curso de refrigeración industrial

8/8/2019 Curso de Refrigeración Industrial

http://slidepdf.com/reader/full/curso-de-refrigeracion-industrial 1/23

1

REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL

I. CONCEPTOS BÁSICOS

I.1 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

La Primera Ley de la Termodinámica o Ley de la Conservación de la Energía, establece que: “Laenergía no se crea ni se destruye, solo cambia en su forma” .

Las formas en que la energía puede manifestarse son muy variadas, siendo las principales las quese describen a continuación:

I.1.1 ENERGÍA POTENCIAL Y ENERGÍA CINÉTICA:

Energía Potencial es aquella que posee una sustancia o cuerpo como consecuencia de suposición respecto a un nivel de referencia. Si un cuerpo de masa igual a “m” kg se halla sometidoa la aceleración de la gravedad de “g” m/seg2 y se encuentra a una altura de “Z” m respecto a unnivel de referencia, su energía potencial será:

Ep = m.g.Z Joules → (1 kg) (m/seg2) = 1 Newton → (1 Newton) (m) = 1 JouleRecordemos que F = m.a (N, si está en MKS, y dina, si está en CGS)y que W = F.e (J, si está en MKS, y ergio, si está en CGS = en desuso)

Energía Cinética es la energía poseída por un cuerpo como consecuencia de su velocidad. Si uncuerpo de masa igual a “m” kg tiene una velocidad de “V” m/seg, su energía cinética será:

Ec = (m) (V2/2) Joules

I.1.2 ENERGÍA INTERNA Y CALOR:

Como se sabe, las moléculas que constituyen una determinada sustancia, nunca se encuentran

estáticas, sino más bien poseen movimientos de rotación y de traslación, impactandocontinuamente unas con otras. Esta agitación molecular es una forma de energía que es justamente conocida como Energía Interna de una sustancia. Cuanto mayor es la temperatura dedicha sustancia, mayor será su agitación molecular y por lo tanto, mayor su energía interna.

Debe diferenciarse claramente la Energía Interna del Calor, ya que la primera es una forma deenergía almacenada por una sustancia, mientras que la segunda es el flujo de energía que va deun cuerpo a otro como consecuencia de una diferencia de temperaturas. Un cuerpo nuncacontiene calor.

I.1.3 TRABAJO:

Se denomina así a la forma de energía que es capaz de realizar la acción de levantar un peso o

dar movimiento rotacional a un eje.El trabajo tiene la característica de ser íntegramente transformable en calor, pero éste por otrolado, no es íntegramente transformable en trabajo (Segunda Ley de la Termodinámica).

I.1.4 OTRAS FORMAS DE ENERGÍA:

Además de las ya descritas, existen muchas otras formas de energía, tales como la energíaquímica, energía eléctrica, energía nuclear, etc., que para casos específicos pueden ser involucrados dentro del balance de energías de acuerdo a lo establecido por la Primera Ley.

I.1.5 ECUACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

En la siguiente figura se observa un sistema en el que se está llevando a efecto unatransformación energética. Existe ingreso de un fluido por el punto (1) y salida por el punto (2); asímismo, se considera un calor transferido Q y un trabajo realizado W:



2

V1

1

2

Q

W

V2

Z1

Z2

Las energías que intervienen en este sistema son:

a. Energía Potencial y Energía Cinética del fluido a la entrada y salida.b. Energía Interna del fluido a la entrada y salida.c. Trabajo de flujo (energía requerida para hacer ingresar o salir el fluido).

El trabajo puede ser de distintas formas:

Trabajo = Fuerza × distancia (trabajo mecánico)= Presión × Área × distancia (trabajo hidráulico)= Presión × Volumen (trabajo de flujo).

d. Calor y Trabajo.

Luego, según el enunciado de la Primera Ley, el balance del sistema será:

Energía que ingresa al sistema = Energía que sale del sistema.

Esto es:

Q + U1 + P1 V1 + Ec1 + Ep1 = W + U2 + P2 V2 + Ec2 + Ep2

Donde U1 y U2 son las energías internas del fluido de entrada y salida.

A la suma de (U + PV) se le conoce como ENTALPÍA y se le representa por el símbolo H, con loque se tendrá:

Q + H1 + Ec1 + Ep1 = W + H2 + Ec2 + Ep2

Esta es la ECUACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA.

Generalmente en las máquinas térmicas el calor transferido Q y el trabajo desarrollado W, asícomo los cambios de entalpía son mucho mayores que los cambios de energía cinética ypotencial. En estos casos la Ecuación de la Primera Ley se reduce a:

Q + H1 = W + H2 → Q = W + H2 - H1 Si H2 - H1 = ΔH

Entonces Q = ΔH + W

En el caso de que el sistema fuera cerrado, es decir, que no tenga flujos de entrada ni de salida,el trabajo de flujo PV involucrado dentro de la entalpía sería nula y en tal caso la Ecuación de laPrimera Ley se reduciría a:

Q = ΔU + W Primera Ley para un Sistema Cerrado.

Donde ΔU es el cambio de energía interna dentro del sistema.

I.2 ALGUNAS MAGNITUDES PRINCIPALES:



3

I.2.1 TEMPERATURA:

La temperatura es una medida del nivel de intensidad calórica o presión térmica de un cuerpo y sedice que el cuerpo está frio o caliente. Cualquier instrumento utilizado para medir la temperaturase denomina termómetro.

ESCALAS DE TEMPERATURA:Existen dos escalas comunes para medir la temperatura, la Fahrenheit y la Celsius.La escala absoluta relacionada con la Celsius se llama Kelvin y se designa con la letra K.La escala absoluta relacionada con la Fahrenheit se llama Rankine y se designa con la letra R.

