introduccion a refrigeracion y congelado

Diapositiva 1

Ing. Oscar Crisstomo [email protected] Nacional Mayor de San MarcosIngeniera Agroindustrial

Refrigeracin y Congelado1. Generalidades

1.1 Mtodos de Produccin de Froa) Cambios de estadoFusinSublimacinHielo.

Mezclas eutcticas.CO2 solidificadoPor medio directoN2 lquido.

CO2 lquido.Por medio indirectoMquina de compresin.

Mquina de absorcin.

Mquina de adsorcin.

Mquina de eyeccin.b) Por expansinCon produccin de trabajo exterior (Mquina de aire).

Sin produccin de trabajo exterior (Efecto Joule-Thompson).c) Efectos especialesRefrigeracin termoelctrica (Efecto Peltier).

Refrigeracin magneto-elctrico (Efecto Haas-Keenson).

Refrigeracin magneto-trmico-elctrico (Efecto Ettings-Hausen).

Refrigeracin por torbellino (Efecto Ranke-Hilsch).Vaporizacina) Sistemas DiscontinuosFusinSublimacinHielo.

Mezclas eutcticas.CO2 solidificadoVaporizacinN2 lquido.

CO2 lquido.b) Sistemas ContinuosVaporizacinMquina de compresin.

Mquina de absorcin.

Mquina de adsorcin.

Mquina de eyeccin.ExpansinCon produccin de trabajo exterior (Mquina de aire).

Sin produccin de trabajo exterior (Efecto Joule-Thompson).Efectos especialesRefrigeracin termoelctrica (Efecto Peltier).

Refrigeracin magneto-elctrico (Efecto Haas-Keenson).

Refrigeracin magneto-trmico-elctrico (Efecto Ettings-Hausen).

Refrigeracin por torbellino (Efecto Ranke-Hilsch).Fusin de HieloSe basa en la propiedad que tienen los cuerpos de absorber calor para pasar de estado slido a lquido.Cada unidad de masa absorbe una cantidad de calor constante e igual a su calor latente de fusin.Se eligen sustancias o mezclas de sustancias que posean baja temperatura de fusin, tal como el hielo o las soluciones eutcticas.El hielo a 0C al licuarse a agua absorbe 80 Kcal/Kg (calor latente de fusin).

Fusin de mezclas eutcticas o refrigerantesEutcticoes unamezclade dos componentes conpunto de fusinopunto de licuefaccin mnimo, inferior al correspondiente a cada uno de los compuestos en estado puro.Esto ocurre en mezclas que poseen alta estabilidad en estado lquido, cuyos componentes son insolubles en estado slido.Las mezclas eutcticas conseguidas con determinadas soluciones se congelan para poder utilizarlas, beneficindose del calor absorbido en su fusin y del bajo punto de fusin.Una de las ventajas del uso de mezclas eutcticas es que stas pueden volverse a congelar y ser nuevamente utilizadas.Mezclas RefrigerantesComponentesProporcin en PesoEnfriamiento producido (C)DesdeHastacido clorhdricoNieve530- 32cido ntrico (N/10)Nieve470- 34cido ntrico (N/10)Nieve23- 16 40cido ntrico (N/10)cido sulfrico (N/10)Nieve112 22- 48cido ntrico (N/10)cido sulfrico (N/10)Nieve337- 23- 49cido ntrico (N/10)cido sulfrico (N/10)Nieve113- 19- 40cido ntrico (N/10)Nieve11- 14- 34cido sulfrico (N/10)Nieve230- 30Mezclas RefrigerantesComponentesProporcin en PesoEnfriamiento producido (C)DesdeHastacido sulfrico (N/10)Nieve11- 30- 51AguaNitrato amnico11+ 10- 16AguaNitrato amnico1,31+ 16- 17,5Cloruro clcicoNieve540- 40Cloruro clcicoNieve21- 18- 54Cloruro clcicoNieve120- 20Cloruro clcicoNieve512- 10- 32Cloruro clcicoNieve11- 2- 18Soluciones EutcticasSalConcentracin en peso (%)Temperatura de Congelacin (C)Calor de Fusin (Kcal/Kg)Cloruro amnico18,7- 15,873,8Cloruro clcico29,9- 55,050,8Cloruro magnsico20,6- 33,6-Cloruro potsico19,7- 11,171,9Cloruro sdico22,4- 21,256,4Carbonato sdico35,5- 37,1-Hidrxido potsico31,5- 65,0-Nitrato sdico36,9- 18,557,5Sulfato de magnesio19,0- 3,958,2Sulfato de zinc27,2- 6,550,9SublimacinSe produce de manera espontnea a condiciones ambientales normales para que una unidad de cuerpo pase directamente del estado slido al de vapor (calor latente de sublimacin).El anhdrido carbnico, conocido tambin como hielo seco o nieve carbnica se mantiene en ese estado a la presin atmosfrica si la temperatura es de 78,5C.El calor latente de sublimacin del CO2 es de 138 Kcal/Kg y el calor sensible del vapor de agua es de 0,2 Kcal/Kg C.

