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1. FUNCIONAMIENTO DE LA REFRIGERACION

Antes de centrarnos en el estudio de los sistemas frigoríficos se debe hacer hincapié en ciertos conceptos que posteriormente nos servirán para una mejor comprensión del ciclo de refrigeración presente en todos los sistemas frigoríficos.

Lo primero seria explicar qué se entiende por refrigeración:

La refrigeración se define como el proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura de un espacio o materia por debajo de la temperatura del entorno.

La refrigeración es una parte de la climatización, ya que al climatizar, además de controlar la temperatura del aire en el proceso de tratamiento, también se controla la humedad, limpieza y distribución para responder a las exigencias del espacio climatizado.

Para poder reducir la temperatura, es necesario extraer el calor contenido en el espacio o materia que deseamos refrigerar, y para extraer el calor de un cuerpo es necesario la presencia de otro cuerpo más frío (temperatura inferior) que absorba el calor que deseamos eliminar.

El calor siempre fluye del cuerpo más caliente hacia el cuerpo más frío. El cuerpo que se utiliza para absorber el calor que deseamos eliminar se llama refrigerante.

Un refrigerante es un calorífero que desplaza el calor de un espacio que se debe refrigerar, hacia el exterior. Es el fluido operante en el ciclo de refrigeración.

Cada vez que el refrigerante completa un ciclo, sufre dos cambios de estado, se evapora y se condensa, estos dos cambios de estado son necesarios para poder desplazar el calor del espacio que deseamos refrigerar hacia el exterior.

Vamos a recordar varios conceptos anteriormente explicados:

Calor latente: es el calor que produce un cambio de estado sin cambio de temperatura.

Nos centramos en la evaporación y condensación, dos cambios de estado presentes en el ciclo de refrigeración, el primero necesita de un aporte de calor, y el segundo, por ser el proceso inverso al primero, necesita ceder el calor a otro cuerpo para llevarse a cabo.

Sabemos en estos momentos que el refrigerante en un punto del ciclo de refrigeración se evapora, y para ello necesita un aporte de calor (en este punto del ciclo se produce la absorción del calor del espacio por parte del refrigerante para reducir la temperatura del espacio) y que en otro punto del ciclo se condensa, necesitando ceder calor a otro cuerpo (en este punto el refrigerante cede el calor al exterior).

Estos cambios de estado no se pueden producir sin olvidar un concepto muy importante, el calor siempre fluye del cuerpo más caliente hacia el cuerpo más frío, es decir, del cuerpo a mayor temperatura hacia el cuerpo a menor temperatura. Esto significa que para que los cambios de estado en el refrigerante se produzcan es muy importante a qué temperatura se producen, para saber si la absorción de calor en la evaporación y la cesión de calor en la condensación se pueden llevar a cabo.

Esto nos lleva a recordar el concepto de temperatura de saturación: temperatura a la cual un líquido se transforma en vapor, o un vapor se transforma en líquido, es decir la temperatura a la que se produce la evaporación y la condensación del refrigerante, independiente para cada sustancia, y variable con la presión a la que se encuentra sometida la sustancia.

Cuando aumenta la presión, aumenta la temperatura de saturación. Intuitivamente podemos valorar a qué temperaturas deben producirse dichos cambios de estado para que el ciclo de refrigeración se lleve a cabo.

Nuestro objetivo es refrigerar un espacio, para ello sabemos que debemos extraer calor del espacio,

Mauricio

Cuadro de texto

EL CICLO DE COMPRESION DE VAPOR DE LA REFRIGERACION

2

utilizando un fluido llamado refrigerante; el refrigerante va a absorber el calor del espacio mientras se evapora (absorbe el calor latente del refrigerante), con lo cual el calor debe fluir del espacio que queremos refrigerar hacia el refrigerante. Es decir, nos interesa que el refrigerante utilizado se evapore a temperaturas más bajas que a la temperatura a la que se encuentra el espacio que debemos refrigerar.

Interesa que las sustancias utilizadas como refrigerantes tengan temperaturas de saturación muy bajas, por debajo de cero para que la temperatura que queramos alcanzar en el espacio a refrigerar siempre sea superior a la temperatura de saturación del refrigerante, y el flujo de calor siempre vaya del espacio hacia el refrigerante.

Lo contrario ocurre en la condensación del refrigerante. Como en la condensación el refrigerante cede calor, para volver a su estado liquido, el refrigerante debe encontrar un cuerpo más frío que él para poder condensarse. Pero la temperatura de saturación es la misma para evaporar que para condensar, y acabamos de decir que interesa sustancias con temperaturas de saturación muy bajas para producir la evaporación del refrigerante. Entonces, ¿cómo vamos a volver a condensar el refrigerante, para volver a evaporarlo y continuar extrayendo calor del espacio a refrigerar? Si, además, el calor lo voy a ceder al exterior que se supone que está a más temperatura que el espacio que estoy refrigerando.

La respuesta se ha indicado anteriormente; al aumentar la presión aumenta la temperatura de saturación. La solución es bien fácil, aumento la presión a la que se encuentra sometido el refrigerante hasta el punto en que la temperatura de saturación del refrigerante es mayor que la temperatura exterior, convirtiendo al refrigerante en el cuerpo caliente en su punto de condensación, y el exterior que rodea el espacio a refrigerar en el cuerpo frío, absorbiendo el calor que necesita ceder el refrigerante para condensar y volver a su estado liquido para iniciar otra vez el ciclo de refrigeración.

Entre la condensación y evaporación en el ciclo de refrigeración, debemos reducir la presión a la que se encuentra sometido el refrigerante, para que la temperatura de saturación descienda y la evaporación del refrigerante vuelva a producirse.

2. COMPONENTES PRINCIPALES DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESION

Las piezas principales del sistema de refrigeración se mencionan a continuación:

Ciclo de refrigeración

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• Receptor

Su función consiste en proporcionar el almacenamiento para el líquido procedente del condensador para que haya un suministro constante de líquido para el evaporador, según las necesidades del mismo.

• Línea de líquido

Su función consiste en llevar el refrigerante líquido desde el receptor hacia el control de flujo de refrigerante.

• Control de flujo de refrigerante

Sus funciones consisten en medir la cantidad adecuada de refrigerante que va hacia el evaporador y en reducir la presión del líquido que entra en el evaporador, para que así, el líquido se evapore en el evaporador a la temperatura baja deseada.

• Evaporador

Su función consiste en proporcionar una superficie de transferencia de calor a través de la cual el calor pasa del ambiente refrigerado al refrigerante evaporado.

• Línea de aspiración

Su función consiste en llevar el vapor de presión baja desde el evaporador hacia la entrada de aspiración del compresor.

• Compresor

Sus funciones consisten en extraer el vapor del evaporador y en aumentar la temperatura y presión del vapor para que éste pueda condensarse con los medios de condensación normalmente disponibles.

• Línea de descarga

Su función es entregar el vapor a presión alta y temperatura alta desde el compresor hasta el condensador.

• Condensador

Su función es proporcionar una superficie de transferencia de calor a través de la cual el calor pasa del vapor refrigerante caliente a un medio de condensación.

Un sistema de refrigeración se divide en dos partes según la presión que el refrigerante ejerce en estas dos partes:

1. Lado bajo

La parte de presión baja del sistema se compone del control de flujo de refrigerante, el evaporador y la línea de aspiración. La presión que ejerce el refrigerante en estas partes es la presión baja necesaria para que el refrigerante se evapore en el evaporador. Esta presión se conoce como “presión baja”, “presión del lado bajo”, “presión de aspiración” o “presión de evaporación”.

2. Lado alto

La parte de presión alta del sistema se compone del compresor, la línea de descarga, el condensador, el receptor y la línea de líquido. La presión que ejerce el refrigerante en esta parte del sistema es la presión alta

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necesaria para la condensación del refrigerante en el condensador. Esta presión se llama “presión alta” “presión de descarga” o “presión de condensación”.

Los puntos divisorios entre los lados de presión alta y baja del sistema son el control de flujo de refrigerante, donde la presión del refrigerante se reduce de la presión de condensación a la presión de evaporación, y las válvulas de descarga en el compresor, a través de las cuales el vapor de presión alta se expulsa después de la compresión.

3. EL CICLO DE REFRIGERACION POR COMPRESION

Procesos del ciclo de refrigeración por compresión El refrigerante circula por el sistema y pasa por diversos cambios de estado y

condición; cada uno de esos cambios se denomina un proceso. El refrigerante

comienza en un estado o condición inicial, pasa por una serie de procesos según una

secuencia definida, y vuelve a su condición inicial. Esta serie de procesos se denomina

ciclo de refrigeración. El ciclo de refrigeración simple se compone de cuatro procesos

fundamentales:

• Expansión. • Evaporación. • Compresión. • Condensación.

Expansión Este proceso ocurre en el control de flujo de refrigerante. El refrigerante líquido a

temperatura y presión altas fluye del receptor por el tubo del líquido hacia el control

de flujo del refrigerante, de tal forma que a la salida, la presión del líquido se ha

reducido lo suficiente para que la temperatura de saturación del refrigerante que

entra en el evaporador sea inferior a la temperatura del ambiente refrigerado. Una parte del líquido se evapora en el control de flujo de refrigerante para reducir

la temperatura del líquido hasta la temperatura de evaporación.

Evaporación En el evaporador, el líquido se evapora a una temperatura y presión constantes,

mientras el calor necesario para el suministro de calor latente de evaporación pasa de

las paredes del evaporador hacia el líquido que se evapora. Todo el refrigerante se evapora en el evaporador y se calienta en el extremo del

evaporador. Pese a que la temperatura del vapor aumenta un poco en el extremo

del evaporador debido al recalentamiento, la presión del vapor no varía. Aunque el vapor absorbe el calor del aire que rodea la línea de aspiración, que aumenta

su temperatura y disminuye ligeramente su presión debido a la pérdida por fricción en

la línea de aspiración, estos cambios no son importantes para la explicación de un

ciclo de refrigeración simple.

Compresión Por la acción del compresor, el vapor que resulta de la evaporación se lleva por la

línea de aspiración desde el evaporador hacia la entrada de aspiración del compresor.

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En el compresor, la temperatura y presión del vapor aumentan debido a la

compresión. El vapor de alta temperatura y alta presión se descarga del compresor en

la línea de descarga.

Condensación El vapor fluye por la línea de descarga hacia el condensador donde evacua calor

hacia el aire relativamente frío que el ventilador del condensador hace circular a

través del condensador. Cuando el vapor caliente evacua calor hacia el aire más frío,

su temperatura se reduce a la nueva temperatura de saturación que corresponde a la

nueva presión, y el vapor se condensa, volviendo así al estado líquido. Antes de que el

refrigerante alcance el fondo del condensador, se condensa todo el vapor y luego se

subenfría. A continuación, el líquido subenfriado pasa al receptor y queda listo para volver a

circular.

Trazado de un ciclo frigorífico ideal por compresión en un diagrama entálpico Como se trata de un ciclo ideal, vamos a suponer:

• Aspiramos vapores en el estado exacto de vapor saturado seco (x=1).

• En el compresor, el proceso es una compresión adiabática pura (Q = 0 ; deducida por la aplicación de la 1era Ley de la Termodinámica a compresores con flujo estacionario).

• En el condensador el proceso termodinámico es isobárico (p = cte. ; deducida por la aplicación de la 1era Ley de la Termodinámica a intercambiadores de calor, debido a que W = 0, entonces p = cte.)

• En el dispositivo de control de flujo o válvula de expansión, el proceso termodinámico es isentálpico (h = cte. ; deducida por la aplicación de la 1era Ley de la Termodinámica a dispositivos de estrangulación, debido a que Q = 0 , y W = 0, entonces h = cte.)

• En el evaporador el proceso termodinámico es isobárico (p = cte. ; deducida por la aplicación de la 1era Ley de la Termodinámica a intercambiadores de calor, debido a que W = 0, entonces p = cte.)

• El líquido no experimenta subenfriamiento en el condensador ni en el depósito de líquido.

• No existen pérdidas de carga por la circulación del fluido en las tuberías.

• Las diferencias de temperaturas entre el refrigerante y las fuentes frías y caliente es infinitesimal; o sea si la temperatura del medio a enfriar y la temperatura del medio condensante son las temperaturas absolutas de los focos frío y caliente (TFF y TFC) y TE y TC son las temperaturas absolutas del refrigerante en el evaporador y condensador, se ha de cumplir que:

TE TFF dT

TC TFC dT

Las condiciones de trabajo se definen por:

1. temperatura de vaporización.

2. temperatura de condensación.

3. presión de vaporización.

4. presión de condensación.

Mauricio

Cuadro de texto

4.-

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Diagrama presión-entalpía de un ciclo frigorífico ideal.

Lo primero que hacemos es trazar las isóbaras pv y pc, y sobre las que se situaran los

puntos característicos del ciclo. 1-2-3-4

Punto 1. Aspiración del compresor. En 1 los vapores entran en el compresor justamente saturados (vapor saturado seco

x=1) se situará en la intersección de la isóbara isotérmica, pv - tv y de la curva x=1.

Punto 2. Compresión adiabática.

El punto figurativo se desplazará sobre la línea adiabática pasando por S1. Al final de la

compresión, la presión tendrá el valor pc, por lo que el punto 2 será la intersección

de la isóbara pc y de la adiabática S1.

Punto 3. Enfriamiento y condensación del fluido. Siendo una isóbara el enfriamiento y condensación del fluido, el punto figurativo se

desplazara de derecha a izquierda por la isóbara pc partiendo de 2. Al término de la

condensación y hallándose todo el fluido condensado a la presión pc el punto 3 se encontrará

en la intersección de la curva x = 0 y la isobara-isotérmica pc - tc.

Punto 4. Expansión isentálpica. La expansión es isentálpica, por lo que el punto figurativo se desplazará sobre la

isentálpica y al final de la expansión, y siendo entonces pv la presión, el punto h4 se

hallara en la intersección de la isentálpica h4 , y la isóbara pv.

Como la evaporación es isobárica e isotérmica, el punto figurativo describirá la

isoterma-isobárica pv - tv, desde 4 hasta 1 que es el estado del fluido a la entrada del

compresor.

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Un ciclo de refrigeración saturado simple es un ciclo teórico, con las siguientes características. Su representación en diagramas T-s y p-h es la siguiente:

Leyes termodinámicas que se cumplen:

a) Por el primer principio de la Termodinámica, siempre se cumple que en el ciclo:

Esalientes = Eentrantes

QConden = QEvapor + WCompr Ec.

b) Por otra parte para cada elemento que forma el ciclo, lo tratamos como un sistema

abierto en régimen permanente, por tanto, se cumplirá para cada elemento que:

Q Wr h W Ec.

Donde: Q es el calor que entra al sistema

Wr es el trabajo que resulta de las perdidas por fricción

h es la diferencia de entalpia entre la entrada y la salida del sistema

W es el trabajo que entra al sistema

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Las cuatro transformaciones termodinámicas experimentadas por el fluido

se representan en este ciclo por las curvas o segmentos de las líneas:

• Compresión: Tramo 1-2 (curva).

