido al estado gaseoso, debe haber suficiente calor o extraerse de la atmósfera circundante con objeto de proporcionar al líquido el calor de evaporación. Muchos líquidos hierven a temperaturas por debajo de cero a presión atmosférica.

1-4.

Explique el calor latente de fusión, de evaporación y de condensación. Respuesta.- El calor latente de fusión es la cantidad de calor necesaria para hacer que una sustancia pase del estado sólido al estado líquido. El calor latente de evaporación es la cantidad de calor necesaria para convertir una sustancia del estado líquido al estado de vapor o gas. El calor latente de condensación es la cantidad de calor que debe quitarse a un vapor para convertirlo en líquido y es el mismo que el calor latente de evaporación.

1-5.

¿Cuál es el principio que hace posible la refrigeración mecánica? Respuesta.- La refrigeración mecánica es posible debido a que un líquido volátil, llamado refrigerante hervirá bajo las condiciones apropiadas y al hacerlo absorberá calor de los objetos que lo rodean. El efecto real de refrigeración o enfriamiento es producido por el refrigerante en ebullición al convertirse en vapor, no por la máquina.

1-6.

De qué manera puede ser peligroso un refrigerante Respuesta.- Un refrigerante puede ser oloroso, irrítate, venenoso, asfixiante, cegador, nocivo para la piel, explosivo o inflamable. La seguridad no es igual en todas las instalaciones, pero no es demás tomar todas las precauciones por causas de sus propiedades peligrosas o insalubres.

8. Refrigeración y Aire acondicionado 1-7.

Qué organismo se preocupó de la protección de la capa de ozono. Respuesta.- La institución que se preocupó de la protección de la capa de ozono fue el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), desde su creación en 1972.

1-8.

¿Cuál es la clasificación de los sistemas de producción de frio? Respuesta.- En sistemas de compresión mecánica y sistemas de absorción, que a su vez pueden tener varias aplicaciones como: domestico, comercial, industrial, transporte y aire acondicionado.

1-9.

Explique un sistema de refrigeración solar Respuesta.- La refrigeración solar está basada en la utilización de placas solares térmicas para proveer parte de la energía necesaria que requiere el generador de una máquina frigorífica de absorción.

1-10. Explique en qué consiste la refrigeración termoeléctrica Respuesta.- La refrigeración termoeléctrica es en honor a Jean charles Athanase Peltier, quien observó en sus experimentos que cuando una pequeña corriente pasaba por la unión de dos alambres distintos, la unión se enfriaba, este circuito eléctrico empleaba materiales semiconductores que absorbían calor del espacio refrigerado y la liberaban en un ambiente de mayor temperatura.

Refrigeración y Aire Acondicionado 9.

CAPITULO 2 SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Y BOMBA DE CALOR POR COMPRESIÓN DE VAPOR OBJETIVOS •

Introducir conceptos de refrigeración y bombas de calor, y evaluar su coeficiente de desempeño.

•

Analizar el ciclo real de refrigeración por compresión de vapor.

•

Analizar los factores involucrados para la elección del refrigerante adecuado en una aplicación.

•

Estudiar los sistemas múltiples de refrigeración.

2.1 INTRODUCCIÓN 2.1.1 Propiedades termodinámicas Una propiedad termodinámica es una característica medible de un estado en equilibrio, observable o calculable de una sustancia. Para estudiar un sistema de Refrigeración, es necesario primero definir el estado de la sustancia de trabajo en función de sus propiedades termodinámicas. La Termodinámica es la ciencia que estudia estos principios llamados: primera y segunda Ley de la Termodinámica. 2.1.2 Primera Ley de la termodinámica Esta Ley establece; El trabajo que un sistema intercambia con el medio en una transformación adiabática, el total de la energía transformada no se destruye ni se crea. De acuerdo a la primera ley, calor y trabajo son transformados uno en otro. 2.1.3 Segunda ley de la Termodinámica Es una realidad experimental que toda fuente de calor tiene una dirección, es decir fluye espontáneamente de mayor hacia otro de menor temperatura. Rudolf Clausius establece; que es imposible la existencia de una máquina que pueda transferir calor de un cuerpo frío hacia 5 otro más caliente. Para transferir calor a un

5

Fundamentos de Termodinámica Técnica, Michael Moran, pág. 205.

sistema de mayor temperatura necesitamos una máquina de Refrigeración. 2.1.4 Energía interna La primera ley de la termodinámica dice que es imposible crear o destruir energía de esta manera entendemos el concepto de propiedad de energía interna. La energía interna de una sustancia incluye todos los tipos de energía almacenados en sus moléculas ya sea en forma cinética o potencial. 2.1.5 Entalpía La entalpía es una propiedad de una sustancia, es una energía compuesta y definida de la siguiente manera: 𝐻 = 𝑈 + 𝑃𝑉

(2.1)

A la energía almacenada en forma de temperatura y presión se le llama entalpía. La importancia de la entalpía es la energía presente en todos los problemas de flujo estacionario. 2.1.6 Entropía La entropía es una propiedad termodinámica que expresa el peso térmico, y se la formula matemáticamente por:

𝑑𝑠 =

𝑑𝑄 𝑇

(2.2)

La entropía es muy útil para resolver problemas que incluyen problemas adiabáticos reversibles. La entropía nos señala el desorden de las moléculas de una sustancia.

10. Refrigeración y Aire acondicionado 2.2 CICLO TERMODINÁMICO ESTÁNDAR DE CARNOT INVERTIDO El ciclo de Carnot es una máquina térmica conocido desde los estudios de la termodinámica y es el de mayor rendimiento que otro ciclo que trabaje entre las dos temperaturas extremas.

En refrigeración se aplica el ciclo invertido de Carnot, porque transporta energía desde una fuente fría a una fuente caliente. Para realizar el ciclo inverso de Carnot se necesita suministrar un trabajo externo. El diagrama de la instalación se muestra a continuación.

Figura 2.1 Máquina de Carnot invertido.

Hay dos razones para estudiar el ciclo de Carnot invertido, primero nos sirve como tipo de comparación, segundo nos proporciona un rango de temperaturas que debería mantenerse para conseguir el máximo rendimiento. En el ciclo de refrigeración en lugar de gas, puede usarse un refrigerante que se condense durante el proceso de cesión de calor y hierva durante el proceso de adición de calor o refrigeración, este fluido de trabajo puede funcionar entre los estados de líquido y vapor, por lo que el ciclo de Carnot estaría comprendido entre las líneas de líquido saturado y vapor saturado como se muestra en la figura 2.1 (b).

refrigeración de absorber una cantidad determinada de calor de un foco frio mediante la aplicación de una cierta cantidad de trabajo, el coeficiente de operación está definido por la relación de la refrigeración útil entre el trabajo neto consumido, por supuesto que tienen que estar en las mismas unidades.

𝐶𝑜𝑒𝑓. 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑡𝑜. =

𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 ú𝑡𝑖𝑙 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑛𝑒𝑡𝑜

(2.3)

En el diagrama T-s viene representado el concepto de coeficiente de funcionamiento.

2.3 COEFICIENTE DE FUNCIONAMIENTO (DESEMPEÑO) Para saber el grado de eficiencia del sistema de refrigeración debe definirse un término que exprese su efectividad, y para evitar confusión con el rendimiento se utiliza la idea como coeficiente de funcionamiento o coeficiente de operación del ciclo, COP (Coefficient of Performance) y es una magnitud adimensional. Partiendo del objetivo del sistema de

Figura 2.2 Diagrama T-s, para mostrar el coeficiente de funcionamiento.

Refrigeración y Aire Acondicionado 11. 2.4 CICLO ESTÁNDAR DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

Proceso 2-3. Cesión de calor a presión constante para la condensación.

El ciclo estándar de refrigeración por compresión de vapor se muestra en la figura 2.3 (b)

Proceso 3-4. Expansión irreversible a entalpía constante.

Los procesos que comprende son:

Proceso 4-1. Adición de calor a presión constante.

Proceso 1-2. reversible.

Compresión

adiabática

y

Figura 2.3 Gráfico de un sistema de refrigeración por compresión de vapor.

1-2 Proceso de compresión, donde trabaja el compresor el calor es cero; Q=0, por ser compresión adiabática, haciendo el balance de energía, el trabajo de compresión es: ℎ1 + 𝑄 = ℎ2 + 𝑊

(2.4.a)

𝑊1−2 = −(ℎ2 − ℎ1 )

(2.4.c)

−𝑊 = ℎ2 − ℎ1

(2.4.b)

El signo negativo indica que requiere un trabajo exterior. Por tanto se debe asumir en valor absoluto para el cálculo de la potencia del compresor. 2-3 Proceso de condensación, no se realiza trabajo por tanto W=0, y se cede calor del condensador al entorno. ℎ2 + 𝑄 = ℎ3 + 𝑊 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 = ℎ3 − ℎ2

(2.5.a) (2.5.b)

El calor Q cond es negativo, lo que expresa que el calor es cedido por el refrigerante. El valor del calor cedido se necesita para el cálculo de las dimensiones del condensador y del caudal necesario del líquido refrigerante en el condensador. 3-4 Proceso de expansión, este proceso se realiza en la válvula de expansión termostática a entalpía constante en un sistema comercial e industrial. ℎ3 + 𝑄 = ℎ4 + 𝑊

(2.6.a)

ℎ3 = ℎ4

(2.6.b)

ℎ4 + 𝑄 = ℎ1 + 𝑊

(2.7.a)

No hay trabajo, tampoco transferencia de energía, entonces Q = 0 y trabajo es W=0.

4-1 Proceso de evaporación, o ebullición del refrigerante en el evaporador. Un sistema cerrado sin trabajo, W=0.

𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝 = ℎ1 − ℎ4

(2.7.b)

12. Refrigeración y Aire acondicionado El calor 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝 se llama efecto refrigerante. 2.5 EFECTO REFRIGERANTE

El efecto refrigerante es el calor puesto en juego en el proceso 4-1. 𝐸. 𝐹. = ℎ1 − ℎ4

(2.7.c)

El flujo másico del refrigerante puede calcularse dividiendo la capacidad de refrigeración del sistema de refrigeración entre el efecto refrigerante.

𝑚̇ =

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝

(2.8)

La potencia mecánica del compresor, es el trabajo de compresión por el flujo másico del refrigerante. 𝑁 = 𝑚̇ ∙ 𝑊 ∙ 𝑓𝑒 (2.9) Donde: N; Potencia requerida por el compresor, en Hp. W ; trabajo de compresión, en kJ/kg. m ; caudal en masa, en kg/min. f e ; factor de conversión.

La escala vertical del diagrama es la presión absoluta. Las líneas de presión son horizontales en todo el diagrama. La escala horizontal representa la entalpía, estas líneas son verticales sus valores tienen importancia para los cálculos de trabajo y transferencia de calor. Las líneas de temperatura constante corren en dirección vertical hasta interceptar la curva de líquido saturado, en la zona de mezclas sigue una trayectoria horizontal entre las curvas de saturación, y en la zona de vapor sobrecalentado van en dirección vertical. 2.7 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN CON INTERCAMBIADOR DE CALOR En la práctica, los sistemas de refrigeración utilizan un intercambiador de calor, este intercambiador de calor subenfría al líquido refrigerante que sale del condensador utilizando vapor procedente del evaporador.

2.6 ESTUDIO DEL DIAGRAMA DE MOLLIER El diagrama de Mollier proporciona datos de los puntos de estado mediante las cuales va evolucionando las transformaciones que ocurren en el sistema, es de gran ayuda para el técnico de Refrigeración. Cada refrigerante tiene su propio diagrama, y aparecen cinco propiedades básicas del refrigerante. A continuación se detallan las diferentes zonas y líneas que forman el mencionado diagrama. Figura 2.5 Esquema representativo de un sistema de refrigeración que utiliza intercambiador.

Figura 2.4 Diagrama de Mollier. Figura 2.6 Diagrama de un sistema con intercambiador de calor.

Refrigeración y Aire Acondicionado 13. El subenfriamiento corresponde a la zona entre la salida del condensador y la entrada a la válvula de expansión. En el diagrama presión entalpía esta es: ∆ℎ = ℎ3 − ℎ4

(2.10)

∆ℎ = ℎ1 − ℎ6

(2.11)

El sobrecalentamiento corresponde a la zona entre la salida del evaporador y la entrada al compresor. En el diagrama presión entalpía esta es:

El intercambiador de calor permite la mejora del rendimiento de una instalación frigorífica, debe montarse en el interior de la cámara fría inmediatamente después del bulbo de la válvula de expansión.

2.8 SISTEMAS DE PRESIONES MÚLTIPLES El sistema de presiones múltiples se distingue de la presión única en que el sistema de refrigeración trabaja con dos o más “bajas presiones”. Por ejemplo, en una lechería donde el evaporador funciona a temperatura de - 35 ºC para endurecer el helado, mientras que otro evaporador trabaja a 1 ºC para enfriar la leche, este sistema de refrigeración es de presiones múltiples. En este curso estudiaremos solamente sistemas de presiones múltiples con dos bajas presiones. Estos principios desarrollados se aplican a sistemas de refrigeración de dos o más de dos bajas presiones.

Figura 2.7 Diagrama de un sistema con dos evaporadores.

2.8.1 Separación de vapor saturado Con esta técnica se obtiene un ahorro de la potencia necesaria en la refrigeración si el vapor saturado que se produce al expandir el líquido refrigerante se separa y se comprime antes de la expansión completa. El proceso de expansión según se muestra la figura 2.8, en el diagrama presión - entalpía, el punto 2 al final de la expansión, puede alcanzarse interrumpiendo la expansión en 3 y separando las fase de líquido y vapor que son los puntos 4 y 6 respectivamente, de tal manera expandiéndose el líquido en el estado 4 y el

vapor en el estado 6 hasta la presión final llegando a los puntos 5 y 7 respectivamente. La separación ocurre cuando la velocidad ascendente del vapor es lo suficientemente baja para que las partículas de líquido caigan dentro del depósito o cámara flash. El balance térmico y de masas es: �(𝑚̇𝑖 ∗ ℎ𝑖 )𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = �(𝑚̇𝑖 ∗ ℎ𝑖 )𝑠𝑎𝑙𝑒

(2.12)

14. Refrigeración y Aire acondicionado

Figura 2.8 Diagrama de un sistema con un depósito de separación de vapor.

2.8.2 Enfriamiento intermedio refrigerante líquido

con

En este sistema de dos etapas de compresión se efectúa el economizado en trabajo porque reduce el trabajo de compresión.

La presión intermedia se determina por: 𝑃𝑖 = �𝑃𝑠 ∙ 𝑃𝑑

(2.13)

Donde:

P s ; es la presión de succión, en el compresor de baja, en kPa. P d ; es la presión de descarga en el compresor de alta, en kPa.

Figura 2.9 Diagrama de un sistema con dos etapas de compresión.

2.8.3 Sistema en cascada Algunas aplicaciones de refrigeración industriales requieren temperaturas moderadamente bajas, y el intervalo de temperatura que trabaja es demasiado grande

para que un ciclo simple de refrigeración por compresión de vapor resulte práctico. La manera de realizar el proceso de refrigeración es por etapas, es decir, tener dos o más ciclos de

Refrigeración y Aire Acondicionado 15. refrigeración que operen en serie. En la figura 2.10 se muestra un ciclo en doble cascada en el que dos ciclos de refrigeración por compresión de vapor colocados en serie comparten un intercambiador de calor en contracorriente.

Los dos ciclos se conectan por medio de un intercambiador de calor, el cual sirve como evaporador para el ciclo superior (ciclo B) y como el condensador para el ciclo inferior (ciclo A)

Los flujos másicos de cada ciclo se puede escribir por:

2.9 CICLO REAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

𝑚̇𝐴 (ℎ2 − ℎ3 ) = 𝑚̇𝐵 (ℎ5 − ℎ8 )

(2.14)

Además:

𝐶𝑂𝑃 =

𝑚̇𝐴 (ℎ1 −ℎ4 )

𝑚̇𝐴(ℎ2 −ℎ1 )+𝑚̇𝐵 (ℎ6−ℎ5 )

Figura 2.10 cascada.

(2.15)

Un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor difiere de un ciclo ideal en varios aspectos, principalmente debido a las irreversibilidades que ocurren en los componentes del sistema, y se requiere de un estudio intenso no sólo de los procesos particulares que constituyen el ciclo, sino también de las relaciones que existen entre los diferentes procesos, un cambio tendría modificación en los demás procesos del mismo.

Diagrama de un sistema en

El ciclo termodinámico de refrigeración en cascada está representado en la siguiente figura.

Figura 2.12 Representación del ciclo de refrigeración real.

Las diferencias esenciales entre el ciclo real y el estándar son: a) En el ciclo estándar, se supone que el refrigerante llega hasta la entrada en la succión del compresor como vapor saturado seco. En el ciclo real el vapor saturado continúa absorbiendo calor convirtiéndose por tanto en sobrecalentado, y está recomendado como precaución contra gotitas de líquido refrigerante que podrían llegar al compresor.

Figura 2.11 cascada.

Diagrama T-s de un sistema en

b) Cuando el líquido es sub-enfriado antes de que ingrese a la válvula de expansión es garantizando que el cien por cien llegue

16. Refrigeración y Aire acondicionado líquido, se ha demostrado que se incrementa el efecto refrigerante por unidad de masa. c) El refrigerante experimenta caídas de presión en el condensador y en el evaporador para vencer la fricción, también representa caída de presión en la succión a la entrada del compresor. El ciclo estándar supone que no existe ninguna caída de presión en el condensador ni en el evaporador. d) El ciclo real respecto del estándar no isentrópica, porque existe una pérdida rendimiento debida a la fricción y caída presión necesaria para forzar la apertura las válvulas de descarga. 2.10

es de de de

REFRIGERANTE

Un refrigerante es una sustancia que sirve como medio de transmisión del calor. Esta absorbe calor al evaporarse a baja temperatura y lo cede al condensarse a alta presión y temperatura. Los refrigerantes se clasifican en 5 grupos fundamentales: Hidrocarburos, algunos de ellos se utilizan como refrigerantes de forma simple o mezclas de ellos. Los más usados son isobutano, propano, etano. Presentan baja viscosidad y alta conductividad térmica, lo cual garantiza el buen funcionamiento del sistema. Ebullen a bajas temperaturas con presiones cercanas a la atmosférica y se condensan a presiones no muy altas, influyendo positivamente en el tamaño, costo y funcionamiento del sistema. Son miscibles con el aceite garantizando su retorno al compresor. Tienen alta estabilidad química, evitando cambios futuros en su composición que alteren el funcionamiento del equipo. Son compatibles con los materiales empleados en los sistemas tradicionales, con el cobre y los aceites minerales, facilitando su aplicación y disminuyendo el costo de sustitución. Presentan un alto calor latente en el proceso de ebullición. Su densidad es baja comparada con los CFCs, lo cual favorece su empleo a pesar de su

•

Hidrocarburos halogenados

•

Mezclas (azeotrópicas, no azeotrópicas)

•

Hidrocarburos

•

Compuestos inorgánicos

•

Sustancias orgánicas no saturadas

Los Hidrocarburos halogenados, son refrigerantes que contienen uno o más de los tres halógenos: cloro, flúor, bromo. Son obtenidos a partir de una molécula de hidrocarburo y se cambian los átomos de hidrógeno por cloro y flúor. Las mezclas azeotrópicas, están formada por dos o tres sustancias las cuales no se pueden separar en sus componentes por destilación. Estas mezclas se evaporan y condensan como una sustancia simple con propiedades diferentes a las de sus constituyentes. Las mezclas zeotrópicas, están formadas por dos más sustancias. Estas mezclas tienen la característica de evaporarse y condensarse a una misma presión pero a diferentes temperaturas. inflamabilidad ya que la carga a emplear es menor. Son sustancias ecológicas: Su potencial agotador de ozono (ODP) es nulo. No son tóxicos. Presentan un potencial de calentamiento global (GWP) despreciable. Buena capacidad frigorífica. Son inflamables. Compuestos inorgánicos muchos de estos refrigerantes se usaron en los inicios de la refrigeración, algunos de ellos siguen todavía en uso. Los más usados son amoníaco, agua, aire, dióxido de carbono, dióxido de azufre. El amoníaco es un refrigerante eficaz usado en la conservación de alimentos y muchos otros procesos. Es corrosivo y arriesgado cuando se liberan grandes cantidades, debido a su olor irritante.

Refrigeración y Aire Acondicionado 17. ASHRAE 6 considera que el uso continuado de amoníaco es necesario para la conservación de alimentos y el aire acondicionado. ASHRAE promueve una variedad de programas para conservar los beneficios económicos del amoníaco como refrigerante controlando las direcciones de riesgos. Sustancias orgánicas no saturadas generalmente se usan solo dos de estos compuestos el etileno y el propileno. 2.10.1 Codificación de los refrigerantes Hoy se comercializan una gran variedad de refrigerantes con nombres comerciales que están en dependencia del fabricante. La ASHRAE ha establecido una clasificación para todos los refrigerantes de manera que rápidamente se pueda identificar el producto y conocer algunas de sus características, independientemente del nombre con el cual se comercialice. Esta clasificación consta de tres números antecedidos de la letra R que indica que es un refrigerante. R-XYZ Z este dígito indica el número de átomos de Flúor en el compuesto. Y este dígito es 1+ que el número de átomos de Hidrógeno del compuesto. X este dígito es 1- que el número de átomos de Carbono del compuesto. Cuando este dígito es cero se omite. X=0 significa que es un refrigerante logrado a partir de la molécula de metano CH 4. Ejemplo, R-11, R-12, R-13, R-22 X=1 logrado a partir de la molécula de etano CH 3 CH 3 . Ej. R-134a, R-125, R-143a. X=2 logrado a partir de la molécula de propano CH 3 CH 2 CH 3 . Ej. R-218, R-290. X=3

Refrigerante logrado a partir de Butano.

X= 4 Combinación de diferentes refrigerantes, deslizamiento de la temperatura del 6

American Society Hait Refrigeration Acondioning Enginere.

proceso de Evaporación y Condensación. Ej. R404A, R-407C, etc. X=5 Combinaciones de diferentes refrigerantes, Temperatura Constante de Evaporación y Condensación. Ejemplo, R-507. X=6 Otros refrigerantes Isobutano R-600ª

orgánicos;,

e.g.

X=7 Refrigerantes Inorgánicos, e.g. Amoniaco R-717, Dióxido de Carbono R-744, Agua R-718 Refrigerante R-12 nombre químico – diclorodifluormetano. X= 0 la base es metano CH 4 tiene 1 átomo de Carbono. Los 4 átomos de Hidrógeno se sustituyen por átomos de Cloro y Flúor. CCl 2 F 2 finalmente esta es la fórmula química del R-12. Refrigerante R- 134a nombre químico – tetrafluoretano. X=1 la base es etano CH 3 CH 3 tiene 2 átomos de carbono. Se sustituye 4 átomos de Hidrógeno por átomos de Flúor. CF 3 CH 2 F que es la fórmula química del R-134a. Si un sistema de refrigeración tradicional se avería, lo recomendable es valorar la posibilidad de cambiar el sistema hacía las nuevas tecnologías con un refrigerante sustituto, y un nuevo motocompresor, si la avería no de gran envergadura se puede usar un refrigerante de reemplazo el cual sólo requiere cambios en el filtro y el aceite y la inversión a realizar es mínima. La refrigeración cumple un papel importante en la preservación del medio ambiente. Por esta razón las empresas productoras de refrigerantes y equipos de refrigeración, desde que se comprobó el efecto negativo de los refrigerantes que tradicionalmente se empleaban, realizan estudios sobre el empleo de sustancias ecológicas así como nuevos diseños de equipos. La siguiente tabla muestra los refrigerantes tradicionales que no deben usarse en los sistemas frigoríficos, estos deben ser reemplazados por sustancias ecológicas.

18. Refrigeración y Aire acondicionado

Tabla 2.1 Nuevos refrigerantes Refrigerante tradicional

Sustituto

Reemplazo

R-11

R-123

R-123

R-12

R-134 a

R- 401a SUVA MP- 39

R-600 a

R- 401b SUVA MP- 6 R-290 / R- 600 a CARE 30

R-22

R- 407 c SUVA 9000

R- 502

R- 404 a SUVA HP- 62 R- 402 a SUVA HP- 80 R- 402 b SUVA HP- 81

Cuando dos o más mezclas zeotrópicas están compuestas por los mismos componentes en diferentes proporciones, se utilizan las letras A,B,C etc. para distinguirlas entre ellas. Refrigerante R- 401 a Sistemas de mediana temperatura –12 ºC vitrinas refrigeradas, neveras domésticas, fuentes de agua. Refrigerante R- 401 b Sistemas con temperatura de evaporación por debajo de –10 ºF trasportes refrigerados, congeladores domésticos y comerciales.