F U S IÓ N D E LH I E L O ( a 1 at m )

1 0 0 °

0 °

- 2 7 3 . 1 5 °

3 7 3 . 1 5 °

2 7 3 . 1 5 °

0 °

3 2 °

2 1 2 °

- 4 5 9 . 6 7 °

6 7 1 . 6 7 °

4 9 1 . 6 7 °

0 °

0 ° 4 5 9 .6 7 °- 1 7 . 7 7 7 °

E B U L L I C IÓ N D E LA G U A ( a 1 a tm )

C E R O A B S O L U T O

° K ° C ° F ° R

° K ° C ° F ° R

°C = (°F – 32) / 1.8 → °K = °C + 273.15

°F = (°C × 1.8) + 32 → °R = °F + 459.67

I.2.2 PRESIÓN (P = F / a):

Siempre que una fuerza se encuentre distribuida uniformemente sobre un área dada, la presión encualquier punto de la superficie de contacto es la misma y puede calcularse dividiendo la fuerzatotal aplicada entre el área total sobre la cual se aplica la fuerza.

I.2.3 PRESIÓN ABSOLUTA, PRESIÓN MANOMÉTRICA Y PRESIÓN ATMOSFÉRICA:

PRESIÓN ABSOLUTA: Es la presión “total” o “real” de un fluido medido con referencia al vacío

perfecto o cero absoluto. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entremoléculas, lo que indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidadmolecular, es muy pequeña.

Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.

PRESIÓN MANOMÉTRICA: Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica quese mide por medio de un instrumento. Estos instrumentos están calibrados para indicar cero apresión atmosférica. La presión manométrica se define como la diferencia algebraica que existeentre la presión absoluta y la presión atmosférica.

Presión Manométrica = Presión Absoluta - Presión AtmosféricaPRESIÓN ATMOSFÉRICA: La atmósfera o aire de la tierra se eleva hasta una altura máxima de10 mil kilómetros. El aire tiene peso, y debido a ello, ejerce presión sobre la superficie de la tierra.A esta presión se le conoce como presión atmosférica. Su valor exacto medido al nivel del mar es:

http://www.monografias.com/trabajos12/elorigest/elorigest.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/elorigest/elorigest.shtml



4

Atm0m = 101.325 KPa = 760 mm Hg = 1.03323 Kg / cm2 = 14.6958031 lb / pulg2

A partir de 1982 se recomendó emplear el valor de la presión atmosférica medido a 112 m dealtitud, esto es:

Atm112m = 100 KPa = 750.062 mm Hg = 1.019716213 Kg / cm2 = 14.50363 lb / pulg2

PRESIÓN DE VACÍO: Toda presión por debajo de la atmosférica recibe el nombre de presión devacío que se define como la diferencia algebraica que existe entre la presión atmosférica y lapresión absoluta.

Presión de Vacío = Presión Atmosférica - Presión Absoluta

0 " = 0 p s i = 0 m m H g = 0 K P a5 "

1 0 "

1 5 "

2 0 "

2 5 "

2 9 .9 2 " = 1 4 . 6 9 5 8 p s i = 7 6 0 m m H g = 1 0 1 . 3 2 5 K P

P r e s io n e s d ev a c í o e n P u l g a d a s

d e M e r c u r io

P R E S I Ó N A T M O S F É R I C A1 0 1 .3 2 5 K P a = 0 "

8 4 . 3 9 3 0 K P a = 5 "

5 0 .5 2 9 2 K P a = 1 5 "

3 3 .5 9 7 2 K P a = 2 0 "

1 6 .6 6 5 3 K P a = 2 5 "

6 7 .4 6 1 1 K P a = 1 0 "

1 3 5 .7 9 9 1 K P a = 5 p s i

1 7 0 .2 7 3 2 K P a = 1 0 p s i

2 0 4 .7 4 7 4 K P a = 1 5 p s i

2 3 9 .2 2 1 5 K P a = 2 0 p s i

2 7 3 .6 9 5 6 K P a = 2 5 p s i

1 9 . 6 9 5 8

P r e s i o n e s a r r ib a d ela a t m o s f é r ic a e n

lb / p u l g² ( p s i )

P R E S I Ó N M A N O M É T R I C AP R E S I Ó N A B S O L U T A

2 4 . 6 9 5 8

2 9 . 6 9 5 8

3 4 . 6 9 5 8

3 9 . 6 9 5 8

0 K P a = 2 9 . 9 2 "

I.2.4 UNIDADES DE PRESIÓN:

En los sistemas de refrigeración, la presión se mide frecuentemente en las unidades siguientes:

• Libras / pulg 2 (psi): Empleado en los equipos fabricados en Inglaterra y USA (SistemaInglés). 1 psi = 0.070307666 kg / cm2 = 6.89482564 KPa

• Kg / cm2 : Empleado por los países que manejan el Sistema Técnico Gravitatorio.1 Kg / cm2 = 14.2232 psi = 98.0665 KPa = 0.980665 Bar

• Bar: Empleado por los países que todavía usan el Sistema Cegesimal.1 Bar = 14.50363 psi = 1.019716213 Kg / cm2



5

• Pascal (Pa): Empleado por todos los países que se han adherido al Sistema Internacionalde Unidades. 1 Pa = 1 N / m2 Sus múltiplos son:

Kilopascal (KPa) = 103 Pa Megapascal (MPa) = 106 Pa Gigapascal (GPa) = 109 Pa

100 KPa = 1 Bar = 1.019716213 Kg / cm

2

= 14.50363 psiI.2.5 CALOR SENSIBLE, CALOR LATENTE Y CALOR ESPECÍFICO:

CALOR SENSIBLE: Se denomina así al calor absorbido o entregado por un material que esacompañado por un cambio de temperatura del referido material. El calor sensible se puedecalcular aplicando la siguiente expresión:

QS = m . Cp . ΔT donde m : Masa del material (Kg)Cp : Calor específico del mat. (Kcal / Kg °C)ΔT : Diferencia de temp. inicial y final del mat. (°C)

CALOR LATENTE: Se denomina así al calor absorbido o entregado por un material que es

acompañado por un cambio en el estado físico del material, pero sin tener efecto alguno sobre latemperatura del mismo. El calor latente de fusión del hielo es 79,9 Kcal / kg; y de vaporización delagua es 539 Kcal / kg. La cantidad de calor latente de un material se puede calcular así:

QL = m . Hfg donde m : Masa del material (Kg)Hfg : Calor latente del material (Kcal / Kg)

CALOR ESPECÍFICO: Es la cantidad de calor requerida para cambiar la temperatura en 1 °C de1 Kg de material. El calor específico de cualquier material, igual que el del agua, varía muyligeramente para distintos puntos de temperatura; sin embrago, cuando el material pasa por uncambio de estado físico la variación es muy significativa. Por ejemplo, el calor específico del aguaes 1 Kcal / Kg °C, el del hielo es 0.505 Kcal / Kg °C, y el de vapor es 0.497 Kcal / Kg °C.

I.2.6 ENTALPÍA (H):

La entalpía se define en forma general como “contenido total de calor”. Más específicamente laentalpía (H) de una masa dada de material en cualquier condición termodinámica especificada, esuna expresión del calor total que debe ser transferido al material para llevar a éste a la condiciónespecificada, partiendo de alguna condición inicial tomada arbitrariamente como punto de entalpíacero. Queda claro que cada material tiene su propia entalpía. Por ejemplo, el punto cero deentalpía para el agua y su vapor, se toma como el agua a 0 °C y bajo presión atmosférica. Laentalpía de 1 Kg de agua a 16 °C, es la cantidad de calor total que debe transferirse al agua, paraelevar su temperatura de 0 °C a 16 °C. Esto es:

QS = m . Cp . ΔT → QS = 1Kg (1Kcal / Kg °C) (16 – 0)°C = 16 Kcal por 1Kg de agua

Matemáticamente, la entalpía se define como: H = U + PVUNIDADES DE ENTALPÍA

SIST. INTERNAC. DE UNID. SIST. MÉTRICO SIST. INGLÉS

KJ / Kg Kcal / Kg Btu / lb

1 Kcal / Kg = 4.184 KJ / Kg = 1.7988175 Btu / lbCuando un material pasa de una condición (1) a otra condición (2), su variación de entalpía será:

ΔH = H2 – H1

Cuando un material cambia de estado físico, también cambia su entalpía, aunque su temperaturapermanece invariable. Así, para el agua, su variación de entalpía será:



6

En la vaporización ΔHfg = Hg – Hf donde Hg : Entalpía del vapor saturadoHf : Entalpía del líquido saturado

En la solidificación ΔHfS = HS – Hf donde HS : Entalpía del hielo saturadoHf : Entalpía del líquido saturado

A la variación de entalpía ΔH que implica un cambio de estado físico del material a temperaturaconstante, se le llama “CALOR LATENTE”

I.2.7 ENTROPÍA (S):

La entropía, igual que la entalpía, es una propiedad calculable de la materia. La entropía (S) deuna masa dada de material en una condición específica, es una expresión del calor totaltransferido al material, por grado de temperatura, para llevar el material a esta condición,partiendo de una condición inicial tomada como entropía cero. Matemáticamente, la relación seexpresa por la siguiente ecuación:

ΔS = ΔQ / Tm donde ΔS : Cambio de entropía (Kcal / Kg °C) ΔQ : Energía calorífica transferida (Kcal / Kg)

Tm : Temperatura promedio (°C)

I.3 SUPERFICIES TERMODINÁMICAS, DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN CUERPOS PUROS:

I.3.1 INTRODUCCIÓN:

P V T

SistemaTermodinámico

P

T

V

CoordenadasTermodinámicas

P

T

EquilibrioTermodinámico

Sólido

Lí quido

Vapor

Puntotriple

Puntocrítico

Las magnitudes macroscópicas (P, V, T) que están relacionadas con el estado interno de unsistema termodinámico se denominan coordenadas termodinámicas.

Cuando no se ejercen fuerzas entre el sistema y el medio que lo rodea, se dice que el sistema seencuentra en un estado de equilibrio mecánico. Si el sistema en equilibrio mecánico no tiende aexperimentar una reacción química o un paso de materia de una parte del sistema a otra, se diceque el sistema se encuentra en estado de equilibrio químico. Y cuando no hay cambio espontáneo

en las variables de un sistema en equilibrio mecánico y químico, se dice que el sistema está enequilibrio térmico.

Cuando en un sistema termodinámico existen estos tres tipos de equilibrio, el sistema seencuentra en equilibrio termodinámico. Los estados de equilibrio termodinámico quedandeterminados por los valores de las variables termodinámicas (P, V, T), las cuales se denominantambién coordenadas termodinámicas o variables de estado.

I.3.2 SUBSTANCIAS PURAS:

Las substancias puras son sistemas que tienen una composición química uniforme en todas suspartes y pueden presentarse en forma sólida, líquida o gaseosa, en estado de equilibrio comomezcla de dos cualquiera de ellas o mezcla de las tres, dependiendo de las condiciones de

temperatura y presión. Pueden ser de una componente (de una sola especie química O2, H2), o devarias componentes (H2O). Cuando el sistema presenta más de una componente, con la



7

característica de que las mismas no interactúan químicamente entre ellas y la composición esinvariable, entonces se lo puede tratar como si fuese de una sola componente.