El fluido aumenta su temperatura desde tv hasta tc de en un proceso adiabático - isentrópico,

reversible, es decir, la energía que damos al fluido a través del trabajo de compresión la invertimos en incrementar su energía interna solamente, no la disipamos a través de

rozamientos o de calor al exterior, por lo que la expresión de la ec. 2 anterior nos queda en:

Wc= - h

Wc

isentrópico

= h = h2 - h

1

kJkg

La energía absorbida por el fluido es (el trabajo que el compresor dio):

a nivel potencia:

Wc

isentrópico

= mR

. h2 - h

1 kw ó w

• Condensación: Tramo 2-3 (recta).

Al aplicar la ec. 2 anterior, primero consideramos: que el fluido que sale del compresor se enfría a presión constante en un proceso Isobárico, y posteriormente se condensa hasta la

forma líquida, si el proceso es reversible, y como es evidente no se produce ningún tipo de

trabajo sobre el exterior, obtenemos que:

QC

= h = h3 - h

2

Entonces, la cantidad de calor que hay que ceder al medio de condensación para pasar del

punto 3 al 2 es:

A nivel de potencia: Q

C = m

R . h

3 - h

2

Cumpliéndose como en el caso del evaporador que el calor cedido es directamente proporcional al incremento de entropía que sufre el fluido, y a la temperatura a que se

produce el proceso.

• Expansión: Tramo 3-4 (recta).

El líquido a temperatura tc y presión pc llega a la válvula de expansión y sufre una expansión

por laminado a través de un orificio. En el dispositivo de expansión, se cumplirá el primer

principio de la termodinámica, como en los demás casos, teniendo en cuenta que no se produce ningún trabajo, que el proceso es adiabático, debido a lo pequeño del elemento y a la

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alta velocidad del fluido, prácticamente no hay tiempo para poder transmitir o recibir calor del exterior, despreciando además el trabajo de rozamiento, obtenemos que el proceso será un

proceso isentálpico, a entalpia constante, donde se cumple que:

h3 = h4 .

El título del vapor varía de x = 0 a x = x4 .

.

• Evaporación: Tramo 4-1 (recta).

El vapor al llegar al evaporador es una mezcla de líquido vapor, de título x4 y cuya presión y

temperatura son pv y tv respectivamente. Gracias al calor tomado del recinto a enfriar, el

líquido se vaporiza, aumentando progresivamente el título del vapor y poniendo en juego el

calor latente de vaporización del líquido. Como no consideramos ni el trabajo de rozamiento y en el evaporador el fluido de trabajo no produce ningún trabajo exterior, por tanto al aplicar la

ec. 2 anterior queda, expresando la producción frigorífica:

Qa h h1 h4

Entonces, la cantidad de calor absorbida del evaporador es:

En forma de potencia: 41* hhmQ R

dado en kw ó w.

Por el segundo principio de la termodinámica se cumplirá que:

Qa = T

E . s

1 - s

4

kJkg

ó Jkg

Qa = m

R . s

1 - s

4 . T

E kw ó w

COEFICIENTE DE EFECTO FRIGORÍFICO: Una vez visto a nivel energético todos los

elementos principales del circuito frigorífico, podemos definir su rendimiento, mediante un

coeficiente de rendimiento, llamado cooling Coeficient Operate Performance (COP), mediante el cociente de lo que deseamos conseguir y lo que se invierte para conseguirlo. Así en nuestro

caso, lo que queremos conseguir es extraer calor de un local ó espacio, y lo invertido lo que nos cuesta dinero es el trabajo del compresor al cual se lo damos a través de un motor

eléctrico o de un motor de explosión, por tanto podemos definirlo como:

.C.O.P. =

Qevaporador

Wc

=

Qevaporador

Qcondensador

- Qevaporador

Se define el coeficiente de efecto frigorífico como la relación entre el frío producido y la

energía de compresión suministrada, por tanto:

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Existen unas máquinas frigoríficas en donde lo que nos interesa es el calor desprendido por el condensador (bombas de calor), por lo que el rendimiento para este tipo de máquina lo

podremos definir como:

H.C.O.P.Qcondensador

Qcondensador Qevaporador

Qcondensador

WC

h2 h3

h2 h1

Llamado Heating Coeficient Operate Performance.

EN RESUMEN: Entonces, en el diagrama entálpico todas las transformaciones producidas en un ciclo frigorífico son determinadas en unidades térmicas directamente, sin necesidad de

medir áreas, midiendo distancias.

qc Wk

qe

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Efecto de la temperatura de evaporación y condensación sobre la eficacia

del ciclo

La eficacia de un ciclo de refrigeración varía considerablemente con la temperatura de

vaporización y condensación, siendo de ellas, la de vaporización la de mayor efecto.

Efecto de la temperatura de vaporización sobre el ciclo frigorífico.

Tal y como puede verse en la gráfica superior, el efecto refrigerante es superior para el ciclo

frigorífico cuya temperatura de vaporización Tv2 corresponde a la presión Pv2 que para el

ciclo frigorífico cuya temperatura de vaporización Tv1 corresponde a la presión Pv1, siendo

Tv2 > Tv1.

Efecto frigorífico para el ciclo con temperatura de vaporización Tv2(Pv2):

Efecto frigorífico para el ciclo con temperatura de vaporización Tv1(Pv1):

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ya que .

A esta mayor temperatura, más próxima a la del líquido que se aproxima a la válvula de

laminación, una fracción más pequeña de refrigerante se vaporiza al paso por la válvula,

quedando una mayor proporción para vaporizarse en el evaporador y producir más frío útil. Al ser mayor el efecto refrigerante, la cantidad de fluido frigorígeno que circula ha de ser

menor. La diferencia de presiones entre el evaporador y el condensador es menor en el ciclo que

presenta una mayor temperatura de vaporización, por lo que el trabajo de compresión

también será menor.

Debido a que el trabajo de compresión y el peso de fluido refrigerante que circula son

menores a la mayor temperatura de aspiración, la potencia teórica requerida también será

inferior para la temperatura de aspiración más alta. Esta diferencia se hace más patente

cuando se introduce la eficiencia del compresor y se comparan las potencias reales

requeridas. El volumen de vapor movido por el compresor varía con los cambios de temperatura de

vaporización, disminuyendo enormemente a medida que ésta aumenta. Este es

probablemente el factor más importante de todos los que afectan a la capacidad y eficiencia

del ciclo. También, debido al menor peso de fluido frigorígeno que circula y al menor calor de

compresión aportado, el calor eliminado en el condensador debe ser inferior. El efecto de la temperatura de condensación es inverso al que presenta la temperatura de

vaporización. Manteniéndose ésta última constante, la eficacia del ciclo disminuye si la

temperatura de condensación aumenta, y viceversa.

Efecto de la temperatura de condensación sobre el ciclo frigorífico.

Tal y como puede verse en la grafica superior, el efecto refrigerante es superior para el ciclo

frigorífico cuya temperatura de condensación Tc1 corresponde a la presión Pc1 que para el

ciclo frigorífico cuya temperatura de condensación Tc2 corresponde a la presión Pc2, siendo

Tc1 < Tc2.

Efecto frigorífico para el ciclo con temperatura de condensación Tc1(Pc1):

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Efecto frigorífico para el ciclo con temperatura de condensación Tc2(Pc2):

ya que .

La temperatura del líquido que pasa a través de la válvula de laminación es mayor, h4’ > h4,

lo que reduce el efecto refrigerante. Esto, a su vez, hace que el peso de fluido refrigerante

que debe circular sea mayor, y como consecuencia se incrementa el volumen de vapor que

debe ser comprimido.

El trabajo de compresión necesario para aumentar la presión del vapor hasta la presión

correspondiente a la temperatura de condensación es mayor a medida que aumenta esta

temperatura. La potencia teórica requerida aumenta con el incremento de la temperatura de

condensación. Aunque la cantidad de calor eliminado en el condensador por Kg de fluido frigorígeno varía

muy poco, ya que el aumento del calor de compresión es compensado por la disminución

del efecto frigorífico, sin embargo el calor total disipado varía considerablemente, debido a la

diferencia de peso de fluido que circula. La cantidad de calor sensible eliminado aumenta

considerablemente, mientras que la de calor latente disminuye ligeramente.

Recalentamiento del vapor

En el ciclo de refrigeración saturado simple, se supone que el vapor de aspiración llega hasta

la entrada del compresor como vapor saturado a la temperatura y presión de evaporación. En

la práctica, esto ocurre raras veces. Después de que el refrigerante líquido se ha

vaporizado completamente en el evaporador, el vapor saturado frío, continúa, por lo

general, absorbiendo calor en el tramo de aspiración, pasando a un estado recalentado antes

de llegar al compresor. Si se desprecia la pequeña caída de presión del vapor en la tubería de aspiración, se podrá

suponer que la presión del vapor de aspiración permanece constante durante el

recalentamiento.

Imagen diagrama con recalentamiento del vapor.

La potencia requerida por unidad de capacidad refrigerante del ciclo es mayor para el ciclo con

recalentamiento que para el ciclo saturado y, además, es menor el rendimiento obtenido (o

eficiencia energética). Esto quiere decir que el compresor, el motor del compresor y el condensador deberán ser

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mayores para el ciclo con recalentamiento que para el ciclo saturado. Esto significa una mayor

inversión inicial en el sistema frigorífico. Cuando el vapor pasa directamente hasta la aspiración del compresor sin ningún

recalentamiento, puede arrastrar pequeñas cantidades de líquido no vaporizado. A este vapor

se le llama vapor húmedo. Este vapor húmedo en la aspiración puede causar efectos negativos

en la capacidad del compresor, y provocarle daños mecánicos. Ya que el recalentamiento del

vapor elimina la posibilidad de existencia de este vapor húmedo en el compresor, es deseable

un cierto grado de recalentamiento del mismo. El efecto del recalentamiento del vapor de aspiración sobre la capacidad del sistema y sobre el

coeficiente de operación, depende totalmente de dónde y cómo ocurre el recalentamiento del

vapor y de si el calor absorbido por el vapor al recalentarse produce o no enfriamiento útil.

El grado de recalentamiento que se elija en cada caso particular, depende, también, de dónde y

cómo ocurra el recalentamiento, así como del refrigerante empleado. El recalentamiento del vapor en el tramo de aspiración puede ocurrir en los siguientes puntos,

o en una combinación de ellos: • Al final del evaporador. • En la tubería de aspiración instalada dentro del local refrigerado. • En la tubería de aspiración situada fuera del espacio refrigerado.

• En un cambiador de calor, tramo de aspiración-tubería de líquido.

Cuando el recalentamiento tiene lugar al fluir el refrigerante por la tubería de aspiración

localizada fuera del espacio refrigerado, el calor tomado por el vapor es absorbido del ambiente y no se produce enfriamiento útil. Este recalentamiento del vapor que no produce

enfriamiento útil afecta adversamente a la eficacia del ciclo. Es obvio entonces, que el

recalentamiento del vapor en la tubería de aspiración fuera del espacio refrigerado debe eliminarse siempre que sea práctico. El recalentamiento del vapor dentro del espacio refrigerado puede ocurrir al final del

evaporador o en la tubería de aspiración localizada dentro del espacio refrigerado, o en ambos

sitios. Para que no llegue refrigerante en forma de líquido al compresor se debe ajustar la válvula

de regulación de refrigerante de forma que todo el líquido se evapore totalmente antes de su

llegada al final del evaporador. En tales casos, el vapor frío continuará absorbiendo calor y se

recalentará en la última parte del evaporador.

Si el calor necesario para recalentar el vapor es tomado del espacio refrigerado, se obtiene un

enfriamiento útil y el efecto frigorífico por unidad de masa de refrigerante aumenta en una

cantidad igual a la cantidad de calor absorbido en el recalentamiento. Sin embargo, a pesar de

que se mejora aparentemente la eficiencia frigorífica del ciclo, no es económico el

recalentamiento del vapor en el evaporador más allá de lo necesario para lograr el

funcionamiento adecuado de la válvula de expansión. El recalentamiento excesivo del vapor de aspiración en el evaporador reducirá la capacidad del

evaporador innecesariamente y requerirá que el evaporador opere a una temperatura de

vaporización menor o el uso de un evaporador más grande, con objeto de obtener la capacidad

de evaporador deseada.

A veces se instala dentro del espacio refrigerado, para el recalentamiento del vapor, un tramo

de tubería de aspiración adicional al evaporador, llamado generalmente serpentín secador,

cuya función es la de secar. Dicha tubería permite una inundación más completa del

evaporador con refrigerante líquido, sin que exista el peligro de arrastre de líquido por la

tubería de aspiración hasta el compresor.

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Este sistema no solamente proporciona un medio de recalentamiento del vapor de aspiración

dentro del espacio refrigerado de forma que la eficiencia del ciclo aumente sin sacrificio de

superficie evaporadora, sino que de hecho hace posible un uso más efectivo de la superficie

del evaporador. En algunos casos, y en particular cuando la temperatura de aspiración es alta y la humedad

relativa del aire exterior razonablemente baja, el recalentamiento del vapor de aspiración dentro

del espacio refrigerado, elevará la temperatura de la tubería de aspiración evitando la

formación de escarcha y eliminando la necesidad de aislamiento de dicha tubería. El grado de recalentamiento del vapor de aspiración, dentro del espacio refrigerado, está

limitado por la temperatura del espacio. Normalmente, el vapor podrá ser recalentado hasta 2-

3°C por debajo de la temperatura del local refrigerado.

Subenfriamiento del líquido

Cuando el líquido refrigerante es subenfriado antes de que llegue a la válvula de expansión, se

incrementa el efecto refrigerante por unidad de masa de fluido refrigerante.

Diagrama con subenfriamiento

El aumento de efecto refrigerante por kg de refrigerante, resultante del subenfriamiento es la

diferencia entre h4 y h4’ y es exactamente igual a la diferencia entre h3 y h3’, que representa

el calor eliminado por Kg de líquido, durante el subenfriamiento.

El efecto refrigerante en el ciclo saturado es:

y el efecto refrigerante en el ciclo con subenfriamiento:

El trabajo de compresión por unidad de masa es igual para ambos ciclos, saturado y con

subenfriamiento, se deduce que el aumento de efecto refrigerante por unidad de masa

originado por el subenfriamiento, se obtiene sin aumentar el suministro de energía al

compresor. El trabajo de compresión para ambos ciclos es:

Si existe un aumento en la cantidad de calor absorbida en el evaporador, manteniendo

constante el trabajo absorbido por el compresor, evidentemente se produce un aumento

del rendimiento del ciclo.

