modulo unidad 1 del curso refrigeración aplicada unad

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD

Nombre escuela: ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGICAS E INGENIERIAS

Nombre programa: INGENIERIA DE ALIMENTOS

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS INGENIERIA Y TECNOLOGIA

PROGRAMA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS

UNIDAD 1

201062 REFRIGERACION APLICADA A LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS

JAIME ERNESTO NARVAEZ VITERI

(Director Nacional)

LUCAS QUINTANA

(Acreditador)

SAN JUAN DE PASTO

Diciembre de 2013




ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El mdulo de Refrigeracin Aplicada en la Industria de Alimentos fue

diseado en el ao 1995 por el Ingeniero de Alimentos, Doctor Jaime Alberto Leal

Afanador y editado por la Editorial Unisur Bogot.

Las actualizaciones del material fueron llevadas a cabo en el ao 2005 por

el Ingeniero Salomn Gmez Castelblanco y a partir de Julio del 2009 hasta

Diciembre de 2013 en forma sucesiva por el ingeniero Jaime Ernesto Narvez

Viteri, Especialista en Ecologa y Gestin Ambiental y Especialista en Docencia

Universitaria.

Este modulo es acreditado por el Ingeniero Lucas Quintana




INTRODUCCIN

El curso de refrigeracin aplicada en la industria de alimentos es un curso

electivo para los programas de ingeniera de alimentos y la especializacin en

procesos en alimentos y biomateriales que fundamenta el procedimiento

tecnolgico de enfriamiento y congelacin de los alimentos para su manejo,

adecuacin y conservacin a largo plazo. Se desarrollan los conceptos con un

fundamento fsico sobre la termodinmica de refrigeracin y las transformaciones

implicadas. Se presentan los mtodos de produccin de fro con una visin

cientfica-tecnolgica, describiendo los equipos principales en las instalaciones

frigorficas. Se tratan las caractersticas de los fluidos frigorficos, y la problemtica

con respecto al medio ambiente. Interesan las aplicaciones de la tecnologa del

fro y de sus mtodos a la industria alimentaria.

En este curso el estudiante tendr la oportunidad de integrar y aplicar muchos de

los conocimientos adquiridos en otros cursos anteriores especialmente de:

qumica, matemticas, principios de transferencia y calor, balance de materia y

energa algunos aspectos de ndole econmicos y de calidad lo cual le permitir

encontrar la utilidad de los conocimientos aprendidos en anteriores semestres y lo

motivar acceder a los nuevos conocimientos con mayor inters, logrando un

aprendizaje significativo y permanente.

Para que el estudiante pueda abordar el estudio del curso, se propondrn

diferentes actividades de aprendizaje que involucren las fases de reconocimiento,

(conocimientos y experiencias previas), profundizacin ( manejo de

conceptos y teoras) y transferencia (aplicacin del conocimiento en un contexto),

para lo cual contarn con el recurso didctico y tecnolgico con el fin de fortalecer

su auto aprendizaje y adquirir las competencias cognitivas, meta cognitivas y

contextuales a travs del estudio del curso acorde con las intencionalidades y

metas del curso.




La primera unidad didctica pretende que el estudiante reconozca los conceptos

termodinmicos bsicos que explican el fro y la generacin de fro en procesos de

refrigeracin, congelacin y generacin de efectos combinados con atmsferas

modificadas y controladas.

El modulo orienta aspectos prcticos que se deben tener en cuenta durante el

diseo, construccin, seleccin de espacios de almacenamiento que utilicen bajas

temperaturas.

La estrategia principal es darle a los estudiantes las herramientas fundamentales,

para que en la medida que desarrolle todas las actividades propuestas en la gua

didctica que acompaa este curso, logre comprender, asimilar, aplicar y

transferir el conocimiento en el anlisis de casos reales que se presentan en la

industria de alimentos, en lo relacionado con los procesos de refrigeracin, a los

cuales ms adelante como Tecnlogo e Ingeniero de alimentos tendr que

afrontar como una de sus responsabilidades ms importantes en su profesin,

como es la obtencin de alimentos inocuos y seguros para el consumidor. En

resumen se pretende que el estudiante adems de aprender los principios y las

normas relacionadas con la refrigeracin de los alimentos, tome conciencia de su

importancia y la apliquen desde un sentido de honestidad, tica y responsabilidad,

en todo el trayecto de su vida personal y profesional.

Para el desarrollo de este material se tom como insumo el mdulo de

Refrigeracin Aplicada en la Industria de Alimentos, elaborado en 1995, por el

Ingeniero de Alimentos Jaime Alberto Leal Afanador. Sobre este material se

realiz un proceso de revisin, ajuste y complementacin de las temticas tratadas

para cumplir con los objetivos inicialmente planteados, y proporcionar los

fundamentos de la temtica, obtenindose un nuevo material segn los

lineamientos acadmicos de la UNAD.