I.3.3 SUPERFICIE TERMODINÁMICA DE UN CUERPO PURO:

Del estudio de los cuerpos puros se desprende que el comportamiento de las substancias reales

se aproxima al de los gases ideales.Para una masa fija de substancia existe una relación definida entre la presión, temperatura y

volumen. Es decir, existe una ecuación de estado y aunque su forma general es demasiadocomplicada para expresarla matemáticamente, sí es posible representarla en forma gráfica por una superficie PVT llamada superficie termodinámica.

La forma general de la superficie PVT (superficie termodinámica) que se representa en lasiguiente figura, corresponde a una substancia que se contrae al solidificarse.

(a) (b)

SUPERFICIE PVT DE UNA SUSTANCIA QUE SE CONTRAE AL SOLIDIFICARSE

Como se ve en la figura, las zonas de la superficie que corresponden al sistema formado por unafase homogénea (gas, líquido, vapor y sólido) se proyectan sobre el plano P-T, de modo que laregión de la fase líquida queda comprendida entre la curva de equilibrio sólido-líquido y la delíquido-vapor; la de fase sólida queda comprendida entre las curvas de equilibrio sólido-líquido ysólido-vapor. Finalmente la zona gaseosa aparece entre las curvas de equilibrio sólido-vapor ylíquido-vapor, y por encima de la temperatura crítica.

Toda la región sólido-vapor se proyecta sobre la curva de sublimación, la de líquido-vapor sobre lacurva de vaporización y la de sólido-líquido sobre la curva de fusión.

I.3.4 EVAPORACIÓN Y EBULLICIÓN:

En la siguiente figura se analizan los cambios de fase en un proceso isobárico. Se tiene una vasijacon un líquido, a una presión P1 en el estado “a”:



8

CAMBIOS DE FASE EN UN PROCESO ISOBÁRICO

Si la temperatura del líquido aumenta a presión constante, se alcanza el punto “b” . Aquí el sistemase separa en dos fases: una representada por el punto “b” (líquido) y la otra por el punto “c” (vapor). El volumen del sistema aumenta considerablemente. Este es el fenómeno de ebullición.La temperatura “Tb” a la cual hierve el líquido es pues la temperatura a la cual su presión de vapor es igual a la presión externa, y el cambio de estado físico de líquido a vapor se realiza atemperatura constante (Tb = Tc = T1). Si la temperatura sigue subiendo, el vapor saturado pasaráa gas recalentado.

I.3.5 PUNTO TRIPLE:

Se denomina Punto Triple de una substancia pura, al único punto, determinado por la presión y latemperatura, en el cual pueden estar las tres fases (sólida, líquida y vapor) en equilibrio. Por ejemplo, el Punto Triple del agua es 0 °C y 0.00602 atmósferas.

I.3.6 PUNTO CRÍTICO:

Se llama Punto Crítico de una substancia pura, al único punto en el que son idénticos el líquidosaturado y el vapor saturado. Es el punto de encuentro o de separación de estas dos fases deestado físico. Este punto está determinado por la temperatura crítica, la presión crítica, y elvolumen crítico de la substancia. Por ejemplo, el Punto Crítico para el agua es 373 °C, 225.4 Kgf /cm2, y 0.00315 m3 / Kg-masa.

I.3.7 DIAGRAMAS USUALES EN REFRIGERACIÓN:

En Refrigeración usualmente se emplean dos diagramas de proyección de la superficietermodinámica:

• Diagrama de Presión – Entalpía• Diagrama de Temperatura - Entropía



CUERPO

REFRIGERADO

T1

Q1CUERPO

REFRIGERANTE

T2

Q2

Q1 +Q2

9

DIAGRAMA TEMPERATURA - ENTROPÍA

II. CICLOS DE REFRIGERACIÓN CON FLUIDOS CONDENSABLES

En general, se define la refrigeración como todo proceso de remoción de calor para reducir latemperatura de un cuerpo dado. El calor que se retira debe ser transferido a otro cuerpo, llamadorefrigerante, cuya temperatura se encuentre debajo de la del cuerpo que se refrigera.

T1 > T2

II.1 FLUIDOS REFRIGERANTES:

Un refrigerante es un cuerpo que absorbe calor al evaporarse a baja temperatura, y lo cede alcondensarse a alta temperatura y presión.

En los sistemas mecánicos modernos de refrigeración, se utilizan los refrigerantes líquidos por sucapacidad que tienen para absorber calor en grandes cantidades al evaporarse.

II.1.1 CONDICIONES EXIGIDAS A LOS REFRIGERANTES:

Todo refrigerante debe cumplir las condiciones mínimas siguientes:

a. Que a temperatura ambiente, su presión de saturación no sea muy baja, ni tan elevada(presión de saturación = presión de vapor : Es la presión de la fase de vapor saturado sobre la



10

fase de líquido saturado para una temperatura determinada en la que el líquido y el vapor seencuentran en equilibrio). Por ejemplo, la presión de saturación del agua es 2.3 KPa á 20 °C,frente al NH3 que es 850 KPa = 123.28 psi á 20 °C (1 psi = 6.89482564 KPa).

b. Que a presión por encima de la atmosférica, su presión de saturación esté a una temperaturamuy por debajo de 0 °C. Por ejemplo, la presión de saturación del agua a 2.41 atmósferas

(35.43 psia) está en 126.67 °C, frente al NH3 que a 35.43 psia, su presión de saturación estáen -14.4 °C.