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ε (subenfriamiento) > ε (saturado)

Pérdidas de presión

El refrigerante experimenta una pérdida de carga por fricción, durante su circulación por las

tuberías, evaporador, condensador, recipiente de líquido y a través de las válvulas y demás

puntos del circuito frigorífico. Como resultado de la caída de presión en el evaporador, el vapor sale de él a una presión y

temperatura de saturación menor. Debido a esto, la potencia necesaria por capacidad frigorífica unitaria es también mayor, ya

que el vapor debe ser comprimido salvando un incremento de presión superior (la relación

de compresión aumenta). La caída de presión tanto en el evaporador como en la tubería de aspiración, debe

mantenerse dentro de un valor mínimo con objeto de obtener la mayor eficiencia posible del

ciclo frigorífico. Esto se aplica también a los cambiadores de calor o a cualquier otro

dispositivo auxiliar que se utilice en la tubería de aspiración. Normalmente, la caída de presión en un evaporador bien diseñado es de 0,14 a 0,21 Kg/cm2.

Idealmente, la tubería del tramo de aspiración debe ser diseñada de manera que la caída

de presión no acuse una disminución mayor de 1°C en la temperatura de saturación. Señalar que, el vapor es comprimido en el compresor hasta una presión considerablemente

mayor que la presión de condensación. Esto es necesario para forzar la salida del vapor,

a través de las válvulas de descarga, contra la presión de condensación y contra la presión

ocasionada por la acción de los resortes en las válvulas de descarga. Cualquier caída de presión que ocurra en el lado de la descarga del compresor tendrá el

efecto de aumentar la presión de descarga, aumentando así el trabajo y la potencia del

compresor. En el tramo de tubería entre el recipiente de líquido y la válvula de expansión, existen

también pérdidas de carga. Estas pérdidas de carga deben ser inferiores a 0,35 Kg/cm2.

Modificaciones sobre el ciclo ideal

Hemos visto que el ciclo real se aleja del ciclo teórico debido a: • Tramo 1-2. Recalentamiento en las tuberías de aspiración del compresor.

• Tramo 2-3. Pérdida de carga en la válvula de aspiración del compresor.

• Tramo 3-4. Recalentamiento del vapor al entrar en el cilindro.

• Tramo 4-5. Compresión real (no isoentrópica).

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• Tramo 5-6. Pérdida de carga en la válvula de descarga.

• Tramo 6-8. Enfriamiento de los vapores en la tubería entre el compresor y el condensador.

• Tramo 8-9. Enfriamiento de vapores, condensación y subenfriamiento del líquido.

• Tramo 9-10. Laminación en la válvula de expansión.

• Tramo 10-1. Evaporación del líquido y absorción de calor en el evaporador.

En el diagrama puede observarse igualmente:

• Pérdida de carga durante la evaporación.

• Pérdida de carga durante la condensación.

Imagen diagrama ciclo real

Las irreversibilidades que provocan la desviación del comportamiento ideal son de dos tipos:

a) de origen externo.

b) de origen interno.

a) Irreversibilidades externas:

Tienen su origen en la necesidad de un gradiente finito entre las fuentes y el fluido refrigerante, lo que comportará mantener una más alta temperatura de condensación y una

más baja temperatura de evaporación que sus correspondientes medios (ente los 5 a 10 ºC); con lo que comporta, que para retirar el mismo calor "QE" de un recinto, un rendimiento

menor.

b) Irreversibilidades interna:

Se debe fundamentalmente al rozamiento del fluido a su paso por tuberías e

intercambiadores. Entre ellas destacan:

a) Pérdidas de carga originadas en las líneas y válvulas, tanto en aspiración como en

descarga.

b) Pérdidas de carga en el condensador y en el evaporador.

c) Irreversibilidades de la compresión, ya que la compresión no es adiabática, ni isentrópica,

18

es un proceso politrópico. Por lo que la aparición de irreversibilidades conduce a un aumento de entropía, y el punto final de la compresión se desplaza a la derecha del punto 2.

El trabajo en este caso será:

12 hhWreal

c

El trabajo ideal o isentrópico es:

Wc is entr ópicoh2' h1

Con lo que podemos definir, el rendimiento isentrópico como:

isentrópico=

h2'

- h1

h2 - h

1

=

Wcisentr

Wcreal

menor que 1.

El ciclo real definitivo será:

p

h

11'

2'

23

4

Mauricio

Sello

Ciclos Frigoríficos 431

Introducción a la Termodinámica – Jorge A. Rodriguez

En la realidad el proceso no es tan simple. Trataremos de visualizarlo con ayuda del siguiente croquis.

En el mismo por simplicidad se ha omitido el separador de líquido que normalmente se instala a la salida de la válvula. Este es un tanque o vasija donde se separa el gas del líquido. Este último va al evaporador mien-tras que el gas pasa directamente al compresor.

El condensador en los sistemas mas simples es un intercam-biador de calor del tipo “radiador” a aire. Un ciclo típico por compresión de una sola etapa se puede ver en el diagrama T-S que vemos a la izquierda. Las diferencias con el ciclo de Carnot se deben a los hechos siguientes:

a) La evaporación no es isentrópica porque se suele hacer a través de una restricción, o sea que resulta isentálpica, espontánea y por ello fuertemente irrever-sible, es decir, con aumento de entropía;

b) La compresión se lleva a cabo hasta que el vapor se recalienta.

El calor absorbido en el evaporador (la fuente fría) se obtiene de la siguiente ecuación.

Q = H H2 a dcalor absorbido en el evaporador = − (10-1) Puesto que por lo general se conoce el calor que se debe eliminar en el evaporador, que suele ser un dato, podemos calcular el caudal de masa de fluido frigorífico que circula por el evaporador. El calor extraído por unidad de masa en el evaporador es:

⇒×=⇒−= 22da2 qmQhhq & da

2

hhQm−

=&

Q = = H H1 b ccalor cedido en el condensador − (10-2) W es el trabajo realizado en el compresor: W = H H H Hb c a d( ) ( )− − − (10-3)

Como la expansión c→→→→d es casi isentrópica, es: H = H W = H Hc d b a⇒ − (10-4) Por lo tanto el Coeficiente de Eficiencia Frigorífica (cef) es:

ab

da2

HHHH

WQ

−−

==cef (10-5)

En realidad, además de la pérdida de eficacia debida a la irreversibilidad de la expansión c→→→→d tenemos que tener en cuenta que cuanto mayor es la relación de compresión tanto mayor es la eficacia del compresor. Para una sola etapa, rendimientos típicos de compresores alternativos de amoníaco vienen dados por las expresiones siguientes:



−=

−=

i

fV

i

fS P

Pη

PP

η 05.00.1038.086.0

Si bien estas expresiones sólo son aproximadamente válidas para compresores alternativos, se encuentran relaciones similares para otros tipos de compresor. Para compresores alternativos el rendimiento isentrópi-co oscila entre 0.85 para compresores chicos hasta 0.93 en compresores grandes. El rendimiento volumé-trico va desde 0.6 a 0.7 para compresores chicos (hasta 10000 frig./hora) hasta 0.7 a 0.8 para compresores medianos (hasta 50000 frig./hora) hasta 0.8 a 0.88 en compresores grandes (> 50000 frig./hora). Para instalaciones frigoríficas de gran tamaño se suelen usar compresores centrífugos. Por ejemplo en una instalación de 3,000,000 frigorías por hora funcionando con Freon 12 de temperatura de ebullición –40 °C el compresor debe aspirar alrededor de 20000 m3/hora de vapor. Empleando un compresor horizontal a pistón de dos etapas la primera etapa debería tener un diámetro de 1.5 m., mientras que un compresor centrífugo será mucho menos costoso, ya que su peso, incluido reductor, será siete veces menor. Los compresores centrífugos son muy usados para ciclos frigoríficos. Pueden ser herméticamente cerrados, semiherméticos o abiertos. Los equipos herméticos tienen el motor y la caja del compresor integrados en un solo conjunto, lo que permite obtener dos ventajas. Por un lado se reducen las fugas de fluido al mínimo, y por otro el enfriamiento del motor lo hace el propio fluido refrigerante lo que permite un diseño mas compac-to y económico. Todos los refrigeradores domésticos y comerciales chicos tienen esta disposición llamada de “equipo sellado”. Los compresores centrífugos semiherméticos tienen la ventaja de permitir un acceso mas fácil que los her-méticos en caso de fallas. Muchos compresores de media capacidad son semiherméticos. En un compresor abierto el motor y el impulsor están instalados en cajas separadas, así que hay un eje que pasa a través de la caja del compresor lo que obliga a tener un sello para evitar fugas entre el eje y la caja. La razón de que sigan usándose es que consumen menos energía que los de tipo sellado, típicamente de un 2 a un 4% me-nos. Por ese motivo muchos equipos grandes son de tipo abierto. En general, los compresores alternativos se están dejando de lado en favor de diseños rotativos (por ejem-plo de tornillo) en instalaciones de mas de 500,000 frigorías/hora ya que su rentabilidad es mayor. 10.2.1 Fluidos frigoríficos La siguiente tabla proporciona las siglas o formas abreviadas de los nombres de muchos fluidos refrigeran-tes usados en la actualidad. Además de las siglas que figuran en la tabla existen muchas denominaciones comerciales.

Sigla Nombre químico Sigla Nombre químico R-11 Triclorofluorometano – CCl3F R-227 Heptafluoropropano R-12 Diclorodifluorometano – CCl2F2 R-290 Propano – CH3-CH2-CH3 R-13 Clorotrifluorometano – CClF3 R-C318 Octafluorociclobutano R-13B1 Bromotrifluorometano – CBrF3 R-407A Mezcla de R-32, R-125 y R-134a (1) R-14 Tetrafluoruro de carbono – CF4 R-407B Mezcla de R-32, R-125 y R-134a (2) R-21 Diclorofluorometano – CHCl2F R-407C Mezcla de R-32, R-125 y R-134a (3) R-22 Clorodifluorometano – CClF2 R-410A Mezcla de R-32 y R-125 al 50% en peso R-23 Trifluorometano – CHF3 R-500 Azeótropo de R-12 y R-152ª R-32 Difluoroetano – C2H4F2 R-502 Azeótropo de R-12 y R-115 R-40 Cloruro de metilo – CClH3 R-503 Azeótropo de R-23 y R-13 R-40 Metano – CH4 R-504 Azeótropo de R-32 y R-115 R-113 Triclorotrifluoroetano – CCl2F-CClF2 R-507 Mezcla de R-125 y R-143a 50% en peso R-114 Diclorotetrafluoroetano – CClF2-CClF2 R-600 n-Butano R-115 Cloropentafluoroetano – CClF2-CF3 R-600a Isobutano R-125 Pentafluoroetano – CHF2-CF3 R-717 Amoníaco – NH3 R-134ª Tetrafluoroetano – CHF2-CHF2 R-744 Dióxido de carbono – CO2 R-126 1,3-dicloro-1,12,2,3,3-hexafluoropropano R-1150 Etileno – CH2=CH2 R-142b Clorodifluoroetano R-1270 Propileno R-152ª Difluoroetano HX4 Mezcla R-32, R-125, R-143m y R-134a (4) R-170 Etano – CH3-CH3 MHC 50 Mezcla de R-290 y R-600a (5) CARE 50 Mezcla de R-170 y R-290 6/94 moles %

Notas aclaratorias (1) R-407A es una mezcla de 19 a 21% en masa de R-32 + 38 a 42% en masa de R-125 + 38

a 42% en masa de R-134a. (2) R-407B es una mezcla de 9 a 11% en masa de R-32 + 68 a 72% en masa de R-125 + 18 a

22% en masa de R-134a.



(3) R-407C es una mezcla azeotrópica ternaria de R-32, R-125 y R-134a en proporción 23/25/52% en peso. Límites: 22 a 24% en masa de R-32, 23 a 27% en masa de R-125 y 50 a 54% en masa de R-134a.

Los refrigerantes R-407 son un buen sustituto para el R-22 que, como veremos enseguida, está condenado a desaparecer de la mayor parte de las aplicaciones.

(4) HX4 es una mezcla de R-32, R-125, R-143m y R-134a en proporción 10/33/36/21% en pe-so.

(5) MHC 50 es una mezcla de 50% en peso de R-290 y R-600a. Selección del fluido frigorífico Cuando reflexionamos sobre el problema de la selección de un fluido frigorífico de compresión de vapor vemos de inmediato que la elección obvia es el vapor de agua, tanto desde el punto de vista del precio co-mo de las características de sustancia inocua, comparativamente no corrosiva, facilidad de obtención al es-tado puro, estabilidad físico-química y seguridad de su empleo. Por desgracia, las propiedades termodiná-micas del vapor de agua no lo convierten en la mejor elección aunque no sea imposible usarlo, como de hecho se usó en el pasado. La causa de que no se use extensivamente el vapor de agua en ciclos frigorífi-cos de compresión de vapor es la presión extremadamente pequeña que debe tener el evaporador para poder alcanzar las bajas temperaturas que nos interesan en la práctica. Si la evaporación se hiciese a presión atmosférica habría una temperatura de 100 ºC en el evaporador, difí-cilmente un valor aceptable en refrigeración. Supongamos ahora que estamos pensando en un sistema de refrigeración para el aire acondicionado de una oficina, donde nos proponemos mantener una temperatura del aire de 20 ºC. Para que el sistema de aire acondicionado sea efectivo técnica y económicamente tiene que enfriar una parte del aire; por ejemplo la quinta parte, a una temperatura menor, digamos a unos 10 ºC. A una temperatura de 10 ºC en el evaporador la presión de vapor tendría que ser de alrededor de 12 mbar, o sea unos 0.0125 Kgf/cm2. Si queremos alcanzar una temperatura menor, como ser 0 ºC para fabricar hie-lo, necesitaríamos operar el evaporador a una presión de 0.00623 Kgf/cm2. Cuando enfrentamos el problema práctico de manejar grandes cantidades de masa de vapor de agua a tan bajas presiones se plantean de inmediato dos dificultades serias. La primera, es la propia presión, que es muy baja. Resulta complicado (¡y muy caro!) mantener estanco el sistema cuando funciona bajo vacío. La segunda es que a muy baja presión el vapor de agua tiene una densidad muy pequeña, o lo que es lo mis-mo un volumen específico demasiado grande, lo que demandaría un tamaño desmesurado de tuberías y compresor y un consumo gigantesco de energía en el compresor para poder manejar el caudal de masa necesario para alcanzar un efecto frigorífico adecuado. Vemos entonces que el fluido frigorífico apropiado no sólo debe tener un bajo punto de ebullición (que es el que determina la temperatura del evaporador, y por lo tanto de la cámara fría) sino también una densidad lo mas elevada que sea posible para que el con-sumo de energía en el compresor por unidad de masa de fluido que circula sea lo mas bajo posible. Esto requiere moléculas con peso molecular elevado, cosa que el agua no tiene, y el amoníaco mas o menos. La necesidad de encontrar fluidos frigoríficos que cumplan estas condiciones impulsaron las investigaciones y se obtuvieron una limitada cantidad de fluidos que cumplen estos requisitos, además de otras propieda-des que detallamos a continuación.

1. Temperatura y presión de ebullición en el evaporador. Conviene que la presión de ebullición sea mayor que la atmosférica para que el equipo no funcione al vacío, ya que cualquier filtración podría admitir aire y humedad al interior del circuito de fluido frigorífico, lo que sería muy perjudicial. Para evitar esa filtración, sería necesario que la pared de los tubos sea gruesa, lo que dificulta el inter-cambio de calor.