Vaporizacin DirectaUn lquido con muy bajo punto de ebullicin a presin atmosfrica es evaporado de tal manera que permite aprovechar su calor latente de vaporizacin, siendo posteriormente el gas producido eliminado a la atmsfera.Se utilizan gases no txicos, cuya presencia sea normal en la atmsfera.Generalmente se emplea el nitrgeno lquido. Su temperatura de ebullicin es de 196C y su calor latente de evaporacin de 47,6 Kcal/Kg.El principal inconveniente del nitrgeno lquido es su alto costo.

Ciclo Invertido de CarnotEl ciclo reversible ms eficiente es el ciclo de Carnot y puesto que es un ciclo reversible, los cuatro procesos que comprende el ciclo de Carnot pueden invertirse. Por lo que se invertirn las direcciones de los procesos de transferencia de calor y trabajo. Dando como resultado el ciclo invertido de Carnot.Se utilizan gases no txicos, cuya presencia sea normal en la atmsfera.Generalmente se emplea el nitrgeno lquido. Su temperatura de ebullicin es de 196C y su calor latente de evaporacin de 47,6 Kcal/Kg.El principal inconveniente del nitrgeno lquido es su alto costo.

Ciclo Invertido de CarnotBomba de CalorUnabomba de calores unamquina trmicaque permite transferir energa mediantecalorde un ambiente a otro, segn se requiera. Para lograr esta accin es necesario un aporte detrabajoacorde a lasegunda ley de la termodinmica, segn la cual el calor se dirige de manera espontnea de un foco caliente a otro fro, y no al revs, hasta que sus temperaturas se igualen.

Bombear calor del exterior al interior en invierno.Bombear calor del interior al exterior en de verano.Bomba de Calor

Bomba de Calor

Bomba de Calor

Bomba de Calor

Bomba de Calor

Bomba de Calor

Bomba de Calor

Bomba de Calor - Clases

Bomba de Calor Aplicaciones

Sector Residencial Climatizacin de viviendas A.C.S.Bomba de Calor Aplicaciones

Sector Terciario Climatizacin de locales Climatizacin de piscinasBomba de Calor - Aplicaciones

Sector IndustrialClimatizacin de locales industrialesA.C.S.Agua calienteSecaderosDestilacinInvernaderosPiscifactorasFermentacin panEtc.Sistema de Refrigeracin por Compresin SimpleUn ciclo de compresin mecnica simple consta, esencialmente, de un compresor, un condensador, un evaporador, una vlvula de regulacin o de expansin y las tuberas de unin de todos estos elementos para conseguir un circuito cerrado.En el evaporador, el fluido de trabajo (refrigerante) se vaporiza, tomando calor del medio que lo envuelve y enfriando dicho medio. Los vapores as formados son aspirados por el compresor y despus comprimidos, descargndolos al condensador en forma de vapor recalentado, cediendo a un medio ms fro que envuelve al condensador tanto el calor latente de vaporizacin absorbido en el evaporador como el calor sensible de recalentamiento, proporcionado por el compresor. Cedido este calor el vapor pasa nuevamente al estado lquido, para comenzar de nuevo el ciclo.

Sistema de Refrigeracin por Compresin Simple



Sistema de Refrigeracin por AbsorcinSe basan en la solubilidad de un gas en una solucin a baja temperatura y en la propiedad de estas soluciones de restituir el gas cuando aumentan su temperatura. La absorcin va acompaada de un desprendimiento de calor. Un ciclo de absorcin simple, en circuito cerrado, consta esencialmente de un absorbedor y de un hervidor o generador que sustituyen en sus funciones al compresor de una instalacin mecnica.En el generador-columna de destilacin existe una mezcla lquida formada por un lquido absorbente y un vapor refrigerante disuelto en l. El lquido absorbente debe tener una gran avidez por el vapor refrigerante. Deben presentar igualmente puntos de ebullicin diferentes.Sistema de Refrigeracin por AbsorcinEl ciclo necesita calor a T (generador), para obtener efecto refrigerante a T (evaporador); como residuo se ha de extraer calor a media T (absorbedor y condensador).Su coste de operacin es bajo si el calor es residual. Apenas tienen partes mviles, no genera vibraciones ni ruidos, y tiene mantenimiento reducido.Se usa una mezcla de dos componentes: refrigerante y absorbente. Las mezclas ms utilizadas son: NH3-H2O y LiBr-H2O.El NH3 es el refrigerante y el H2O el absorbente.El H2O es el refrigerante, y el LiBr el absorbente (Tevap > 0C, entre 5 y 10C).La tensin de vapor del refrigerante se ve alterada por la presencia del absorbente ( al la cantidad de absorbente).Con la concentracin de la mezcla, se controla la T de evaporacin.Sistema de Refrigeracin por Absorcin