ácidas, además tiene un alto impacto en el calentamiento global. Se requieren algunos cambios en el sistema: compresor, utiliza aceite polyolester. Capacidad frigorífica específica ligeramente menor que R-12, la carga aproximada 90 %. No es compatible con los materiales de los sellos y empaquetaduras usados para R-12. Presiones de succión y descarga similares al R-12 en ocasiones, la presión de succión es ligeramente más baja y la descarga ligeramente más alta. En sistemas pequeños se puede emplear en el mismo equipo de R-12 cambiando el aceite. Refrigerante R-600 a

Características R- 401 a y R- 401 b. Mezclas ternarias R-22 / R-152 a / R- 124 No azeotrópica (zeotrópica), se utilizan con lubricantes alkilbenzenos, con viscosidad 150 SSU (32 cSt), en sistemas pequeños puede trabajar con aceite mineral. Carga de refrigerante 75 – 90 % de la carga R-12 presión de succión similar, presión de descarga 10 – 20 psig más alta. Se requieren cambios mínimos en el sistema: filtro y aceite. Refrigerante R 134 a Sistemas de mediana y baja temperatura de evaporación. Es un refrigerante de un solo componente, no contiene cloro pero contiene flúor que contribuye a la formación de lluvias

Sistemas de mediana y baja temperatura de evaporación. Es un refrigerante natural de un solo componente, es un hidrocarburo y nombre químico es isobutano. Se requieren algunos cambios en el sistema: compresor. Su capacidad frigorífica es prácticamente la mitad que la del R-12. Es compatible con los materiales que tradicionalmente se usan con R12. Tiene buena miscibilidad con los aceites minerales y otros. La presión de succión es de 10-15 mm de Hg. La presión de descarga es de 85-90 psig. Refrigerante R- 404 a Se utiliza en aplicaciones de mediana y baja temperatura en equipos de refrigeración de

Refrigeración y Aire Acondicionado 19. supermercados y vehículos de transporte refrigerado, dispensadores de alimentos, cámaras frías, máquinas de hacer hielo. Características; es una mezcla ternaria de R125 / R- 143 a / R- 134 a. No contiene cloro; es una mezcla casi-azeotrópica. La desviación de temperatura es de 1.5 ºC. Se requiere el uso de aceites polylester. La temperatura de descarga es 10 ºC mayor que con R- 502. Las presiones de succión y descarga son ligeramente mayores. Carga aproximada 80-85 % de la carga de R502. En la mayoría de los casos puede usarse el mismo dispositivo de expansión que con R-502. Capacidad frigorífica ligeramente mayor. Refrigerante R- 402 a Para equipos con temperatura de evaporación de – 40 ºC. Ideal para máquinas de helados y refrescos, neveras y congeladores, dispensadores de alimentos congelados Características: es un mezcla ternaria de R- 22 / R- 125 / R- 290, la temperatura de descarga es similar al R-502, pero la presión de descarga es 30-65 psig más alta, la presión de succión para sistemas de baja temperatura – 40 ºC 1 psig más alta y para sistemas de mediana temperatura – 10 ºF a 5 psig más alta.

etileno, etc) dióxido de carbono, aire (en acondicionamiento de aire de aviones). Una adecuada elección del refrigerante depende de la vida futura del hombre en el planeta, se indica los siguientes. No debe tener efectos perjudiciales sobre el medio ambiente. Las personas que trabajan con los refrigerantes deben ser conocedoras en primer lugar de los efectos que estos pueden tener sobre ellas mismas. Se debe tener en cuenta la compatibilidad de los materiales que componen la instalación con el refrigerante y el aceite, con el fin de tomar las medidas necesarias para la recuperación del aceite. Para la industria alimentaria no deben ser tóxicos o inflamables porque presentan riesgos para la salud humana. Se tendrá en cuenta la facilidad de obtención y el precio del costo del refrigerante. Para elegir un refrigerante se debe considerar las siguientes propiedades: a) Propiedades termodinámicas Presiones de evaporación y condensación, temperaturas de congelación, coeficientes de funcionamiento, de fugas.

Refrigerante R- 409 A Aplicaciones de mediana y baja temperatura, almacenaje de alimentos, máquinas de bebidas, hielo y transportes refrigerados. Características; es una mezcla ternaria de R- 22 / R- 124 / R- 142 b de bajo potencial de destrucción de ozono. Está formulado para asemejarse a las propiedades del R-12, en aplicaciones de baja temperatura su capacidad es levemente más alta que R- 12 y R- 134a, puede utilizar aceites MO, AB, POE. en la mayoría de las aplicaciones la carga es de 80-90 % de la carga de R- 12. La presión de succión es de 7-10 % más alta y la presión de descarga 15-25 psig más alta. 2.10.2 Selección del refrigerante adecuado Cuando se diseña un sistema de refrigeración, existen varios refrigerantes que pueden elegirse, como amoniaco, hidrocarburos (propano, etano,

b) Propiedades de seguridad Toxicidad, inflamabilidad detección c) Propiedades físicas y químicas Conductividad térmica, miscibilidad, estanqueidad química, comportamiento en presencia del agua, acción sobre los metales y los plásticos. d) Factor económico Costos y disponibilidad. 2.11

SISTEMAS DE BOMBAS DE CALOR

Las bombas de calor se instalan para calefacción. La fuente de energía más común para las bombas de calor es el aire atmosférico (sistemas aire- aire), aunque también se usan el agua. El principal problema con los sistemas que

20. Refrigeración y Aire acondicionado utilizan aire como fuente es la formación de escarcha, que se muestra en los climas húmedos cuando la temperatura desciende debajo de 2 y 5 ºC. El objetivo de una bomba de calor es mantener la temperatura dentro de una vivienda u otro

edificio por encima de la temperatura ambiente, o proporcionar calor a ciertos procesos industriales que tienen lugar a temperatura elevada, es por eso que se aprovecha el calor disipado por el condensador.

Figura 2.13 Representación de un sistema de bomba de calor. Los sistemas utilizados actualmente son del tipo de compresión de vapor. En una bomba de calor, Q e procede del ambiente y Q s se dirige a la vivienda como efecto deseado. El coeficiente de operación de una bomba de calor por compresión de vapor simple, es el calor del condensador sobre el trabajo del compresor, con los estados designados en la figura 2.13 se tiene: 𝑄

ℎ −ℎ

𝐶𝑂𝑃𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑊𝑠 = ℎ2−ℎ3 𝑐

2

1

(2.16)

El valor de 𝐶𝑂𝑃𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 nunca puede ser menor que la unidad. Los tipos más comunes de bombas de calor por compresión de vapor para calefacción, el evaporador está comunicado térmicamente con la atmósfera. Se puede hacer un cambio en la bomba de calor con el fin de proporcionar refrigeración en verano adicionando una válvula reversible, como se ve en la figura 2.14. Cuando funciona para refrigeración, el intercambiador de calor exterior es el condensador, y el intercambiador de calor interior es el evaporador, es decir son de doble uso. Figura 2.14 Diagrama de una bomba de calor reversible aire-aire.

Refrigeración y Aire Acondicionado 21. 2.12

PROBLEMAS

PROBLEMA 2.1 Un ciclo ideal de un Sistema de Refrigeración por compresión de vapor utiliza refrigerante 134a (CH 2 FCF 3 ) y funciona entre 1,85 bar y 9 bar, que tiene una capacidad de refrigeración de 7 [ton]. Al entrar al compresor el fluido es vapor saturado. Dibuje el diagrama presión-entalpía y Temperatura - entropía del ciclo y determínese: a) La temperatura del fluido al salir del compresor, en grados Centígrados. b) El coeficiente de operación. c) El desplazamiento efectivo del compresor, en L /min. d) La potencia de entrada al compresor, en kilovatios.

SOLUCIÓN Dibujando los procesos del ciclo de refrigeración en el diagrama de Mollier P-v y T-s.

Conocido los puntos de estado, se puede determinar las propiedades termodinámicas.

Tabla 1. Valores de las propiedades del refrigerante R - 134a. Estado 1 2 3 4

T[°C] -12 41.6 36 -12

P[MPa] 0.185 0.9 0.9 0.185

h[kJ/kg] 240.15 273.01 100.25 100.25

s[kJ/kg°K] 0.9267 0.9267 0.3678

a) La temperatura se halla interpolando en la tabla de vapor sobrecalentado a 9 bar de presión, resulta.

T[°C] 40 T2 50

s[kJ/kg°K] 0.9217 0.9267 0.9566

0.9267 − 0.9217 𝑇2 = � � ∗ (50 − 40) + 40 0.9566 − 0.9217 𝑇2 = 41.6[°𝐶]

22. Refrigeración y Aire Acondicionado b) El coeficiente de operación COP se calcula por:

𝐶𝑂𝑃 =

𝐶𝑂𝑃 =

𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 ú𝑡𝑖𝑙 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑛𝑒𝑡𝑜

ℎ1 − ℎ4 240.15 − 100.25 = ℎ2 − ℎ1 273.01 − 240.15 𝐶𝑂𝑃 = 4.26

c) Para el cáculo del desplazamiento efectivo del compresor, primero se calcula el flujo de refrigerante.

𝐶𝑅 = 𝑚̇ ∙ (ℎ1 − ℎ4 )

𝑚̇ = 𝑚̇ =

𝐶𝑅

ℎ1 −ℎ4

7 𝑇𝑜𝑛

(240.15 − 100.25) �

Siendo el volumen específico de tabla.

𝑚̇ = 10.557 �

𝑘𝐽 � 𝑘𝑔

∗

𝑘𝐽 211 �𝑚𝑖𝑛�

𝑘𝑔 � 𝑚𝑖𝑛

1 𝑇𝑜𝑛

𝑚3 𝑣 = 0.1098 � � 𝑘𝑔

El desplazamiento efectivo del compresor es:

𝑉̊𝐷𝐸𝑆𝑃 = 𝑚̇ ∗ 𝑣

𝑘𝑔 𝑚3 1000 𝐿 � 0.1098 � � � � 𝑘𝑔 1 𝑚3 𝑚𝑖𝑛

𝑉̊𝐷𝐸𝑆𝑃 = 10.557 �

𝑉̊𝐷𝐸𝑆𝑃 = 1160 � d) La potencia del compresor se determina por:

𝐿 � 𝑚𝑖𝑛

𝑁 = 𝑚̇ ∙ (ℎ2 − ℎ1 )

𝑁 = 10.557 �

𝑘𝑔 𝑘𝐽 1 𝑚𝑖𝑛 𝑘𝑊 � (273.01 − 240.15) � � ∗ � �∗ 𝑚𝑖𝑛 𝑘𝑔 60 𝑠 𝑘𝐽/𝑠 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑝 = 5.78 [𝑘𝑊]

Refrigeración y Aire Acondicionado 23. PROBLEMA 2.2 Un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, incluye un intercambiador de calor a contracorriente como se muestra en la figura. Trabaja con refrigerante R-134a que deja el evaporador como vapor saturadoa 1,4 bar y se calienta a presión constante hasta 20 ºC antes de entrar en el compresor. Después de una compresión isentrópica hasta 12 bar, el refrigerante pasa a traves del condensador, saliendo a 44 ºC y 12 bar. A continuación, el líquido pasa a través del intercambiador de calor, entranto en la válvula de expansión a 12 bar. Si el flujo másico de refrigerante es 6 kg/min, determínese: a) La capacidad de enfriamiento, en Tn-refrigeración. b) La potencia necesaria del compresor,en kW. c) El coeficiente de operación.

DATOS: 𝑅 = 134𝑎

P e= 1,4 bar T c = 44 ºC P c = 12 bar

SOLUCIÓN: Dibujando el ciclo idela de refrigeración en el diagrama de Mollier, puntualizando los puntos de estado.

De tablas derefrigerante R-134a 𝑃𝑒 = 1,4 𝑏𝑎𝑟 ,se tiene 𝑇𝑒 = −18,80 ℃ y ℎ6 = 236,04

𝑘𝐽

𝑘𝑔

Con temperatura del condensador 𝑇𝑐 = 44 ℃ se tiene ℎ3 = 112,22

𝑘𝐽

𝑘𝑔

24. Refrigeración y Aire Acondicionado Se sobrecalienta el refrigerante al pasar por el intercambiador a presión constante de 1,4 bar y llega hasta 20 ºC. Luego de tablas de vapor sobrecalentado con 𝑃1 = 1,4 𝑏𝑎𝑟 y 𝑇1 = 20 ℃ se halla; ℎ1 su entropia es:

𝑠1 = 1,0532

𝑘𝐽

𝑘𝑔°𝐾

La variación de entalpia en el sobrecalentamiento es:

∆ℎ = ℎ1 − ℎ6 = 269,13 − 236,04 = 33,09

𝑘𝐽

𝑘𝑔

También en el subenfriamiento se tiene; ∆ℎ = ℎ3 − ℎ4

De donde despejamos; ℎ4 = ℎ3 − ∆ℎ = 112,22 − 33,09

ℎ4 = 79,13

Para el proceso de expansión:

El estado 2 se encuentra a 12 bar y

ℎ5 = ℎ4 = 79,13

𝑠2 = 𝑠1 = 1,0532

Detablas de vapor sobrecalentado se encuentra

a) La capacidad de refrigeración es:

𝐶. 𝑅. = 6

𝑘𝐽 𝑘𝑔

𝑘𝐽

𝑘𝑔°𝐾

ℎ2 = 322,45

𝑘𝐽 𝑘𝑔

𝑘𝐽 𝑘𝑔

𝐶. 𝑅. = 𝑚̇ ∙ (ℎ6 − ℎ5 )

𝑘𝑔 𝑘𝐽 1 𝑇𝑜𝑛 𝑘𝐽 (236,04 − 79,13) = 941,46 ∗ 𝑚𝑖𝑛 𝑘𝑔 𝑚𝑖𝑛 211 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐶. 𝑅. = 4,462 𝑇𝑜𝑛 − 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔.

b) La potencia requerida por el compresor es: 𝑁𝑐𝑜𝑚 = 𝑚̇(ℎ2 − ℎ1 ) = 6 c) El coeficiente de operación es:

𝑘𝑔 𝑘𝐽 1𝑚𝑖𝑛 (322,45 − 269,13) ∗ 𝑚𝑖𝑛 𝑘𝑔 60 ∙ 𝑠

𝑁𝑐𝑜𝑚 = 5,33 [𝑘𝑊] ℎ −ℎ

𝐶𝑂𝑃 = ℎ6 −ℎ5 2

𝐶𝑂𝑃 = 2,94

1

= 269,13

𝑘𝐽

;

𝑘𝑔

Refrigeración y Aire Acondicionado 25. PROBLEMA 2.3 Un sistema de refrigeración de dos etapas, dos compresores y un depósito separador de líquido vapor, trabaja con refrigerante R-134a (figura a). Debe pasar por el evaporador a -32 ºC y a la temperatura de condensación de 40 ºC, si la capacidad de refrigeración tiende a 25 Toneladas de refrigeración . Dibuje el diagrama P – h del ciclo y Calcule. a) La presión intermedia y la potencia de cada compresor. b) El coeficiente de operación.

DATOS: 𝑅 = 134𝑎

T e= - 32 ºC T c = 40 ºC C.R.= 25 Ton. SOLUCIÓN:

El diagrama de Mollier P-h del ciclo de refrigeración es:

Las presiones de admisión y de descarga se obtienen de tablas de refrigerante R-134a. T e = - 32 ºC

P S =0.7704 [bar] (presión de saturación en la admisión del compresor)

T c = 40 ºC

P d = 10.164 [bar] (Presión de descarga del compresor de alta)

26. Refrigeración y Aire Acondicionado La presión en el enfriador se calcula por. 𝑃𝑖 = �𝑃𝑆 ∗ 𝑃𝑑

𝑃𝑖 = 2.7983 [𝑏𝑎𝑟]

Las entalpías en todos los puntos de estado pueden hallarse de tablas. 𝑘𝐽

ℎ1 = 227.90 � � 𝑘𝑔

𝑆1 = 0.9456 �

𝑘𝐽

ℎ2 = 253.5043 � � 𝑘𝐽

ℎ3 = 246.4748 � �

𝑆3 = 0.91974 �

𝑘𝑔 𝑘𝐽

ℎ5 = 106.19 � �

Estado líquido saturado.

𝑘𝐽

𝑘𝑔

�

Después de la compresión isentrópica S 4 =S 3

𝑘𝑔

ℎ7 = 48.31198 � �

𝑘𝐽

𝑘𝑔 °𝐾

ℎ4 = 273.1249 � � 𝑘𝐽

�

con P i =2.7983 bar, después de la compresión isentrópica. S 1 =S 2

𝑘𝑔

𝑘𝑔

𝑘𝐽

𝑘𝑔 °𝐾

Estado de líquido saturado. 𝑘𝐽

ℎ8 = ℎ7 = 38.31198 � � 𝑘𝑔

Proceso de expansión a entalpia constante.

El flujo másico de refrigerante que entra al compresor de baja es:

𝑚̇ 1 =

𝐶𝑅 ℎ1 − ℎ8

𝑘𝐽 211 �𝑚𝑖𝑛� 25 𝑇𝑜𝑛 𝑚̇ 1 = ∙ 1 𝑇𝑜𝑛 227.90 − 48.3119 La potencia del compresor de baja es:

𝑁𝐶.𝐵. = 29.3728 �

𝑚̇ 1 = 29.3728 �

𝑘𝐽 � 𝑚𝑖𝑛

𝑁𝐶.𝐵. = 𝑚̇ 1 (ℎ2 − ℎ1 )

𝑘𝐽 𝑘𝐽 1 𝑚𝑖𝑛 � (253.5043 − 227.90) � � ∙ 𝑚𝑖𝑛 𝑘𝑔 60 𝑠 𝑁𝐶.𝐵. = 12.5345 [𝑘𝑊]

El flujo másico que entra al compresor de alta se determina haciendo un balance de energía en el depósito separador, considerando como situación estacionaria.

Refrigeración y Aire Acondicionado 27.

∑ 𝐸̇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = ∑ 𝐸̇𝑠𝑎𝑙𝑒

𝑚̇ 6 ℎ6 − 𝑚̇2 ℎ2 = 𝑚̇ 7 ℎ7 − 𝑚̇3 ℎ3

La potencia del compresor de alta es:

𝑁𝐶.𝐴. = 42.9631 �

( para un sistema estacionario) ℎ −ℎ

𝑚̇3 = 𝑚̇1 �ℎ7−ℎ2 � 6

𝑚̇ 3 = 42.9331 �

3

𝑘𝑔 � 𝑚𝑖𝑛

𝑁𝐶.𝐴. = 𝑚̇ 3 (ℎ4 − ℎ3 )

𝑘𝐽 𝑘𝐽 1 𝑚𝑖𝑛 � (273.1249 − 246.4748) � � ∙ 𝑚𝑖𝑛 𝑘𝑔 60 𝑠 𝑁𝐶.𝐴. = 19.0828[𝑘𝑊]

El coeficiente de operación se determina por.

𝐶𝑂𝑃 =

𝐶𝑅 𝑁𝐶𝐵 + 𝑁𝐶𝐴

𝐶𝑂𝑃 = 2.78

28. Refrigeración y Aire Acondicionado PROBLEMA 2.4 Una máquina frigorífica consiste en utilizar dos evaporadores, como se muestra la figura. El refrigerante es R-134a. El evaporador 1 mantiene el comportamiento de la comida fresca a la temperatura deseada y el evaporador 2 se ocupa de la carga de enfriamiento del congelador. Considérese que el evaporador de baja temperatura funciona a 1,4 bar y maneja una carga de refrigeración de 3 Ton. El evaporador de alta temperatura produce vapor saturado a 3,2 bar y tiene una capacidad de refrigeración de 2 Ton. Supóngase que el rendimiento adiabático del compresor es 79 %, la presión del condensador es de 10 bar y que del condensador sale líquido saturado. Despreciando otras perdidas, Dibuje los diagramas P-h y T-s del ciclo frigorífico y determine: a) Los flujos másicos de R-134a que pasa por cada evaporador, en kg/min. b) La potencia de entrada al compresor, en kW. c) El calor cedido en el condensador, en kJ/min.

DATOS: Refrigerante 𝑅 = 134𝑎

𝑃2 = 1,4 [𝑏𝑎𝑟] 𝑃1 = 3,2 [𝑏𝑎𝑟]

𝑃𝐶𝑂𝑁 = 10 [𝑏𝑎𝑟]

SOLUCIÓN

De tablas de R -134a con 𝑃2 = 1,4 [𝑏𝑎𝑟], el estado 8 es vapor saturado.

Refrigeración y Aire Acondicionado 29. 𝑘𝐽 𝑘𝑔

ℎ8 = 236.04 � �

𝑘𝐽 � 𝑘𝑔 °𝐾

𝑠8 = 0.9322 �

El estado 3 es líquido saturado a 𝑃𝐶𝑂𝑁 = 10 [𝑏𝑎𝑟] 𝑘𝐽 𝑘𝑔

ℎ3 = 105.29 � �

Los puntos 3, 4 y 7 están sobre la recta isoentálpica. 𝑘𝐽

Por tanto; ℎ3 = ℎ4 = ℎ7 = 105.29 �𝑘𝑔�

El estado 5 es vapor saturado a la presión 𝑃1 = 3.2 [𝑏𝑎𝑟] 𝑘𝐽 𝑘𝑔

ℎ5 = 248.66 � � También; ℎ5 = ℎ6 El flujo másico del evaporador 1 es:

𝑚̇1 =

𝑚̇1 =

El flujo másico del evaporador 2 es:

2 𝑇𝑜𝑛

𝑘𝐽 (248.66 − 105.29) � � 𝑘𝑔 𝑚̇1 = 2.94 � 𝑚̇2 =

𝑚̇2 =

𝐶𝑅1 (ℎ5 − ℎ4 )

3 𝑇𝑜𝑛

211 [𝑘𝐽/𝑚𝑖𝑛] 1 𝑇𝑜𝑛

𝑘𝑔 � 𝑚𝑖𝑛

𝐶𝑅2 (ℎ8 − ℎ7 )

𝑘𝐽 (236.04 − 105.29) � � 𝑘𝑔 𝑚̇2 = 4.84 �

El flujo másico total que ingresa al compresor es:

∗

∗

211 [𝑘𝐽/𝑚𝑖𝑛] 1 𝑇𝑜𝑛

𝑘𝑔 � 𝑚𝑖𝑛

𝑚̇𝑅 = 𝑚̇1 + 𝑚̇2

𝑚̇𝑅 = 7.78

𝑘𝑔 𝑘𝑔 = 0.12967 𝑚𝑖𝑛 𝑠

Por conservación de la energía, para situación estacionaria.

𝑚̇𝑅 ℎ1 = 𝑚̇6 ℎ6 + 𝑚̇8 ℎ8

30. Refrigeración y Aire Acondicionado Siendo:

𝑚̇6 = 𝑚̇1

y 𝑚̇8 = 𝑚̇2

ℎ1 =

𝑚̇6 ℎ6 + 𝑚̇8 ℎ8 𝑚̇𝑅

ℎ1 = 240.81 𝑠1 = 0.95060

𝑘𝐽 𝑘𝑔

𝑘𝐽 𝑘𝑔°𝐾

El proceso de compresión se realiza a entropía constante por tanto 𝑠2 = 𝑠1 El estado 2 es a la presión de 10 bar y 𝑠2 , interpolando se obtiene.

La potencia de entrada al compresor es:

ℎ2 = 282.752

𝑘𝐽 𝑘𝑔

𝑁𝑐𝑜𝑚𝑝 = 𝑚̇𝑅 ∗ (ℎ2 − ℎ1 )

𝑁𝑐𝑜𝑚𝑝 = 0.12967(282.752 − 240.81) 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑝 = 5.438 ∙ 𝑘𝑊

Considerando el rendimiento adiabático del compresor 𝜂 = 0.79

𝑁𝑐𝑜𝑚𝑝 =

𝑚̇𝑅 ∗ (ℎ2 − ℎ1 ) 𝜂

𝑁𝑐𝑜𝑚𝑝 = 6.883 ∙ 𝑘𝑊

El calor cedido por el condensador se calcula haciendo balance de energía al sistema.