2. Temperatura de congelación. La temperatura de congelación del fluido refrigerante debe ser muy inferior a la mínima temperatura alcanzada por el sistema para alejar cualquier peligro de que se congele el fluido.

3. Temperatura y presión críticas. Conviene que el sistema funcione a presión y temperatura muy infe-riores a los valores críticos. Si no fuese así sería difícil licuar el fluido refrigerante o el enfriador de vapor en la etapa posterior al compresor tendría dimensiones exageradas. Esto se debe a que el enfriamiento que se produce en el condensador ocurriría en la zona de gas, en lugar de ocurrir en la zona de coexistencia líquido-vapor, en la cual los coeficientes de intercambio de calor son mayores y en consecuencia habrá un intercambio de calor también mayor. Por otra parte, al ser menores los gradientes de temperatura requeridos, resulta también menor la irreversibilidad lo que mejora el rendimiento.

4. Presión media de operación del equipo. Los componentes críticos (el evaporador y el condensador de vapor) deben ser muy robustos si el equipo funciona a una presión elevada, lo que encarece el equipo. Además el consumo de energía en el compresor resulta demasiado grande.



5. Volumen específico pequeño (o densidad grande); como acabamos de explicar, es un requisito ne-cesario para mantener acotado el consumo de energía del compresor. Esta propiedad está íntima-mente ligada con el peso molecular, porque a mayor peso molecular mayor densidad del vapor, de modo que resultan preferibles los fluidos frigoríficos mas pesados.

6. Calor latente y calor específico del líquido. Conviene que el calor latente de vaporización del líquido sea elevado y el calor específico del líquido sea pequeño. La razón de este requisito es la siguiente: la expansión isentrópica en turbina no es rentable por lo que se realiza en una restricción (etapa c→→→→d). En la restricción el fluido pasa de la presión Pc a la presión Pd y por cada kilogramo de fluido que la atraviesa se vaporiza una fracción x que requiere una cantidad de calor igual a (x λ) que pro-duce un enfriamiento desde la temperatura Tc hasta la temperatura Td de modo que si por la estran-gulación pasan (1 + x) Kg de fluido el balance de calor resulta:

( ) ⇒=− xλttCp dc ( )λ

ttCpx dc −=

La fracción x de líquido evaporado durante la estrangulación no proporciona frío útil en el evapora-dor y pasa por este sin utilidad alguna, debiendo ser comprimida posteriormente en el compresor, es decir, se comporta como un fluido inerte desde el punto de vista de su efecto frigorífico. Por lo tanto, es conveniente reducir esta fracción al mínimo. Para ello resulta preferible que el fluido tenga un bajo calor específico, o un alto calor latente, o ambos a la vez. De esta manera el caudal másico del refrigerante es menor, lo que redunda en beneficios por varias razones. En primer lugar, el costo del refrigerante es mas bajo. En segundo término, el compresor debe impulsar menor cantidad de fluido, lo que significa un menor tamaño del compresor y también por supuesto un menor costo de operación.

7. Temperatura máxima alcanzada en el compresor. Esta tiene una relación muy estrecha con el ex-ponente adiabático o politrópico. Conviene que la temperatura máxima alcanzada en el compresor sea lo mas baja posible, para que el condensador tenga un tamaño pequeño. Además los fluidos frigoríficos que tienen temperaturas elevadas de salida del compresor presentan mayores proble-mas de formación de lodos y separación del aceite lubricante. La temperatura máxima alcanzada en el compresor tiene una relación muy estrecha con el exponente adiabático o politrópico. Cuanto mas elevado es el peso molecular tanto mas cercano a 1 resulta el exponente adiabático del gas y tanto menor resulta el valor de la temperatura máxima alcanzada en la descarga del compresor.

8. Entropía del vapor saturado. Esta debe permanecer constante o aumentar ligeramente con la pre-sión para que el fluido pueda entrar al condensador como un vapor húmedo o saturado. De este modo el condensador tiene menor tamaño, y presenta menor resistencia al flujo.

9. Miscibilidad del fluido frigorífico. El fluido se debe poder mezclar con el aceite lubricante en una amplia gama de valores, para que el aceite pueda ser arrastrado hacia el compresor y haya una lu-bricación efectiva, particularmente en equipos industriales que usan compresores recíprocos.

10. Viscosidad baja. El fluido frigorífico está en constante circulación. La viscosidad elevada produce mayores pérdidas por fricción en las tuberías y válvulas, que deben ser compensadas por el com-presor, que ve así incrementado su consumo de energía.

11. No toxicidad. Los fluidos frigoríficos no pueden ser tóxicos, para que no peligre la salud de los usua-rios en la eventualidad de una fuga accidental del fluido al exterior. Además no pueden ser conta-minantes del medio ambiente, ni se admite una toxicidad siquiera residual cuando están o pueden estar en contacto con alimentos.

12. Conductividad térmica. Conviene que el líquido tenga una gran conductividad térmica para que la operación del evaporador sea mas eficiente

13. Baja capacidad de corrosión. Cuanto mas inerte sea el fluido, tanto menor ataque produce en las partes críticas del compresor y del sistema.

14. Costo. El fluido debe ser económico y no debe ser explosivo. 15. Estabilidad. El fluido debe ser estable durante períodos prolongados.

Como solución de compromiso que aunque no satisface todas estas condiciones al menos satisface la ma-yor parte de las mismas, se encontraron tres sustancias: el amoníaco, el dióxido de azufre y el cloruro de metilo. Todos ellos son tóxicos, pero el amoníaco es el menos tóxico y todavía se continúa usando. El amoníaco seco resulta particularmente atractivo debido a su elevado calor latente, a su bajo costo y a que sólo requiere presiones moderadas. La presión en el evaporador está por encima de la presión atmos-férica en los ciclos de amoníaco seco que funcionan a temperaturas superiores a –28 ºF, o sea –33 ºC. No es corrosivo para las aleaciones ferrosas, aunque sí lo es para las aleaciones cuprosas, como el bronce y el latón, y en menor medida para el aluminio. Por ser una sustancia irritante muy activa para los ojos, pulmo-nes y nariz, tiene un nivel de riesgo de medio a alto. Además en dosis masivas es tóxico y también es in-flamable.



En el pasado se usaron derivados clorados de los hidrocarburos mas livianos, como el cloruro de metilo Debido a su toxicidad ya no se usa mas desde hace mas de cincuenta años. En su lugar se crearon otros derivados denominados cloro fluoro carburos, emparentados con el cloruro de metilo pero sin su elevada toxicidad. Creación de los CFC En la década de 1920 se produjeron una serie de accidentes graves y fatales por escapes de cloruro de metilo de tuberías en instalaciones frigoríficas que impulsaron un trabajo en el que participaron varias em-presas privadas para buscar fluidos alternativos. Este culmina en 1928 cuando la General Motors patentó el primer hidrocarburo halogenado (CFC o Cloro Fluoro Carburos, es decir, derivados clorados, bromados y florados de hidrocarburos) lo que permite la construcción de los primeros acondicionadores de aire en 1932. Sin los CFC los acondicionadores de aire no podrían funcionar a los costos actuales. Lamentablemente, la última propiedad de la lista anterior (número 14) es la responsable de una gran canti-dad de problemas atmosféricos. Los cloro fluoro carburos (CFC) son tan estables que cuando se descargan a la atmósfera las moléculas se difunden hasta la estratosfera donde son descompuestas por la radiación ultravioleta, liberando átomos de cloro que destruyen la capa de ozono. Esta destrucción del ozono es uno de los factores causantes del efecto invernadero que produce el recalentamiento global. Además la atmós-fera con menos ozono tiene menor capacidad para detener la radiación ultravioleta de alta energía (UV-B de 280 a 320 nm) que produce cáncer de piel y destruye los cultivos. Se ha descubierto que un solo átomo de cloro liberado en la alta atmósfera por los CFC puede destruir unas 100000 moléculas de ozono, como consecuencia de una serie de reacciones en cadena. La reacción está catalizada (entre otras sustancias químicas) por el bromo, razón por la cual los CFC que contienen bromo están en vías de desaparecer. Nomenclatura de los fluidos refrigerantes ¿Qué significado tienen los nombres de los refrigerantes?. Tomemos por ejemplo el R-11. La R está desig-nando obviamente a un refrigerante. Todos los refrigerantes contienen carbono y algunos pueden contener uno o mas halógenos: cloro, bromo o flúor. También pueden contener hidrógeno. De este modo, la fórmula general de los refrigerantes se puede escribir en forma condensada como sigue.

CxHyFzCln Regla del 90 La regla del 90 establece que se debe cumplir la siguiente relación.

x y + 90 = x y z En cuanto al valor de n se debe ajustar para que se cumplan las leyes de estructura química de estos com-puestos. Se puede demostrar fácilmente que:

n = 2(x+1) – y – z La forma de deducir la composición química de un refrigerante a partir de su nombre es la siguiente. Se aplica la regla del 90 al valor que sigue a la R del nombre; por ejemplo el R-11 nos da: 11+ 90=101, lo que significa que x = 1, y = 0, z = 1. La cantidad de átomos de cloro se calcula entonces de inmediato: n = 2(1+1) – 1 = 4 – 1 = 3. Finalmente, la fórmula química del R-11 es: C1F1Cl3 = CCl3F. Los fluidos comúnmente usados en las instalaciones grandes (mas de 50000 frigorías/hora) son el amonía-co y los CFC siendo mas usual el amoníaco. En instalaciones pequeñas y medianas se usan los CFC, que están cuestionados por ser perjudiciales para la capa de ozono. Los freones tienen temperaturas de ebulli-ción del mismo orden que el amoníaco pero permiten operar a presiones menores, con lo que el costo de operación baja debido al menor costo de compresión. El amoníaco es tóxico y corrosivo, pero es mas usa-do en la actualidad en instalaciones grandes. Los freones tienen varias ventajas sobre el amoníaco. No son tóxicos ni inflamables; por otro lado su costo es mayor. Se dividen según su composición química en cloro fluoro carburos (CFC), bromo fluoro carburos (BFC), hidro cloro fluoro carburos (HCFC) e hidro fluoro carburos (HFC). Los más agresivos para el medio ambiente son los CFC y BFC, de modo que su fabricación está prohibida en todo el mundo a partir del año 2004. Menor impacto tienen los HFC. Por ese motivo, su producción está permitida pero se limita el uso a partir del año 2004. Otros fluidos que se pueden seguir usando son mez-clas azeotrópicas de HCFC, como los refrigerantes R-400 y R-500 a R-504. Debido a los cuestionamientos que se hacen a los CFC y BFC, se puede usar otro gas de las mismas propiedades: el HFC-134a, quími-camente 1,1,1,2 tetra flúor etano (un HFC), llamado normalmente “freón 134” o R-134a, que no perjudica tanto la capa de ozono. El R-134a reemplaza al R-12. Fórmula química: CH2F–CF3. Sinónimos: 1,1,1,2-tetrafluoroetano, HFC-134a, Freon 134a, SUVA-134a, Genetron-134a, Forane-134a, KLEA-134a. Características físicas: se trata de un



gas que se encuentra líquido bajo presión moderada, incoloro, con un olor ligeramente etéreo. No inflama-ble. Peso molecular: 102.03. Punto normal de ebullición: –26.1 ºC = –15 ºF. Temperatura crítica: 101.1 ºC = 214 ºF. Presión crítica: 4.06 MPa = 589 psia. Aplicaciones típicas: refrigeración de media temperatura, aire acondicionado. Esto lo incluye dentro de la inmensa mayoría de las aplicaciones en electrodomésticos y de refrigeración de vehículos. Índice de riesgo o peligrosidad (índice Hazard Class): HC 2.2. En el Apéndice al final de este capítulo se encuentran gráficas de propiedades termodinámicas de algunos fluidos refrigerantes, tanto antiguos como de bajo impacto ambiental. La elección del fluido de trabajo depende de la temperatura que se desee obtener. Dentro de las temperatu-ras mas comunes (–5 a –40 °C) tenemos el amoníaco, el cloruro de metilo, varios freones, etano, etc. A temperaturas inferiores tenemos algunos freones, el propano etc. La primera y principal cualidad que debe tener el fluido frigorífico es que su temperatura de ebullición debe coincidir con la temperatura que se desea obtener en la cámara fría, o ser algo menor. El gráfico que vemos a continuación muestra las temperaturas de ebullición de algunos fluidos frigoríficos en función de la pre-sión.

En el extremo derecho de las curvas de algunos fluidos se observa una letra C que simboliza la posición del punto crítico. Si se analiza esta figura se deducen algunas conclusiones interesantes. Por ejemplo el dióxi-do de carbono tiene una presión de vapor mucho más alta para la misma temperatura que cualquiera de los freones y que el amoníaco, y su punto triple está situado a una temperatura relativamente elevada. Esto hace que sea poco atractivo como fluido frigorífico para bajas temperaturas, sin contar con que su presión operativa es demasiado alta. Esto es malo, porque significa que se necesitan equipos mas robustos para poder soportar la mayor presión y un mayor costo de compresión para el mismo efecto que usando otros fluidos. El siguiente gráfico muestra la curva de presión de vapor en función de la temperatura de ebullición de al-gunos fluidos.



El fluido debe tener además varias otras propiedades: a la temperatura de trabajo debe tener temperaturas de ebullición y condensación muy parecidas para no recargar el compresor, baja temperatura de sobreca-lentamiento de vapor durante la compresión, y una baja relación de calor específico sobre calor latente de ebullición.

A la izquierda observamos una gráfica de ca-lor latente en función de la temperatura para diversos fluidos frigoríficos comunes. De los fluidos comunes, el amoníaco por ejemplo presenta un calor latente muy alto y esto es lo que lo hace tan usado. Sin embargo no se puede comprimir con compresores centrífugos, lo que obliga a usar otros diseños. Con este fin se usan compresores de diversos diseños mecáni-cos, como compresores a tornillo. Para procesos de amoníaco o fluidos frigorí-ficos parecidos las temperaturas normales de evaporador y condensador son de –5 a –20 y de 10 a 30 °C respectivamente. Otros agentes frigoríficos usados en instalaciones industriales son el etano y el propano, así como derivados florados de los hidrocarbu-ros mas simples, como el HFC-134a, ya mencionado antes.