Sistema de Refrigeracin por Absorcin

Sistemas Tritrmicos: Interaccin con el ExteriorSistema de Refrigeracin por AbsorcinSistemas Tritrmicos: Subdivisin en Mquinas Ditrmicas

Sistema de Refrigeracin por AbsorcinSistemas Tritrmicos: Subdivisin en Mquinas Ditrmicas

Sistema por Absorcin de Efecto Simple







Absorbedor:Sistema por Absorcin de Efecto SimpleCondensador:

Sistema por Absorcin de Efecto SimpleExpansor:

Sistema por Absorcin de Efecto SimpleEvaporador:




Sistema por Absorcin de Efecto SimpleTemperatura en Generador:

Sistema por Absorcin de Efecto SimpleTemperatura en Condensador:

Sistema por Absorcin de Efecto SimpleTemperatura en Absorbedor:

Sistema por Absorcin de Efecto SimpleTemperatura en Evaporador:

Sistema por Absorcin de Efecto SimpleEficiencia en el Intercambiador:



Las mquinas suelen tener dos partes: el generador y el condensador. el evaporador y el absorbedor.Sistema de Refrigeracin por AbsorcinEl suministro trmico en los arranques debe ser mayor que en rgimen.

La capacidad se controla con la concentracin el absorbedor:Estrangulando la alimentacin de calor en el generador.Disminuyendo la refrigeracin del condensador.Regulando el caudal que le llega al hervidor.Bypasando la solucin con una vlvula de tres vas en el hervidor (las dos conexiones con el absorbedor).

Sistema bromuro de litio-agua (BrLi-H2O), requiere en el generador T de 100C.Sistema de Refrigeracin por AbsorcinSistema amoniaco-agua (NH3-H2O), requiere en el generador de 120-150C.El NH3 es txico y adems ataca el cobre.Las mquinas y tuberas tienen que ser de acero e inoxidable.Necesita un rectificador entre el generador y el condensador ya que con el amoniaco se evapora agua.


Mquina de Aire FroEn las mquinas de aire fro se utiliza la propiedad que tienen los gases comprimidos, de producir una disminucin importante de la temperatura, cuando se les expande tras haber sido enfriados. Existe una cierta analoga mecnica entre estas instalaciones y las que utilizan refrigerantes.

Se componen esencialmente de un compresor para comprimir el aire, que se calienta al mismo tiempo, de un enfriador por circulacin o pulverizacin de agua y de un evaporador situado en el local a refrigerar. En las instalaciones de compresin se utiliza el calor latente de vaporizacin cuyo valor es elevado. En el caso de las mquinas de aire, se utiliza el calor especfico del aire, que es pequeo (0,3 Kcal/m3 0C). Debido a esto, es necesario hacer circular grandes masas de aire y utilizar mquinas enormes. Mquina de Aire Fro

Mquina de Aire Fro

Un sistema de enfriamiento de ciclo abierto de un avinMquina de Aire Fro

Ciclo de refrigeracin de gas con regeneracinRefrigeracin EvaporativaEs un proceso de transferencia de calor y masa basado en la conversin del calor sensible en latente; el aire no saturado es enfriado por la exposicin al agua ms fra en condiciones de aislamiento trmico, a entalpa constante, llegando a la saturacin adiabtica.

La clasificacin de los sistemas evaporativos :Directos: el agua se evapora en la corriente de aire que se desea enfriar, aumentando la humedad.Indirectos: la evaporacin se efecta en una corriente secundaria de aire, la cual intercambia calor sensible con la corriente primaria, que de este modo no recibe ninguna humedad.Mixtos: mezcla de los dos anteriores.Refrigeracin Evaporativa