𝑄̇𝑐𝑜𝑛 = 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑝 + 𝑄̇𝑒𝑣𝑎𝑝

𝑄̇𝑐𝑜𝑛 = 6.883 ∙ 𝑘𝑊 ∗

60 𝑘𝐽/𝑚𝑖𝑛 211𝑘𝐽/𝑚𝑖𝑛 + 5 𝑇𝑛 ∗ 𝑘𝑊 1 𝑇𝑛

𝑄̇𝑐𝑜𝑛 = 1467.98

𝑘𝐽 𝑚𝑖𝑛

Refrigeración y Aire Acondicionado 31. PROBLEMA 2.5 Un sistema frigorífico tiene una capacidad frigorífica de 90 Ton-refrigeración, opera con refrigerante R-134a, la temperatura de condensación es 40ºC con un subenfriamiento y pérdida de presión ambos de 1ºC en la tubería del líquido. La temperatura de evaporación es -8ºC con un recalentamiento en el evaporador de 5ºC y en la línea de aspiración de 11ºC con una pérdida de presión equivalente a 2ºC. En la descarga del compresor existe un subenfriamiento de 10ºC y una pérdida de presión a la entrada del condensador equivale a 1ºC, suponiendo un rendimiento mecánico 90%. Calcular: a) El flujo másico de refrigeración en kg/min b) La potencia del compresor en Hp. c) El coeficiente de funcionamiento.

SOLUCIÓN: El diagrama presión - entalpia es:

Encontramos las isobaras con las temperaturas.

32. Refrigeración y Aire Acondicionado T e = - 8[ºC] --------> P e =217.04 [kPa] T c = 40[ºC] --------> P c =1016.4 [kPa] El estado 1 es líquido saturado h 1 =h f =106.19[kJ/kg] El estado 2 estará muy cerca del estado 1 tanto que casi que casi se confunden a una temperatura de 40-1=39[ºC] y una presión 1000[kPa] ; h 2 =105.27 [kJ/kg] El estado 3 corresponde a la misma entalpia h 3 =h 2 El estado 4 con recalentamiento de 5 [ºC] entonces: t 5 =- 8+5= - 3[ºC] y P e = 217.04 [kPa], entonces h 4 es entalpía de vapor sobrecalentado. Para

P e =2 [bar] es decir (0.2[MPa]) T[ºC] -10 -3 0

h[kJ/kg] 241.38 h 250.10

Interpolando se tiene; h 4 =247.484[KJ/kg] En el estado 5 localizamos: t 5 =-3+11=8[ºC] con descenso de 2[ºC], P 5 =200[kPa] P 5 =217.04-15.82 = 201.22 [kPa]; interpolando se tiene: h 5 =257.13[kJ/kg] ------ s 5 =0.98348[kJ/kgºk] El estado 6 r localizamos: P 6 = P c +∆P = 1016.4 + 27.8 =1044.2 [kPa] El estado 6 t con intersección de la isentrópica: s 5 =s 6t  h 6t =293.6168[kJ/kg] h[kJ/kg] s[kJ/kg ºk] 291.36 0.9768 h 0.98348 302.34 1.0093 Por tanto h 6t =293.6168 [kJ/kg] Por la definición de rendimiento isentrópica: 𝜂𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡 =

Siendo;

El rendimiento volumétrico es:

𝑊𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 𝑤𝑟𝑒𝑎𝑙

ℎ −ℎ

= ℎ 6𝑡 −ℎ5 6𝑟

5

𝜂𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡 = 𝜂𝑣𝑜𝑙 ∗ 𝜂𝑚𝑒𝑐

(1)

(2)

𝑃6 1044.2 𝜂𝑣𝑜𝑙 = 1 − 0.02 ∗ � � = 1 − 0.02 ∗ � � = 0.896 𝑃5 201.22 𝜂𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡 = 0.896 ∗ 0.90 = 0.81

Despejando de la ecuación (1) ℎ6𝑟 se tiene: ℎ6𝑟 = ℎ5 +

ℎ6𝑡 − ℎ5 293.6168 − 257.13 𝑘𝐽 = 257.13 + = 302.17 � � 𝜂𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡 0.81 𝑘𝑔

a) El flujo másico de refrigeración es.

Refrigeración y Aire Acondicionado 33. 𝑘𝐽 211 �𝑘𝑔� 𝑁𝑓 90 [𝑇𝑜𝑛 − 𝑟𝑒𝑓] 𝑚̊ = = ∗ ℎ4 − ℎ3 (247.484 − 105.27) � 𝑘𝐽 � 1[𝑇𝑜𝑛 − 𝑟𝑒𝑓] 𝑘𝑔

b) La potencia del compresor es.

𝑚̊ = 133.53 �

𝑁𝑐𝑜𝑚𝑝 = 𝑚̊ (ℎ6𝑟 − ℎ5 ) = 133.53

𝑘𝑔 � 𝑚𝑖𝑛

𝑘𝑔 𝑘𝐽 1𝑚𝑖𝑛 ∗ (302.17 − 257.13) ∗ 𝑚𝑖𝑛 𝑘𝑔 60𝑠𝑒𝑔

𝑁𝑐𝑜𝑚𝑝 = 100.23[𝑘𝑊] 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑝 = 100.23𝑘𝑊 ∗

0.746 𝐻𝑝 1 𝑘𝑊

𝑁𝑐𝑜𝑚𝑝 = 74.78[𝐻𝑝] c) El coeficiente de funcionamiento

𝐶𝑂𝑃 =

𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔. 𝑢𝑡𝑖𝑙 90[𝑇𝑜𝑛 − 𝑟𝑒𝑓] = 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑛𝑒𝑡𝑜 133.53 𝑘𝑔 (302.17 − 57.13) 𝑘𝐽 𝑚𝑖𝑛 𝑘𝑔 𝐶𝑂𝑃 = 3.1575

34. Refrigeración y Aire Acondicionado

Refrigeración y Aire Acondicionado 35. CAPITULO 3 ELEMENTOS DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR OBJETIVOS • • •

Estudio de los componentes y accesorios de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor. Realizar un balance global de los componentes del sistema. Elección mediante catálogos los elementos del sistema de refrigeración.

3.1 COMPONENTES PARA SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN El ciclo de refrigeración por compresión de vapor, es el ciclo más importante desde el punto de vista comercial. Los cuatro componentes de un sistema de refrigeración por compresión de vapor son: compresor, condensador, dispositivo de expansión, y evaporador que tienen su peculiar forma de funcionamiento. La figura 3.1 muestra los componentes de un sistema de refrigeración doméstico.

El compresor es el primer componente que se analiza, es el elemento de la instalación que se encarga de realizar la función de proporcionar la presión elevada. Existen distintos tipos de compresores, con aplicaciones variadas según el fluido frigorífico que utilice, las necesidades de desplazamiento volumétrico y en función de las características constructivas. 3.2 COMPRESORES FRIGORÍFICOS Existen varias formas de clasificar los diferentes tipos de compresores aplicados en sistemas de refrigeración y que actualmente se pueden encontrar en el mercado, aptos para su utilización en instalaciones frigoríficas. Los más utilizados en la refrigeración son de tres tipos principales: a) Compresores alternativos (en sistemas industriales, comerciales y domésticos) b) Compresores rotatorios (en comerciales e industriales). c) Compresores Centrífugos industriales).

sistemas

(en sistemas

El compresor recíproco o alternativo es el más usado.

Figura 3.1 Sistema de refrigeración domestico

Las pequeñas instalaciones comerciales están dotadas de un compresor hermético, pero algunos sistemas comerciales tienen compresores semiherméticos. Los compresores de motor enfriado con refrigerante tienen un sistema de aceite lubricante a presión. Este sistema está dotado de una bomba de aceite de desplazamiento positivo que se mueve en ambas direcciones.

36. Refrigeración y Aire Acondicionado 1/𝑛

Los compresores modernos son de simple efecto, y pueden ser de cilindro único o de cilindros múltiples.

𝜂𝑉 = 1 − 𝑐 �� 𝑃𝑑 �

Durante la carrera de admisión el gas refrigerante a baja presión es aspirado a través de la válvula de admisión.

𝑃𝑠 , es la presión de succión.

Durante la carrera de escape, el pistón comprime el refrigerante, y después lo empuja a través de la válvula de escape que usualmente forma parte de la culata.

𝑃

𝑠

− 1�

(3.2)

Donde : 𝑃𝑑 ; es la presión de descarga. Por causas de rozamiento de los mecanismos del compresor se debe tomar en cuenta el rendimiento mecánico que dará la potencia necesaria en el extremo del eje del compresor. Como la compresión no es isentrópica se aplica el rendimiento isentrópico y está definido por: 𝜂𝑖𝑠𝑜 =

𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙

(3.3)

La eficiencia de la transmisión 𝜂𝑡 , será igual a 1 para el acoplamiento directo y 0,97 para el accionamiento por correas.

3.3 SEPARADORES DE ACEITE

Figura 3.2 Compresor alternativo Durante los procesos reales de expansión y compresión de los gases, se gana o pierde calor, esto indica que la compresión no es adiabática. Por otra parte el compresor debe ser capaz de aspirar el refrigerante en completo estado gaseoso, lo que permitirá calcular el volumen que deberá desplazar la máquina. El volumen teórico depende solamente de las características de diseño del compresor. El cociente entre el volumen aspirado y el denominado desplazamiento geométrico es lo que se llama eficiencia volumétrica o más comúnmente rendimiento volumétrico real y está definido por la fórmula. 𝜂𝑉 =

𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 (3.1)

Hay que evitar que el aceite mezclado con el fluido refrigerante que viene de la impulsión del compresor sea arrastrado a otras partes de la instalación. Para ello se instala un separador de aceite al lado del compresor, ya que de lo contrario, disminuiría el coeficiente de intercambio de calor en el condensador posteriormente en el evaporador. En la Figura 3.3 puede verse un esquema de un separador colocado en una instalación tipo, y un detalle de sus principales elementos.

Figura 3.3 Separadores de aceite.

3

Siendo el caudal de volumen en m /min y el desplazamiento por unidad de tiempo el volumen barrido por el pistón en sus carreras de admisión, en m3/min. La siguiente expresión se utiliza para calcular el rendimiento volumétrico.

3.4 CONDENSADOR La tarea del condensador es extraer el calor del refrigerante en forma de gas, este calor, en

Refrigeración y Aire Acondicionado 37. principio, es la suma del calor que se absorbe en el evaporador y el calor equivalente al trabajo de compresión. Para ello la instalación deberá disponer de un elemento que realice esta función, llamado condensador o disipador de calor. Los medios que se disponen frecuentemente son el aire y el agua. 3.4.1Capacidad del condensador El calor total que debe evacuar el condensador será: 𝑄̇𝐶𝑂𝑁𝐷 = 𝑄̇𝐸𝑉𝐴𝑃 + 𝑁𝐶𝑂𝑀𝑃

(3.4)

𝑄̇𝐶𝑂𝑁𝐷 = 𝑚 ∗ ∆ℎ

(3.5)

𝑄 = 𝐾 ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑡𝑚𝑙

(3.6)

b) La naturaleza del metal que constituye las superficies primaria y secundaria. c) El coeficiente de transmisión global del condensador, que se halla en función de la velocidad del aire a través del haz de condensación. Debido a la escasez cada vez mayor del consumo de agua, han proliferado las máquinas frigoríficas que utilizan aire en la condensación.

El cálculo de la potencia calorífica evacuada en el condensador puede calcularse por:

Si aplicamos ecuación de transferencia de calor tendremos que la capacidad de evacuación del condensador es:

Siendo:

K; el coeficiente global de transmisión de calor. A; la superficie del condensador. ∆𝑡𝑚𝑙 diferencia de temperatura logarítmica y se calcula por: ∆𝑡𝑚𝑙 =

Donde:

(𝑡𝑐−𝑡𝑒)−(𝑡𝑐−𝑡𝑠) 𝑡𝑐−𝑡𝑒 � 𝑡𝑐−𝑡𝑠

𝑙𝑛�

media

(3.7)

Figura 3.4 Condensador enfriado por aire. Los refrigeradores de tipo domestico, equipados con grupos moto-compresores herméticos, tienen condensadores con tubos en forma de ida y vuelta instalado en la parte posterior del equipo, como se muestra en la figura siguiente.

tc; es la temperatura de condensación del fluido frigorífico. te; es la temperatura de entrada del fluido que refrigera el condensador 3.4.2 Clasificación de los condensadores Pueden ser enfriados por aire o enfriados por agua. Condensadores de aire. El calor específico del aire seco o con ciertos valores de humedad relativa, que se encuentra disponible para enfriar el refrigerante, es relativamente bajo. En su construcción deben considerarse tres parámetros. a) La superficie de intercambio

Figura 3.4 Condensador enfriado por aire domestico. Condensadores por Agua. En las máquinas frigoríficas de tipo comercial se utilizan los tipos de condensadores de agua.

38. Refrigeración y Aire Acondicionado -

Condensadores de inmersión

-

Condensadores de doble tubo

El coeficiente global de transmisión de calor relativamente altos, del orden de 600-700 W/[m2ºC]. Condensadores evaporativos. Un condensador de tipo evaporativo es del tipo enfriado por aire y por una lluvia de agua. Su consumo oscila alrededor del 10 % o menos de agua de condensación de la que sería necesaria en un condensador multitubular del tipo horizontal. La figura siguiente muestra las partes de un condensador evaporativo. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Moto-bomba Depósito de agua Entrada de aire Serpentín Pulverizadores Separadores de gotas Salida de aire

mínimo de dimensiones y tubos suficientemente delgados, para aplicar el criterio de que la transmisión se realiza entre las dos capas del tubo como si se tratara de una superficie plana, aunque ello supone un error despreciable, pues en la mayoría de los casos que se cometería al determinar los valores de coeficientes de convección. El intercambiador de calor permite la mejora del rendimiento de una instalación frigorífica al subenfriar el líquido que admite la válvula de expansión. Por otra parte implica que el sobrecalentamiento de los vapores que llega al compresor sea más importante. 3.6 EVAPORADORES El evaporador, al igual que el condensador, es un intercambiador de calor cuyo cometido consiste en absorber el flujo térmico que proviene del medio a enfriar. El refrigerante entra en el serpentín del evaporador como una mezcla de aproximadamente, un 75 % líquido y un 25 % de vapor. La mezcla esta ebullendo y evaporándose en el serpentín con el líquido transformándose en vapor, debido a que está absorbiendo calor del medio que le rodea. El propósito del evaporador consiste en evaporar todo el líquido antes de alcanzar el final del serpentín, desapareciendo todo el líquido y quedando solo vapor saturado. El paso del flujo térmico del fluido frigorígeno el medio exterior se rige por las mismas leyes físicas cualquiera que sea el tipo de evaporador y que depende: -

Figura 3.5 Esquema de un condensador evaporativo. 3.5 INTERCAMBIADOR DE CALOR Estos aparatos están constituidos por una serie de tubos, generalmente lisos y provisto de unas aletas que permiten un mejor intercambio con un

Del coeficiente global de transmisión de calor. De la superficie del evaporador. De la diferencia existente entre la temperatura del evaporador y la del medio a enfriar.

Refrigeración y Aire Acondicionado 39.

Figura 3.6 Evaporador de placa con trampa de líquido. Siempre es posible controlar la pérdida de carga existente mediante el siguiente procedimiento 7. a) Mediante un termómetro se tomará la temperatura de entrada al evaporador, como tenemos líquido saturado podremos leer en tablas la presión de saturación correspondiente, la cual vendrá en valor absoluto. b) Con un manómetro leeremos la presión a la salida del evaporador, la presión medida será en este caso relativa. c) La diferencia entre la presión de saturación a la salida nos dará la pérdida de carga del evaporador. Hay que tener en cuenta que la diferencia se deberá llevar a cabo entre presiones relativas o entre presiones absolutas. En la práctica se dan la capacidad frigorífica de los evaporadores en base a la temperatura de saturación a la entrada del evaporador y al recalentamiento previsto a la salida del evaporador. Este tipo de verificación solo se hace cuando se sospecha un defecto en el rendimiento del evaporador, por ello hay que tener en cuenta la acumulación de aceite debida a un diseño inadecuado del evaporador que producirá incrustaciones en la tubería y obstruyendo la transferencia de calor.

Figura 3.7 Serpentín de un evaporador. Los evaporadores empleados en las instalaciones que se conocen por “comerciales”, cuya potencia nominal no excede los 11600 W, pueden ser: -

Evaporadores enfriadores de aire.

-

Evaporadores enfriadores de líquidos.

-

Evaporadores congeladores (para producir hielo y con solución eutéctica).

3.7 SELECCIÓN DE EVAPORADOR SOBRE CATÁLOGO El evaporador se selecciona según la capacidad de refrigerar, fue diseñada para ser un producto de alto desempeño con un dimensionamiento lo más compacto, que garantiza mejor aprovechamiento del espacio interno de las cámaras de almacenaje de productos enfriados y congelados. Por ejemplo si se da la temperatura de conservación de 5 ºC y la capacidad de refrigerar 4500 [Kcal/h], de catálogos (ver tabla 3.1) el Modelo FBA – 4 Aletas por pulg. y Temperatura de evaporación 0 ºC se elige el evaporador Modelo : FBA 4210 D capacidad 5280 x 0.87 = 4593,6 [kcal/h]. Cargado de Refrigerante para este modelo es 3,4 kg.

7

Frio Industrial (vol-1),Ricard Gimenez López

40. Refrigeración y Aire Acondicionado Tabla 3.1 Catálogo de evaporador MODELOS FBA’s (para 50 hz, multiplicar por 0,87) Datos de los ventiladores

Capacidad en kcal/h – Dt = 6ºC Temperatura de evaporación

Fug a

Modelo 10º c

5ºC

0ºC

5ºC

10º C

15º C

20º C

25º C

30º C

35º C

40º C

De Aire

Dia m Q t

3 (m / h)

Fluj o De

(mm )

Aire (m)

Modelos FBA`s – 4 aletas por pulgada FBA4180D

514 0

489 0

464 0

435 0

415 0

406 0

395 0

383 0

371 0

357 0

343 0

3,32 4

4

254

13

FBA4210D

588 0

558 0

528 0

497 0

474 0

463 0

451 0

437 0

423 0

408 0

392 0

4.32 8

5

254

13

Fuente: FLEXCOLD de Heatcraft do Brasil LTDA. 3.8 VÁLVULA DE EXPANSIÓN La misión fundamental de la válvula de expansión es la de proporcionar una diferencia de presión establecida entre los lados de alta y de baja presión del sistema de refrigeración. En la figura 3.8 muestra una válvula de expansión instalada a la entrada del evaporador, este se encarga de dosificar la cantidad correcta de refrigerante que alimenta al evaporador. El dispositivo de expansión siempre va instalado en la línea que va del condensador al evaporador.

Figura 3.8 Instalación de un dispositivo de expansión.

Un tipo de dispositivo más común es la válvula termostática de expansión, que se usa mucho en los sistemas de expansión seca. La pequeña abertura entre el asiento de la válvula y el disco origina la caída de presión necesaria. También efectúa un excelente trabajo de regulación de flujo, de acuerdo con las necesidades. Este dispositivo tiene un sensor térmico que controla el sobrecalor y realiza una acción de abre o cierra para garantizar que no salga nada de líquido refrigerante del evaporador.

Refrigeración y Aire Acondicionado 41. gotitas de líquido refrigerante a la cámara del compresor, observe las temperaturas en el lado de descarga y la temperatura del aceite para controlar y evitar una gran carga innecesaria en el funcionamiento del compresor. Para un compresor semi hermético, una carga excesiva puede dar lugar a que el compresor se queme. 3.10

Figura 3.9 Válvula termostática de expansión.

Figura 3.10 Partes de una válvula termostática.

3.9 MANTENIMIENTO Es pertinente realizar una verificación al sistema, cambiando y ajustando las poleas, limpiar el recipiente, verificar las fugas en los ejes. Observe que la tubería de succión al compresor no esté escarchada, esto significaría que entra

PROBLEMAS

42. Refrigeración y Aire Acondicionado Problema 3.1 El flujo másico de refrigerante R- 134a que circula por un sistema de refrigeración es de 0,15 [kg/s] de vapor saturado a 40 ºC en un tubo de 2 pulgadas de diámetro. Se desea diseñar un condensador enfriado con agua que entra al intercambiador de calor a 10 ºC a 1 [litro/s]. Determinar la superficie de intercambio de calor, despreciando el espesor del tubo. El diámetro de la tubería exterior es 3 pulgadas. Asumir propiedades del refrigerante a 40 ºC es: 𝑊 �; 𝑚°𝐾

𝑘𝐿 = 0,075 �

𝑘𝑔 �; 𝑚3

𝜌𝐿 = 1147 �

𝑘𝑔 �; 𝑚3

𝜌𝑉 = 49,23 �

Las propiedades del agua a 20 ºC 𝑊 � 𝑚°𝐾

𝑘𝑎 = 0,597 �

DATOS

𝑘𝑔 �; 𝑚∙𝑠

𝜇𝑉 = 1,268 ∗ 10−5 � 𝑘𝑔 �; 𝑚3

; 𝜌𝑎 = 1000 �

𝑘𝑔 � 𝑚∙𝑠

𝜇𝐿 = 1,612 ∗ 10−4 � 𝑚2 �; 𝑠

𝜗𝑎 = 1,006 ∗ 10−6 �

𝑃𝑟𝑎 = 7

Para el refrigerante R – 134a con T= 40 ºC 𝑚̇ = 0.15 �

𝑘𝑔 � 𝑠

ℎ = 163.7 �

𝑘𝐽 � 𝑘𝑔

𝑑 = 2 [𝑝𝑢𝑙] = 0.0508[𝑚]

Para el agua de refrigeración a T=20 ºC 𝐿 𝑚̇𝑎 = 1 � � 𝑠

𝑘𝐽 � 𝑘𝑔 °𝐾

𝑐𝑝 = 4.186 �

S O L U C I Ó N Análisis de balance de energía en el condensador enfriado por agua 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 �=� �=� � � 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑅 − 134𝑎 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔. 𝑄𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔 = 𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑄𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓 ……………………..(1)

El flujo de calor del refrigerante es:

𝑄𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔 = 𝑚 ∙ (ℎ − ℎ) = 0.15 �

𝑘𝑔 𝑘𝐽 𝑘𝑊 � (268.24 − 106.19) � � ∗ � � 𝑠 𝑘𝑔 𝑘𝐽/𝑠

Refrigeración y Aire Acondicionado 43. 𝑄𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔 = 24.3[𝑘𝑊]

Calculando la temperatura de salida del agua de refrigeración, siendo: 𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑄𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔 𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚 ∗ 𝑐𝑝 ∗ (𝑇2 − 𝑇1 ) 𝑇2 =

𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 + 𝑇1 𝑚 ∙ 𝑐𝑝

𝑇2 = 15.8℃

El cambio de temperatura ∆𝑇 es:

∆𝑇 = ∆𝑇 =

(𝑇𝐶 − 𝑇2 ) − (𝑇𝐶 − 𝑇1 ) 𝑇 − 𝑇2 𝑙𝑛 � 𝐶 � 𝑇𝐶 − 𝑇1

(40 − 15.8) − (40 − 10) 40 − 15.8 𝑙𝑛 � � 40 − 10 ∆𝑇 = 27℃

El calor transferido se calcula por:

𝑄𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠 = 𝐴 ∙ 𝑈 ∙ ∆𝑇

Donde. 1

1

1

= ℎ𝑟 + ℎ𝑎…………………….(2) 𝑈

Para el refrigerante hr se calcula por la siguiente expresión:

0.25

𝜌𝐿 (𝜌𝐿 − 𝜌𝑣 )𝑔 ∙ 𝑘𝐿 3 ∙ ℎ � ℎ𝑟 = 0.555 � 𝜇 ∙ 𝑑 ∙ (𝑇𝑟 − 𝑇𝑚𝑎 )

Siedo: 𝑘𝑔 � 𝑚3

𝜌𝐿 = 1147 �

; es la densidad del refrigerante R-134a a 40 ºC

𝑇𝑟 = 40℃ = 313°𝐾 ; es la temperatura del refrigerante. 𝑇𝑚𝑎 =

𝑇1 + 𝑇2 2

𝑇𝑚𝑎 = 12.9 ℃ es la temperatura media del agua.

Sustituyendo en la ecuación se tiene:

44. Refrigeración y Aire Acondicionado ℎ𝑟 = 782.55 �

El coeficiente de convección se calcula por:

ℎ𝑎 = 𝑅𝑒 =

𝑊 � ∙ °𝐾

𝑚2

𝑁𝑢 ∗ 𝐾 𝐷𝑒𝑞

𝐷𝑒𝑞 ∗ 𝑣 𝜗𝑎

𝑁𝑢 = 0.023𝑅𝑒 0.8 ∗ 𝑃𝑟 0.4 𝑚 𝑠

La velocidad con la que circula el agua es 𝑣 = 0.395 � � El diámetro equivalente es.