Desde el punto de vista histórico, el primer fluido frigorífico fue el éter etílico; la primera instalación frigorífica por compresión de vapor de éter etílico se puso en marcha en 1834. Mas tarde se reemplazó el éter etílico



(muy peligroso por ser altamente explosivo al comprimirlo) por éter metílico, que también plantea diversos problemas de seguridad, y luego por anhídrido sulfuroso (dióxido de azufre); no obstante, este último es muy tóxico. En 1874 el ingeniero alemán R. Linde (conocido por ser el creador del proceso de licuación del aire llamado con su nombre) creó la primera instalación frigorífica por compresión de amoníaco. Si bien el amoníaco es tóxico, no lo es tanto como el dióxido de azufre y es mucho mas eficiente como fluido frigorífico. En 1884 Linde inventó el proceso frigorífico por compresión de dióxido de carbono o anhídrido carbónico. Ese fluido ha caído en desuso debido a su menor calidad como agente frigorífico, pero el proceso Linde se sigue usando en la actualidad para producir anhídrido carbónico sólido, también llamado nieve carbónica. Supongamos tener una instalación que opera entre las temperaturas de 30 °C y –15 °C para una potencia frigorífica de 3330 Kcal por hora. La siguiente tabla permite comparar algunos fluidos frigoríficos en esta instalación.

Fluido frigorífico cef Caudal de fluido [Kg/hr] Dióxido de carbono 2.56 96.0 Amoníaco 4.85 11.2 Freon 12 4.72 106.8 HFC-134a 4.62 94.2 Anhídrido sulfuroso 4.74 39.4 Cloruro de metilo 4.67 39.6 Propano 4.88 44.9

Para comparar los distintos fluidos tenemos dos variables: el cef y el caudal de masa requerido. El cef del ciclo de Carnot equivalente es 5.74, y el fluido que mas se acerca al máximo teórico es el propano, pero el amoníaco tiene un caudal menor, lo que lo hace preferible ya que los costos iniciales son mas bajos debido a que se necesita menor cantidad de fluido. Además, si bien ambos son inflamables el propano es mas riesgoso que el amoníaco, ya que es mucho mas inflamable, si bien no es tóxico. El caudal horario entregado por un compresor alternativo se puede obtener fácilmente de las dimensiones del cilindro. Así para compresores de una sola etapa, siendo d el diámetro, N la velocidad en rpm y c la ca-rrera tenemos: V = / d N c = . d N cV

2V

2η π η( )4 60 47 12 (10-6) Ejemplo 10.1 Cálculo de un equipo frigorífico. Calcular el equipo refrigerante a vapor de amoníaco para un consumo de 100000 frigorías/hora operando con temperatura del evaporador de –10 °C y del condensador de 25 °C con un compresor alternativo de una etapa (simple efecto). Solución

En un diagrama T-S del NH3 trazamos el recorrido del ciclo. El calor absorbido por el NH3 en la cá-mara es:

Q1 = = 298 7 28 1 270 6. . .− frig./ hr.

El trabajo entregado por el compresor: W = =340.5 298.7 41.8− frig./ hr. El calor cedido al condensador es:

Q

2 = = ==

270.6 + 41.8 340.5 28.1

312.4

−frig./ hr.

El coeficiente de eficiencia frigorífica cef es:

cef = =270 6418

6 47.

..

Comparando con el ciclo de Carnot, el cef de Carnot es:

cefCarnot = =263298 263

7 51−

.

El cociente de cef del ciclo real sobre el de Carnot es:

7

• El refrigerante debe tener una presión razonable, preferentemente un poco más alta que la presión atmosférica a la temperatura requerida que debe mantenerse en el evaporador. • Para evitar un pesado diseño de la planta de refrigeración la presión a la que corresponda una condensación normal no debe ser demasiado alta. • Se requiere en el refrigerante un calor de evaporación relativamente alto para que la transmisión de calor se lleve a cabo con el mínimo posible de refrigerante en circulación. • El vapor no debe tener un volumen específico demasiado alto puesto que esto es determinante de la carrera del compresor a una determinada producción de frío. • El refrigerante necesariamente ha de ser estable a las temperaturas y presiones normales en una planta de refrigeración. • El refrigerante no debe ser corrosivo y necesariamente tanto en forma líquida o vapor no atacará a los materiales normales de diseño en una planta frigorífica. • El refrigerante necesariamente no debe destruir al aceite de lubricación. El refrigerante necesariamente ha de ser fácil de adquirir y manipular. Refrigerantes fluorados Los refrigerantes fluorados siempre llevan la designación "R" seguido de un número, por ejemplo: R134a, R404A, R510, etc. Muy a menudo también se emplean sus nombres comerciales. Los refrigerantes fluorados todos tienen las siguientes características: • Vapor sin olor y no es irritante. No son venenosos, excepto en presencia del fuego pueden dar ácido.• No son corrosivos. • No son inflamables ni explosivos. Los refrigerantes fluorados más comunes son: R407C y R410, Es el que más se usa en instalaciones de Aire Acondicionado y bombas de calor. R134a normalmente se usa en pequeñas plantas de refrigeración a causa de entre otras cosas, que calor de evaporación de la cantidad de refrigerante en circulación es relativamente pequeño. R404a, Es el refrigerante que se usa en plantas de congelación donde se necesitan más bajas temperaturas. Además de estos refrigerantes fluorados, hay una larga serie de otros que no se ven a menudo hoy: R23, R417, R508a, etc. Amoniaco NH3. El amoniaco NH3 es usado normalmente en grandes plantas de refrigeración. Su punto de ebullición es de -33°C. El amoniaco tiene un olor característico incluso en pequeñas concentraciones con el aire. No arde, pero es explosivo cuando se mezcla con el aire en un porcentaje en volumen de 13-28. Es corrosivo el cobre y aleaciones de cobre no se pueden emplear en plantas de amoniaco. Refrigerantes secundarios Como medio de la transmisión del calor del evaporador a su alrededor se emplean los llamados "refrigerantes secundarios". Se puede usar por ejemplo: agua, salmuera y aire.

1. Ciclo de Refrigeración por Compresión de Vapor Considere un sistema de refrigeración que opera en un ciclo ideal con R-134a, como fluido de trabajo y opera en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor con una temperatura en el evaporador de 5 ºF y una temperatura de salida en el condensador de 110 ºF. Si el rendimiento adiabático del compresor es de 80%. El flujo másico del refrigerante es 5 lbm/min. Determine: a. Potencia real suministrada al compresor en hp. b. Tasa de remoción de calor del espacio refrigerado en toneladas. c. Coeficiente de funcionamiento d. Desplazamiento efectivo, en pie3/min Suposiciones: Existen condiciones estables de operación y los cambios en la energía cinética y potencial son despreciables. El esquema y diagrama (T-s y P-h) para un ciclo simple ideal por compresión de vapor es el siguiente:

Mauricio

Sello

Mauricio

Sello

Mauricio

Cuadro de texto

Calculo de un equipo frigorifico

Mauricio

Sello

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Datos; R -134a Se especifican los datos que nos proporciona el ejercicio en la tabla siguiente. Debido a que el análisis a realizar en el ciclo es energético, se procede a determinar los valores de entalpía en cada punto del ciclo según lo planteado teóricamente.

Se debe encontrar la entalpía 1: En la tabla de R-134a, como fluido de trabajo en estado de vapor

saturado, se busca el valor de hg a la temperatura de 5ºF, y a su vez la Sg. Se desea conocer la h2, en la tabla de R-134a, como fluido de trabajo en estado de vapor

sobrecalentado, con dos propiedades pero solo se conoce la S1 = S2= 0.2219, estaría faltando otra propiedad que permita ubicar en las tablas el valor de la entalpía h2, al estudiar el diagrama Presión-entalpía, se reconoce que P2 = P3, la cual se ubica en la tabla de saturación a T3 = 110ºF, Cuyo valor es de P3 = 161.04 Psia, ahora en la tabla de vapor sobrecalentado se ubica h2, para lo que es necesario interpolar:

Para presión de 160 Psia

Donde Y= h2 a 160 Psia; h2=119.47 Btu/lbm

Para presión de 180 Psia

Donde Y= h2 a 180 Psia; h2=120.54 Btu/lbm

ITEM Estado P (Psia) T ºF h (Btu/lbm) S (Btu/lbmR) Vf (ft3/lbm)

1 Vapor Sat 5 102.47 0.2219 1.9208

2 Vapor Sob. 161.04 119.55 0.2219

3 Líqui.Sat 161.04 110 47.81

4 Mezcla 5 47.81

h (Btu/lbm) S(Btu/lbm R) 118.89 0.2209

Y=? 0.2219 124.41 0.2303

h (Btu/lbm) S(Btu/lbm R) 117.41 0.2166

Y=? 0.2219 123.21 0.2264

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Ahora para presión de 161.64 Psia, se interpola entre los valores obtenidos anteriormente,

Donde Y= h2 a 161.64 Psia; h2=119.55 Btu/lbm

Para ubicar la h3: En la tabla de R-134a, como fluido de trabajo en estado de líquido saturado, se

busca el valor de hf = h3 a la temperatura de 110 ºF. Y analizando el diagrama Presión – entalpía, se observa que la h3 = h4, debido a que en la válvula de estrangulamiento existe un proceso isoentálpico. a) Para determinar la potencia real de compresión, se plantea conseguir la potencia ideal y con la eficiencia proporcionada como dato, se calcula la potencia real. Se realiza el balance de energía en el compresor

Entonces:

Se plantea la ecuación de eficiencia adiabática del compresor y se resuelve calculando la potencia real del compresor.

b) La Tasa de remoción de calor del espacio refrigerado en toneladas, es la capacidad de refrigeración que se obtiene determinado la cantidad de calor absorbido por el evaporador (efecto refrigerante).

Entonces;

c) Para determinar el COP es necesario aclarar que debido a que ya se determinó la potencia real de compresión el COP a determinar se tomará en cuenta este valor.

P (Psia) h (Btu/lbm) 160 119.47

161.64 Y=? 180 120.54

(119.55 Btu/lbm – 102.47 Btu/lbm) * 5 lbm/min

85.4 Btu/min

85.4 Btu/min 0.80

106.75 Btu/min * 0.02356 hp = 2.51 hp 1 Btu/min

(102.47 Btu/lbm - 47.81 Btu/lbm) * 5 lbm/min

273.3 Btu/min * 1 tonref = 1.36 tonref 200 Btu/min

273.3 Btu/min = 2.56 106.75 Btu/min



86.051.7

47.6==

Carnot

real

cef

cef

La cantidad de NH3 necesaria la calculamos del cociente de la capacidad del equipo sobre el calor absorbi-do en la cámara:

amoníacodeKg/hora370

Kg

frigorías 6.270

hora

frigorías 100000

=

El rendimiento isentrópico del compresor es:

73.097.2

22.10038.086.0038.086.0 =−=−=

1

2S P

Pη

Entonces la potencia del compresor será:

Potencia teórica: CV5.24

CV

hora

Kcal

633

Kg

frig.8.41

hora

Kg370

=

×

La potencia real es: Pot. realPot. teórica

CV= = =ηS

24 50 73

33 5.

..

En consecuencia, el rendimiento de la potencia instalada será:

horaCV

frigorías4000

CV25

hora

frig. 100000

−=

Este rendimiento es un poco bajo; en realidad, probablemente el compresor debiera ser de dos etapas. Del diagrama entrópico del NH3 obtenemos al inicio de la compresión (P = 2.97 Kgf/cm2, T = 263 °K, x = 1) que el volumen específico es: v = 0.418 m3/Kg. Por lo tanto el caudal horario que debe manejar el compresor es:

V = 370 Kg/hora×0.418 m3/Kg = 154.66 m3/hora De donde:

83.044.305.00.197.2

22.1005.00.105.00.1 =×−=−=−=

1

2V P

Pη

Adoptamos c/d = 1.2, N = 320 rpm y obtenemos de la (10-6):

mm 2172.1320 83.012.47

66.154=

×××=d

Por lo tanto c = 261 mm y el compresor tiene dimensiones razonables. Ejemplo 10. 2 Cálculo de un equipo frigorífico. Un sistema de refrigeración por compresión de vapor emplea Freón-12 con un caudal másico de 6 Kg/min. El refrigerante entra en el compresor como vapor saturado a 1,5 bar, y sale a 7 bar. El rendimiento isentró-pico del compresor es del 70 %. El fluido abandona el condensador como líquido saturado. La temperatura de la cámara es de –10 °C, y la del ambiente 22 °C. No hay pérdidas de calor ni de presión en el circuito de refrigerante. Se pide: a) Representar el proceso en los diagramas termodinámicos T-S y P-H. b) Calcular el máximo coeficiente de eficiencia frigorífica de un equipo que opere entre estas dos fuentes. c) Calcular el coeficiente de eficiencia frigorífica real de este ciclo. d) Calcular la capacidad de refrigeración, en Kw. e) Calcular el rendimiento exergético de la instalación. Solución

Mauricio

Sello

Mauricio

Sello



El diagrama de flujo del sistema es el que vemos a continuación.

a) Los diagramas termodinámicos T-S y P-H se pueden observar a continuación.

Las propiedades termodinámicas que corresponden a cada punto en los diagramas anteriores se muestran en la siguiente tabla. Los valores que definen el estado de cada punto se ven en negrita. Se obtuvieron de la gráfica de propiedades del R-12 que figura en el Apéndice al final de este capítulo.

Estado P [KPa] T [°C] h [KJ/Kg] s [KJ/Kg K] x [adimensional] 1 150 –20.1 179.07 0.7103 1 2s 700 206.24 0.7103 - 2 700 217.88 - 3 700 27.7 62.24 0 4 150 –20.1 62.24

b) El coeficiente de eficiencia frigorífica máximo para este sistema se calcula suponiendo un comportamien-to de máquina de Carnot reversible, de modo que obtenemos:

( ) 22.832

263

1022

263==

−−=Carnotcef

c) El coeficiente de eficiencia frigorífica real de este ciclo se calcula a partir de los datos de la tabla.

01.307.79188.217

24.6207.791=

−

−=

−

−==

12

412

hh

hh

W

Q&

&cef

d) La capacidad de refrigeración, en Kw se puede calcular a partir del balance de energía en el evaporador. Puesto que el calor tomado en la fuente fría debe ser igual a la variación del contenido de energía del fluido frigorífico, tenemos la siguiente igualdad.

( ) ( ) KW68.11seg

KJ68.1124.6207.791

60

6==−=−= 412 hhmQ &&

e) El rendimiento exergético de la instalación se calcula haciendo el cociente de las exergías obtenidas (que dependen del calor que cede la fuente fría en la cámara fría) sobre las exergías consumidas, que equivalen al trabajo del compresor. Es decir:

W

Bqexη &

&=



En cuanto a las exergías obtenidas, se obtienen tomando en cuenta el intercambio de calor. Recordemos que se trató esta cuestión en el apartado 5.14.2 del capítulo 5. Allí obtuvimos la ecuación (5-51) que nos permite calcular la exergía del calor.

−=−=2

122

2

12q T

TQQ

T

TQB 1&&&&

En consecuencia, reemplazando tenemos:

366.0263

295101.31

1

=−=−

−

=

=2

12

12

ex T

T

W

T

TQ

η cef&

&

Es decir que el rendimiento exergético es el 36.6%.