c. Que tenga un coeficiente Joule-Thomson positivo y mayor que 3; es decir, que al pasar por unproceso de estrangulamiento a entalpía constante y proceso adiabático, resulte en unsignificativo descenso de presión y temperatura. Ejemplo, el amoniaco con 15.8 Kgf / cm2 depresión y 32.2 °C de temperatura, pasa por un proceso de estrangulamiento saliendo con 2.7Kgf / cm2 de presión, y -12.3 °C de temperatura, su coeficiente de Joule-Thomson será:

μJ = (ΔT / ΔP)H → ΔT = -12.3 – 32.2 = -44.5 °C ΔP = 2.7 – 15.8 = -13.1 Kgf/cm2

μJ = (-44.5 °C) / (-13.1 Kgf/cm2) = 3.397 cm2 °C / Kgf

Se llama proceso adiabático a todo proceso en el cual no hay transmisión de calor desde unsistema “a” hacia otro sistema “b” .

d. Que no dañen la capa de ozono y no contaminen el medio ambiente.

e. Que tenga estabilidad química. Dentro de las presiones y temperaturas con las que trabaja lainstalación, no debe sufrir en ningún caso transformaciones químicas.

f. Que no sea tóxico. No debe tener alguna acción nociva sobre el organismo humano, o sobrelos alimentos.

g. Que no sea explosivo ni inflamable. No debe ser fuente de peligros.

II.1.2 CLASIFICACIÓN DE LOS REFRIGERANTES:

Los refrigerantes se clasifican en los siguientes grupos:

• Hidrocarburos halogenados.• Mezclas azeotrópicas.• Compuestos inorgánicos

a. Hidrocarburos halogenados. Son refrigerantes que contienen uno o más de los siguienteselementos halógenos: cloro, fluor y bromo. Según su composición química, pueden ser:

• Clorofluorcarburos = Cloro, flúor, carbono (CFC), muy estables en la atmósfera.• Hidroclorofluorcarburos = Hidrógeno, cloro, flúor, carbono (HCFC), poco estable en la atmf.

A estos refrigerantes se les conoce con los nombres comerciales de Freón, Genetron, Isotron

y Arcton.b. Mezclas azeotrópicas. Se denomina así a una mezcla de dos sustancias que no se puedeseparar en sus componentes por destilación, es decir, se evapora y se condensa como unasustancia simple, pero con propiedades que son diferentes de las de sus constituyentes. Enrefrigeración la única mezcla azeotrópica comercial es el Freón 502, que es una mezcla de48,8% de Freón 22 y de 51,2% de Freón 115. Pertenece al grupo de los CFC.

c. Compuestos inorgánicos. Fueron los refrigerantes primitivos; uno de los cuales todavíasigue utilizándose: el amoniaco (NH3).

II.2 DENOMINACIÓN COMERCIAL Y COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS REFRIGERANTES:

2.2.1 RELACIÓN DE LOS REFRIGERANTES TRADICIONALES MÁS CONOCIDOS:



11

Nombrecomercial Nombre químico

Familiaquímica Uso Efecto contaminante

R11

R12

R22

R502

R717

Tricloromonofluormetano

Diclorodifluormetano

Monoclorodifluormetano

Mezcla azeotrópica

Amoniaco

CFC

CFC

HCFC

CFC

NH3

Limpieza

Temp. media

Aire acondicion.

Bajas temperat.

Bajas temperat.

Destruye la capa de ozono


Afecta la capa de ozono


No afecta capa de ozono

Los refrigerantes CFC fueron muy populares en el pasado; desde 1995 está prohibida sufabricación a nivel mundial. El refrigerante HCFC posee un potencial reducido de destrucciónde la capa de ozono; su desaparición está prevista para el año 2015.

2.2.2 REFRIGERANTES ECOLÓGICOS:

Se llaman refrigerantes ecológicos porque no afectan la capa de ozono y tienen bajo efectoinvernadero. Pertenecen a la familia de los HIDROCARBUROS HALOGENADOS, pero se diferenciande los CFC y de los HCFC porque en su composición química no tienen el átomo de cloro, que es,precisamente, el factor destructor de la capa de ozono. Químicamente se les conoce como HFC(hidrógeno, flúor, carbono).

En la siguiente tabla se consignan los refrigerantes ecológicos que sustituyen a los refrigerantestradicionales:

Nombrecomercial

Familiaquímica Uso

Sustituyea:

R141b

R134a R409

R404 R408

R407c

HFC

HFC

HFC

HFC

Limpieza

Temperatura media

Bajas temperaturas

Aire acondicionado

R11

R12

R502

R22

II.3 PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE ALGUNOS REFRIGERANTES:

Para los diferentes cálculos frigoríficos es necesario manejar correctamente los diagramas de laspropiedades termodinámicas de los refrigerantes más comúnmente utilizados en la industria, tales

como: el amoniaco, el R22 y los refrigerantes ecológicos (Para los alumnos se les dará Tablas).



12



13



14

II.4 CICLO ESTÁNDAR DE COMPRESIÓN DE VAPOR:



15

2.4.1 DIAGRAMA DE UN CICLO DE REFRIGERACIÓN BÁSICA:

En la siguiente figura se muestra un ciclo de refrigeración básica:

EVAPORADOR

CONDENSADOR

COMPRESORVÁLVULA DE

EXPANSIÓN

LÍNEA DE LÍQUIDO LÍNEA DE GA S

LÍNEA DE VAPORMEZCLA LÍQUIDO - VAPOR

CALOR ADMITIDO

CALOR RETIRADO

W

ZONA DEPRESIÓN

ALTA

ZONA DEPRESIÓN

BAJA

1 4

2 3

2.4.2 EQUIPOS Y ELEMENTOS USADOS EN UN CICLO DE REFRIGERACIÓN:

• Compresor:

Tiene la función de aspirar el refrigerante que se ha vaporizado en el evaporador por efectodel calor absorbido del material a enfriar (punto 3), y comprimirlo hasta llevarlo a un estadosobrecalentado, agregándole trabajo de compresión al refrigerante gasificado que es enviadoal condensador (punto 4). Este proceso se caracteriza por ser un proceso de compresiónreversible y adiabática. Los compresores más empleados son los reciprocantes (de pistones),y los de tornillo. Los compresores reciprocantes pueden ser herméticos, semiherméticos yabiertos.