𝐷𝑒𝑞 =

Sustituyendo en la ecuación

𝑅𝑒 =

𝑚

0.0635 [𝑚]∗0.395[ 𝑠 ] 1.006∗10−6 �

𝑚2 � 𝑠

𝐷 2 − 𝑑 2 (0.0762)2 − (0.0508)2 = = 0.0635 [𝑚] 𝑑 0.0508

= 24932.9

es flujo Turbulento

𝑁𝑢 = 0.023(24932.9)0.8 ∗ (7)0.4 = 164.88

Luego el coeficiente de convección del agua será

𝑊 164.88 ∗ 0.597 � � 𝑚°𝐾 ℎ𝑎 = 0.0635 𝑚 ℎ𝑎 = 1550.13 �

𝑊 � 𝑚2 °𝐾

Sustituyendo en la ecuación del coeficiente global 𝑈 = 520.03 �

𝑊 � 𝑚2 °𝐾

Despejando de ecuación (2) el área de transferencia de calor es.

𝐴=

𝐴=

𝑄𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓 𝑈 ∗ ∆𝑇

24300 𝑊

𝑊 �27°𝐾 𝑚2 °𝐾

520.03�

𝐴 = 1.73[𝑚3 ]

Refrigeración y Aire Acondicionado 45. CAPITULO 4 DISEÑO Y DIMENSIONADO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN OBJETIVOS •

Realizar el diseño de cámaras frigoríficas comerciales.

•

Dimensionar las cámaras de los sistemas de refrigeración.

•

Realizar el cálculo del balance térmico del sistema de refrigeración.

4.1 INTRODUCCIÓN El cálculo del balance Térmico de una instalación frigorífica pretende determinar la potencia frigorífica necesaria para cubrir las necesidades de la instalación, y en consecuencia, realizar la elección de los equipos frigoríficos de acuerdo con este cálculo. Este capítulo fundamentalmente estudia el cálculo de la carga térmica de la cámara frigorífica, es decir, el calor que hay que extraer de la misma, por diferentes causas que se explican posteriormente, y en realidad se trata de potencias, bien sea caloríficas o frigoríficas, que se medirán en Kcal/h, o en kW. La costumbre hace que ha estos términos los llamemos calores. Las necesidades de la instalación será función de: -

Régimen de trabajo

-

Clima

-

Tipo, cantidad y estado del producto a su entrada a la cámara.

-

Temperatura del producto a su entrada en la cámara.

-

Calor específico del producto (antes y después de su congelación, si esta fuese precisa).

-

Renovación de aire precisas, tiempo de funcionamiento.

-

Calor de respiración del producto.

-

Calor desprendido por la iluminación y otros elementos instalados en la cámara.

-

Calor debido a los des escarches, apertura de puertas, existencia de puentes térmicos, etc.

El cálculo del balance térmico de la instalación frigorífica es el objeto de estudio en este capítulo, que con frecuencia se realiza en los proyectos de instalaciones frigoríficas, para posteriormente con el dato de carga de enfriamiento total es posible elegir los equipos comerciales requeridos y que mejor se adaptan a las necesidades del proyecto. Este cálculo se lo realiza en condiciones donde la instalación tiene que funcionar. 4.2 ALMACENAJE DE PRODUCTOS Los principales factores que alteran la calidad del producto durante el almacenamiento son: -

Tiempo de almacenamiento. Humedad relativa. Circulación de aire en torno al producto. Embalaje.

Para determinados productos, el agua es el componente que llega al porcentaje de humedad más alto alcanzado entre 97% a 98%, como en el caso de los vegetales.

4.3 CÁLCULO DEL BALANCE TÉRMICO Para mantener fría una cámara y todo lo que está contenido en ella, es necesario extraer el calor inicial y después el que pueda ir entrando en la cámara, por bien aislada que esté.

46. Refrigeración y Aire Acondicionado Él requerimiento total de refrigeración, puede establecerse como sigue: 𝑄𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 𝑄𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 + 𝑄𝑜𝑡𝑟𝑎𝑠 𝑓𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠

como la semisuma entre la temperatura exterior base (de diseño) y +15 ºC, es decir:

(4.1)

El calor de los productos representa la suma de la carga térmica a eliminar procedente del calor sensible, del calor latente de solidificación, de las reacciones químicas, del embalaje y del calor absorbido para la congelación del agua de los productos que se desean refrigerar. El calor de otras fuentes se considera los flujos de calor por transmisión de paredes, suelo y techo, la refrigeración para el aire exterior que se introduce, la ventilación, las cargas térmicas debidas a los ventiladores, bombas, iluminación eléctrica, personas que manipulan los productos, etc. 4.3.1 Cálculo de la temperatura exterior base o de proyecto 8 La temperatura exterior base para el proyecto , es la temperatura del medio ambiente que rodea la cámara frigorífica, para su determinación se han desarrollado formulas empíricas que tratan de evitar que se sobredimensione la instalación frigorífica cuando se considera la temperatura máxima exterior, ya que la misma debe estar preparada para funcionar en condiciones extremas, para este propósito se usa la siguiente expresión:

𝑇𝐸𝐵 = (0.6 ∗ 𝑇𝑚á𝑥 ) + (0.4 ∗ 𝑇𝑚𝑒𝑑 )

𝑇𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 =

𝑇𝐸𝐵 +15 2

(4.4)

4.3.2 Cálculo de carga por transmisión de calor a través de paredes El flujo de calor que penetra en la cámara por las paredes techo y piso se calculan por la ley de Fourier. 𝑄̇𝑡𝑟𝑎𝑛 = 𝑈 ∙ 𝐴 ∙ (𝑇𝐸𝐵 − 𝑇𝑖 )

(4.5)

Donde:

𝑄̇𝑡𝑟𝑎𝑛 ; Carga total por transmisión, en Kcal/h o kW. A; Área de intercabio de calor, en m2.

U; Coeficiente global de transferencia de calor,

𝑊

𝑚2℃

T EB , T i ; Temperaturas exterior base y temperatura interna respectivamente, en ºC.

(4.2)

Donde:

𝑇𝐸𝐵 ; Temperatura proyecto, en ºC.

exterior

base

del

𝑇𝑚á𝑥 ; Temperatura máxima de la localidad, en ºC. 𝑇𝑚𝑒𝑑 ; Temperatura media de la localidad, en ºC. Para determinar las temperaturas de techo y suelo existen distintos métodos, de los que citaremos: 𝑇𝑇𝑒𝑐ℎ𝑜 = 𝑇𝐸𝐵 + 15 ℃

(4.3)

La temperatura en el suelo, en caso de existir un vacio sanitario, esta temperatura se toma 8

Refrigeración comercias, Luis Villegas Gonzales

Figura 4.1 Efecto de la temperatura por radiación solar. El suplemento de temperatura por la radiación solar, permite tener en cuenta el efecto que produce la radiación solar sobre las paredes orientadas al sol o por el color de la pared. Los muros claros reflejan mejor la radiación que los muros oscuros. Para tomar valores de suplemento de temperatura por radiación solar se tiene la siguiente tabla.

Refrigeración y Aire Acondicionado 47. Tabla 4.1 Suplemento de temperaturas por radiación solar en ºC. Color de muro

Este

Sur

Oeste

Techo

Colores claros

2.2

1.0

2.2

5.0

Colores medios

3.3

2.2

3.3

8.3

Colores oscuros

4.4

2.8

4.4

11.0

Fuente: Juan Antonio Ramirez Refrigeración. Para determinar el coeficiente global de transmisión de calor, U, se emplea la siguiente expresión: 1

Siendo:

𝑈

=

1

𝑓𝑒

𝑒

𝑒

+ 𝑘1 + 𝑘2 + ⋯ + 1

2

1

𝑓𝑖

(4.6)

𝑓𝑒 𝑦 𝑓𝑖 ; los coeficientes de convección exterior e interior.

c; calor específico del producto antes de la congelación (su valor puede ver en tablas),en kJ/kg ºK. T p ; Temperatura de ingreso del producto a la cámara. T reg ; Temperatura del producto al final del enfriamiento (esta temperatura será superior a la de la congelación.

los espesores de los diferentes 𝑒1 𝑦 𝑒2 ; elementos que constituyen la pared o el techo.

El calor específico, se puede definir como la cantidad de energía necesaria para elevar una unidad de temperatura la unidad de masa, lo que también se puede expresar como la capacidad que tiene un cuerpo para absorber calor.

4.3.3 Cálculo de cargas por enfriamiento y/o congelación del producto

Para el caso de congelamiento del producto, se tendrá en cuenta el calor latente para cambiar el estado de un cuerpo sin alterar su temperatura. Sin embargo, los cambios de calor sensible son los cambios que pueden ser detectados por la disminución de temperatura.

𝑘1 𝑦 𝑘2 ; las conductividades térmicas de los materiales que se puede obtener de tablas.

La carga debida al producto, es la cantidad que hay que extraerle al producto para bajar su temperatura de la cámara refrigerado, esta carga puede deberse a: Colocar un producto a mayor temperatura que la del recinto. Un proceso de congelación(que implica carga latente) Calor de transmisión de algunos productos alimenticios.

-

La carga del producto será la suma de los diversos tipos de carga que existan para el caso particular, se usa la siguiente relación: 𝑄̇𝑝𝑟𝑜𝑑 = 𝑚̇ ∙ 𝑐 ∙ �𝑇𝑝 − 𝑇𝑟𝑒𝑔 �

(4.7)

Donde:

𝑚̇; masa total del producto que se debe enfriar, en kg/día.

En el proceso de congelación de los alimentos se distinguen tres etapas: a) Enfriamiento del producto hasta alcanzar la temperatura de congelación. b) Congelación del producto. c) Enfriamiento del producto por debajo de la temperatura de congelación. Por tanto la expresión para el cálculo de la carga por enfriamiento, congelación y después de la congelación, se realiza así: 𝑄̇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙−𝑝𝑟𝑜𝑑 = 𝑄𝑒𝑛𝑓 + 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑔 + 𝑄𝑑𝑒𝑠−𝑐𝑜𝑛𝑔 (4.8)

El la figura siguiente de temperatura- calor se puede observar las situaciones de cambio de estado.

48. Refrigeración y Aire Acondicionado c) Enfriamiento del producto por debajo de la temperatura de congelación El calor generado en la última etapa del proceso se calcula por la siguiente relación.

Donde:

𝑄̇𝑑𝑒𝑠−𝑐𝑜𝑛𝑔 = 𝑚̇ ∙ 𝑐 ∙ �𝑇𝑐𝑜𝑛𝑔 − 𝑇𝑟𝑒𝑔 � (4.11)

𝑚̇; masa total del producto enfriar, en kg/h.

que se debe

c; Calor específico del producto después de la congelación, en kJ/(kg K) 𝑇𝑐𝑜𝑛𝑔 ;

Temperatura

de

congelación

del

producto, en ºC Figura 4.2 Diagrama de temperatura-calor de un producto que se enfría, congela. a) Enfriamiento del producto hasta alcanzar la temperatura de congelación. En esta etapa el producto se enfría desde la temperatura de entrada hasta la de congelación, y el calor generado es:

Donde:

𝑄̇𝑒𝑛𝑓 = 𝑚̇ ∙ 𝑐𝑝 ∙ (𝑇𝑒 − 𝑇𝑐 )

(4.9)

𝑚̇; masa total del producto que se debe enfriar, en kg/h.

𝑇𝑟𝑒𝑔 ; Temperatura final del producto en la cámara, en ºC, (esta temperatura es la de régimen). La temperatura de congelación de los distintos productos es variable, pudiendo obtener estos valores de tablas o consultar bibliografía de mayor precisión. Tabla 4.2 Temperaturas de congelación de distintos productos. Producto

Temperatura de congelación (ºC)

Carnes de aves

-2.7

Carne de conejo

-2.7

Te; Temperatura del producto al entrar en la cámara, en ºC.

Carne de ovino

-2

Carne de porcino

-2

Tc; Temperatura de congelación del producto, en ºC.

Carne de vacuno

-2

𝑐𝑝 ; calor específico del producto antes de la congelación, en kJ/(kg ºK)

Frutas frescas

b) Congelación del producto. En esta fase del proceso, el producto se congela y realiza un cambio de estado a temperatura constante. La expresión para este cálculo es el siguiente:

Donde:

𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑔 = 𝑚̇ ∙ 𝜆𝑐𝑜𝑛𝑔

𝑚̇; masa del producto, en kg/h

Hortalizas

De -0.3 a -3 De -0.5 a -1.5

Huevos

-2.2

Leche

-0.6

Mantequilla

-5.6

Pescados

-2.2

Queso

-1.7

(4.10)

𝜆𝑐𝑜𝑛𝑔 ; calor latente de congelación, en kJ/kg

Fuente: Refrigeración comercial del Ing. Luis Villegas Gonzales.

Refrigeración y Aire Acondicionado 49. 4.3.4

Cálculo por las conservación

necesidades

de Donde:

Durante la conservación algunos productos continúan desprendiendo cierta cantidad de calor que debe extraerse para garantizar la temperatura de régimen de la cámara función del producto a conservar.

𝑄̇𝑟𝑒𝑠 = 𝑚 ∙ 𝑐𝑠

(4.12)

𝑚; masa de género, en kg.

𝑐𝑠 ; Calor de respiración en kJ/(kg dia) En el caso de que se trate de un producto en fermentación, 𝑐𝑠 representará el calor de fermentación, y en caso de que ambos fenómenos se den simultáneamente en el producto conservado, 𝑐𝑠 será la suma del calor de respiración y del calor de fermentación.

En las frutas y las verduras, el género continúa madurando en el interior de la cámara frigorífica, liberando calor por respiración que puede determinarse, mediante la siguiente expresión.

Tabla 4.3.Calor de respiración y desprendimiento de CO 2 de frutas y verduras Producto

Temperatura ºC

Cantidad de CO 2 producida mg/kg h

Cantidad de producido en Kcal/Tn 24 h

Manzanas

4.4

5–8

275 – 440

Naranjas

1.7

2

110

Plátanos

12.2

15

825

0

3–4

165 – 220

4.4

--

680

0

15 – 17

825 – 935

Peras Judías cortadas Fresas

calor

Fuente: Garcia Vaquero, tomado de Pohlmann, (1979)

pequeñas, del valor obtenido enfriamiento de la mercadería.

4.3.5 Calor del embalaje En las mercaderías embaladas, no debe despreciarse el calor generado por el emboltorio del producto. El calor debido al embalaje puede obtenerse a partir de: 𝑄̇𝑒𝑚𝑏 = 𝑚̇𝑒 ∙ 𝑐 ∙ �𝑇𝑒 − 𝑇𝑓 �

(4.13)

Donde:

𝑐; calor específico del material del embalaje, en kJ/(kg K) 𝑚̇𝑒 ; masa del embalaje, en kg/h.

para

4.3.6 Cálculo de las necesidades renovación de aire

el por

El aire de las cámaras frigoríficas con temperatura de trabajo superior al punto de congelación, debe renovarse por aire fresco que dependerá del producto almacenado. La expresión utilizada para su cálculo es: 𝑄̇𝑟𝑒𝑛 = 𝑉 ∗ (Δℎ) ∗ 𝜌𝑚𝑒𝑑 ∗ 𝑛

(4.14)

Donde;

T e y T f ; temperatura de entrada y final del género, en ºC.

V ; es el volumen de la cámara o recinto frigorífico, en m3

En el caso de la conservación de frutas, este calor por embalaje puede asumirse un 10 %, en cámaras grandes, y hasta, un 20 %, en cámaras

(∆h); Diferencia de entalpía entre el aire exterior y el aire de la cámara, en kJ/kg

ρ med : Densidad media del aire entre las condiciones y exteriores, en kg/m3

50. Refrigeración y Aire Acondicionado n; número de renovaciones de aire por día. El número de renovaciones de aire por día (n/d) normalmente evaluados en cámaras negativas y cámaras por encima de 0ºC en función del volumen de las mismas se pueden obtener de tablas. Tabla 4.4 Renovación de aire diario por las aperturas de las puertas para condiciones normales de operación.

Volumen de la cámara (m3) 2.5 3.0 4.0 5.0 7.5 10.0 15.0 20 25 30 40 50 60 80 100

Renovación de aire diario n/d + 52 70 47 63 40 53 35 47 28 38 24 32 19 26 16.5 22 14.5 19.5 13 17.5 11.5 15.0 10 13 9 12 7.7 10 6.8 9

Donde:

la

cámara

𝐶𝑣𝑒𝑛 ; Calor desprendido ventiladores, en kJ/(m3 dia).

por

(4.17)

𝐶𝑢 ; coeficiente de utilización, que es la relación de potencia demandada sobre la potencia instalada. 𝐶𝑡 ; coeficiente de tolerancia,

(4.15)

o

𝑄̇𝑖𝑙𝑢𝑚 = 𝑃𝑖𝑛𝑠𝑡 ∙ 𝐶𝑢 ∙ 𝐶𝑡 ∙ 𝑁

𝑃𝑖𝑛𝑠𝑡 ;es la suma de todos las potencias de los focos.

En la práctica se opta por realizar una estimación función del volumen de la cámara. La expresión que se utiliza es.

V; volumen de frigorífico, en m3.

𝑞̇, calor por persona en kcal/h o en [W]. 𝑛; número de personas en la cámara. 𝑡; tiempo de permanencia en h/dia.

Toda energía eléctrica disipada directamente en el espacio refrigerado, como luces, calefactores, etc. Se convierte en calor y debe incluirse en la carga térmica.

Este cálculo pretende obtener el equivalente calorífico del trabajo realizado por los motores instalados en el evaporador y otros que eventualmente pudieran utilizarse.

Donde:

Donde:

4.3.9 Cálculo del calor liberador por la iluminación interior

4.3.7 Cálculo del calor desprendido por los ventiladores

𝑄̇𝑣𝑒𝑛 = 𝑉 ∙ 𝐶𝑣𝑒𝑛

4.3.8 Cálculo del calor liberado por las personas También las personas que entran en la cámara liberan calor a razón de: (4.16) 𝑄̇𝑝𝑒𝑟𝑠 = 𝑞̇ ∙ 𝑛 ∙ 𝑡

recinto los

N; es el Nº de horas de funcionamiento diario. Según norma el área a iluminar se considera 8 [W/m2] Para tubo fluorescente se puede usar el 𝐶𝑡 = 1,2 4.3.10 Calor total de refrigeración La carga Térmica total se obtienen sumando todas las cargas parciales enunciados. 𝑄̇𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 𝑄̇𝑡𝑟𝑎𝑛 + 𝑄̇𝑝𝑟𝑜𝑑 + 𝑄̇𝑟𝑒𝑠 + 𝑄̇ 𝑒𝑚𝑏 + 𝑄̇𝑟𝑒𝑛𝑣 + 𝑄̇𝑣𝑒𝑛 + 𝑄̇𝑝𝑒𝑟𝑠 + 𝑄̇𝑖𝑙𝑢𝑚 (4.18)

Esta carga total están referidas a un periodo de 24 horas, por lo que debemos fijar el número de horas de funcionamiento del compresor, en el caso de instalaciones comerciales es de 14 a16 hrs/día.

Refrigeración y Aire Acondicionado 51. 4.4 Tablas de interés para el cálculo del balance térmico

balance Térmico de una instalación frigorífica, tiene valores del calor específico de cada uno de los productos más conocidos en nuestro medio.

Las tablas que se presentan a continuación, son datos útiles para realizar el cálculo del

Tabla 4.5. Calor específico de alimentos y sus componentes. Calor específico

Alimentos

Agua %

Componentes sólidos %

Aceite Anguilas

Calor de antes de la después de la solidificación solidificación solidificación o de fusión en en Kcal/kg ºC en Kcal/kg ºC Kcal/kg 0,40

0,35

62

38

0,7

0,39

50

Apio

88 - 95

12 a 5

0,94

0,47

70 - 76

Aves

74

26

0,70 - 0,76

Azúcar

0,1

99,9

Bayas

84,88

16

0,91

0,4 - 0,5

67 - 70

Bulbos, flores

91

9

0,93

0,48

73

Carne de carnero magra

67

33

0,73

0,41

53

Carne de carnero grasa

50

50

0,6

0,35

40

39,46

61- 54

0,51

0,32

31 - 36,6

Carne de ternera

63

37

0,704

0,4

50

Carne vacuna grasa

51

49

0,608

0,355

41

Cebollas comestibles

80 - 89

20 -11

0,91

0,46

64 -71

Cereza

2

18

0,87

0,44

66

cerveza

89,91

Ciruelas

87

13

0,92

0,41

70

Col

91

9

0,93

0,48

73

60 - 65

40 - 35

0,78

0,45

52

Chocolate

1,6

98,4

0,76

Espárragos

94

6

0,93

0,47

75

Fresas

90

10

0,92

0,47

71,6

0,47 -0,50

0,35

0,92

0,46

Carne de cerdo grasa

Crema helada (helados)

0,9

Grasas Vegetales Grosella

90

0,3

10

Fuente: Garcia Vaquero. Tomado de W Pholman.(1979)

72

20 - 30

72

52. Refrigeración y Aire Acondicionado 4.5 CRITERIOS DE DISEÑO DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Para el diseño se requieren los siguientes datos: − − −

Carga de enfriamiento o llamada potencia frigorífica. Temperatura de la cámara frigorífica. Humedad relativa de la cámara frigorífica.

T ev ;Temperatura refrigerante.

de

evaporación

Para el cálculo de la temperatura y presión de condensación se adopta de acuerdo al refrigerante a utilizar, por ejemplo si el refrigerante es R-22 se tiene ∆𝑇 = 15℃, luego aplicamos la siguiente relación: ∆𝑇 = 𝑇𝐶 − 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒

(4.20)

4.4.1 Cálculo y diseño de una instalación de refrigeración comercial

Donde:

Para el cálculo de una instalación de refrigeración se estudia las características del producto a enfriar o almacenar, cuyos datos son: La capacidad de refrigeración, temperatura del interior de la cámara, humedad relativa, y el refrigerante a utilizar.

𝑇𝐶 ; Temperatura del condensador.

El cálculo de la temperatura de evaporación y presión de evaporación depende de la humedad relativa de la cámara frigorífica, y se usa la grafica siguiente:

del

∆𝑇 ; salto de temperatura

𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 ; Temperatura del aire

Con las presiones del evaporador y el condensador trazamos el diagrama presiónentalpía las líneas de evaporación y condensación, teniendo cuidado que exista subenfriamiento a la salida del condensador, recomendable en 10 ºC, también se recomienda un sobrecalentamiento a la salida del evaporador, esto para que no ingrese gotitas de líquido refrigerante al compresor, debido a que un líquido es considerado como un fluido incompresible. A continuación en la figura 4.4 se ve el ciclo frigorífico del sistema.

Figura 4.3 Diagrama humedad relativa- salto de temperatura

El salto térmico es la siguiente expresión:

Donde:

∆𝑇 = 𝑇𝑖 − 𝑇𝑒𝑣

∆𝑇 ; salto de temperatura

(4.19)

T i ; Temperatura interior de la cámara.

Figura 4.4 Diagrama del ciclo de refrigeración.

Refrigeración y Aire Acondicionado 53. La solución del ciclo se realiza en la ciencia de la termodinámica, donde se deben calcular los siguientes parámetros. -

-

Capacidad de refrigeración Flujo másico de refrigerante. Volumen real aspirado. Flujo volumétrico teórico barrido por el pistón. Rendimiento volumétrico. Potencia del compresor. Potencia del motor eléctrico

Coeficiente de operación (COP). Potencia del condensador

4.6 SELECCIÓN DE ACCESORIOS A PARTIR DE CATÁLOGOS DEL FABRICANTE A partir de catálogos de constructores de filtros deshidratadores, válvulas termostáticas, visor, intercambiador de calor, separador de líquido, etc. Se selecciona cada uno de los accesorios de manera simple y rápida.

4.7 EJEMPLO DE CÁLCULO La propuesta es realizar un proyecto del cálculo y dimensionado de un sistema de refrigeración para la conservación de productos lácteos (principalmente la Leche), que tenga una capacidad de 4000 litros, ubicada en la ciudad de Oruro - Bolivia. Aplicando todos los conocimientos adquiridos en el curso de capacitación de refrigeración comercial. Condiciones para conservar la calidad de la leche en la granja: • • • • •

Aportación de leche no contaminada. Refrigerador de leche conforme con las normas en vigor. Refrigeración rápida a 4°C. No formación de hielo en la leche. Eficacia del lavado.

A) UBICACIÓN DEL PROYECTO La cámara frigorífica de productos lácteos y sus derivados será para el mercado de la ciudad de Oruro. Producto:

Lácteos

Capacidad requerida:

4000 Lt.

Ubicación:

Oruro capital de departamento

B) CONDICIONES DEL PROYECTO Oruro se encuentra a una altura de 3706 m.s.n.m. Temperaturas máximas por mes en ºC en la ciudad de Oruro. Mes

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agosto

Sept.

Octu.

Novi.

Dic.

Temp.ºC

23,5

22,0

19,6

19,4

19,4

18,0

21,0

18,6

21,0

22,5

23,4

23,8

Humedad relativa media por mes, según capital de departamento en % mes humedad

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agosto

Sept.

Oct.

Nov.

Dic.