Ejemplo 10.3 Cálculo de un equipo frigorífico. Un proceso frigorífico por compresión que usa HFC-134a requiere eliminar 100000 frigorías por hora de la cámara fría, cuya temperatura debe ser de –10 ºC. La temperatura del condensador (fuente cálida) es de 25 ºC. Determinar la potencia del compresor, el caudal de masa de fluido refrigerante que circula por unidad de tiempo y el coeficiente de efecto frigorífico. Comparar con los resultados del ejemplo anterior. Solución La carga de calor a eliminar en unidades SI equivale a 116300 J/seg. Las temperaturas absolutas son: tem-peratura de salida del condensador = 298 ºK; temperatura operativa del evaporador = 263 ºK. En el diagra-ma de propiedades termodinámicas del HFC-134a que encontramos en el Apéndice al final de este capítulo se ubican los puntos siguientes: 1 al ingreso al compresor. 2 a la salida del compresor e ingreso al conden-sador. 3 a la salida del condensador e ingreso a la válvula expansora, y 4 a la salida de la válvula expanso-ra e ingreso al evaporador. Las propiedades de interés para el cálculo en esos puntos son las siguientes.

Punto Temperatura [ºK] Presión [Pa] Entalpía [J/Kg] Título [%] 1 263 200601 392866 0 2 303 666063 417455.7 0 3 298 666063 234643 0 4 263 200601 234643 23.24

Calculamos la potencia requerida del compresor, obteniendo 18.1 KW, lo que equivale a 24.2 HP. La canti-dad de calor extraída en el condensador es: 134373.3 J/seg. El coeficiente de efecto frigorífico cef es: 6.435. El caudal de masa de HFC-134a es: 0.735 Kg/seg. Comparando el comportamiento del equipo actual que usa refrigerante HFC-134a con el del equipo del ejemplo anterior, que para la misma carga calórica operaba con amoníaco, notamos que el cef obtenido es menor en el caso actual (6.345) comparado con el cef del equipo que funciona con amoníaco que vale 6.47. El caudal de masa de amoníaco que circula es del orden de 0.1 Kg/seg comparado con el caudal de 0.735 Kg/seg de refrigerante HFC-134a, siendo además que este último es mucho mas caro. El consumo de energía en el equipo que opera con refrigerante HFC-134a es algo menor (24.2 HP) comparado con el del que opera con amoníaco, que es del orden de 24.5, ambos en base teórica, sin considerar rendimientos del compresor. 10.2.2 Efecto de disminuir la temperatura operativa del condensador ¿Qué efecto tiene la disminución de la temperatura operativa del condensador?. Es fácil ver en la segunda figura del apartado 10.2 que si esta temperatura disminuye, el punto c se desplazará hacia la izquierda, y en consecuencia también lo hace el punto d, que se encuentra sobre la isoterma inferior, dando como resul-tado un título menor o sea menor proporción de vapor y mayor de líquido. Esto es beneficioso porque cuan-to mayor sea la proporción de líquido tanto mayor será la cantidad de calor absorbida por el fluido refrige-rante en la cámara fría. Operativamente es posible disminuir la temperatura del condensador de tres maneras. Una es mediante un fluido de enfriamiento de menor temperatura. Por ejemplo en un condensador de aire es posible obtener una menor temperatura de funcionamiento si se puede usar agua, que por lo general está disponible a me-nor temperatura que el aire atmosférico. La segunda forma es limpiar mas a menudo el condensador. El uso lo ensucia gradualmente. Esto es inevi-table, pero si se limpia con frecuencia el efecto del ensuciamiento se hace menor. Por último, la tercera forma es agrandando el condensador. Al haber mayor superficie de intercambio, el grado de enfriamiento es mayor y baja la temperatura de salida del condensador.



Ejemplo 10.4 Cálculo de un equipo frigorífico. Un proceso frigorífico por compresión que usa HFC-134a requiere eliminar 100000 frigorías por hora de la cámara fría, cuya temperatura debe ser de –10 ºC. La temperatura del condensador (fuente cálida) es de 25 ºC. Debido a una combinación de limpieza mas frecuente y una menor temperatura del fluido de enfriamien-to el condensador opera a 20 ºC (5 ºC menos que antes). Determinar la potencia del compresor, el caudal de masa de fluido refrigerante que circula por unidad de tiempo y el coeficiente de efecto frigorífico. Compa-rar los resultados con los del ejemplo anterior. Solución La carga de calor es la misma que en el punto anterior, pero la temperatura del condensador se modifica a 278 ºK. En el diagrama de propiedades termodinámicas del HFC-134a que encontramos en el Apéndice al final de este capítulo se ubican los puntos igual que antes obteniendo los siguientes valores.


La entalpía de la mezcla líquido-vapor a la salida de la válvula de estrangulación se modifica disminuyendo coincidentemente, lo que resulta en una mayor capacidad de enfriamiento. Esto significa que se necesita menor caudal de fluido frigorífico, y como consecuencia el compresor es mas chico, consumiendo menor cantidad de energía: 15.2 KW, o sea un 16% menos. Esto es consecuencia del menor caudal de masa de HFC-134a que circula: 0.703 Kg/seg. El coeficiente de efecto frigorífico aumenta: 7.667. Note que se ha disminuido el consumo de energía del equipo, lo que se refleja en un cef mas alto. También notamos que el título del fluido (expresado como masa de vapor sobre masa total) a la salida de la válvula es menor, lo que es lógico ya que el punto 4 se encuentra desplazado hacia la izquierda. El equipo funciona mejor con la misma temperatura de cámara fría. 10.2.3 Efecto de subenfriar el líquido

Como es sabido, la estrangulación del líquido que sale del condensador genera una pérdida de capacidad frigorífica por-que la estrangulación, por ser un proceso isentálpico produce una mezcla de líquido y vapor de la que sólo el líquido es utili-zable para extraer calor de la cámara fría. El vapor en cambio se comporta a los efectos prácticos como un fluido inerte, por-que la extracción de calor en la cámara fría se produce gra-cias a la evaporación del líquido. Una manera de compensar esta disminución es subenfriar el líquido en el condensador. Esto significa que en vez de salir del condensador en el esta-do saturado (condición c) lo hace como líquido subenfriado (condición c’) en el croquis. Siempre que sea posible, es me-jor subenfriar el líquido en el condensador, porque aumenta el coeficiente de efecto frigorífico y disminuye la cantidad de flui-do refrigerante que circula. Esto también influye sobre la po-tencia del compresor, ya que al circular menos fluido este re-sulta un poco mas chico. La ilustración muestra un ejemplo del gráfico T-S para una instalación frigorífica de este tipo.

El líquido sale del condensador en la condición c’, de modo que el punto d se encuentra mas a la izquierda, y el salto de entalpía en el evaporador es mayor para la misma masa de fluido frigorífico. Ejemplo 10.5 Cálculo de un equipo frigorífico. Un proceso frigorífico por compresión que usa HFC-134a requiere sacar 100000 frigorías por hora de la cámara fría, cuya temperatura debe ser de –10 ºC. La temperatura del condensador (fuente cálida) es de 25 ºC. Se subenfría el fluido desde 25 a 20 ºC. Comparar los resultados con los del ejemplo anterior. Solución La carga de calor es la misma que en el ejemplo anterior, pero subenfriando el fluido de 25 a 20 ºC. Ubica-mos los puntos en el diagrama igual que antes, obteniendo los siguientes valores.


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Sello

ANALISIS TERMODINAMICO DE UNA NEVERA (REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR)

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Fabianett Salas Ibarra T00021640. Ingenieria Mecánica. Universidad Tecnologica de Bolívar.

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1. Introducción

El sistema de ciclo inverso es aquel que absorbe calor de un cuerpo frío (relativamente) para cederlo a otro más caliente, sin violar la segunda ley, pero por virtud de un trabajo de entrada. Además de su bien conocido empleo en la preservación de alimentos, en la producción de hielo y en los sistemas de aire acondicionado que nos alivian del calor durante el verano, el ciclo inverso frigorífico o de refrigeración tiene muchas otras aplicaciones industriales, como en la elaboración del "caucho frío" (para mejorar su resistencia al desgaste), en los procesos de refinación del petróleo, en el tratamiento térmico del acero, en la fabricación de productos químicos y en la licuefacción de gases que se utilizan cada vez más para fines industriales y energéticos. Existen tantas aplicaciones y tanto trabajo desarrollado a muy bajas temperaturas, que esa área de la ciencia ha recibido el nombre específico de criogenia.

2. Ciclo ideal de Refrigeración por compresión de vapor.

1-2 Compresión isentropicas de un compresor. 2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador. 3-4Estrangulamiento en un dispositivo de expansión.


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4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador. El refrigerante circula en una instalación frigorífica de compresión en un ciclo cerrado con las siguientes cuatro estaciones: Evaporación 1 Compresión 2 Condensación 3 Expansión 4 La generación de frío se produce en el evaporador (1). La evaporación se produce con presiones y temperaturas bajas. El refrigerante absorbe calor del entorno, enfriándolo de este modo. El vapor refrigerante todavía frío es aspirado por un compresor (2) y mediante la utilización de energía mecánica se aumenta su presión. A través de la compresión, el vapor refrigerante se calienta. El vapor refrigerante caliente se enfría en un condensador (3) y se condensa bajo la emisión de calor en el entorno. Después, el refrigerante líquido bajo presión se expande de nuevo en un elemento de expansión (4) con la baja presión de evaporación y se conduce al

evaporador. El refrigerante se vuelve a evaporar y se finaliza así el ciclo.

Con fluidos de trabajo que, como el agua o el refrigerante, pueden aparecer en diversas fases, el diagrama T-s presenta otro aspecto. En la parte izquierda aparece un área con el fluido de trabajo líquido y subenfriado. En el centro existe una mezcla de vapor y líquido, el vapor húmedo. A su derecha aparece el fluido de trabajo en forma de vapor y sobrecalentado.


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También el ciclo frigorífico con sus típicas transiciones de fase se puede representar en este diagrama T-s. El proceso es muy similar al conocido proceso motriz de vapor. La mayor diferencia es que el ciclo circula en el sentido contrario a las agujas del reloj. De este modo, los procesos de evaporación y condensación así como de estrangulación (expansión) y compresión (bombeo) cambian sus posiciones. La superficie cerrada corresponde al trabajo del compresor que se añade al ciclo. El ciclo ideal Un ciclo se puede representar claramente en el diagrama T-s. La temperatura T del fluido de trabajo se traza sobre la entropía s. La superficie cerrada de los

cambios de estado del fluido de trabajo corresponde al trabajo realizado en el ciclo. El ciclo con el rendimiento más alta posible es el ciclo de Carnot. En este caso, la superficie cerrada es un rectángulo. Este ciclo se utiliza como proceso de referencia para describir la calidad de un ciclo. El sentido de rotación del ciclo en el diagrama T-s decide si se trata de un proceso de bomba de calor (ciclo frigorífico) o de un proceso de máquina motriz (ciclo de vapor). Los ciclos frigoríficos circulan en el sentido contrario a las agujas del reloj y el trabajo representado por la superficie verde se añade al ciclo.


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3. Ciclo real de Refrigeración por compresión de vapor.

Este ciclo es muy similar al ideal, pero con irreversibilidades debido a fricción del fluido y la transferencia de calor hacia y desde los alrededores.

4. Refrigerantes

4.1. Los refrigerantes son preferentemente no tóxicos, de manera que en caso de alguna fuga nadie está en peligro de resultar lesionado. Este atributo es de primordial importancia, por ejemplo, en los sistemas de aire acondicionado y en los refrigeradores domésticos, pero los refrigerantes

tóxicos son admisibles en instalaciones industriales o comerciales, donde es imprescindible que se tomen las precauciones necesarias. Los Carrenos, Freones (nombres comerciales) y el dióxido de carbono no acarrean consecuencias tóxicas, a menos que existan en tal cantidad que resulte una deficiencia de oxígeno, pero los demás de dicha tabla VI sí tienen este inconveniente, en mayor o menor grado. El cloruro de metilo no es sólo tóxico, sino que prácticamente también carece de olor; dichas sustancias de trabajo deben contener -un agente indicador (por ejemplo, acroleína, que es irritante para los ojos y la nariz).

4. 2. Los refrigerantes serán económicos, tanto en su costo inicial como en su mantenimiento. Entre los problemas que se requieren para mantenerIos se incluyen: control de fugas (hay menos problemas en el caso de escapes de sustancias con moléculas grandes que con el de pequeñas); lubricación adecuada (el refrigerante no debe reaccionar con el aceite lubricante destruyendo sus cualidades de lubricación); corrosión (el


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refrigerante no debe corroer los materiales con los cuales esté en contacto). Además el refrigerante debe estar fácilmente disponible para reaprovisionar el sistema cuando sea necesario.

4.3. Los refrigerantes deben ser no inflamables. Diversos hidrocarburos han sido y siguen empleándose como refrigerantes, como son el butano y el propano. Estos y algunos más (amoniaco, cloruro de metilo, etc.) constituyen un riesgo de incendios y explosiones. Los demás refrigerantes de la tabla son no inflamables.

4.4. Los refrigerantes probablemente poseen entalpia (o calor latente) mayor a la temperatura del evaporador (ver figura 3/2), así como bajo volumen específico. El tipo y tamaño del compresor es función de estas características físicas. Si la entalpia es elevada, se obtiene mayor efecto frigorífico por unidad de masa de refrigerante en circulación; si, además, el volumen específico resulta bajo, el volumen de sustancia que debe hacerse circular -y, por lo tanto, el tamaño del compresor y de los conductos- es pequeño. Observemos que cuando el

volumen de desplazamiento ideal VD es también pequeño, resulta factible utilizar compresores de movimiento alternativo; cuando VD es grande (Carreno 1, Freón 11 y Freón 113), los compresores centrífugos, que pueden marchar a gran velocidad, se vuelven necesarios.

4.5. Los refrigerantes deben tener bajas presiones de saturación a las temperaturas normales de Funcionamiento. El costo de diseño, fabricación y funcionamiento interviene también. La alta presión para el caz, que además origina un bajo cap, significa las partes pesadas y tubos de pared gruesa. Además es preferible que la presión de saturación a la temperatura del evaporador sea mayor que la presión atmosférica a fin de evitar entradas (o infiltración) de aire en el sistema. Con los modernos y mejores selladores y empaquetaduras para ejes, esto no constituye un serio problema, como sucedía antes.

4.6. Aunque los anteriores atributos son quizá los más significativos, existen algunos otros que son deseables: buena conductividad térmica (para una


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rápida transferencia del calor), capacidad de mojadura, no reactividad o inercia química (el refrigerante no debe reaccionar de ninguna manera con los materiales que toca), estabilidad (el refrigerante no debe descomponerse en materia con moléculas más pequeñas), viscosidad baja (para facilitar su escurrimiento o flujo), elevada temperatura crítica y un alto poder dieléctrico (en las unidades herméticamente selladas, donde el refrigerante se pone en contacto con los motores). Además el refrigerante no debe solidificarse a ninguna temperatura en el ciclo.

5. Descripción del ciclo

Este ciclo aprovecha la entalpia de transformación de las sustancias al cambiar de fase líquida a fase de vapor.