• Condensador:

Es el equipo que tiene la función de disipar el calor absorbido en el evaporador y en el trabajomecánico de compresión. Estos calores son transportados por el refrigerante hasta el

condensador (punto 4). Éste, al eliminar la temperatura de sobrecalentamiento, le devuelve alrefrigerante su estado de equilibrio (punto 4’, verlo en diagrama T-S), pasándolo de la fasegaseosa a la fase líquida saturada, entregando los calores disipados al agua o al aire (punto1). Según esto, los condensadores pueden ser enfriados por agua o enfriados por aire.

• Válvula de expansión:

Este elemento tiene la función de producir el efecto Joule-Thomson mediante elestrangulamiento del flujo de líquido refrigerante, causando un significativo descenso depresión y temperatura del mismo, desde la condición de salida del condensador (punto 1)hasta el punto más bajo que se desea alcanzar para extraer calor del material a enfriar (punto2). Es un proceso irreversible y adiabático. Existen válvulas de expansión de regulaciónmanual y de regulación automática, unas más sofisticadas que otras.

• Evaporador:



16

El evaporador es el intercambiador donde el material que se desea enfriar entrega calor alrefrigerante, y éste absorbe ese calor por el efecto de cambio de fase, de estado líquido-vapor (punto 2) a estado de vapor saturado (punto 3). Pueden ser de dos tipos: inundado y seco.

El evaporador tipo inundado se emplea en instalaciones de mediana y gran capacidad quefuncionan a temperaturas de congelación. En cambio, el evaporador tipo expansión seca seemplea generalmente en instalaciones pequeñas.

2.4.3 DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN BÁSICA:

ENTRO PÍA Kcal/kg °C

T E M P E R A T U R A °

C

- 6.6

46

0.292 0.42

R22

S2 S3 = S4

3

4

1

2

TEMPERATURADE DESCARGA

TEMPERATURA

DE SUCCIÓN

P1 = P4

0.285S1

70

4'

P2 = P3

H1 = H2



17

3

41

2

P R E S I Ó N D ED E S C A R G A

P R E S I Ó N D ES U C C I Ó N

E N T A L P Í A K c a l / k g

P R E S I Ó

N

k g / c m ² a

4 . 0 9

1 8 . 0 6

6 1 . 5 9

9 6 . 1 5

1 0 7 . 7 9

R 2 2

H3

H1 = H2 H4

S3 = S4

4 '

q2

q1

W

S4 '

2.4.4 INTRODUCCIÓN AL CÁLCULO DE UN CICLO DE REFRIGERACIÓN BÁSICA:

a. Capacidad de un sistema de refrigeración:

La capacidad de un sistema de refrigeración se expresa en:

• FRIGORÍAS (Fg): Poco utilizado en los ambientes especializados. 1 Fg = 1 Kcal / hr.• TONELADAS DE REFRIGERACIÓN (Ton R): Expresión muy común en el lenguaje

técnico.

1 Ton R = 12000 Btu / hr = 3024 Kcal / hr = 12652.416 KJ / hr = 3514.56 Watt

b. Cálculos en función de las entalpías:

ETAPA PROCESO CÁLCULO1 – 2

2 – 3

3 – 4

4 - 1

Expansión isoentálpica, adiabática

Efecto refrigerante, isobárico, isotérmico

Compresión isoentrópica, adiabática

Enfriamiento y Condensación, isobárico

H1 = H2

q2 = H3 – H2

W3,4 = H4 – H3

q1 = H4 – H1 = q2 + W3,4

EJERCICIOS DE APLICACIÓN:

Determinar el cuadro de coordenadas termodinámicas para los refrigerantes R22, amoniaco (R

717) y R407c si al compresor llega vapor saturado a la temperatura de 5 °F, y el refrigerante secondensa como líquido saturado a 86 °F.SOLUCIÓN:



18

El cuadro de coordenadas termodinámicas de un refrigerante comprende las siguientesvariables: Temperatura, Presión, Volumen, Entalpía, Entropía y Calidad.

Como las tablas de propiedades de los refrigerantes están en unidades del SistemaInternacional, es necesario hacer un cuadro de equivalencias:

UNIDADES SistemaInglés SistemaMétrico SistemaInternacional

Temperatura °F = (°C×1.8) + 32 °C = (°F – 32) / 1.8 °C = (°F – 32) / 1.8

Presión psi = 6.89482564 KPa Kg/cm2 = 98.0665 KPa100 KPa = 1.019716213 Kg / cm2

= 14.50363 psi

Volumen ft3/lb = 0.062427 m3/kg m3/kg = 16.018628 ft3/lb m3/kg = 16.018628 ft3/lb

Entalpía Btu/lb = 2.32597 kJ/kg Kcal/kg = 4.184 kJ/kgkJ/kg = 0.239 Kcal(kg

= 0.4299277 Btu/lb

Entropía Btu/lb°F=4.18675 kJ/kg°K Kcal/kg°C=4.184 kJ/kg°KkJ/kg°K = 0.238849 Btu/lb°F

= 0.239006 Kcal/kg°C

a. Se dibujan los diagramas P–H y T-S teniendo en cuenta los datos del problema:

b. Con la Tabla de Vapor Saturado se determinan las coordenadas pertinentes:

Para el R22

Pto.