58

69

73

63

46

40

46

46

50

54

40

50

54. Refrigeración y Aire Acondicionado

C) OBJETIVO GENERAL Cálculo y dimensionado de un sistema de refrigeración para la conservación de productos lácteos que opere en la ciudad de Oruro-Bolivia.

D) OBJETIVOS ESPECÍFICOS Los objetivos específicos que se persigue son: -

Realizar el cálculo de la carga de enfriamiento.

-

Definir el Refrigerante a utilizar en el Sistema de Refrigeración.

-

Dimensionar la cámara frigorífica.

-

Seleccionar los elementos componentes del Sistema de Refrigeración

E) JUSTIFICACION DEL PROYECTO Un hecho que no puede dejarse de lado es la realidad que vive nuestra región, en cuanto a la conservación de productos lácteos, tiene una importancia vital para la alimentación de las personas. La descomposición de las bacterias da a ofrecer productos de mala calidad para su comercialización. Por eso la importancia de ofrecer a los consumidores alimentos y productos lácteos de mejor calidad, es el propósito para el desarrollo del presente proyecto.

F) DATOS DEL PROYECTO Cálculo de la temperatura base del proyecto. La temperatura de se debe tomar de los tres meses más críticos. Noviembre ................ 23.4 ºC Diciembre ................ 23.8 ºC Enero ..................... 23.5 ºC

𝑇𝑚 =

23.4 + 23.8 + 23.5 3

𝑇𝑚 = 23.57 ℃

Usando la expresión para el cálculo de la temperatura base del proyecto.

𝑇𝐸𝐵 = 0.6 ∙ 𝑇𝑚𝑎𝑥 + 0.4 ∙ 𝑇𝑚

𝑇𝐸𝐵 = 0.6 ∙ (23.8) + 0.4 ∙ (23.57) Datos de humedad relativa exterior.

𝑇𝐸𝐵 = 23.708 ℃ Enero

58%

Febrero 69 % Marzo 73 % Asumimos un promedio H.R.= 67 %

Refrigeración y Aire Acondicionado 55.

Cálculo del cubicaje Si cada caja tiene capacidad de 20 litros Peso de la caja de plástico P=0,5 kg El volumen de la caja será.

𝑎 = 0.33 ∙ 𝑚

𝑐 = 0.27 ∙ 𝑚

𝑏 = 0.4 ∙ 𝑚

𝑉𝑐𝑎𝑗𝑎 = 𝑎 × 𝑏 × 𝑐

𝑉𝑐𝑎𝑗𝑎 = 0.03564 ∙ 𝑚3

La capacidad requerida es de 400 litros de leche. El número de cajas será:

𝑛=

El volumen que ocupa las 200 cajas es:

4000 ∙ 𝐿 20 ∙ 𝐿

𝑛 = 200 𝑐𝑎𝑗𝑎𝑠 𝑉𝑜 = 𝑉𝑐𝑎𝑗𝑎 ∗ 𝑛

Cálculo del área de estocamiento

𝑉𝑜 = 7.128 ∙ 𝑚3

Consideramos una cámara de mediana capacidad, con una altura de 2,5 metros. 𝐴 = 2.05 ∙ 𝑚

𝐵 = 3.3 ∙ 𝑚

ℎ = 2.5 ∙ 𝑚

56. Refrigeración y Aire Acondicionado El volumen de la cámara es.

𝑉𝑐 = 𝐴 ∗ 𝐵 ∗ ℎ → 𝑉𝑐 = 16.91 ∙ 𝑚3

G) CALCULO DE LA CARGA DE ENFRIAMIENTO

a) Transmisión a través de paredes, techo, suelo, puertas. Tomando la hipótesis de flujo permanente, el siguiente paso consiste en hallar el coeficiente total de transmisión de calor U, que puede calcularse por:

1 1 𝑥1 𝑥2 𝑥3 1 = + + + + 𝑈 𝑓𝑒 𝑘1 𝑘2 𝑘3 𝑓𝑖

Donde:

𝑈 = Coeficiente total de transmisión de calor [kCal/h m2 ºC]

𝑓𝑒 = Coeficiente pelicular sobre la cara exterior de la pared [KCal/ h m2 ºC] 𝑓𝑖 = coeficiente pelicular de la cara interna de la pared [kCal/ h m2 ºC]

𝑥 = espesor del material en [m]

𝑘 = conductividad del material [kCal/ h m ºC]

Asumimos datos según normas ASHRAE 𝑥1 = 0.00079375 ∙ 𝑚 , es el espesor del acero inoxidable.

𝑥3 = 0.00079375 ∙ 𝑚 , es el espesor de la lámina de aluminio

𝑘1 = 13.8

𝑘2 = 0.02

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚∙ℎ℃

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚∙ℎ℃

𝑘3 = 180.3

, conductividad del acero inoxidable , conductividad del poliuretano

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚∙ℎ℃

, conductividad del aluminio

Para el cálculo del espesor 𝑥2 de aislante se realiza el siguiente cálculo. Para material poliuretano

1

Donde ∆𝑇, tiene que expresarse en ºF.

𝑥2 = ∆𝑇 [cm] 5

𝑥2 = 0.07095 ∙ 𝑚

Los coeficientes peliculares del aire para superficies muy lisas se calculan por:

La velocidad del viento en Oruro es 𝑣 = 13

𝑓𝑒 = 6.8 + 0.85 ∗ 𝑣

𝑘𝑚 ℎ

Refrigeración y Aire Acondicionado 57. 𝑓𝑒 = 17.85

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚 ∙ ℎ℃

Mismo análisis para el coeficiente pelicular de la superficie interior 𝑓𝑖 = 6.8 + 0.85 ∗ 𝑣𝑖

Considerando de 3 a 6 m/s la velocidad interior, asumiendo 4 m/s 𝑣 = 14,4 𝑓𝑖 = 6.8 + 0.85 ∗ 14.4 𝑓𝑒 = 19.04

El coeficiente total de transferencia de calor es:

𝑈 = 0.277

Por tanto el calor que atraviesa las paredes son.

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚 ∙ ℎ℃

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚2 ∙ ℎ℃

𝑄̇1 = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑇

𝑄̇1 = 0.277 ∗ 8.25 ∗ (23.708 − 4) 𝑄̇1 = 45.038

La pared del fondo es.

𝑄̇1 = 𝑄̇2

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

𝑄̇3 = 𝑈 ∗ 𝐴3 ∗ ∆𝑇

𝑄̇3 = 0.277 ∗ 5.125(23.708 − 4) 𝑄̇3 = 27.978

𝑄̇3 = 𝑄̇4

Transmisión de calor por el techo.

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

𝑄̇𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜 = 𝑈 ∗ 𝐴𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜 ∗ ∆𝑇

Considerando fuera de la influencia solar.

𝑄̇𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜 = 0.277 ∗ 6.765(23.708 − 4)

Transmisión de calor por el suelo.

𝑄̇𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜 = 36.931

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

𝑘𝑚 ℎ

58. Refrigeración y Aire Acondicionado 𝑇𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 =

𝑇𝐸𝐵 + 15 2

𝑇𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 = 19.35℃

𝑄̇𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 = 𝑈 ∗ 𝐴𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 ∗ ∆𝑇

Donde: 𝐴 = 6.765 ∗ 𝑚2

∆T = 19,35 - 4 = 15,35 ºC 𝑄̇𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 = 28.764

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

El flujo de calor por transmisión a través de paredes, techo, suelo, es:

𝑄̇𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 = 𝑄̇1 + 𝑄̇2 + 𝑄̇3 + 𝑄̇4 + 𝑄̇𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜 + 𝑄̇𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 = 211.727

b) CARGA DEBIDA AL PRODUCTO

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

La carga debida al producto, es la cantidad que hay que extraerle al producto para bajar su temperatura del recinto refrigerado. Esta carga puede deberse a:   

Colocar un producto a una mayor temperatura mayor que la del recinto. Un proceso de congelación (que implica carga latente) Calor de transpiración de algunos productos alimenticios.

La carga total del producto será la suma de los diversos tipos de carga que existan para el caso particular. Para el proyecto el producto es lácteos principalmente la leche, para una cantidad de 4000 litros.

𝑄̇𝑝𝑟𝑜𝑑 = 𝑚̇𝑙𝑒𝑐ℎ𝑒 ∗ 𝑐𝑝 ∗ ∆𝑇

Donde: m leche =4000 kg, si aproximadamente la densidad de la leche es 1kg/L c p = 0.94 [kcal/kg ºC] calor específico de la leche. ΔT= 19,71 ºC 𝑡 = 24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠, el tiempo que tarda en enfriarse la leche.

c) CARGA POR EMBALAJE

𝑄̇𝑝𝑟𝑜𝑑 = 3087.9

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

Existen para cada producto condiciones óptimas de material utilizado para trasladar, conservar mejor sus cualidades y condiciones de almacenamiento recomendadas para diversos productos alimenticios. En Tablas se indican datos sobre diversos tipos de recipientes para el almacenamiento.

𝑄̇𝑒𝑚𝑏 = 𝑚̇𝑒𝑚𝑏 ∗ 𝑐𝑝 ∗ ∆𝑇

Refrigeración y Aire Acondicionado 59. Donde: 𝑚𝑐𝑎𝑗𝑎 = 0.5

𝑘𝑔

𝑐𝑎𝑗𝑎

200cajas = 100 ∗ kg masa de embalaje.

C p = 0.4 [kcal/kg ºC] calor específico del material de embalaje. ΔT= 19,71 ºC diferencia de temperaturas externa e interna. 𝑡 = 24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

𝑄̇𝑒𝑚𝑏 = 32.85

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

Para las bolsas de plástico no es necesario el cálculo debido al embalaje, porque la cantidad estimada del material utilizado en el embalaje del producto no llega al 10 % del peso bruto que entra en la cámara.

d) CARGA DE ILUMINACIÓN Toda energía eléctrica disipada directamente en el espacio refrigerado, como luces, calefactores, etc. Se convierte en calor y debe incluirse en la carga térmica.

Qilum = Pinst ⋅ Cu ⋅ Ct ⋅ 0.860 ⋅

kcal hW

Según norma, el área a iluminar se considera 8 [W/m2] por tanto, nuestra cámara tiene 6,765 m2 de área.

W  8  2  × 6,765 m 2 = 54,12 [W ] m  Número de lámparas fluorescentes que se requieren es 3 de 20 [W] cada una. Luego:

P inst = 3*20 =60 [W] C u =1

coeficiente de utilización

C t = 1,2 coeficiente de tolerancia. 𝑄𝑖𝑙𝑢𝑚 = 60 ∗ 1 ∗ 1,2 ∗ 0,860 𝑄𝑖𝑙𝑢𝑚 = 61,92

e) CARGA POR MOTORES ELECTRICOS

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

El primer principio de la termodinámica señala que la energía no puede destruirse, sino sólo transformarse, cualquier energía eléctrica transmitida a motores ubicados en el interior de un

60. Refrigeración y Aire Acondicionado espacio refrigerado sufrirá una transformación. Cualquier pérdida del motor motivada por fricción o ineficiencia se traducirá inmediatamente en energía calorífica.

Qmotor = N ⋅ 860

kcal h ⋅ KW

Donde: N ; Potencia de los motores en [kW] Según manual de COPELAND el calor disipado por los motores eléctricos es: Para 1/8 [Hp] da un calor de 4250 [BTU/HP h] cuando el motor y ventilador están dentro de la cámara.

Qmotor = 133,87

kcal h

f) CARGA POR OCUPANTES El cuerpo humano disipa constantemente calor y humedad. La cantidad de calor depende del tipo de actividad, temperatura, tiempo de permanencia dentro del cuarto refrigerado, etc. Existe tablas que nos indica el calor promedio debida a las personas que se encuentran dentro del espacio refrigerado aclarando que para permanencias de corta duración la ganancia de calor será algo superior. TABLA 1.- CALOR DISCIPADO POR LAS PERSONAS DENTRO DEL ESPACIO REFRIGERADO. Temperatura del

Calor disipado/persona

Refrigerador en ºF

BTU/ hora

50

720

40

840

30

950

20

1.050

10

1.200

0

1.300

-10

1.400

Fuente: Tomado del manual de fundamentos ASHRAE, 1967 Para 2 ocupantes según el manual de COPELAND, asumimos 840 [BTUl/h]

840

BTU kcal = 211,69 h h

𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 = 𝑛 ∗ 𝑞

𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 = 2 𝑝𝑒𝑟𝑠 ∗ 211,69

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ∙𝑝𝑒𝑟𝑠

𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 = 424,38

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

Refrigeración y Aire Acondicionado 61. g) INFILTRACIÓN DE AIRE Toda cantidad de aire que penetra en el espacio refrigerado debe reducir su temperatura de almacenamiento, aumentando de este modo la carga de refrigeración. Además en caso de que el contenido de humedad del aire que va entrando, sea superior que el existente en el espacio refrigerado, el exceso de humedad se condensará y el calor latente de la condensación se sumará a la carga de refrigeración. La entrada y salida de personas a las cámaras de refrigeración, normalmente varía con su tamaño o volumen. Por consiguiente, el número de veces que las puertas se abren dependerá del volumen y no del número de puertas. Para el cálculo se utiliza la siguiente relación.

𝑄𝑖𝑛𝑓 = �

𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑒𝑙𝑖𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟 𝑁𝑜 𝑟𝑒𝑛𝑜𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 � 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 � � � 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑒𝑛𝑒𝑡𝑟𝑎� 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛 24 ℎ𝑟𝑠. 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑝𝑖𝑒𝑠 3 𝑎 𝑙𝑎 𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎

La tabla 8 del manual de COPELAND a la apertura de puertas e infiltración.

indica el promedio de cambios de aire en 24 horas debido

El volumen interior de la cámara es: 𝑉𝑖𝑛𝑡 = 2,05 × 3,3 × 2,5 = 16,92 𝑚2 𝑉𝑖𝑛𝑡 = 16,92 𝑚2 = 597,17[𝑝𝑖𝑒𝑠 3 ]

3 Elegimos según criterio de redondeo el valor de 600 [pies ]

Temperatura del aire exterior es 23,71 ºC convertido 74,678 ºF Temperatura de la cámara de almacenamiento 4 ºC convertido 39,2 ºF De la siguiente Tabla asumimos 23 renovaciones. Cambios de aire en 24 horas Volumen [ft3]

Arriba de

Debajo de

32 ºF

32 ºF

200

44.0

33.5

300

34.5

26.2

400

29.5

22.5

500

26.0

20.0

600

23.0

18..0

800

20.0

15.3

Fuente: Del manual de fundamentos ASHRAE, 1981. De tabla 9 del manual de COPELAND con temperatura de almacenamiento 40 ºF y humedad relativa de 60 % se tiene:

62. Refrigeración y Aire Acondicionado Calor a eliminar= 1.55 Por la fórmula de carga por infiltraciones.

𝑄𝑖𝑛𝑓 = (23)(597,17 𝑝𝑖𝑒𝑠 3 )(1,55) = 21289,11 𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

𝑄𝑖𝑛𝑓 = 223,53

𝐵𝑇𝑈 𝑑𝑖𝑎

TABLA 9.- CALOR REMOVIDO EN AIRE DE ENFRIAMIENTO A LAS CONDICIONES DE CÁMARAS DE ALMACENAMIENTO Temperatura de la cámara De almacenamiento ºF

Temperatura del aire exterior en ºF 85 50

65 60 55 50 45 40 35 30

90 60

50

95 60

50

100 60

50

0.45 0.66 0.85 1.03 1.19 1.35 1.50 1.64

H) CALCULO DE LA CARGA TÉRMICA TOTAL

Es la suma de todas las cargas parciales. Recomendamos para simplificar el cálculo de las cargas térmicas utilizar un software para auxiliar este trabajo. Tabla 2.- Resumen de las cargas Térmicas

Carga térmica Transmisión paredes,

Q = [kcal/h] 211,73

techo y suelo Producto

3.087,90

Embalaje

32,85

Iluminación

61,92

Motores

133,87

Ocupantes

424,38

Infiltraciones

223,53

60

Refrigeración y Aire Acondicionado 63. TOTAL

4.176,18

Tomando el criterio de margen de seguridad el 10 % de la carga obtenida, la carga total es: CARGA TERMICA TOTAL= 4176,18 + 417,62 = 4593,8 [kcal/h] H) SELECCIÓN DE EQUIPOS 1. POTENCIA FRIGORIFICA Una vez determinada la carga total de refrigeración, junto con la temperatura de evaporación requerida, puede seleccionarse inteligentemente los componentes del sistema de refrigeración. 𝐶𝑅 = 4593,8

𝑘𝑐𝑎𝑙 = 1,52 𝑇𝑛𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔 ℎ

La potencia frigorífica es 1,52 [Ton] de refrigeración. 2. ELECCIÓN DEL REFRIGERANTE

En general un Refrigerante es cualquier cuerpo o sustancia que actúa como agente de enfriamiento absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia. Con respecto al ciclo de compresión el refrigerante es un fluido de trabajo el cual alternativamente se vaporiza y condensa absorbiendo y cediendo calor respectivamente. Para elegir un refrigerante se debe considerar las siguientes propiedades: a) Propiedades termodinámicas −

Presiones de evaporación y condensación, temperaturas de congelación, coeficientes de funcionamiento, de fugas, ect.

b) Propiedades de seguridad −

Toxicidad, inflamabilidad detección

c) Propiedades físicas y químicas −

Conductividad térmica, miscibilidad, estanqueidad química, comportamiento en presencia del agua, acción sobre los metales y los plásticos.

d) Factor económico −

Costos y disponibilidad.

El refrigerante a utilizar en el proyecto es R-22 por ser el más comercializado en nuestro medio y recomendado para cámaras frigoríficas que almacenan alimentos. 3. SELECCIÓN DE LA UNIDAD CONDENSADORA Las unidades condensadores FLEXCOLD mantienen un óptimo desempeño en sus funciones básicas, con temperatura de evaporación 0 ºC, temperatura interna de 4 ºC y temperatura externa 23,71 ºC.

64. Refrigeración y Aire Acondicionado La potencia frigorífica de catálogos se calcula tomando en cuenta un factor de corrección, que supone un salto térmico. La potencia frigorífica será:

𝑄𝑓𝑟𝑖𝑔

𝑘𝑐𝑎𝑙 4593,8 ℎ 𝑘𝑐𝑎𝑙 = = 5104,2 0.90 ℎ

Con el dato de la potencia frigorífica 5104,2 [ kcal/h], y aproximando el valor superior se elige del catálogo el modelo de la unidad condensadora. Para este ejemplo se tiene el más próximo 5220 [kcal/h]. DATOS DE CAPACIDAD TEMPERATURA DE EVAPORACIÓN

TEMPERATURA MODELO EXTERNA

-17.5

5 ºC

0 ºC

-5 ºC

-10 ºC

-15 ºC

Q

6220

5220

4240

3320

2530

2190

P

2,18

1,96

1,78

1,64

1,15

1,44

Q

5920

4970

4040

3180

2410

2090

P

2,18

2,00

1,82

1,66

1,51

1,45

Q

6950

5840

4740

3710

2830

2440

P

2,58

2,32

2,10

1,94

1,77

1,70

Q

6620

5560

4510

3530

2700

2320

P

2,62

2,36

2,15

1,97

1,79

1,72

ºC

32 ºC FLEX225H2 35 ºC

32 ºc FLES250H2 35 ºC

Fuente: FLEXCOLD de Heatcraft do Brasil LTDA. Donde:

Q; Potencia frigorífica [Kcal/h] P; Potencia consumida [kW]

ESPECIFICACIONES TECNICAS Unidades Condensadoras Modelos R22/HP81 Dimensiones

Datos Mecánicos

externas

Conexiones

Ventiladores Niv Recipi -

Modelo

Lar

Anc

Altur

go

ho

a

Succió Liquid o

(m

(m

(mm

m)

m)

)

Flare Pol.

A

B

C

n SWT (Ext) Pol.

ente

Pes

Pes

o

o

Net

el Fuga

Brut

Diámet

de

o

o

ro

Liquid

(kg)

(kg)

(mm)

o 90%

Can t.

de

De

ruid

Aire

o

(m3/

A5

h)

m

Refrigeración y Aire Acondicionado 65. lleno (kg) FLEX225H2

750

500

548

3/8

5/8

3.5

52

66

457

1

3300

68

Fuente: FLEXCOLD de Heatcraft do Brasil LTDA.

DATOS ELECTRICOS COMPRESOR MODELO NUEVO

COMPRESOR

FLEX225H2B

VOLTS

FASES

HZ

RLA

LRA

220

1

50/60*

13,5

71

CR24KQ-PFV

Fuente: FLEXCOLD de Heatcraft do Brasil LTDA. Elección: De catálogos FLEXCOLD elegimos el que cumple con la potencia frigorífica de 5220 [kca/h] la Potencia consumida es 1,96 [kW] MODELO: FLEX225 H2,

Cargado de Refrigerante R-22 para este

modelo es 3,5 kg un solo ventilador y compresor CR24KQ – PFV con tensión de alimentación 220 [V] 50 hz.

4. SELECCIÓN DEL EVAPORADOR El evaporador FBA BOHN fue diseñado para ser un producto de alto desempeño con un dimensionado mas compacto que garantiza mejor aprovechamiento del espacio interno de las cámaras de almacenaje de productos enfriados y congelados. De catálogos con T= 5 ºC Modelos FBA – 4 Aletas por pulg. Temperatura evaporación 0 ºC se elige el evaporador Modelo : FBA 4210 D

capacidad 5280 x 0.87 = 4593,6 [kcal/h]

Cargado de Refrigerante para este modelo es 3,4 kg. DATOS DE CAPACIDAD MODELOS FBA’s (para 50 hz, multiplicar por 0,87) Datos de los

Capacidad en kcal/h – Dt = 6ºC

Modelo

ventiladores

Temperatura de evaporación

Fuga

Flujo Diam

10º c

5ºC

0ºC

5ºC

-

-

-

-

-

-

-

De

10º

15º

20º

25º

30º

35º

40º

Aire

C

C

C

C

C

C

C

(m3/h)

De Qt Aire (mm) (m)

66. Refrigeración y Aire Acondicionado Modelos FBA`s – 4 aletas por pulgada FBA4180D

5140

4890

4640

4350

4150

4060

3950

3830

3710

3570

3430

3,324

4

254

13

FBA4210D

5880

5580

5280

4970

4740

4630

4510

4370

4230

4080

3920

4.328

5

254

13

FBA4240D

6650

6320

5990

5560

5180

5060

4930

4780

4620

4460

4290

4.159

5

254

13

Elección: Se elige el modelo FBA 4210 D que tiene capacidad de 5580 kcal/h y tiene un salto térmico de 6 ºC, con 4 aletas por pulgada.

Refrigeración y Aire Acondicionado 67. CAPÍTULO 5 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN OBJETIVOS

• • • 5.1

Describir el sistema de absorción amoniaco agua. Describir las máquinas con sistemas bromuro de litio y agua. Realizar problemas de los sistemas de absorción. INTRODUCCIÓN

El sistema de refrigeración por absorción fue desarrollado por Sir John Leslie, quien utilizó el ácido sulfúrico como absorbente y el agua como refrigerante. Más tarde, en 1859, Ferdinand Carre inventa la primera máquina de absorción, la cual trabaja con el par amoníaco-agua. Los ciclos de absorción funcionan con un par de refrigerantes químicos. Son sistemas de dos componentes, donde una de las sustancias es disuelta en la otra y el enfriamiento se produce secando una de las dos sustancias de la solución por medio de la aplicación de calor y luego reabsorbiéndola hacia la solución. Esta forma de producir frio, tiene un atractivo económico cuando se tiene una fuente de energía térmica barata a una temperatura de 100 a 200 ºC. Como su nombre lo indica, los sistemas de refrigeración por absorción implican la absorción de un refrigerante por un medio de transporte. El sistema de refrigeración por absorción más utilizado es el sistema amoniacoagua, donde el amoniaco (NH 3 ) sirve como el refrigerante y el agua (H 2 O) es el medio de transporte. Otros sistemas de refrigeración por absorción son los de agua - bromuro de litio y el de agua – cloruro de litio, en los que el agua sirve como refrigerante. Los últimos dos sistemas están limitados a aplicaciones como el acondicionamiento de aire, en las que la temperatura mínima queda por arriba del punto de congelación del agua. En los ciclos Agua- Bromuro de Litio el refrigerante que se utiliza R- 718 (agua destilada), ya el absorbente es una solución de Bromuro de Litio.