Refrigeracin Evaporativa

Refrigeracin Evaporativa

Efecto TermoelctricoSe denomina tambin efecto Peltier. El efecto termoelctrico se produce en el punto de unin de dos metales distintos que forman un circuito por el que circula una corriente elctrica. La figura representa una instalacin simple de enfriamiento termoelctrico la cual consta de: metal de contacto con la fuente fra; metal de contacto con la fuente caliente; semiconductor positivo con deficiencia de electrones, semiconductor P; semiconductor negativo con exceso de electrones, semiconductor N; soldaduras; fuente de corriente continua. Si este circuito es recorrido por una corriente elctrica en el sentido correspondiente a la polaridad de la fuente, se produce un enfriamiento en las soldaduras de la parte superior y un calentamiento en las soldaduras de la parte inferior, las cuales cedern calor al medio caliente. Si se invierte el sentido de la corriente ocurre lo contrario.Efecto Termoelctrico

Efecto TermoelctricoEn la fabricacin de los semiconductores P y N se utilizan normalmente elementos de elevado peso atmico (telurio de bismuto y telurio de plomo). Las soldaduras deben tener poca resistencia al paso de la corriente. Presenta las ventajas de su simplicidad y ausencia de elementos mviles, y aunque el efecto frigorfico de estas instalaciones sea ms bajo que el de las de compresin mecnica, en instalaciones pequeas la diferencia no es notable. Normalmente se utilizan varios mdulos conectados en serie. Presenta algunos inconvenientes de importancia, como son, las prdidas por efecto Joule, que se traducen en calentamientos de los metales, y la transmisin de calor por conduccin entre la superficie fra y caliente. Efecto Magneto TrmicoConsiste bsicamente en refrigerar mediante la desimantacin de una sal paramagntica. Mediante este mtodo se han conseguido en el laboratorio temperaturas prximas al cero absoluto. El procedimiento es el siguiente: se sita una sal paramagntica (compuesto capaz de ser atrado por un imn) entre los polos de un electroimn, rodeado de un fluido que asegure el contacto trmico, y de helio lquido. Se elimina seguidamente el fluido trmico mediante bombeo y se hace el vaco en el lugar que ocupaba. Al retirar el imn la sal paramagntica se desimanta bruscamente y su temperatura desciende hasta los 0,003 K o incluso a temperaturas inferiores Efecto Magneto Trmico

Efecto Magneto Trmico ElctricoCuando un conductor recorrido por una corriente continua de intensidad ''I'' se coloca en un campo de induccin magntica cuya direccin es normal a la corriente, se establece, en el conductor, un gradiente de temperaturas segn la normal comn a las direcciones de la corriente y del campo. Una de las caras del conductor absorbe calor y la otra lo desprende.

Efecto TorbellinoAl introducir aire comprimido en el interior de un cilindro, de forma tangente y a velocidad snica, se crea en el interior de la cmara un movimiento circular ciclnico. Este movimiento origina una depresin en la zona cercana al eje del cilindro y como consecuencia una expansin del aire en esta zona, con el consiguiente enfriamiento del mismo. Por el contrario en la periferia se produce una sobre presin del aire y por lo tanto, un calentamiento de ste. El aprovechamiento de refrigeracin se realiza extrayendo el aire cercano al eje central y conducindolo al recinto a refrigerar. Igualmente puede conseguirse aire caliente. El rendimiento es muy bajo.

1.2 Compresin de Gases y Vapores

Compresin Ideal

Ciclo de trabajo terico de un compresor ideal, sin prdidas, con espacio muerto nulo y con un gas perfectoCompresin IdealDiagrama de un compresor alternativo ideal

Proceso de Compresin

Coeficiente de Espacio Muerto



Eficiencia Volumtrica

1234EspacioMuertoVolumen aspiradoDesplazamientoPotencia IndicadaSe obtiene del diagrama p-V, estando en funcionamiento el compresor real, cuyo grfico es realizado por un dispositivo denominado Indicador de diagrama.Potencia al EjeLa Potencia Entregada al eje es mayor a la que se tiene que entregar al compresor y a la suma de las prdidas mecnicas.Eficiencia MecnicaRgimen de Funcionamiento de un CompresorPsVPPiIsentrpico (n = k)Politrpico (1 < n < k)Isotrmico (n = 1)12t2p2sWRgimen de Funcionamiento de un CompresorPsSTPiIsentrpico (n = k)Isotrmico (n = 1)12tQ2sPolitrpico (1 < n < k)Rgimen de Funcionamiento de un CompresorhPPsPiIsentrpico (n = k)Politrpico (1 < n < k)Isotrmico (n = 1)12t2p2sRgimen de Funcionamiento de un Compresor

Rgimen de Funcionamiento de un Compresor

Rgimen de Funcionamiento de un Compresor

Compresin en Etapas

Compresin en EtapasP2PrP12c1abVDx VDVMP V nP V nDonde:

RC=Relacin de compresinn=Numero de etapasPmx=Presin mxima del gasPmn=Presin mnima del gas.Compresin en EtapasPotencia Mnima de Compresin para cualquier etapa:

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