En la figura podemos ver las partes que componen un refrigerador sencillo: el evaporador, lo que corresponde al congelador o hielera en un refrigerador doméstico; el condensador-enfriador, que es un serpentín con tubos con aletas ubicado en la parte posterior; el

compresor que es un aparato cilíndrico que se ubica normalmente en la parte inferior de refrigerador y la válvula de expansión que es un tubo capilar.


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6. Análisis Termodinámico de la Nevera

6.1. Información acerca de la

nevera. Datos encontrados Refrigerante=134ª Eficiencia del compresor=87% Capacidad neta total=150Lt

6.2. Datos Tomados de tablas.

P (Psia) h(BTU/Lb) t (F)

1 40 107,26 22

2s 160 166,04 300

2 160 166,06 310

3 130 43,584 50

4 - 43,584 -

6.3. Formulas que se usaran

Para encontrar el calor que debe ser extraído de los productos que se guardaran en el conservador.

Para encontrar la cantidad de calor que se extraerá en los productos guardados en el congelador se usaran las siguientes ecuaciones junto con la anterior.

Pero este Cp será diferente al de la ecuación uno porque este para cuando el producto esta congelado y el anterior para antes de congelar. La siguiente ecuación podrá ser usada para el análisis del condensador y evaporador.

De la siguiente ecuación despejamos el valor del trabajo real.


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6.4. Calores extraídos del conservador y congelador respectivamente

Alimento Cp

(BTU/Lb*F) m (Lb) t(dias) Tconservacion(F) Tambiente

(F) Q (BTU/24 horas)

Naranja 0,91 15,428 15 50 75 23,3991333

Durazno 0,91 6,612 15 50 75 10,0282

Toronja 0,91 6,612 7 50 75 21,489

Lechuga 0,9 4,408 15 55 77 5,81856

Piña 0,9 6,612 15 55 77 8,72784

Platano 0,9 11,02 15 60 80 13,224

Mantequilla 0,6 2,204 30 68 110 1,85136

Leche 0,9 6,612 15 45 90 17,8524

Manzana 0,89 8,816 15 55 77 11,507819

Melon 0,91 8,816 7 55 77 25,21376

Zanahoria 0,93 11,02 15 60 80 13,6648

Tomate 0,92 11,02 15 55 77 14,869653

Pera 0,91 5,51 7 50 75 17,9075

Huevo 0,85 4,408 15 60 100 9,99146667

Aguacate 0,91 2,204 7 55 77 6,30344

Queso 0,64 2,204 15 65 104 3,667456

Qtotal 205,516388


2012


11

Alimento

Cp1 (BTU/Lb*F)

Cp2 (BTU/Lb*F)

h (BTU/Lb)

Tamb. (F)

Tcong (F)

Tsubcong (F)

m (Lb)

n (dias)

Q1 (BTU/24 horas)

Q2 (BTU/24 horas)

Q3 (BTU/24 horas)

Qtotal (BTU/24 horas)

Sachichas

0,68 0,38 86,5 43 31,3 -3 1,102

5 1,7535024

19,0646 2,8726936

23,690796

Jamon

0,68 0,38 86,5 43 31,3 -3 8,816

15 4,6760064

50,838933

7,6605163

63,175456

Higado

0,75 0,42 103 40 30 -2 8,816

15 4,408 60,53653333

7,899136

72,84366933

Pollo

0,19 0,37 106 42 27 -3 13,224

15 2,51256 93,4496 9,78576 105,74792

Res 0,75 0,4 98 50 31,3 -5 15,428

15 14,42518

100,79627

14,934304

130,15575

Cerdo

0,68 0,38 86,5 43 27 -2 6,612

15 4,795904

38,1292 4,857616

47,78272

Q total =

443,396312

6.5. Análisis de cada dispositivo


2012


12

Evaporador

Usando la ecuación 4 mencionada anteriormente, despejamos el flujo másico del refrigerante que circula en el ciclo.

Capacidad de refrigeración

Condensador

Con ecuación 4 encontramos el calor cedido al ambiente por el condensador.

Compresor

De la ecuación 6

COP

Real

Ideal


2012


13

Conclusiones

Se comprobó que el COP ideal es mayor al real, para la realización de este proyecto de investigación tomamos información de las especificaciones de la nevera, información de técnicos especializados en esta area y se determino hacer este sencillo análisis sin tener en cuenta la ganancia de carga por paredes, por cambio de aire y por cargas varias; para este análisis solo tuvimos en cuenta la carga de los productos que se refrigeran en la nevera. Y luego de realizar esta experiencia se puede que concluir que es necesario el estudio de termodinámica para realizar este tipo de análisis y nos queda como tarea ahondar más en estos conocimientos para que la próxima vez se realice un análisis más completo y exacto.

Referencias bibliográficas

ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/008/y5771s/y5771s00.pdf

http://www.inn.gob.ve/modules.php?name=News&file=article&sid=1163

Principios de Refrigeracion. Roy j. Dossat.

http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/Curiosid2/rc-93/rc-93.htm

Termodinamica. Yunus A. Cengel. 6 Edicion









261

MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS

U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS

GLOSARIO

Adiabática, compresión: Compresión de gas refrigerante, sin quitarle niagregarle calor.

Ambiente: Condiciones circundantes.

Aspiración: Movimiento producido en un fluido por succión.

Bar: Unidad de presión absoluta. Un bar equivale a 100 kPa (0.9869atmósferas).

Bomba: Cualquiera de las diferentes máquinas que impulsan un gas oun líquido o lo atraen de algo, por succión o por presión.

Caída de presión: Diferencia de presión en dos extremos de un circuitoo parte de un circuito. Cualquier pérdida de presión en la línea debidoa la fricción del fluido, o a una restricción en la línea.

Calor: Forma de energía que actúa sobre las sustancias para elevar sutemperatura; energía asociada con el movimiento al azar de las moléculas.

Calor de compresión: Efecto de calefacción que se lleva a cabo cuandose comprime un gas. Energía mecánica de la presión, convertida a energíacalorífica.

Calor de fusión: Calor requerido por una sustancia, para cambiar delestado sólido al estado líquido, a una temperatura constante.

Calor específico: Relación de la cantidad de calor requerido, paraaumentar o disminuir la temperatura de una sustancia en 1 ºC, comparadocon la que se requiere para aumentar o disminuir la temperatura de unamasa igual de agua en 1 ºC. Se expresa como una fracción decimal.

Calor latente: Cantidad de energía calorífica requerida para efectuar uncambio de estado (fusión, evaporación, solidificación) de una sustancia,sin cambio en la temperatura o presión.

Calor latente de condensación: Cantidad de calor liberada por un kg deuna sustancia para cambiar su estado de vapor a líquido.

Calor latente de evaporación: Cantidad de calor requerido por un kg desustancia, para cambiar su estado de líquido a vapor.

Calor sensible: Calor que causa un cambio de temperatura en unasustancia, sin que cambie de estado.

Calor total: Suma del calor sensible y del calor latente.

Caloría: Unidad para medir el calor en el sistema métrico. Equivale a lacantidad de calor que se requiere, para elevar la temperatura de ungramo de agua en un grado centígrado. 1000 calorías = 1 kcal.

Cambio de estado: Condición en la cual, una sustancia cambia de sólidoa líquido o de líquido a gas, debido a la aplicación de calor. O a la inversa,

262



cuando una sustancia cambia de gas a líquido o de líquido a sólido,debido a la pérdida de calor.

Capacidad: Sistema de clasificación en refrigeración. Medido generalmenteen kcal/h o en watios.

Carga de refrigerante: Cantidad de refrigerante colocada en un sistemade refrigeración.

Centígrada, escala: Escala de temperatura usada en el sistema métrico.El punto de congelación del agua es de 0 ºC, el punto de ebullición esde 100 ºC.

Cero absoluto (temperatura): Temperatura a la cual cesa todo movimientomolecular (-273 ºC y -460 ºF).

Ciclo: Serie de eventos u operaciones, que tienen una tendencia arepetirse en el mismo orden.

Cilindro: Dispositivo que convierte fuerza de un fluido en fuerza ymovimiento mecánico lineal. Este consiste, usualmente, en elementosmóviles tales como un pistón, biela y émbolo, operando dentro de uncilindro.

Circuito: Instalación de tubería o de alambre eléctrico, que permite elflujo desde y hacia la fuente de energía.

Climatización: Control de la temperatura, humedad, limpieza ymovimiento de aire en un espacio confinado, según se requiera, paraconfort humano o proceso industrial. Control de temperatura significacalentar cuando el aire está frío, y enfriar cuando la temperatura es muycaliente

Coeficiente de rendimiento: Relación del trabajo realizado o completado,en comparación con la energía utilizada.

Compresión: Término utilizado para denotar el proceso de incrementarla presión, sobre un volumen dado de gas, usando energía mecánica. Alhacer esto, se reduce el volumen y se incrementa la presión del gas.

Compresor: Máquina en sistemas de refrigeración, hecha para succionarvapor del lado de baja presión en el ciclo de refrigeración, y comprimirloy descargarlo hacia el lado de alta presión del ciclo.

Condensación: Proceso de cambiar de estado un vapor o un gas a líquido,al enfriarse por abajo de su temperatura de saturación o punto de rocío.

Condensado: Líquido que se forma cuando se condensa un vapor.

Condensador: Componente del mecanismo de refrigeración, el cualrecibe del compresor vapor caliente a alta presión, enfriándolo yregresándolo luego a su estado líquido. El enfriamiento puede ser conaire o con agua.

263



Condensar: Acción de cambiar un gas o vapor a líquido.

Congelación: Cambio de estado de líquido a sólido.

Control: Dispositivo manual o automático, utilizado para detener, arrancary/o regular el flujo de gas, líquido y/o electricidad.

Control de baja presión: Dispositivo utilizado para evitar que la presiónde evaporación del lado de baja, caiga abajo de cierta presión.

Control de refrigerante: Dispositivo que mide el flujo de refrigerante,entre dos áreas del sistema de refrigeración. También mantiene unadiferencia de presión entre los lados de alta y baja presión del sistema,mientras la unidad está trabajando.

Densidad: Estrechez de la textura o consistencia de partículas, dentrode una sustancia. Se expresa como peso por unidad de volumen.

Diferencial: La diferencia de temperatura o presión, entre las temperaturaso presiones de arranque y paro, de un control.

Efecto refrigerante: cantidad de calor absorbida en el evaporador delespacio a refrigerar.

Eficiencia: Capacidad de un dispositivo, sistema o actividad, divididaentre la potencia absorbida necesaria para crear esa capacidad. En uncompresor, la eficiencia sería la capacidad de trabajo, medida por uncambio de presión, dividida entre la energía eléctrica consumida.

Eficiencia volumétrica: Término utilizado para expresar la relación, entreel funcionamiento real de un compresor o de una bomba de vacío, y elfuncionamiento calculado en base a ese desplazamiento.

Energía: Habilidad real o potencial de efectuar trabajo.

Energía, conservación de la: Proceso de instituir cambios que resultaránen ahorros de energía, sobre la revisión de los cálculos para determinarlas cargas principales.

Enfriador: Intercambiador de calor que remueve calor de las sustancias.

Entalpía: La cantidad de calor en un kilogramo de sustancia, calculadade una base de temperatura aceptada. La temperatura de 0 ºC, es unabase aceptada para los cálculos del vapor de agua. Para cálculos derefrigeración, la base aceptada es de -40 ºC.

Entropía: Medida de la cantidad de energía que no puede convertirseen trabajo.

Escala centígrada: Escala de temperaturas usada en el sistema métrico.El punto de congelación de agua a la presión atmosférica normal, es de0ºC, y el punto de ebullición, es de 100ºC.

Escala Fahrenheit: En un termómetro Fahrenheit, bajo la presión

264



atmosférica normal, el punto de ebullición del agua es de 212 ºF, y elpunto de congelación es de 32 ºF arriba de cero.

Escala Kelvin (K): Escala de temperatura, en la cual, la unidad de mediciónes igual al grado centígrado, y de acuerdo a la cual, el cero absoluto es 0ºK, equivalentes a -273.16 ºC. En esta escala el agua se congela a 273.16 ºKy bulle a 373.16 ºK.

Escala Rankine (R): Nombre dado a la escala de temperaturas absolutas,cuyas unidades son similares a los grados Fahrenheit. El cero (0 ºR) enesta escala equivale a -460 ºF.

Evaporación: Término aplicado al cambio de estado de líquido a vapor.En este proceso se absorbe calor.

Evaporador: Componente del mecanismo de un sistema de refrigeración,en el cual, el refrigerante se evapora y absorbe calor.

Expansión: Aumento del volumen de un cuerpo por efecto del incrementode la temperatura o la disminución de presión.

Fluido: Sustancia que puede estar en estado líquido o gaseoso. Sustanciaque contiene partículas que se mueven y cambian de posición sinseparación de la masa.

Frío: La ausencia de calor. Temperatura considerablemente abajo de lanormal.

Fuerza: La fuerza es una presión acumulada, se expresa en Newtons (N)en el Sistema Internacional.

Gas: Fase o estado de vapor de una sustancia. Un gas es un vaporsobrecalentado, muy lejos de su temperatura de saturación.

Humedad: Vapor de agua presente en el aire atmosférico.

Humedad absoluta: Cantidad de humedad (vapor de agua) en el aire,indicada en g/m2 de aire seco.

Humedad relativa (hr): La cantidad de humedad en una muestra de aire,en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría, estandototalmente saturado y a la misma temperatura.

Humidificador: Dispositivo utilizado para agregar y controlar humedad.

Intercambiador de calor: Dispositivo utilizado para transferir calor deuna superficie caliente a una superficie menos caliente (los evaporadoresy condensadores son intercambiadores de calor).

Isentrópica: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en unagráfica, representan un cambio a entropía constante.

Isóbara: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en unagráfica, representan un cambio a presión constante.

265



Isócora: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en unagráfica, representan un cambio a volumen constante.

Isoentálpica: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, enuna gráfica, representan un cambio a entalpia constante.

Isoterma: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en unagráfica, representan un cambio a temperatura constante.

Isotérmica (expansión o contracción): Acción que se lleva a cabo sin uncambio de temperatura.

Isotérmico: Cambio de volumen o presión bajo condiciones detemperatura constante.

Isotítrica: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en unagráfica, representan un cambio a titulo constante.

Joule (J): Unidad de energía del Sistema Internacional (SI). Un Jouleequivale al trabajo realizado por la fuerza de un Newton, cuando el puntode aplicación se desplaza una distancia de un metro, en dirección de lafuerza.

Kelvin: (Ver Escala Kelvin).

Kilocaloría: Unidad de energía y trabajo, equivalente a mil calorías. Vercaloría.

Kilopascal (kPa): Unidad de presión absoluta equivalente a mil Pascales.Ver Pascal.

Kilowatio (kW): Unidad de potencia equivalente a mil Watts. Ver Watt.

Lado de alta: Partes de un sistema de refrigeración, que se encuentranbajo la presión de condensación o alta presión.

Lado de baja: Partes de un sistema de refrigeración, que se encuentranpor abajo de la presión de evaporación o baja presión.