En los ciclos Amoniaco- agua se utiliza R-717 (Amoniaco) como refrigerante y agua destilada como absorbente. Las tres sustancias tienen un comportamiento muy favorable con el medio ambiente, se deben precisar precauciones especiales para la manipulación y mantenimiento de los equipos que trabajan con amoniaco, dada la peligrosidad de esta sustancia para el ser humano. 5.2 SISTEMA AMONIACO-AGUA

DE

ABSORCIÓN

La máquina de refrigeración de amoniaco-agua fue patentada por el francés Ferdinand Carre en 1859, en este sistema de refrigeración por absorción sustituye al compresor por un mecanismo de absorción compuesto por un absorbedor, una bomba, un generador, un regenerador, una válvula y un rectificador.

Figura 5.1 Sistema de refrigeración por absorción.

68. Refrigeración y Aire Acondicionado El vapor amoniaco sale del evaporador y entra al absorbedor, donde se disuelve y tiene una reacción química con el agua para formar NH 3 + H 2 O. Ésta es una reacción exotérmica; por ello el calor se libera durante este proceso. La cantidad de amoniaco que puede disolverse en H 2 O es inversamente proporcional a la temperatura. Por consiguiente es necesario enfriar el absorbedor para mantener su temperatura lo más baja posible, y por ende, para maximizar la cantidad de NH 3 disuelto en el agua. La solución líquida NH 3 + H 2 O, que es rica en NH 3 , se bombea luego al generador. El calor se transfiere a la solución de una fuente para evaporar algo de la solución. El vapor que rico en NH 3 pasa por un rectificador, que separa el agua y la regresa al generador. El vapor de NH 3 puro de alta presión continúa luego su trayecto por el resto del ciclo. La solución caliente NH 3 + H 2 O, pobre en NH 3 , pasa después por un regenerador, donde transfiere algo de calor a la solución enriquecida que sale de la bomba, y se estrangula hasta la presión del absorbedor. Comparados con los sistemas por compresión de vapor, los sistemas de refrigeración por absorción presentan una ventaja importante, se comprime un líquido en vez de un vapor. El trabajo del flujo permanente es proporcional al volumen específico, es la razón por lo que es trabajo de entrada se ignora en el análisis del ciclo. Los sistemas de refrigeración por absorción son mucho más costosos que los sistemas de refrigeración por compresión de vapor. Son más complejos y ocupan más espacio, son mucho menos eficientes, por lo tanto requieren torres de enfriamiento mucho más grandes para liberar el calor residual y son más difíciles de mantener dado que son poco comunes. Los sistemas de refrigeración por absorción se utilizan principalmente en grandes instalaciones comerciales e industriales. El COP de sistemas de refrigeración por absorción se define como: 𝐶𝑂𝑃𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 =

𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑎

𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎

(5.1)

𝐶𝑂𝑃𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑄̇

𝑄̇𝐿

𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 +𝑊̇𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎

(5.2)

Donde: 𝑄𝐿 ; es la capacidad de producción de enfriamiento. 𝑄𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 ; es la energía transferida desde la fuente de calor.

𝑊̇𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 ; es la potencia de la bomba. A continuación presentamos una tabla de refrigerantes y absorbentes que usan estos sistemas.

Refrigeración y Aire Acondicionado 69. Tabla 5.1 Refrigerantes y absorbentes que usan los sistemas de refrigeración por absorción. REFRIGERANTES Y ABSORBENTES

Estabilidad química Toxicidad Disponibilidad Efectos contaminantes ODP GWP TEWI Calor latente vaporización Coste

R-717 Amoniaco Media Alta Alta Bajos 0 0 Bajo 1,25 MJ/kg Medio

5.3 MÁQUINAS DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN SOLARES 9 El Área de Energías Renovables del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial ofrece knowhow en la tecnología de refrigeración por absorción. La principal aplicación del know-how en máquinas de refrigeración por absorción asistidas por energía solar está en usos industriales o residenciales de este tipo de máquinas de refrigeración. Las principales ventajas que ofrecen estas máquinas son alto rendimiento a baja carga (se pierde poco rendimiento a carga parcial), menor necesidad de potencia eléctrica, bajo mantenimiento y fiabilidad.

Figura 5.2. Refrigeración por absorción solar. Las principales ventajas que ofrece son: 9

Subdirección de Investigación y programas (Madrid-España)

R-718 Agua Alta Nula Alta Nulos 0 0 Nulo 2,5 MJ/kg Bajo

-

BrLi Sal Diluida Alta Baja Alta Nulos 0 0 Bajo N/A Medio

Puede usar energía solar térmica como fuente calorífica. Protección del medio ambiente (uso de refrigerantes inocuos). Aprovechamiento del espacio (mismo equipo para frío y calor). Alto rendimiento a baja carga (se pierde poco rendimiento a carga parcial). Menor necesidad de potencia eléctrica. Bajo Mantenimiento. Fiabilidad.

5.4 SISTEMA DE ABSORCIÓN BROMURO DE LITIO Y AGUA En los sistemas de absorción Bromuro de litio – agua el refrigerante que se utiliza R -718 (agua destilada), y el absorbente es una solución de Bromuro de Litio. Como el refrigerante es agua su estado físico es líquido, por tanto la temperatura del evaporador debe estar por encima de 0 ºC, esto demuestra que se usa en aplicaciones de acondicionamiento de aire. Para determinar las propiedades de la solución del bromuro de litio se usa los diagramas representados por porcentaje de bromuro de litio versus entalpía, ver figura 5.4. Para las propiedades del vapor hay que usar las tablas del vapor de agua con presión y temperaturas existentes.

70. Refrigeración y Aire Acondicionado El ciclo de las unidades de refrigeración del tipo bromuro de litio-agua tienen similitud con el ciclo de los sistemas de amoniaco – agua. En el generador de añade calor para que se libere vapor de agua, luego pasa al condensador donde se realiza la licuación, continuando la caída de presión que se logra mediante una tobera, luego en la evaporación, la vaporización del agua reduce la temperatura del agua que permanece en estado líquido, a continuación el vapor de agua pasa al absorbedor y es absorbido por la solución de bromuro de litio, este abandona el absorbedor con una concentración baja de bromuro de litio.

La sustancia bromuro de litio su estado es sólido pero cuando absorbe agua en un 30% pasa al estado líquido. Las siguientes figuras muestran diagramas de propiedades termodinámicas para la solución bromuro de litio- agua.

Figura 5.3. Diagrama de p, x, T, de la solución bromuro de Litio –agua.

Refrigeración y Aire Acondicionado 71.

Figura 5.4. Diagrama de h, x,T de la solución bromuro de Litio –agua. 5.5 PROBLEMAS

Problema 5.1 Un sistema de refrigeración por Absorción tipo amoniaco – agua (NH 3 + H 2 O) como se muestra en la figura 1, funciona con un flujo de calor al generador de 28400 [kJ/h]. Este generador opera a 90 ºC, un condensador a presión de 10 kg/cm2, presión de admisión en la bomba es de 2 kg/cm2, la temperatura en el absorbedor de 20 ºC, temperatura en el evaporador y de la purga del líquido de -10 ºC. Este sistema viene equipado con un intercambiador de calor entre el generador y el absorbedor de tal forma que la solución fuerte procedente del absorbedor es calentada a 69 ºC, para luego entrar al generador y el vapor que sale del generador pasa por un rectificador donde se enfría a 50 ºC. Calcular: a) La capacidad de refrigeración del sistema, en toneladas de refrigeración y el coeficiente de funcionamiento.

72. Refrigeración y Aire Acondicionado

DATOS: T gener =90[ºC] T evap =-10[ºC] P cond =10[kg/cm²] P adm =2 [kg/cm²]

SOLUCIÓN: Cálculo de las propiedades Termodinámicas en los diferentes puntos de estado: Punto 1 P 1 = 2 [kg/cm²] T 1 = 20[ºC]

x’ 1 =0.44 [kg NH3 /kg mezcla ] h L =- 40 [kcal/kg]

Punto 2

Punto3

P 2 = 9 [kg/cm²

x’ 2 =0.44 [kg NH3 /kg mezcla ]

T 2 = 69[ºC]

h L =17.2[kcal/kg]

Refrigeración y Aire acondicionado 73. P 3 = 10 [kg/cm²]

x” 3 =0.952 [kg NH3 /kg mezcla ]

T 3 = 90[ºC]

h 3 =360 [kcal/kg]

P 4 = 10 [kg/cm²]

x’ 4 =0.60 [kg NH3 /kg mezcla ]

T 4 = 50[ºC]

h 4 =-1.5 [kcal/kg]

P 5 = 10 [kg/cm²]

x’ 5 =0.36 [kg NH3 /kg mezcla ]

T 5 = 90[ºC]

h 5 =44.5 [kcal/kg]

P 6 = 2.4 [kg/cm²]

x’ 6 =x’ 5 =0.36 [kg NH3 /kg mezcla ]

T 6 = 90-49=41[ºC]

h 6 =- 14.7 [kcal/kg]

P 7 = 10 [kg/cm²]

x’’ 7 =0.9967 [kg NH3 /kg mezcla ]

T 7 = 50 [ºC]

h 7 =324.81 [kcal/kg]

P 8 = 10 [kg/cm²]

x’ 8 =0.9967 [kg NH3 /kg mezcla ]

T 8 = 25[ºC]

h 8 =27 [kcal/kg]

Punto 4

Punto 5

Punto 6

Punto 7

Punto 8

Punto 9 h 9 = h 8 = 27[kcal/kg] T 9 = -10[ºC] Punto 10 P 10 = 2 [kg/cm²]

x 10 = 0.9967 [kg NH3 /kg mezcla ]

T 10 = -10[ºC]

h L10 =-58 [kcal/kg] entalpia en líquido h V10 =303 [kcal/kg] entalpía en vapor

Para determinar h 10 se realiza el balance de amoniaco asumiendo que 1[kg] total de líquido de purga sale del evaporador. x’ 10 = 0.7 [kg NH3 /kg mezcla ] h L10 = -58[kcal/kg] y para el vapor: x’’ 10 = 0.999 [kg NH3 /kg mezcla ] h v10 = 303[kcal/kg]

74. Refrigeración y Aire Acondicionado Aplicando la ecuación según Stoecker (pag. 184)

Donde:

(1)

1𝑘𝑔 ∗ 𝑥10 = 𝑤𝑝𝑙 ∗ 𝑥′10 + �1 − 𝑤𝑝𝑙 � ∗ 𝑥′′10

w pl : es el peso en liquido de purga 𝑤𝑝𝑙 =

𝑥 − 𝑥′′10 0.9967 − 0.999 = = 0.00769[𝑘𝑔] 0.7 − 0.999 𝑥′10 − 𝑥′′10

Luego la entalpia en el punto 10 es: (2)

ℎ10 = 𝑤𝑝𝑙 ∗ ℎ𝐿10 + �1 − 𝑤𝑝𝑙 � ∗ ℎ𝑉10 ℎ10 = 300.22 �

Determinación de los flujos de masa en cada punto.

Análisis del rectificador.

𝑘𝑐𝑎𝑙 � 𝑘𝑔

𝑚̊ 7 = 𝑚̊ 8 = 𝑚̊ 9

𝑚̊ 3 ∗ 𝑥3 = 𝑚̊ 4 ∗ 𝑥4 + 𝑚̊ 7 ∗ 𝑥7 Análisis del generador.

𝑚̊ 3 = 𝑚̊ 4 + 𝑚̊ 7

Balance de energía en el generador:

(3)

(4) (5)

Refrigeración y Aire acondicionado 75. (6)

𝑄𝑔𝑒𝑛 + 𝑚̊ ∗ ℎ2 + 𝑚̊ 4 ∗ ℎ4 = 𝑚̊ 3 ∗ ℎ3 + 𝑚̊ 5 ∗ ℎ5 2

Balance de masas en el generador:

(7)

𝑚̊ 2 ∗ 𝑥2 + 𝑚̊ 4 ∗ 𝑥4 = 𝑚̊ 3 ∗ 𝑥3 + 𝑚̊ 5 ∗ 𝑥5

(8)

𝑚̊ 2 + 𝑚̊ 4 = 𝑚̊ 3 + 𝑚̊ 5

Análisis del Absorbedor.

Balance de masa en el absorbedor. (9)

𝑚̊ 10 ∗ 𝑥10 + 𝑚̊ 6 ∗ 𝑥6 = 𝑚̊ 1 ∗ 𝑥1

(10)

𝑚̊ 10 + 𝑚̊ 6 = 𝑚̊ 1

Se tiene las siguientes igualdades. 𝑚̊ 1 = 𝑚̊ 2

𝑚̊ 5 = 𝑚̊ 6 Resolviendo el sistema lineal de ecuaciones. Ecuación (5) en (4). 𝑚̊ 4 = 𝑚̊ 7

Ecuación (5) en (8)

Ecuación (12) en (7)

(𝑥7 − 𝑥3 ) (𝑥3 − 𝑥4 )

𝑚̊ 4 = 0.127 ∗ 𝑚̊ 7 𝑚̊ 2 = 𝑚̊ 7 + 𝑚̊ 5

(11)

(12)

(𝑚̊ 7 + 𝑚̊ 5 ) ∗ 𝑥2 + 𝑚̊ 4 ∗ 𝑥4 = (𝑚̊ 4 + 𝑚̊ 7 ) ∗ 𝑥3 + 𝑚̊ 5 ∗ 𝑥5

𝑚̊ 7 ∗ 𝑥2 + 𝑚̊ 5 ∗ 𝑥2 + 𝑚̊ 4 ∗ 𝑥4 = 𝑚̊ 4 ∗ 𝑥3 + 𝑚̊ 7 ∗ 𝑥3 + 𝑚̊ 5 ∗ 𝑥5

Factorizando y despejando m 5 se tiene:

𝑚̊ 5 ∗ (𝑥2 − 𝑥5 ) = 𝑚̊ 7 ∗ (𝑥3 − 𝑥2 ) − 𝑚̊ 4 ∗ (𝑥4 − 𝑥3 ) 𝑚̊ 5 ∗ (0.08) = 𝑚̊ 7 ∗ (0.512) − 0.127 ∙ 𝑚̊ 7 ∗ (−0.352)

76. Refrigeración y Aire Acondicionado 𝑚̊ 5 ∗ (0.08) = 0.5567 ∙ 𝑚̊ 7

𝑚̊ 5 = 6.95879 ∙ 𝑚̊ 7

(13)

Ecuaciones (11) (12) y (13) en (6).

𝑄𝑔𝑒𝑛 + ( 𝑚̊ 7 + 𝑚̊5 ) ∗ ℎ2 + 0.127 ∙ 𝑚̊ 7 ∗ ℎ4 = (𝑚̊ 4 + 𝑚̊ 7 ) ∗ ℎ3 + 6.95879 ∙ 𝑚̊ 7 ∗ ℎ5

Despejando el flujo de masa m 7

𝑚̊ 7 =

𝑄𝑔𝑒𝑛 ℎ3 − ℎ2 + 6.95879 ∙ ℎ5 − 0.127 ∙ ℎ4 + 𝑚̊ 4 ∗ ℎ3 − 𝑚̊5 ∙ ℎ2 𝑚̊ 7 = 0.1953 �

Por la ecuación (3)

𝑚̊ 9 = 0.1953 �

a) La capacidad de refrigeración del sistema es.

𝑘𝑔 � 𝑚𝑖𝑛

𝑘𝑔 � 𝑚𝑖𝑛

𝐶. 𝑅. = 𝑚̊ 9 ∗ (ℎ10 − ℎ9 )

𝐶. 𝑅. = 0.1953

𝑘𝑔 𝑘𝑐𝑎𝑙 ∗ (300.22 − 27) 𝑚𝑖𝑛 𝑘𝑔

𝐶. 𝑅. = 53.359

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑖𝑛

𝐶. 𝑅. = 1.06 [𝑇𝑜𝑛 − 𝑟𝑒𝑓]

El coeficiente de funcionamiento del sistema de Absorción es:

Siendo: 𝑄𝑔𝑒𝑛 = 28400

𝑘𝐽 ℎ

= 113.0483

𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑖𝑛

𝑪𝑶𝑷 =

𝑪𝑶𝑷 =

𝐶. 𝑅. 𝑄̇𝑔𝑒𝑛

53.359 113.0483

𝑪𝑶𝑷 = 0.472 La figura A-6 se utilizó para la solución del problema.

Refrigeración y Aire acondicionado 77.

CAPITULO 6 ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Y CALEFACCIÓN OBJETIVOS •

Describir la naturaleza del aire atmosférico, para controlar con un sistema de aire acondicionado.

•

Realizar esquemas de la disposición de los principales componentes de una unidad de acondicionamiento de aire.

•

Describir las condiciones ambientales interiores que definen el confort humano adecuado para las personas.  Pureza del aire.

6.1 INTRODUCCIÓN

 Contenido en bacterias. En este capítulo explicaremos los conceptos generales básicos acerca del aire atmosférico, sus características y su composición, entendiendo por aire atmosférico el que hay en la parte baja de la atmósfera que nos rodea. El acondicionamiento de aire es la técnica que tiene por objeto mantener ciertas condiciones en el aire de una vivienda o local, con el fin de crear en los ocupantes una sensación de bienestar El proceso de acondicionamiento de aire consiste en el tratamiento del aire en todas sus características como ser:  Pureza del aire, exento de polvo y humos.  Grado de humedad en temperatura.

función de la

 Temperatura constante en el ambiente  Renovación frecuente y la limpieza del aire. El principio de climatización es muy sencillo, pues traslada el calor que tenemos en un espacio cerrado llevándolo hacia el exterior, proporcionando a los ocupantes las mejores condiciones de trabajo, comodidad y bienestar que son necesarias para la salud de las personas. Los factores que influyen en una instalación de climatización o acondicionamiento de aire son:  Temperatura  Humedad Relativa  Movimiento del aire.  Temperatura de las paredes, suelo y techo.

El cuerpo humano es una máquina térmica que transforma los alimentos y el oxígeno de la respiración en energía, éste es utilizado en todos los procesos vitales y actividades del metabolismo, finalmente esa energía se transforma en calor que cede al ambiente tanto en forma sensible como latente. La suma de las partes de calor transmitidas por radiación, conducción y convección se denomina calor sensible seco de cuerpo. La suma de las diferentes cantidades transmitidas por evaporación y respiración se denomina calor latente o húmedo del cuerpo humano. Los factores determinantes de las sensaciones humanas de calor o frío en el interior de un local son esencialmente los siguientes a) Temperatura del aire, entre 25º a 27 º C b) Temperatura media de las superficies que rodean el local, aproximadamente menor a 37 ºC. c) Humedad relativa de 50 % a 55% del ambiente. d) Velocidad del aire en la zona de permanencia de 5 m/min a 8 m/min, pudiendo admitir en verano hasta 12 m/min. Otro de los factores importantes que influyen en el grado de confort es una adecuada ventilación del local para mantener cierto tenor de pureza del aire, evitando olores y su estancamiento de aire.

78. Refrigeración y Aire Acondicionado La composición física y química del aire comprende un determinado número de elementos que entran en juego para lograr esa pureza. La disminución de la proporción de oxígeno, así como el aumento del anhídrido carbónico son causas importantes de estancamiento de aire. La eliminación de las partículas sólidas en suspensión o polvos otro de los factores determinantes, no sólo para el bienestar, sino para la salud de las personas.

6.2 ESTRUCTURA DE LA ATMOSFERA El aire que respiramos es un gran océano de gas que rodea el planeta, denominada aire atmosférico y que tiene una profundidad que varía algunos centenares de kilómetros. Fuera de esta capa atmosférica se halla el espacio exterior, llamado éter, donde existe un vacío perfecto. La estructura vertical de la atmósfera se divide en zonas de diferentes espesores (figura 6.1). La parte de la atmósfera que está en contacto con la superficie de la Tierra se llama troposfera y tiene un espesor máximo de 15 Km, aunque el polo es menor, unos 8 Km, y algo mayor en el ecuador, unos 18 Km. Esta parte de la atmósfera es la más importante desde el punto de vista climático, contiene la mayor parte del vapor de agua total contenido en toda la atmósfera. La temperatura disminuye hacia arriba un valor medio de 6,5 ºC por cada Km de elevación, alcanzándose temperaturas hasta - 60 ºC en la cima. Por ejemplo, a una altura de 7,5 Km, la temperatura es de unos 25 grados bajo cero (- 25 ºC ).

Figura 6.1. Altura de la troposfera, la estratósfera, mesosfera y la termosfera con respecto a la superficie terrestre.

El término de aire seco se refiere solamente a la mezcla de componentes gaseosos que queda tras eliminar del aire atmosférico el vapor de agua y los contaminantes. Componente

Fracción molar %

Nitrógeno

78,08

Oxígeno

20,95

Argón

0,93

Dióxido de carbono

0,03

Neón , helio, metano y otros

0,01

Fuente: Termodinámica Técnica de Moran Shapiro, pag. 698.

6.2.1 POLVO El aire lleva consigo partículas de polvo, diminutas partes de materia sólida que flotan mantenidas por el movimiento del aire. Sin polvo en el aire el cielo no sería azul, sino negro, el sol se vería siempre blanco y su calor sin el efecto difusor del polvo, sería inaguantable. Las partículas de polvo conducen gran cantidad de bacterias, es importante que la extracción de polvo sea una función específica del acondicionamiento de aire. 6.2.2 HUMEDAD EN EL AIRE La humedad o vapor de agua es el más importante constituyente del aire o atmósfera, en lo que al acondicionamiento se refiere. Este vapor de agua del aire es un gas incoloro, al igual que el vapor normal. Las nubes blanquecinas que

Refrigeración y Aire acondicionado 79. emergen de las fábricas, particularmente cuando el aire es frio son diminutas partículas de agua. Las condiciones meteorológicas de un lugar en un instante determinado se llama tiempo; pero no debemos confundir el concepto tiempo con el concepto de clima, ya que son dos cosas muy distintas. Un tiempo meteorológico es un día determinado, de sol, lluvia o viento. El clima es un concepto más general que se refiere siempre a condiciones medias, que se obtienen promediando las variables atmosféricas durante un promedio largo de tiempo (más de 30 años) El clima se acostumbra a aplicar a zonas más extensas que reciben el nombre de zonas climáticas, que pueden clasificarse en base a diferentes criterios. a) – – – – – b) c)

Según la latitud Ecuatorial Tropical Subtropical o desértica Templada. Glacial Según la lluvia y la temperatura Continental Intertropical Marítima Monzónica Según la temperatura solamente - Cálida - Templada - Frío

6.3

FUNCIONES BÁSICAS A CUMPLIR POR LOS SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE

El propósito en los sistemas de confort es crear condiciones atmosféricas que conduzcan al bienestar, como el caso de viviendas, oficinas, comercio, restaurantes, salas de fiestas, hospitales, teatros, etc., mientras que en los industriales es el de controlar las condiciones atmosféricas para satisfacer los requisitos particulares de los procesos. Para lograr esos objetivos se detallan las funciones básicas a realizar: a) Enfriamiento y deshumectación

b) Calentamiento y Humectación c) Ventilación d) Filtrado

6.3.1 ENFRIAMIENTO Y DESUMECTACIÓN En verano para lograr el confort en los locales, es necesario enfriar y además, deshumidificar el aire, porque el porcentaje de humedad relativa aumentaría en forma considerable, provocando una sensación de molestia y pesadez. Esta función se efectúa en un proceso único y simultáneo por medio de un serpentín o batería de enfriamiento en las cuales se absorbe el calor sensible y también el calor latente del aire, por efecto de la condensación sobre su superficie del vapor de agua que contiene, debido a que se lo enfría por debajo de su punto de rocío. 6.3.2 CALENTAMIENTO Y HUMECTACIÓN En invierno, por el contrario, para lograr confort es necesario calentar y humidificar el aire. El calentamiento del aire se efectúa por medio de una batería agua caliente o eventualmente vapor, vinculadas con cañerías a una planta de calderas o intercambiadores a gas o eléctricos. 6.3.3 VENTILACIÓN La función de ventilación, consiste en la entrada de aire exterior, para renovar permanentemente el aire de recirculación del sistema en las proporciones necesarias a fin de lograr un adecuado nivel de pureza, dado que como resultado del proceso respiratorio, se consume oxígeno y se exhala anhídrido carbónico, por lo que debe suministrarse siempre aire fresco a los locales para evitar que se produzcan estancamiento de olores.

6.3.4 FILTRADO La función de filtrado, consiste en la limpieza del aire y se cumple en la batería de filtros, quitándole al aire circulante el polvo, impurezas y partículas en suspensión y el grado de limpieza a lograr depende del tipo de instalación de acondicionamiento a efectuar.

80. Refrigeración y Aire Acondicionado 6.4 COMPONENTES BÁSICOS DE LOS SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE El tamaño y complejidad de una unidad de acondicionamiento de aire depende del tamaño de la edificación, sin embargo los principios básicos son los mismos, y para cumplir estas exigencias se requieren como mínimo los siguientes elementos básicos. Filtro de aire para garantizar la pureza de aire que ingresa del exterior.