Temp.

°C

Presión

KPa

Volumen

m3 /kg

Entalpía

kJ/kg

Entropía

kJ/kg°K

Calidad

%1 30 1192.3 0.000853825 236.8 1.126 100% liquido saturado

2 -15 296.45 0.019939 236.8 1.144625 Mezcla 25% de vapor

3 -15 296.45 0.0775 399.05 1.7735 100% vapor saturado

4 52.6 1192.3 0.022512 433.732 1.7735 Vapor sobrecalentado

4’ 30 1192.3 0.0197 414.3 1.711 100% vapor saturado

c. Se calculan las coordenadas no precisadas en el punto 2 (Zona de mezcla):

Primero, se determina la calidad del refrigerante en el punto (2):

3

41

2

E N T A L P Í A

P R E S I Ó N

H3H1 = H2 H4

S3 = S4

4 '

S

°C

- 15

30

S2 S3 = S4

3

4

1

2

P1 = P4

S1

4'

P2 = P3

H1 = H2



19

H2 = H2’ + X (H3 – H2’) → X = (H2 - H2’) / (H3 – H2’)

X : Calidad del refrigerante en el punto (2)H2’ : Entalpía de líquido saturado a temp. del punto (2)

Hallamos H2’ para T2 = -15 °C :

En Tabla: -16 °C → HL = 181.4 kJ/kg -14 °C → HL = 183.7 kJ/kgInterpolando para -15 °C, hallamos H2’ = 182.55 kJ/kg

De donde:X = (236.8 – 182.55) / (399.05 – 182.55) = 54.25 / 216.5 = 0.25 → 25%

Luego, se determina la entropía en el punto (2):

S2 = S2’ + X (S3 – S2’) En Tabla: -16 °C, SL = 0.931 kJ/kg°K -14 °C, SL = 0.939 kJ/kg°K

Interpolando para -15 °C, hallamos S2’ = 0.935 kJ/kg°K

De donde:

S2 = 0.935 + 0.25 (1.7735 – 0.935) = 0.935 + 0.209625 = 1.144625 kJ/kg°K

De la misma manera, se halla el volumen en el punto (2):

V2 = V2’ + X (V3 – V2’) En Tabla: -16 °C, ρL = 1333.8 kg/m3 -14 °C, ρL = 1327.5 kg/m3

Interpolando para -15 °C, hallamos ρ2’ = 1330.65 kg/m3 → V2’ = 0.000751512 m3/kg

De donde:V2 = 0.000751512 + 0.25 (0.0775 – 0.000751512) = 0.019938634 m3/kg

d. Se determinan las coordenadas no precisadas en el punto 4 (Zona sobrecalentada), para

ello se emplea la Tabla de Vapor Sobrecalentado:Primero, se determina la temperatura (T4) según las coordenadas (P4 = 1192.3 KPa) y (S4 =1.7735 kJ/kg°K):

Para (P4 = 1192.3 KPa) en Tabla hallamos las siguientes entropías:

50 °C → S = 1.767 kJ/kg°K 60 °C → S = 1.792 kJ/kg°K

Siendo (S4 = 1.7735 kJ/kg°K) efectuamos la interpolación y hallamos la temperatura:

(60 – 50) °C --------- (1.792 – 1.767) kJ/kg°KX ------------- (1.792 – 1.7735) kJ/kg°K X = (10°C × 0.0185) / 0.025 = 7.4 °C

De donde:T4 = 60 °C – 7.4 °C = 52.6 °C

Luego, se determina la entalpía (H4) con las coordenadas (P4 = 1192.3 KPa) y (T4 = 52.6 °C):

Para (P4 = 1192.3 KPa) en Tabla hallamos las siguientes entalpías:

50 °C → H = 431.6 kJ/kg 60 °C → H = 439.8 kJ/kg

Siendo (T4 = 52.6 °C) efectuamos la interpolación respectiva y hallamos la entalpía:

10 °C --------- (439.8 – 431.6) kJ/kg7.4 °C ------------ X X = (7.4 × 8.2 kJ/kg) / 10 = 6.068 kJ/kg

De donde: H4 = 439.8 kJ/kg – 6.068 kJ/kg = 433.732 kJ/kg



20

Finalmente, se determina el volumen (V4) según (P4 = 1192.3 KPa) y (T4 = 52.6 °C):

Para (P4 = 1192.3 KPa) en Tabla hallamos los siguientes volúmenes:

50 °C → V = 0.0222 m3/kg 60 °C → V = 0.0234 m3/kg

Siendo (T4 = 52.6 °C) efectuamos la interpolación y hallamos el volumen:

10 °C --------- (0.0234 – 0.0222) m3/kg7.4 °C ------------- X X = (7.4 × 0.0012 m3/kg) / 10 = 0.000888 m3/kg

De donde:V4 = 0.0234 m3/kg – 0.000888 m3/kg = 0.022512 m3/kg

LAS COORDENADAS DEL R717 Y R407c SERÁN HALLADAS POR LOS ALUMNOS COMOUNA PRÁCTICA CALIFICADA.

II.5 CÁLCULOS DE UN CICLO DE REFRIGERACIÓN:

I. Se desea calcular un sistema de refrigeración cuya capacidad es de 20 TR. Se haconsiderado utilizar amoniaco como refrigerante. Las condiciones de operación son:

a. Al compresor llega vapor saturado de NH3 a la temperatura de 5 °F.b. El refrigerante se enfría y condensa como líquido saturado a 86 °F.c. La temperatura promedio en la época de verano de la zona es de 75.2 °F.