Lado de succión: Lado de baja presión del sistema, que se extiende desdeel control de refrigerante, pasando por el evaporador, la línea de succión,hasta la válvula de servicio de entrada al compresor.

Línea de descarga: En un sistema de refrigeración, es la tubería queacarrea el gas refrigerante, desde el compresor hasta el condensador.

Línea de líquido: Tubería que acarrea refrigerante líquido, desde elcondensador o recibidor, hasta el mecanismo de control de refrigerante.

Línea de succión, aspiración: Tubería que acarrea refrigerante gaseoso,desde el evaporador hasta el compresor.

Líquido: Sustancia cuyas moléculas se mueven libremente entre sí, peroque no tienden a separarse como las de un gas.

266



Masa: Cantidad de materia mantenida junta, de tal manera que formaun cuerpo.

Materia: Todo aquello que tiene masa y volumen.

Newton: Unidad de fuerza del Sistema Internacional (SI), equivalentea la fuerza ejercida sobre un objeto que tiene una masa de un kilogramo,y una aceleración gravitacional de 1 m/seg2.

Pascal (Pa): Unidad de presión absoluta en el sistema internacional (SI);es igual a la fuerza de un Newton ejercida sobre una superficie de unm2; Pa = N/m2. Para algunos fines científicos o prácticos, el Pascal puederesultar una unidad muy pequeña, por lo que entonces se utiliza elkiloPascal (kPa) o el BAR. 1 kPa = 1,000 Pa y 1 BAR = 100 kPa.

Presión: Energía impactada sobre una unidad de área. Fuerza o empujesobre una superficie.

Presión absoluta: Es la suma de la presión manométrica más la presiónatmosférica.

Presión atmosférica: Presión que ejerce el aire atmosférico sobre la tierra.Se mide en kPa, mm de Hg, kg/cm2, etc. Al nivel del mar, tiene un valorde 101.325 kPa.

Presión crítica: Condición comprimida del refrigerante, en la cual ellíquido y el gas, tienen las mismas propiedades.

Presión de alta: Término empleado para referirse a la presión, a la cualse lleva a cabo la condensación, en un sistema de refrigeración.

Presión de baja: Presión del lado de baja del ciclo de refrigeración, a lacual se lleva a cabo la evaporación.

Presión de condensación: Presión dentro de un condensador, a la cualel vapor de refrigerante cede su calor latente de evaporación y se vuelvelíquido. Varía con la temperatura.

Presión de descarga: En un sistema de refrigeración se llama así a lapresión contra la que descarga el compresor. Comúnmente, es la presiónque existe en el lado del condensador, y se mide en la descarga delcompresor.

Presión de succión: En un sistema de refrigeración se llama así a lapresión a la entrada del compresor.

Presión de vapor: Presión ejercida por un vapor o un gas.

Presión de vaporización: Presión dentro de un evaporador, a la cual ellíquido de refrigerante absorbe su calor latente de evaporación y se vuelvevapor. Varía con la temperatura.

Primera Ley de la Termodinámica: La energía no se crea ni se destruye,sólo se transforma (ley de la conservación de la energía).

267



Proceso: Cambio de estado termodinámico de un sistema.

Proceso irreversible: Proceso que no puede revertirse desde su estadofinal hasta su estado inicial. Todos los procesos conocidos en nuestrouniverso son irreversibles. Todos los procesos están ligados a la entropía,de tal modo que si alguien afirmara que un proceso es reversible, élestaría sugiriendo que dicho proceso viola la segunda ley de latermodinámica.

Proceso reversible: Proceso cuya trayectoria entre los estados inicial yfinal se puede conocer (de trayectoria conocida) y revertirse hasta suestado inicial. No existen procesos reversibles en el universo real.

Recalentamiento: 1- Temperatura del vapor arriba de su temperatura deebullición (saturación) a la misma presión. 2- La diferencia entre latemperatura a la salida del evaporador, y la temperatura más baja delrefrigerante, que se está evaporando en el evaporador.

Receptor de líquido: Cilindro o contenedor conectado a la salida delcondensador, para almacenar refrigerante líquido en un sistema.

Refrigeración: proceso de reducción y mantenimiento de la temperaturade un espacio o materia por debajo de la temperatura del entorno.

Refrigerante: Sustancia utilizada en los mecanismos de refrigeración.Absorbe calor en el evaporador, cambiando de estado de líquido a vapor,liberando su calor en un condensador, al regresar de nuevo del estadogaseoso al estado líquido.

Rendimiento termodinámico: Medida de la capacidad de una máquinatérmica para transferir por medio de trabajo (W) parte de la energíaabsorbida (Qc) desde la fuente caliente, de acuerdo con las limitacionesresultantes de la Segunda Ley de la Termodinámica. La definiciónoperacional de Rendimiento Termodinámico es la siguiente

Saturación: Condición existente, cuando una sustancia contiene la mayorcantidad que pueda retener de otra sustancia, a esa presión y temperatura.

Segunda Ley de la Termodinámica: El calor no fluye espontáneamentede un sistema frío a otro más caliente.

Sistema: Cantidad de materia incluida entre límites reales o imaginarios.

Subenfriamiento: Enfriamiento de refrigerante líquido por debajo de sutemperatura de condensación.

Sustancia: Cualquier forma de materia o material.

Temperatura: 1- Intensidad de calor o frío, tal como se mide con untermómetro. 2- Medición de la velocidad del movimiento de las moléculas.

Temperatura absoluta: Temperatura medida desde el cero absoluto.

Temperatura ambiente: Temperatura de un fluido (generalmente el

268



aire), que rodea un objeto por todos lados.

Temperatura crítica: Temperatura a la cual el vapor y el líquido tienenlas mismas propiedades.

Temperatura de bulbo húmedo: Medición del grado de humedad. Es latemperatura de evaporación de una muestra de aire.

Temperatura de bulbo seco: Temperatura del aire, medida con untermómetro ordinario.

Temperatura de condensación: Temperatura dentro de un condensador,en el que el vapor de refrigerante, cede su calor latente de evaporacióny vuelve líquido. Varía con la presión.

Temperatura de ebullición: Temperatura a la cual un líquido cambia agas.

Temperatura de vaporización: Temperatura dentro de un evaporador,en el que el liquido de refrigerante absorbe su calor latente de evaporacióny vuelve vapor. Varía con la presión.

Termodinámica: Rama de las ciencias; trata con las relaciones entre elcalor y la acción mecánica.

Termómetro: Instrumento para medir temperaturas.

Trabajo: Forma de transferencia de energía entre un sistema y su medioexterior, que se manifiesta por la actuación de fuerzas capaces de provocardistintos efectos, tales como desplazamientos, deformaciones y otros.

Transmisión de calor: Movimiento de calor desde un cuerpo o sustanciaa otro. El calor puede transmitirse por radiación, conducción, conveccióno combinación de las tres anteriores.

Unidad de condensación: Parte de un mecanismo de refrigeración quesucciona vapor de refrigerante del evaporador, lo comprime, lo licúa enel condensador y lo regresa al control de refrigerante.

Unión: Punto de conexión (como entre dos tubos).

Vacío: Presión menor que la atmosférica.

Válvula: Accesorio utilizado para controlar el paso de un fluido.

Válvula de control: Válvula que regula el flujo o presión de un medio,el cual afecta un proceso controlado. Las válvulas de control son operadaspor señales remotas de dispositivos independientes, que utilizan cualquiercantidad de medios de control, tales como neumáticos, eléctricos oelectrohidráulicos.

Válvula de descarga: Válvula dentro del compresor de refrigeración, quepermite que salga del cilindro el gas refrigerante comprimido, hacia lalínea de descarga, evitando que se devuelva.

269



Válvula de expansión: Tipo de control de refrigerante, que mantienepresión constante en el lado de baja del sistema de refrigeración. Laválvula es operada por la presión en el lado de baja o de succión. Confrecuencia, se le conoce como válvula de expansión automática

Válvula de succión: Válvula dentro del compresor de refrigeración, quepermite el ingreso del vapor de refrigerante, proveniente de la línea desucción, al cilindro, evitando que se devuelva.

Vapor: Estado o fase de una sustancia que está en su temperatura desaturación, o muy cercano a ella.

Vapor saturado: Vapor que se encuentra a las mismas condiciones detemperatura y presión que el líquido del cual se está evaporando. Esdecir, si este vapor se enfría, se condensa.

Vaporización: Cambio del estado líquido al gaseoso.

Volumen específico: Volumen por unidad de masa de una sustancia(m3/kg).

Watt (W)/ Watio: Unidad de potencia, equivale a la potencia producidaal realizar un trabajo de 1 Joule por segundo (1 Watt = 1 J/s).

271



CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN

1. ¿Qué es la refrigeración?

2. ¿En qué pieza de la máquina frigorífica se produce la absorción delcalor del espacio que se quiere refrigerar, y qué efecto tiene sobre ellíquido refrigerante?

3. Un equipo de refrigeración que funciona mediante un ciclo derefrigeración simple de compresión mecánica contiene los siguientesdatos:

Suponemos que el ciclo de refrigeración es ideal (compresiónisentrópica).

El refrigerante utilizado es amoniaco.

La presión absoluta de condensación es 7 kg/cm_

La presión absoluta de evaporación es 3 kg/cm_

Dibuja sobre el siguiente diagrama P-h, el ciclo de refrigeración idealque sigue el amoniaco y calcula:

El efecto refrigerante por kg de refrigerante.

El equivalente térmico del trabajo de compresión por kg derefrigerante.

El calor cedido en la condensación por kg de refrigerante.

El coeficiente de efecto frigorífico.

4. ¿Qué partes constituyen el lado de baja en un sistema de refrigeración?

5. ¿Cómo le afecta al efecto refrigerante y al trabajo de compresión elaumento de la temperatura de vaporización en un ciclo derefrigeración?

6. ¿Cómo varía el coeficiente de efecto frigorífico cuando el líquido

272



refrigerante es subenfriado antes de que llegue a la válvula deexpansión y por qué?

7. ¿Cómo afecta al coeficiente de efecto frigorífico la pérdida de presiónen el evaporador y por qué?

8. Enumera las diferencias entre el ciclo frigorífico real y el ciclofrigorífico ideal.

273



BIBLIOGRAFÍA

Alarcón Creus, José: Tratado Práctico de Refrigeración Automática, 12ª ediciónampliada y puesta al día con la inclusión de los nuevos refrigerantes HFCsin cloro, Barcelona: Edit. Marcombo, S.A., 1998.

Amigo, P.: Termotecnia. Aplicaciones Industriales, Editorial Mundi-Prensa,1999.

Balboa, Joan: Manual de Instalaciones Frigoríficas, 2ª Edición, Barcelona:Edit. Ediciones Ceysa, 2003.

Cano, G.: Manual para la Operación y Funcionamiento de Almacenes Frigoríficosde Productos Cárnicos, Editorial FAO, 1991.

López, A.: Las Instalaciones Frigoríficas en las Industrias Agroalimentarias,Madrid: Ediciones A. Madrid Vicente / Mundi-prensa libros, S.A., 1994.

Maestre Albert, Joaquín; Melgarejo Moreno, Pablo; y otros / ColegioOficial de Ingenieros Agrónomos de Murcia: Curso de Ingeniería del frío,Madrid: Ediciones A. Madrid Vicente, 1993.

Manual técnico Valycontrol, 1996, distribuido por Valycontrol S.A.

Ramírez, Carlos Mario; García, Mateo Miguel; García García, Ceferino:Termodinámica, Derechos reservados respecto a la primera edición enespañol por McGRAW-HILL INTERAMERICANA DE MÉXICO, S.A. deC.V.

Rapin, P.: Prontuario del Frío, Tercera Edición traducida y ampliada de latercera edición francesa, Edit. Editores Técnicos Asociados, 1994.

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Sánchez y Pineda de las Infantas, Mª Teresa: Ingeniería del frío: Teoría yPráctica, Madrid: Edit. A. Madrid Vicente/ Mundi-prensa libros, S.A.,2001.

Segura Clavell, José: Termodinámica Técnica, Barcelona: Edit. Reverté S.A.,1993.

636


SOLUCIONES AL CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN

UNIDAD DIDÁCTICA 4

1. La refrigeración se define como el proceso de reducción ymantenimiento de la temperatura de un espacio o materia por debajode la temperatura del entorno.

2. La absorción del calor del espacio a refrigerar se produce en elevaporador, produciendo la evaporación del líquido refrigerante enel interior de él.

3.-

Efecto refrigerante por kg de refrigerante:

h1=360 kcal/kg

h4=105 kcal/kg

Efecto refrigerante específico = qe = h1-h4 = 360-105 = 255 kcal/kg

Equivalente térmico del trabajo de compresión por kg de refrigerante:

h1=360 kcal/kg

h2=490 kcal/h

Calor de compresión específico = Wk = h2-h1 = 490-360 = 130 kcal/kg

El calor cedido en la condensación por kg de refrigerante:

h3=h4

Calor específico cedido en la condensación = qc = h3-h2 = 105-490 =385 kcal/kg

El coeficiente de efecto frigorífico:

4. Válvula de expansión, el evaporador y la línea de aspiración.

637


SOLUCIONES AL CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN

5. Si aumentamos la temperatura de vaporización en un ciclo derefrigeración el efecto refrigerante aumenta. El trabajo absorbido enel compresor disminuye ya que la diferencia de presiones entre elevaporador y el condensador es menor.

6. El coeficiente de efecto frigorífico aumenta cuando el líquidorefrigerante es subenfriado antes de entrar en la válvula de expansiónya que el efecto frigorífico aumenta, y el trabajo absorbido por elcompresor permanece constante.

7. El coeficiente de efecto frigorífico disminuye al disminuir la presiónen el evaporador porque el trabajo absorbido en el compresor aumentaya que la relación de compresión aumenta.

8.

• Recalentamiento del vapor en las tuberías de aspiración y a laentrada del compresor.

• Pérdida de carga en la válvula de aspiración del compresor.

• Compresión real no isentrópica.

• Pérdida de presión en la válvula de descarga.

• Pérdida de carga durante la condensación.

• Subenfriamiento del líquido.

• Pérdida de carga durante la evaporación.

UNIDAD DIDÁCTICA 5

1. Aspirar los vapores producidos en el evaporador, y descargar losvapores en el condensador a una presión lo suficientemente alta paraque se produzca la condensación.

2. Son compresores de desplazamiento positivo o volumétricos, ya queel fluido experimenta una verdadera compresión mecánica,reduciendo el volumen mediante un elemento que comprime.

3. Un compresor de tipo abierto es aquel en el que el compresor y elmotor de accionamiento están claramente diferenciados en doscarcasas. Los compresores herméticos contienen el motor y elcompresor en una misma carcasa herméticamente cerrada.

4. En los cálculos sólo se utilizan presiones absolutas:

Presión absoluta de descarga: 6,1 + 1,02 = 7,12 bares.

Presión absoluta de aspiración: 1,95 + 1,02= 2,97 bares.

Mauricio

Sello

2- el ciclo de compresion de vapor de la refrigeracion.pdf

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