Una fuente de calefacción que transfiera calor al aire, agua o vapor, que llevará energía calorífica al recinto. Una fuente de enfriamiento que haga el proceso de enfriar al fluido que ingresa al ambiente. Un sistema de distribución, que son ductos o tuberías por donde circula el aire, agua o vapor para llevarlos al recinto. Ventiladores o bombas para hacer circular el fluido de trabajo. Radiadores para transmitir la energía entre el fluido y el recinto.

Figura 6.2 Componentes básicos de un sistema de aire acondicionado.

6.5 CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Y CALEFACCIÓN Existen equipos de acondicionado aire que se utilizan fundamentalmente para climatizar viviendas, pequeños locales comerciales, simples despachos, habitaciones individuales, etc. Se trata de aparatos de fácil instalación y que no requieren la existencia de una central de aire acondicionado, son las unidades autónomas con producción propia de frio y calor, además incluye los elementos necesarios para el tratamiento del aire. Estas unidades se clasifican según varios criterios. Por el criterio de aplicación: a) Por su misión -

Para confort humano

-

Para proceso industriales

b) Por las estaciones del año - Instalaciones de aire que cumplen funciones todo el año. -

Aire acondicionado en verano solamente.

-

Aire acondicionado en época de invierno.

c) Por su instalación -

Sistemas de equipos compactos.

-

Sistema de tipo central.

Por el criterio de construcción: a) Según el medio que se utiliza para enfriar el condensador Equipos de condensación por aire: El condensador se enfría por aire exterior que circula a través del condensador impulsado por un ventilador.

Refrigeración y Aire acondicionado 81. Equipos de condensación por agua: En estos equipos se utiliza agua para refrigerar el condensador. b) Según su configuración Equipo compacto: Como su nombre indica se trata de un equipo constituido por un elemento único. Equipo partido: Está constituido por dos partes unidas mediante unas tuberías. Hay una parte exterior que comprende el compresor y condensador, y una parte que comprende el evaporador principalmente.

piel, la transpiración que ha absorbido calor corporal, que se evapora en el aire y respiración caliente que es prácticamente la humedad saturada. Son cinco factores que afecta a la velocidad de pérdida de calor corporal que son: Temperatura del aire. Humedad del aire Movimiento del aire Temperatura de los objetos circundantes Prendas de vestir.

c) Según el tipo Los equipos acondicionador autónomo según el tipo pueden ser: Acondicionadores de ventana: El compresor es hermético y monofásico. Se utilizan para enfriar el aire de un local o habitación determinados. La gama de potencias con que se fabrica es aproximadamente entre 1 a 6 kW. Consolas: Se trata de un equipo muy similar al acondicionador de ventana, pero con una apariencia externa de consola, ésta tiene un aspecto que permite integrarla con mayor o menor fortuna en el conjunto de la habitación.

6.7 ESTANDARES DE CONFORT El estándar 55-1981 de la norma ANSI Y 10 ASHRAE , a partir de estudios sobre efectos de temperatura, la humedad, el movimiento y las prendas de vestir en el confort humano, se determinó las zonas de confort para las personas en época de verano e igualmente en invierno. No es preciso dar los valores de temperatura, humedad, y el movimiento del aire como dato estándar, ya que las personas tienen diversidad de actividades. A continuación se muestra en el diagrama psicrométrico zonas de confort.

6.6 CONFORT HUMANO Se puede definir el confort humano como un estado de satisfacción del ser humano, respecto al medio en que vive, denominándose ergonomía a la ciencia que estudia los problemas de adaptación del hombre al ambiente. El cuerpo humano genera calor al metabolizar sus alimentos, este calor se emite al medio que lo rodea. El factor que determina si uno siente calor o frío es la velocidad de pérdida de calor corporal, cuando esta velocidad está en ciertos límites se tiene una sensación de confort. El cuerpo humano desprende su calor por conducción y convección entre la superficie de la piel y los vestidos al aire que lo rodea, por radiación se transmite el calor por el espacio directamente a los objetos cercanos. El cuerpo también se enfría por evaporación, el agua de la

10

ANSI son las siglas del Instituto Nacional americano de Estándares, y ASHRAE es de la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Acondicionamiento de Aire.

82. Refrigeración y Aire Acondicionado

Figura 6.4 Bomba de calor, con el condensador dentro del local.

El balance de energía alrededor de una máquina bomba de calor accionada por un motor eléctrico viene expresado por la siguiente ecuación: 𝑄̇𝐹 + 𝑊̇𝑒 = 𝑄̇𝐶 + 𝑊̇𝑃

(6.1)

Donde: Figura 6.3 Zonas de confort humano de temperatura y humedad del aire. (Acondicionamiento de Aire de Edward G. Pita)

Para condiciones de diseño interior se recomienda condiciones de confort humano en verano temperatura de 25 ºC a 27 ºC con humedad relativa de 50 %, en época de invierno 20 ºC a 22 ºC con humedad relativa de 25 %. Estos valores son recomendados y aplicables en recintos como: oficinas residencias y edificios públicos. 6.8

PRODUCCIÓN DE CALOR MEDIANTE EQUIPOS DE BOMBA DE CALOR

La noción básica es la siguiente: El ciclo frigorífico produce frío en el evaporador y calor en el condensador. Se coloca el evaporador en el interior del local en verano para bajar la temperatura ambiente y el condensador en el interior del local en invierno para calefacción del ambiente, así viene el nombre de bomba de calor porque es capaz de “bombear” calor de un lugar menos caliente a otro más caliente consumiendo energía de otra fuente. En la figura 6.4 se ha representado una bomba de calor para funcionar en verano como en invierno.

𝑄̇𝐹 ; es la potencia frigorífica de la máquina [kW]

𝑊̇𝑒 ; es la potencia eléctrica consumida por el compresor [kW] 𝑄̇𝐶 ; es la potencia térmica de la máquina, [kW]

𝑊̇𝑃 ; es la potencia perdida por fricción, disipación, pérdidas en el motor, etc. [kW] Si despreciamos las pérdidas, para el análisis estacionario, y dividiendo ambos miembros de la igualdad por la potencia eléctrica, la ecuación anterior se escribe. 𝑄̇𝐹 𝑊̇𝑒

𝑊̇

𝑄̇

+ 𝑊̇𝑒 = 𝑊̇𝐶 𝑒

(6.2)

𝑒

𝐶𝑂𝑃𝐹 + 1 = 𝐶𝑂𝑃𝐶

(6.3)

Siendo:

𝑄̇

𝐶𝑂𝑃𝐹 = 𝑊̇𝐹 ;

La

𝑒

eficiencia

de

la

máquina

funcionando como máquina frigorífica. 𝑄̇

𝐶𝑂𝑃𝐶 = 𝑊̇𝐶 ; 𝑒

la

eficiencia

de

la

máquina

funcionando como bomba de calor. Si consideramos que el objetivo es proporcionar calor, la energía útil de la bomba de calor es obtenida en el condensador Q C y la energía por unidad de tiempo que empleamos para producir calor es 𝑊̇𝑒 , así la eficiencia de esta máquina es: 𝑄̇

𝐶𝑂𝑃𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑊̇𝐶 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟

𝑒

(6.4)

Refrigeración y Aire acondicionado 83. Las bombas de calor comerciales funcionar con un COP B-Calor de 2 a 3.

pueden

6.8.1 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE CALOR Se clasifican en función de la fuente de calor y el recinto donde se transfiere calor, se conocen dos tipos que son los siguientes: Bomba Aire-Aire. Extraen el calor de una masa de aire frío y entregan calor a otra corriente de aire más caliente. Este tipo de bomba de calor, generalmente es usado en sistemas de climatización doméstica, oficinas y residencias pequeñas. Bomba Aire – Agua. Extraen el calor de una masa de aire frío y entregan calor a una corriente de agua más caliente. Se aplican para calentar agua utilizando el aire atmosférico como fuente de energía caliente, sin embargo su aplicabilidad es limitada por la temperatura de suministro del agua caliente producida, normalmente no supera de los 50 ºC, que necesariamente obliga hacer uso de intercambiadores de calor adecuados. Bomba Agua – Aire. Extraen el calor de una masa de agua fría y entregan calor a otra corriente de aire más caliente. Bomba Agua –Agua. Extraen calor de una masa de agua fría y entregan calor a una corriente de agua más caliente. 6.8.2 INTERPRETACIÓN DEL COEFICIENTE DE FUNCIONAMIENTO (COP) En las bombas de calor aire-aire y aire-agua, durante su funcionamiento, el componente evaporador disminuye su eficiencia por efecto de la humedad del aire que se condensa y hasta llega a convertirse en hielo en todo el serpentín, a este fenómeno se denomina escarche. Pues el hielo es un mal conductor del calor y provoca efectos adversos. Si aumenta la resistencia a la transferencia de calor, la potencia térmica de la bomba de calor disminuye en consecuencia la máquina consume mucha energía. Si se mantiene el flujo de calor entre el aire del ambiente y el fluido refrigerante, la temperatura de evaporación del refrigerante disminuye, y también

la temperatura superficial del serpentín incrementándose mayor espesor de escarche, y el desempeño de la máquina cae. 6.9 PREGUNTAS

84. Refrigeración y Aire Acondicionado 1. ¿Qué es el aire? Respuesta.- El aire es un fluido compuesto por nitrógeno, oxígeno, Argón, dióxido de Carbono, Helio y además el vapor de agua en cantidades variables. El aire que se utiliza para el acondicionamiento es designado como una mezcla de aire seco y vapor de agua. 2. ¿Hay siempre humedad en la atmosfera? Respuesta.- Por supuesto que sí, las nubes blanquecinas que emergen de las locomotoras, de las chimeneas de las fábricas, o del pico de una caldera doméstica es precisamente vapor de agua y es incoloro. 3. ¿De qué depende la máxima cantidad de vapor de agua que puede contener determinado volumen de aire? Respuesta.- Se tiene un recipiente de 0,0283 m3 de volumen, ahora se hace un vacío perfecto en su interior a fin de que no quede ni una partícula de aire y mantengámoslo a 21ºC. A través de un orificio introducimos una gota de agua, a una presión extremadamente baja, esta gota de agua hierbe instantáneamente y el recipiente quedará ocupado por vapor de agua. La presión no será nula, si se introduce otra gota de agua también se evaporara y a medida que introduzcamos más gotas de agua la presión aumentará y por consiguiente la temperatura necesaria para hervir el agua también seguirá ascendiendo. Después de añadir bastante agua, hasta que la presión dentro del depósito sea suficientemente para conseguir el punto de ebullición correspondiente en 21 ºC, toda cantidad de gotas de agua que se adicione en exceso, no hervirá sino permanecerá 3 en estado líquido. El recipiente de 0,0283 m estará saturado de vapor de agua a 21 ºC, y contendrá aproximadamente 8 ,05 gramos de humedad a la presión de 2,4525 kPa. Esta presión es muy baja comparada con la presión atmosférica que es 101,325 kPa. 4. ¿De que dependen los puntos de ebullición y congelación de un cuerpo? Respuesta.- Los puntos de ebullición y congelación de un cuerpo dependen de la presión, por ejemplo para el agua, si la presión es superior a la atmosférica su punto de ebullición es superior a 100 ºC, y el de congelación inferior a 0 ºC. 5. ¿Qué debe saberse acerca de las temperaturas exteriores? Respuesta.- Las condiciones meteorológicas constituyen el aporte de transmisión de calor en los espacios acondicionados. Un ingeniero de aire acondicionado se vale de los pronósticos para plantear las operaciones que siguen en acondicionar el aire. 6. ¿Cómo se sobrecalienta el vapor de agua? Respuesta.- Cuando la temperatura del aire está por encima de la temperatura de saturación, se dice que el vapor de agua está sobrecalentado, y este efecto hace que el aire sea capaz de contener mayor peso de agua. Este grado de saturación de agua se define como porcentaje de humedad relativa. 7. ¿Qué es un sistema central de acondicionamiento de aire? Resp. Este sistema comprende todo el equipo principal como: Filtros, lavadores de aire, ventiladores y máquinas enfriadoras o calefactoras, localizados generalmente fuera del área acondicionada. Los conductos se encargan de distribuir a los espacios deseados el aire acondicionado. 8. ¿Qué son las unidades paquete de aire acondicionado? Resp.- Una unidad paquete de aire acondicionado viene con todo el equipo necesario en un solo gabinete. Normalmente se fabrican en tamaños pequeños y se instalan en oficinas o zonas de un recinto grande. A diferencia de las unidades grandes de aire acondicionado estos tienen incorporado los ductos para la distribución de aire acondicionado a espacios grandes. 9. ¿Qué son las unidades autónomas? Resp.- Es un equipo de tratamiento de aire, con producción propia de frio y calor y con todos los elementos necesarios para realizar el tratamiento del aire.

Refrigeración y Aire acondicionado 85.

CAPITULO 7 PSICROMETRIA, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN OBJETIVOS – – –

Estudiar las propiedades físicas del aire atmosférico. Mostrar las propiedades del aire en el ábaco psicrométrico. Realizar procesos con el aire acondicionado.

7.1 INTRODUCCIÓN La mayor parte de los sistemas de acondicionamiento de aire se usan para dar confort a las personas, o en el control de procesos. El aire acondicionado tiene por objeto mantener en un recinto las condiciones de temperatura, humedad y calidad del aire que proporcionen bienestar o sensación de confort a las personas, esto se realiza sometiendo al aire del local a unas operaciones de calentamiento, de enfriamiento, de humidificación, deshumidificación, ventilación y calidad del aire. Por otra parte el aire acondicionado trabaja sobre el aire interior y exterior del local, incursionando en el conocimiento de las propiedades físicas del aire atmosférico. El hecho de que el aire contiene vapor de agua en suspensión, evidencia que no se podría vivir en una atmósfera seca, así un hombre maduro necesita cerca de 15 kilos de aire cada día. El hombre puede soportar sin alimento varias semanas o sin agua algunos días, pero sin aire no puede vivir más allá de 10 minutos.

llamamos m a a la fracción de aire seco y m w a la fracción de vapor de agua, se cumplirá: 𝑚 = 𝑚𝑎 + 𝑚𝑤

(7.1)

Suponiendo que se separa el aire seco y el vapor de agua, colocándolos en recipientes idénticos con el mismo volumen y la misma temperatura pero la presión no será igual, porque en cada recipiente se tendrá menor cantidad de gas. A la presión del aire seco llamaremos presión parcial del aire seco (𝑃𝑎) y la indicada en el vapor de agua llamaremos presión parcial del vapor de agua (𝑃𝑤). Por lo tanto debe cumplirse la ley de Dalton que señala; la suma de presiones parciales será igual a la presión total que tenemos en el aire atmosférico. 𝑃 = 𝑃𝑎 + 𝑃𝑤

(7.2)

1.9 7.2 PSICROMETRÍA La psicrometría es la ciencia que estudia las mezclas de aire y vapor de agua. La cantidad de vapor de agua que contiene la atmósfera es de gran importancia en el acondicionamiento del aire, ya que este afecta al confort humano y determina la calidad de muchos productos manufacturados. 7.2.1 EL AIRE HÚMEDO El aire húmedo se supone que está constituido por una mezcla de aire seco y vapor de agua. Si

Figura 7.1 Separación del aire seco y del vapor de agua en dos recipientes.

Para fines prácticos la presión del aire atmosférico se utilizará la siguiente relación:

86. Refrigeración y Aire Acondicionado 𝑔

𝑇0 −𝛽∗𝑧 �𝛽𝑅�

𝑃(𝑧) = 𝑃0 �

𝑇0

Donde:

�

(7.3)

𝑃(𝑧); La presión atmosférica función de la altura, en kPa. 𝑃0 = 101,325 [𝑘𝑃𝑎], la presión a nivel del mar

𝑇0 = 20 ℃ = 293,15°𝐾, la temperatura a nivel del mar 𝛽=

𝑇0 −𝑇𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 𝑧

, coeficiente de altitud, donde 𝑇𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 ,

es la temperatura de la localidad en K.

z; Altura en metros sobre el nivel del mar. 𝑔 = 9,81 �𝑚�𝑠 2 �, es la gravedad terrestre a nivel del mar. 𝑅 = 287 �

𝐽

𝑘𝑔∙𝐾

�, Constante característica del aire.

7.3 PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE ATMOSFÉRICO

Relación de humedad (𝝎). Se define con el cociente entre la masa de vapor contenida en el aire y la masa de aire seco. 𝜔=

𝑚𝑤 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑚𝑎

�

𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜

�

(7.4)

Humedad relativa (HR). El vapor de agua contenido en el aire se supone que está disuelto en el aire. La capacidad de disolución del aire no es muy grande; si aumentase la cantidad de vapor llegaría un momento en que éste condensaría, para transformarse en agua líquida. Cuando llegamos a esta situación decimos que se ha alcanzado el estado de saturación y la presión parcial del vapor de agua se llama presión de saturación (𝑃𝑤,𝑠 ). Matemáticamente la humedad relativa se define, como el cociente entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la presión de saturación a la misma temperatura. Se expresa en porcentaje. 𝑃

Las propiedades físicas del aire atmosférico se definen del siguiente modo:

𝐻𝑅 = 𝑃 𝑤 × 100 %

Temperatura de bulbo seco (𝑻𝑩𝑺 ). La temperatura corrientemente medida por el bien conocido termómetro de mercurio se describe técnicamente como temperatura seca.

Volumen específico (v). Es el volumen de aire por unidad de peso de aire seco. Matemáticamente es la inversa de la densidad.

Temperatura de bulbo húmedo (𝑻𝑩𝑯 ). Se determina esta temperatura colocando un paño sobre el bulbo de un termómetro corriente de mercurio, humedeciéndolo con agua y haciendo que el aire que deba medirse pase sobre el bulbo mojado a gran velocidad. Temperatura del punto de rocío (𝑻𝑷𝑹 ). Se denomina punto de rocío del aire, o temperatura de rocío del aire, la temperatura a la cual empieza a producirse la condensación del vapor de agua. La temperatura de rocío se puede determinar mediante la siguiente expresión: 𝑇𝑃𝑅 =

Donde:

243,12 ∙ ln(𝑃𝑤 ) − 1559,72 [℃] 24,035 − 𝑙𝑛(𝑃𝑤 )

Pw; es la presión del vapor, en Pascal.

(7.5)

𝑤,𝑠

Entalpía específica (h). Es el contenido de calor del aire, por unidad de peso. La entalpía específica del aire es la entalpía del aire seco mas la de su contenido de vapor de agua, calculadas sobre una temperatura de referencia. 7.3.1 DETERMINACIÓN PROPIEDADES DEL AIRE

DE

LAS

A continuación se determinan las propiedades del aire utilizando relaciones entre las propiedades, además considerando el aire como gas ideal. Tanto el aire seco como el vapor de agua en la atmósfera se comportan como gases ideales a bajas presiones de 10 kPa, con un error insignificante de 0,1 por ciento y por lo tanto se aplica la ecuación de gas ideal. 𝑃∙𝑉 =𝑚∙𝑅∙𝑇

(7.6)

Refrigeración y Aire acondicionado 87. El aire seco y el vapor de agua solo ejercen parte de la presión total, pero entre los dos ocupan un volumen total. Un principio útil que se aplica a mezcla de gases ideales es la ley de Dalton. 𝑃 = 𝑃𝑎 + 𝑃𝑤

(7.7)

Donde:

𝑃𝑤 ; La presión parcial del vapor de agua

Con la ecuación de estado de gas ideal y la ley de las presiones parciales se puede determinar la relación de la humedad. 𝑃𝑤∙𝑉 �𝑅 ∙𝑇 𝑤 𝑃𝑎∙𝑉 �𝑅 ∙𝑇 𝑎

(7.8.a)

Simplificando y reemplazando las constantes de cada gas.

aire seco.

𝐽

𝑘𝑔°𝐾

𝑅𝑤 = 461,5 �

� , Constante característica del

𝐽

𝑘𝑔∙°𝐾

vapor de agua.

𝜔 = 0,622

� , Constante característica del

𝑃𝑤 𝑃𝑎

(7.8.b)

Sustituyendo la presión parcial del aire seco se tiene: 𝜔 = 0,622

𝑃𝑤

(7.8.c)

𝑃𝑧 −𝑃𝑤

La presión del vapor se calcula por la ecuación empírica del Dr. Willis Carrier pionero en el campo de acondicionamiento de aire. 𝑃𝑤 = 𝑃 − Donde:

(𝑃𝑧 −𝑃)(𝑇𝐵𝑆 −𝑇𝐵𝐻) (1940−1,44∙𝑇𝐵𝐻)

(7.9)

11

(7.10)

𝑃𝑤,𝑠 ; La presión de saturación del vapor de agua a la misma temperatura, en bar. ℮ = 2,7183, base del logaritmo natural.

𝐴

𝑃𝑤,𝑠 = ℮−�𝑇+𝐵∙𝑙𝑛(𝑇)−𝐶� [𝑘𝑃𝑎]

(7.11)

Donde las constantes son: A= 6861,28 ºK B= 5,2776 C= 54,2598 𝑇; La temperatura del aire, en ºK

Entalpía del aire húmedo (h). En los cálculos del aire acondicionado se utiliza frecuentemente una variable energética denominada entalpía y se determina por la siguiente relación: ℎ = �𝑐𝑝𝑎 ∙ 𝑡� + �𝐿0 + 𝑐𝑝𝑤 ∙ 𝑡� ∙ 𝜔 [𝑘𝐽/𝑘𝑔]

(7.12)

Donde: ℎ; es la entalpía específica, en kJ/kg a .

c pa; es el calor especifico del aire seco, en kJ/kg a L o; es el calor latente de vaporización del agua a 0 ºC, en kJ/kg w

c pw; es el calor especifico del vapor de agua, en kJ/(kg w K) 𝑡; es la temperatura del aire, en ºC.

ω; es la humedad específica, en kg a /kg w .

P; es la presión de saturación del vapor de agua a la temperatura T BH . Las ecuaciones para saturación del vapor temperatura son de embargo podemos expresión11:

[𝑏𝑎𝑟]

O bien, se calcula con la expresión siguiente:

𝑃𝑎 ; La presión parcial del aire seco

𝑅𝑎 = 287 �

Donde:

5291 𝑇

𝑇; es la temperatura del aire, en K.

𝑃; La presión total atmosférica

𝜔=

𝑃𝑤,𝑠 = ℮14,2928−

obtener la presión de de agua a la misma bastante análisis, sin utilizar la siguiente

Angel Luis Miranda “Aire Acondicionado”

Los valores de las constantes de obtienen de tablas como se indica a continuación.

88. Refrigeración y Aire Acondicionado Tabla 7.1 Valores de c pa , c pw y L o en distintas unidades. Símbolo

Valor 1,00466 kJ/kg ºC

0,24 kcal/kg ºK

1,86 kJ/kg ºC

0,44 kcal/kg ºK

𝐿0

2500,64 kJ/kg

600,1 kcal/kg

Fuente: Juan Antonio Ramirez “Aire Acondicionado”.

1.10 7.4 DESCRIPCIÓN Y UTILIZACIÓN DEL DIAGRAMA PSICROMÉTRICO.

a

entalpía

d) Refrigeración con humedad constante

Valor

𝑐𝑝𝑎

𝑐𝑝𝑤

c) Refrigeración (adiabático)

constante

contenido

de

e) Refrigeración con des humidificación 7.5.1 Calefacción del aire sin agregado de humedad (sin humidificación) Consiste en elevar la temperatura del aire sin agregar vapor de agua al ambiente. Por ejemplo, un termo ventilador calienta el aire que fluye a través de la resistencia eléctrica con humedad absoluta constante.

El diagrama psicrométrico mostrado en la figura 7.2, es el instrumento fundamental del técnico en aire acondicionado, porque agiliza los cálculos, le permite relacionar propiedades, y sobre todo, le permite representar procesos, con lo cual puede hacerse una mejor idea de lo que ocurre en aquella instalación.

Figura 7.3 Proceso de calentamiento sensible.

El aumento de calor se determina mediante la siguiente relación: 𝑄𝑠𝑒𝑛 = 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 (ℎ2 − ℎ1 )

(7.13)

Donde: m

aire ;

es la masa de aire, en kg

h1 y h2 son entalpías específicas antes y después del proceso, en kJ/kg. Figura 7.2 Diagrama psicrométrico.

7.5 PROCESOS QUE SE REALIZAN EN EL AIRE ATMOSFÉRICO Los procesos que se realizan en el aire acondicionado son: a) Calefacción del aire sin agregado de humedad (sin humidificación) b) Calefacción del aire con humidificación.

7.5.2 Calefacción de aire con humidificación Este proceso consiste en elevar la temperatura del aire, manteniendo constante la humedad relativa.

Refrigeración y Aire acondicionado 89.

Figura 7.4 Proceso de calefacción con humidificación.