Establecer las características del ciclo termodinámico para este sistema de refrigeración.Trazar diagramas T-S y P-H. En el desarrollo del cálculo indicar los siguientes datos:

a. Temperatura del refrigerante en la descarga del compresor.b. Calidad del refrigerante después de la válvula de expansión (mezcla líquido – vapor).c. Efecto refrigerante.

d. Calor descargado en el condensador.e. Flujo del refrigerante manipulado por el compresor.f. Trabajo y potencia del compresor.

SOLUCIÓN:

1.- Determinación del cuadro de coordenadas termodinámicas del NH3:a) Conversión de los datos de temperatura al SI:

Para 5 °F → °C = (5 °F – 32) / 1.8 = -15 °CPara 86 °F → °C = (86 °F – 32) / 1.8 = 30 °CPara 75.2 °F → °C = (75.2 °F – 32) / 1.8 = 24 °C

b) Diagramas P – H y T – S :

3

41

2

ENTALPÍA

P R E S I

H3H1 = H2 H4 S

°C

-15

30

S2 S3 = S4

3

4

1

2

S1

4'

4'

c) Cuadro de coordenadas termodinámicas:

Pto.Temp.

°CPresión

KPaVolumen

m3 /kgEntalpía

kJ/kgEntropíakJ/kg°K

Calidad%

1 30 1167.4 0.00168 341.8 1.488 100% liquido saturado



21

2 -15 236.35 0.082731 341.8 1.55634 Mezcla 16% de vapor

3 -15 236.35 0.5091 1444.4 5.829 100% vapor saturado

4 99.13 1167.4 0.147282 1675.899 5.829 Vapor sobrecalentado

4’ 30 1167.4 0.1104 1486.2 5.263 100% vapor saturado

d) Determinación de las coordenadas no precisadas en el punto (2):

Calidad del refrigerante en el punto (2):

H2 = H2’ + X (H3 – H2’) → X = (H2 - H2’) / (H3 – H2’)

H2’ en Tabla: -16 °C → HL = 126.7 kJ/kg -14 °C → HL = 135.8 kJ/kg

Para -15 °C, H2’ = 131.25 kJ/kg

X = (341.8 – 131.25) / (1444.4 – 131.25) = 210.55 / 1313.15 = 0.16 → 16%

Entropía en el punto (2):

S2 = S2’ + X (S3 – S2’)

S2’ en Tabla: -16 °C → SL = 0.725 kJ/kg°K -14 °C → SL = 0.760 kJ/kg°K

Para -15 °C, S2’ = 0.7425 kJ/kg°K

S2 = 0.7425 + 0.16 (5.829 – 0.7425) = 0.7425 + 0.81384 = 1.55634 kJ/kg°K

Volumen en el punto (2):

V2 = V2’ + X (V3 – V2’)

V2’ en Tabla: -16 °C → ρL = 660 kg/m3 -14 °C → ρL = 657.3 kg/m3

Para -15 °C, ρ2’ = 658.65 kg/m3 → V2’ = 0.0015183 m3/kg

V2 = 0.0015183 + 0.16 (0.5091 – 0.0015183) = 0.082731 m3/kg

e) Determinación de las coordenadas no precisadas en el punto 4:

Temperatura en el punto (4) según (P4 = 1167.4 KPa) y (S4 = 5.829 kJ/kg°K):

T4 en Tabla v. sobrecalentado: 5.835 kJ/kg°K → T = 100 °C 5.766 kJ/kg°K → T = 90 °C

Para 5.829 kJ/kg°K → T4 = 99.13 °C

Entalpía en el punto (4) según (P4 = 1167.4 KPa) y (T4 = 99.13 °C):H4 en Tabla v. sobrecalentado: 100 °C → H = 1678.1 kJ/kg 90 °C → H = 1652.8 kJ/kg

Para 99.13 °C → H4 = 1675.899 kJ/kg

Volumen en el punto (4) según (P4 = 1167.4 KPa) y (T4 = 99.13 °C):

V4 en Tabla v. sobrecalentado: 100 °C → V = 0.1477 m3/kg 90 °C → V = 0.1429 m3/kgPara 99.13 °C → V4 = 0.147282 m3/kg

2.- Condiciones de operación de la instalación frigorífica:Las condiciones de operación de la instalación están fijadas por dos parámetros:

• La temperatura de operación de la cámara.• La temperatura de operación del condensador.



23

η 2681.944 kJ/hr

53129.0205 kJ/hr H.P.Potencia = ----------------------- × -------------------- = 24.762 → 25 HP

0.8 2681.944 kJ/hr

PRÁCTICA CALIFICADA PARA LOS ALUMNOS:

II. Determinar la capacidad de una planta frigorífica que utiliza R22 como refrigerante. Los datosde operación son:

• Al compresor llega vapor saturado de R22 a la temperatura de -4 °F.• El refrigerante se enfría y condensa como líquido saturado a 98.6 °F.• La temperatura promedio en la época de verano de la zona es de 75.2 °F.• El flujo de refrigerante en el sistema es de 260 kg/hr

Establecer las condiciones de operación de la instalación frigorífica y las coordenadastermodinámicas para este sistema de refrigeración. En el desarrollo del cálculo indicar lossiguientes datos:

a. Temperatura del refrigerante en la descarga del compresor.b. Calidad del refrigerante después de la válvula de expansión.c. Efecto refrigerante y capacidad de la planta frigorífica (en TR)d. Calor descargado en el condensador.e. Flujo del refrigerante manipulado por el compresor.f. Trabajo y potencia del compresor.

curso de refrigeración industrial

Documents