7.5.3 Refrigeración a entalpia constante En este proceso la temperatura de bulbo seco disminuye, el calor total del aire se mantiene constante, varía el contenido de humedad, el volumen específico disminuye, la temperatura de punto de rocío aumenta y la presión del vapor aumenta. Se aplica en ventilación y refrigeradores evaporativos, para este fin se utiliza pulverizadores de agua, se le denomina también enfriamiento evaporativo.

Figura 7.6 Refrigeración con humedad relativa constante.

7.5.5 Refrigeración con deshumidificación Es el proceso más dificultoso, el aire pasa a través de un serpentín de refrigeración directo y saturado. En este proceso se debe determinar la humedad específica y la entalpia del aire extraídos por kg de aire seco. -Teóricamente se enfría la mezcla de aire y vapor de agua, eliminando calor sensible. -Se elimina la condensación de vapor de agua extrayéndose al mismo agua del aire. - La refrigeración se realiza haciendo pasar el aire por las aletas del serpentín. El verdadero proceso es A-C, tal como se muestra en la siguiente figura.

Figura 7.5 Proceso de refrigeración adiabática.

Es llamado también proceso de saturación adiabática porque no hay intercambio de calor y el aire a la salida tiene temperatura húmeda según las condiciones de entrada. 7.5.4 Refrigeración con humedad relativa constante

contenido

de

Figura 7.7 Proceso de refrigeración con deshumidificación.

Este proceso requiere una instalación de un equipo de refrigeración, pues enfría el aire hasta una temperatura inferior manteniendo constante la humedad relativa.

7.6 PROCESO DE MEZCLADO DELAIRE Este proceso se da con frecuencia en acondicionamiento de aire, en especial cuando

90. Refrigeración y Aire Acondicionado se mezclan aire del exterior con aire de recirculación proveniente de los recintos.

Figura 7.8 Proceso de mezclado

De acuerdo con el principio de conservación dela energía, el contenido de calor sensible del aire antes y después de mezclarse es el mismo. Un balance de energía es. 𝑚̇3 ∙ 𝑇𝐵𝑆3 = (𝑚̇1 ∙ 𝑇𝐵𝑆1 ) + (𝑚̇2 ∙ 𝑇𝐵𝑆2 )

Despejando la temperatura de la mezcla es. 𝑇𝐵𝑆3 =

(𝑚̇1 ∙ 𝑇𝐵𝑆1 ) + (𝑚̇2 ∙ 𝑇𝐵𝑆2 ) 𝑚̇3

La humedad específica se calcula de modo semejante, aplicando el principio de conservación de la masa de estos es.

𝑤3 =

𝑚̇ 1 ∙ 𝑤1 + 𝑚̇ 2 ∙ 𝑤2 𝑚̇3

El flujo másico de aire seco se obtiene con los caudales de aire. 𝑚̇ 1 =

𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑣1

𝑘𝑔

� � 𝑠

𝑣1 ; es el volumen específico del aire.

El proceso de mezclado se puede resolver de forma gráfica en la carta psicrométrica. Si por ejemplo se tiene la temperatura de bulbo seco 15 ºC y w 1 = 0,005 [kgw/kga] y la otra corriente de T BS =40 ºC y humedad relativa 50 %, donde la presión permanece constante en este proceso se representa así.

Figura 7.9 Representación gráfica del mezclado.

La condición de la mezcla de aire debe quedar situada a lo largo de una recta que conecta a las dos condiciones de corriente sin mezclar. La ubicación de la condición de la mezcla de aire en esta línea de mezclado será inversamente proporcional a las cantidades de las corrientes de aire sin mezclar con el total.

7.7 CONDICIONES CONFORT

DE

BIENESTAR

O

Ahora si nos preguntamos, ¿Cuáles son los elementos básicos ambientales que definen el bienestar humano? Una sensación de frió o de calor excesivos no es satisfactoria. En consecuencia la temperatura del medio ambiente que nos rodea será uno de los parámetros fundamentales. Un ambiente seco produce una sensación más agradable, en general, que uno húmedo; sin embargo, si la sequedad del aire es acusada, pronto se manifiesta ciertos inconvenientes, como sequedad de las mucosas, etc. El ruido produce molestias en las que no creemos necesario insistir mucho, sobre todo si la persona vive en una ciudad grande. El aire puede llevar agentes patógenos o simplemente polvo o ciertos componentes que es necesario eliminar. No son estos los únicos factores que han de tenerse en cuenta, pero sí los más importantes.

Refrigeración y Aire acondicionado 91. Temperatura

Figura 7.10 Perdidas de calor del cuerpo humano.

Humedad del aire. Ruido. Ventilación y purificación del aire. El control de estos factores nos dará la clave para conseguir un ambiente de confort o de bienestar. 7.8 CALOR GENERADO POR EL CUERPO HUMANO La cantidad de calor es proporcional a la cantidad de trabajo realizado y si hay más producción de calor, también será mayor la cantidad de calor residual que deberá eliminarse. También influye el tamaño del cuerpo; el general se considera que el calor depende del peso del individuo estableciéndose una relación lineal para comparar unos con otros. – – –

– –

Conducción: a través de la piel y los vestidos del individuo. Convección: desde la periferia de la piel al aire que la circunda. Radiación: mediante la emisión de calor del cuerpo a las superficies frías del entorno del local. Evaporación: por la exudación de la piel Respiración: una pequeña parte contenida en el aire de respiración, prácticamente saturada de humedad.

Es sabido que el cuerpo elimina cierta cantidad de calor. En todas las personas esta refrigeración es natural de acuerdo a la actividad que desarrolla el cuerpo. Para estudiar el calor corporal o metabólico suelen emplearse métodos directos o indirectos. Los primeros consisten en situar a la persona en una cámara calorimétrica herméticamente cerrada y medir el aumento de temperatura que se produce. Si experimentamos observaremos que el calor generado por el cuerpo depende de los siguientes factores: Sexo (hombre o mujer) Actividad desarrollada corriendo)

(sentado,

caminando

Tamaño Normalmente se usan valores medios, a continuación se presenta algunos datos en la siguiente tabla. Tabla 7.2 Calor del metabolismo establecidos por la ASHRAE:

Clase trabajo

Ligero

Moderado

de

valores

Actividad

Calor por unidad de tiempo [W]

Durmiendo

73

Sentado

116

Sentado con movimientos

161

Sentado con movimientos

176

De pie, trabajo ligero. Pesado

de

Trabajo de pico a pala. Trabajo muy pesado y sostenido.

176 513

640

Fuente: Manual de aire acondicionado de Carrier.

92. Refrigeración y Aire Acondicionado El calor metabólico producido en el cuerpo humano es:

Donde:

𝑄𝑚 = 𝑄𝑡 + 𝑄𝑒 + 𝑄𝑎

𝑄𝑚 ; Disipación total del calor del cuerpo humano (kcal/h) o [w]

y humedad para verano o invierno en el ábaco de confort que se indica en la figura 7.11, teniendo en cuenta los parámetros de temperatura del aire, humedad relativa y velocidad del aire, siempre considerando obviamente una adecuada calidad o pureza del aire interior.

𝑄𝑡 ; Emisión de calor por convección, conducción y radiación (kcal/h) o [w] 𝑄𝑒 ; Disipación de calor por evaporación (kcal/h) o [W]

𝑄𝑎 ; Disipación de calor acumulado, con la respiración y la sudoración (kcal/h) o [w] 7.9 TEMPERATURA EFECTIVA Para conseguir un estado de confort y bienestar es necesario regular, por lo menos, dos variables: la temperatura y la humedad. La determinación experimental de este estado de bienestar se lleva a cabo utilizando métodos estadísticos, porque es evidente que la sensación del bienestar puede diferir de una personas a otras. Sensación de bienestar térmico –

La temperatura seca del aire envolvente.

–

La humedad relativa.

–

Velocidad del aire.

–

La temperatura radiante media de paredes.

–

La actividad metabólica que el individuo realiza.

–

El grado de vestimenta.

–

La temperatura del aire alrededor de la cabeza.

–

El nivel sonoro.

–

La transmisión de calor desde los pies al pavimento.

–

Etc.

Abaco de confort ASHRAE Tomando como base los estudios de Fanger, para el diseño de las instalaciones de aire acondicionado la norma ASRHAE estándar 5592 define los rangos aceptables de temperatura

Figura 7.11 Abaco de confort ASHRAE.

La zona rayada indica las condiciones de confort en invierno y verano, también existe una franja que correspondería a las dos estaciones indistintamente. Así por ejemplo, una temperatura de 25 ºC y un 50 % de humedad relativa estaría dentro de la zona de confort en verano.

Refrigeración y Aire acondicionado 93.

BIBLIOGRAFIA 1. Cengel Yunus A., Boles Michael A. Termodinámica. McGraw-Hill, México 2006. 2. Carrier International Limited, Manual de Aire Acondicionado. Ediciones Marcombo, España, 2012. 3. Dossat Roy, Principios de Refrigeración, México 1998. 4. Miranda Angel Luis, Nueva enciclopedia de climatización Aire Acondicionado, Editorial CEAC, España, 2000. 5. Moran M.J., Shapiro H.N. Fundamentos de Termodinámica Técnica, Editorial Reverte, Barcelona, 1994. 6. Nestor Quadri, Sistemas de Aire Acondicionado, Editorial Alsina, Argentina, 2001 7. Normativa de Gestión Ambiental de Sustancias Agotadoras de Ozono, Impreso PGD, La PazBolivia, 2004. 8. Pita Eduar G. Acondicionamiento de Aire, Editorial Continental, México, 2004. 9. Ramirez Millares Juan Antonio Nueva Enciclopedia de Refrigeración. Editorial CEAC, España, 2000. 10. Rapin Pierre J. Formulario del frio , Editorial Marcombo, Barcelona-España, 1999. 11. Rapin Pierre J. Instalaciones frigoríficas, Editorial Marcombo, España, 1976. 12. Richar Jimenes López, Frio Industrial

tomos i-ii-iii

13. Roy Dossat, Principios de Refrigeración México, 1998 14. Stoecker W.F. Refrigeración y Acondicionamiento de aire, MacGraw-Hill, Mexico 1982 15. Villegas Gonzalez Luis, Refrigeración Comercial nivel III, Impresiones Poligraf, Cochabamba – Bolivia, 2004. 16. Witman William C., Tecnologías de la Refrigeración y Aire Acondicionado, tomos i – ii - iii – iv, Thomson,

94. Refrigeración y Aire Acondicionado

Refrigeración y Aire acondicionado 95.

GLOSARIO SIGLAS ASHRAE ASME

Abreviatura American Society Hait Refrigeratión Acondioning Enginere. Abreviatura de Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos.

COGO

Comisión Gubernamental del Ozono.

SAO

Sustancias Agotadoras del Ozono.

VRNMA

Viceministerio de Recursos Naturales y Medio Ambiente.

MDS

Ministerio de Desarrollo Sostenible.

PM

Protocolo de Montreal

FM

Fondo Multilateral del Protocolo de Montreal.

PAO

Potencial del Agotamiento del Ozono.

PCG

Potencial de Calentamiento Global de la Atmósfera.

PNUMA

Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente.

DEFINICIONES Absorbedor. El lugar en el enfriador por absorción donde la solución salina absorbe el agua. Aceite de refrigeración. Aceite utilizado en sistemas de refrigeración. Acondicionador de aire. Equipo que acondiciona el aire limpiándola, enfriándolo, calentándolo, humidificándolo o deshumidificándolo. Término comúnmente aplicado al equipo de enfriamiento para comodidad. Acondicionamiento de aire. Proceso que mantiene condiciones agradables en un área definida. Acumulador. Tanque de almacenaje ubicado en el conducto de aspiración de un compresor. Permite que pequeñas cantidades de refrigerante líquido se evaporen antes de entrar al compresor. Algunas veces se u t ili za para almacenar exceso de refrigerante en sistemas de bombas de calor durante el ciclo de invierno. Aire, estándar. Aire seco a 21.11 oC ( 70oF ) y 14.696 psi (libra por pulgada cuadrada); a dicha 3 3 temperatura tiene una densidad de masa de 1,2 kg/m y un volumen específico de 0,8 m /kg. 2 Aislamiento térmico. Sustancia que es un conductor pobre de flujo de calor. Atmósfera estándar o condiciones estándares. El aire al nivel del mar a una temperatura de 21 °C cuando la presión de la atmósfera es 101,26 kPa (760 mm Hg) . Bajo esta condición, el aire tiene un volumen de 0,8 m3/kg. Barómetro. Dispositivo comúnmente calibrado en pulgadas o en milímetros de mercurio que se utiliza para medir la presión atmosférica. Existen dos tipos: columna de mercurio y aneroide. Bomba de alto vacío. Bomba que puede generar un vacío dentro del margen de micrón bajo. Bomba de calor. Sistema de refrigeración utilizado para suministrar calor o frío mediante válvulas que cambian la dirección de flujo del gas refrigerante. Bomba de vacío. Bomba utilizada para eliminar algunos fluidos, como por ejemplo aire y humedad, de un sistema a una presión menor que la de la atmósfera de la Tierra.

96. Refrigeración y Aire Acondicionado Bromuro de litio. Tipo de solución salina utilizada en un enfriador por absorción. Calefacción de agua caliente. Sistema de calefacción que utiliza agua caliente para la distribución del calor. Calor. Energía que ocasiona el movimiento de las moléculas provocando un aumento de temperatura en una sustancia. Calor de fusión. Calor liberado cuando una sustancia se convierte de líquido a sólido. Calor de respiración. Cuando se admiten oxígeno e hidratos de carbono en una sustancia o cuando se emiten bióxido de carbono y agua. Se asocia con el proceso de maduración de frutas y legumbres frescas durante su almacenamiento. Ciclo de descongelación. Parte del ciclo de refrigeración que derrite el hielo del evaporador. Ciclo invertido. Capacidad de dirigir el flujo de gas caliente hacia el serpentín interior o exterior en una bomba de calor, a fin de regular el sistema para propósitos de calentamiento o enfriamiento. Coeficiente de funcionamiento. Relación de la energía de salida utilizable dividida por la energía de entrada. Compresión. Término utilizado para describir un vapor cuando se aplica presión y se compactan las moléculas. Compresor semihermético. Compresor de un motor que puede abrirse o desmontarse al quitarle los pernos y bridas. Conocido también como hermético reparable. Condensación. El líquido formado cuando se condensa un vapor. Condensado. Humedad acumulada en el serpentín de un evaporador. Condensador. Componente en un sistema de refrigeración que transfiere calor del sistema al condensar el refrigerante. Condensar. Convertir un vapor en líquido a una presión específica. Congelación. Cambio de estado del agua de líquido a sólido. Congelado. Término utilizado para describir el agua en un estado sólido; utilizado también para describir eje que no gira. Congelamiento. Acumulación excesiva de hielo o escarcha en un evaporador a tal extremo que el flujo de aire puede verse afectado. Deshidratar. Eliminar la humedad de un sistema sellado o un producto. Deshumidificar. Eliminar la humedad del aire. Dispositivo dosificador. Válvula, tubería pequeña u orificio que dosifica la cantidad de refrigerante líquido que entra en el evaporador. Distribuidor. Componente instalado a la salida de la válvula de expansión que distribuye el refrigerante a cada circuito del evaporador. Entalpía. Propiedad Termodinámica que especifica la cantidad de calor que contiene una sustancia, establecida desde una base o un punto establecido. Escariador. Herramienta utilizada para eliminar las rebabas de un tubo después de haber sido

Refrigeración y Aire acondicionado 97. cortado. Estrangulamiento. Que ocasiona una obstrucción el paso de la sustancia en un conducto. Evaporación. Proceso que ocurre cuando un líquido absorbe calor y se convierte en vapor. Evaporador. El componente en un sistema de refrigeración que absorbe el calor hacia el sistema y evapora el refrigerante líquido. Expansión directa. Término utilizado para describir un evaporador con un dispositivo de expansión que no sea de flotación de lado bajo. Exudación. Término utilizado para describir la acumulación de humedad en un conducto o una bobina que está funcionando a una temperatura menor que la del punto de rocío del aire. Fase. Una parte específica de un ciclo. Freón. Marca registrada para refrigerantes fabricados por la compañía E.I. du Poní de Nemours, S.A. Frío. Término utilizado para describir el calor a niveles de intensidad más bajos. Frigorígeno. Fluido que hace disminuir la temperatura de mas a menos, utilizado en sistemas de refrigeración. Fuente fría. Superficie de temperatura baja a la que puede trasmitírsele calor. Gas no condensable. Gas que no se convierte en líquido bajo condiciones de funcionamiento normales. Gasoil. Combustible fósil utilizado para calentar; un derivado del petróleo. Gravedad específica. El peso de una sustancia comparado con el peso de un volumen igual de agua. Halógenos. Sustancias químicas presentes en muchos refrigerantes que contienen cloro, bromo, yodo y flúor. Hidrocarburos. Compuestos orgánicos que contienen hidrógeno y carbón, presentes en muchos combustibles para calefacción. Hidrómetro. Instrumento utilizado para medir la gravedad específica de un líquido, Hidrónico. Normalmente se refiere a un sistema de calefacción de agua caliente. Higrómetro. Instrumento utilizado para medir la cantidad de humedad en el aire. Humedad. Vapor de agua existente en el ambiente. Humedad relativa. Cantidad de humedad presente en el aire, comparada con la cantidad de humedad que el aire pueda contener a dicha temperatura. Humidistato. Regulador activado por un cambio en la humedad. Indicador de humedad. Dispositivo utilizado para determinar la humedad en un refrigerante. Infiltración. Penetración de aire en una estructura a través de grietas, ventanas, puertas u otras aberturas debido a que la presión en el interior de la estructura es menor que en el exterior. Intercambiador de calor. Dispositivo que transmite calor de una sustancia a otra.

98. Refrigeración y Aire Acondicionado Manómetro. Instrumento utilizado para medir las presiones bajas de vapor. Las presiones pueden medirse comparándolas con una columna de mercurio o de agua. Medio ambiente. Nuestro entorno, incluyendo la atmósfera. Molécula. La partícula más pequeña en la que una sustancia puede dividirse y aún conservar sus propias características. Monoclorodifluorometano. El refrigerante R-22. Monóxido de carbono. Gas mortífero, inodoro, incoloro e insípido que se desprende en la combustión incompleta del carbono. Nevera. Caja refrigerada donde se puede entrar o introducir la mano. Ozono. Forma de oxigeno (O 3 ). La capa de ozono en la estratosfera que protege la tierra de ciertos rayos ultravioletas del sol. Presión absoluta. La presión manométrica más la presión de la atmósfera, que generalmente es 101,26 kPa al nivel del mar a 20 °C. Presión atmosférica. El peso de los gases de la atmósfera que ejercen presión sobre la tierra, equivalente a 101,26 kPa al nivel del mar a 20 °C. Presión para condensación. La presión que corresponde a la temperatura de condensación en un sistema de refrigeración. Punto de ebullición. El nivel de temperatura de un líquido en el que el líquido empieza a convertirse en vapor. La temperatura de ebullición se regula por medio de la presión del vapor sobre el líquido. Punto de fusión. Temperatura a la que una sustancia se convierte de sólido a líquido. Punto de rocío. Temperatura exacta a la que la humedad comienza a formarse. Quemadura por frío. Congelación de la piel. R-I2. Diclorodilfluorometano, refrigerante muy utilizado en sistemas de refrigeración. R-123. Diclorotrifluoroetano, refrigerante elaborado para aplicaciones de baja presión. R-I34a. Tetrafluoroetano, refrigerante elaborado para sistemas de refrigeración y como posible sustituto del R-12. R-22. Monoclorodifluorometano, refrigerante muy utilizado en sistemas de acondicionamiento de aire. R-502. Mezcla azeotrópica de R-22 y R-115, refrigerante muy u tilizado en sistemas de refrigeración de baja temperatura. Reciclado de refrigerante. «Limpieza del refrigerante por medio de la separación del aceite y pasadas sencillas o múltiples a través de dispositivos, como por ejemplo secadores filtros con núcleos reemplazables, que disminuyen la humedad, la acidez y las partículas. Por lo general, este término se aplica a los procedimientos utilizados en el lugar del trabajo o en un taller de servicio local.» Recuperación del refrigerante. «Extraer refrigerante en cualquier estado de un sistema y almacenarlo en un recipiente externo sin necesariamente ponerlo a prueba o elaborarlo de ninguna manera.» Refrigeración. Proceso de eliminar el calor de un lugar donde no es deseado y transferirlo a un lugar donde no importe la temperatura.

Refrigeración y Aire acondicionado 99. Refrigerante. Fluido en un sistema de refrigeración que se convierte de líquido en vapor y nuevamente en líquido a presiones prácticas. Regulador de presión. Válvula capaz de mantener una presión constante a la salida cuando hay una presión variable a la entrada. Utilizado para regular el flujo de fluidos, como por ejemplo el gas natural, el refrigerante y el agua. Rendimiento volumétrico. Rendimiento de bombeo de un compresor o de una bomba de vacío, que describe la capacidad de bombeo con relación al volumen real de la bomba. Rocío. Gotitas de humedad que se forman en una superficie fría. Saturación. Término utilizado para describir una sustancia cuando contiene lo más que puede de otra sustancia. Secador. Dispositivo utilizado en un conducto de refrigerante para eliminar la humedad. Separador de aceite. Aparato que elimina el aceite de un refrigerante gaseoso. Sicrómetro. Instrumento para medir la humedad relativa. Sistema inundado. Sistema de refrigeración que funciona con el nivel del refrigerante líquido bastante próximo a la salida del serpentín del evaporador para mejorar el intercambio de calor. Sobrecalor. Temperatura del refrigerante de vapor mayor que su temperatura de cambio de estado de saturación. Sobrepresión. Cuando la presión de descarga aumenta demasiado o la presión en el evaporador es demasiado baja, el refrigerante fluye del lado de alta presión al lado de baja presión de un sistema de compresor centrífugo. Este movimiento produce un sonido fuerte. Subenfriamiento. La temperatura de un líquido cuando se enfría a una temperatura menor que su temperatura de condensación. Sublimación. Cuando una sustancia cambia de sólido a vapor sin convertirse primero en líquido. Sumidero. Tanque que se encuentra en el fondo de una torre de refrigeración para acumular el agua que ha pasado a través de la torre. Temperatura. Término utilizado para describir el nivel de calor o actividad molecular, expresado en unidades Fahrenheit, Rankine, Celsius o Kelvin. Temperatura de bulbo húmedo. La temperatura de un bulbo húmedo se utiliza para evaluar la humedad presente en el aire. Se obtiene con el bulbo húmedo de un termómetro para registrar la tasa de evaporación con un flujo de aire circulando sobre el bulbo para ayudar en la evaporación. Temperatura de bulbo seco. Temperatura que se mide con un termómetro sencillo. Temperatura de condensación. Temperatura a la que un vapor se convierte en líquido. Temperatura del cero absoluto. La temperatura más baja obtenible, donde se detiene el movimiento molecular: -460 °F y -273 °C. Temporizadores. Dispositivos accionados por un reloj, utilizados para controlar varias secuencias de sucesos en circuitos. Termostato. Dispositivo que detecta cambios en la temperatura y cambia alguna dimensión o condición dentro de sí para regular un dispositivo en funcionamiento.

100. Refrigeración y Aire Acondicionado Torre de refrigeración. Dispositivo final en muchos sistemas enfriados por agua, que dirige el calor del sistema a la atmósfera por medio de la evaporación de agua. Tubo capilar. Dispositivo de dosificación de calibre fijo. Es un tubo de diámetro pequeño cuyo largo puede oscilar entre unas cuantas pulgadas y varios pies. La cantidad de flujo de refrigerante requerida es predeterminada y, de acuerdo a esto, se fijan el largo y el diámetro del tubo capilar. Vacío. Margen de presión entre la atmósfera de la Tierra y la presión cero, por lo general expresado en milímetros de mercurio (mm Hg) de vacío. Válvula. Dispositivo utilizado para regular el flujo de fluido. Válvula de expansión automática. Válvula de regulación del refrigerante que mantiene una presión constante en un evaporador. Válvula de expansión termostática. Válvula utilizada en sistemas de refrigeración para regular el sobrecalor en un evaporador dosificando el flujo correcto de refrigerante al evaporador. Válvula electrónica de expansión. Válvula de dosificación que utiliza un termistor como elemento sensor de temperatura para variar la tensión aplicada a una válvula accionada por el calor del motor Válvula reguladora de agua. Regulador de mando que controla el flujo de agua. Vapor. Estado gaseoso de una sustancia. Vapor saturado. El refrigerante cuando todo el líquido se ha convertido en vapor. Vaporización. Cuando un líquido se convierte en gas o vapor.

Refrigeración y Aire acondicionado 101.

102. Refrigeración y Aire Acondicionado