INDICE DE CONTENIDO

INTRODUCCIN

UNIDAD 1 GENERACION DE FRIO

OBJETIVOS

AUTOEVALUACION INICIAL

CAPITULO 1. CONCEPTOS BASICOS

Leccin 1: Estados de la materia

Leccin 2: Termodinmica, Segunda Ley.

Leccin 3: Ciclos de refrigeracin

Leccin 4: Ciclo Simple de refrigeracin

Leccin 5: Ciclo de refrigeracin en dos etapas con recirculacin de lquido.

CAPITULO 2. FUNDAMENTOS DE LA REFRIGERACION Y LA CONGELACION

Leccin 1: Generalidades. Refrigeracin mecnica

Leccin 2: Coeficientes de funcionamiento

Leccin 3: Refrigerantes

Leccin 4: Congelacin

Leccin 5: Atmsferas Controladas y modificadas.




CAPITULO 3. FUNDAMENTOS TECNICOS PARA EL CALCULO DE UN

CUARTO DE REFRIGERACION

Leccin 1: Cagas de enfriamiento

Leccin 2: Clculo de cargas de enfriamiento

Leccin 3: Condiciones para el manejo del equipo

Leccin 4: Diseo de accesorios

Leccin 5: Condiciones de equipamento

EVALUACION DE LA UNIDAD 1

BIBLIOGRAFIA




LISTADO DE TABLAS

1. Calores especficos de algunos alimentos

2. Factores de conductividad trmica de algunos materiales comunes

3. Clasificacin de los Refrigerantes

4. Efectos fisiolgicos de los Refrigerantes

5. Anlisis comparativo de factores variables segn uso de la congelacin

ultrarrpida o de la congelacin lenta.

6. Coeficientes de transmisin de calor, U, para cuartos de almacenamiento

refrigerado.

7. Coeficientes de transmisin de calor, U, para cuartos fros.

8. Coeficientes de transmisin de calor, U, para cuartos de almacenamiento

9. Conductividad trmica de materiales usados en paredes de cuartos de

refrigeracin.

10. Calor equivalente de motores elctricos

11. Equivalentes de calor por persona dentro del espacio refrigerado.

12. Dficit DPVA, a HR inferiores al 100%

13. Prdida media de peso en la aparicin de sntomas de arrugamiento de

frutas y hortalizas ( % )

14. Efectos de la temperatura sobre la intensidad de respiracin y de deterioro

de la calidad en el perodo de conservacin.

15. Respiracin y produccin de etileno en frutas

16. Clasificacin de productos hortofrutcolas segn su produccin de etileno

17. Efectos de la temperatura sobre la conservacin de hortalizas

18. Sntomas de la alteracin por fro (Chilling injury) en algunas frutas y

hortalizas.

19. Las tcnicas de enfriamiento de productos vegetales

20. Relacin entre el sistema de acondicionamiento en el envase y el embalaje

y el tiempo de semienfriamiento.

21. Prdidas de enfriamiento y prdidas de peso en el tnel de aire




22. Datos trmicos de la aplicacin del hydrocooling a los productos

hortofrutcolas.

23. Datos trmicos de la aplicacin del vacuum cooling a hortaliza

24. Pre-refrigeracin de productos vegetales 1

25. Adaptacin de los productos vegetales a la pre-refrigeracin 2

26. Recomendaciones generales para la pre-refrigeracin 3

27. Tratamientos para permitir la importacin de carne de cerdo de pases

donde existe riesgo detriquinosis Francia e Italia.

28. Prdidas de masa por evaporacin durante la congelacin

29. Prdidas de masa durante el embalaje

30. Prdidas de masa segn Kallert Freischmann

31. Prdidas a la congelacin

32. Prdidas durante el almacenamiento

33. Prdidas de masa media durante la coccin despus de un

almacenamiento de 12 meses, estimados en % en peso.

34. Vitaminas del complejo B que pasan al exudado en el momento de

descongelar carne de res.

35. Concentracin en vitaminas en la carne y en el jugo de coccin

36. Temperaturas y Humedales recomendadas para la proteccin de una

seleccin de carnes frescas, curadas y procesadas.




LISTADO DE GRFICOS Y FIGURAS

1. Presin vs Entalpa

2. Ciclo Simple de Refrigeracin mecnica

3. Diagrama Presin del Refrigerante vs Nivel de Energa Entalpa

4. Ciclo de Refrigeracin de dos etapas con recirculacin de lquido

5. Ciclo de Refrigeracin de dos etapas con recirculacin de lquido

6. Diagrama presin de amoniaco

7. Diagrama Presin vs Amoniaco

8. Sistema de Refrigeracin

9. Esquema Ciclo de Refrigeracin

10. Esquema General Mquina Frigorfica

11. Esquema de una Bomba de calor

12. Congelacin del Agua Pura

13. Congelacin de una muestra de carne

14. Aspecto General de una congelacin en el aire (Tnel)

15. Crecimiento de los cristales de hielo en la congelacin de un msculo

16. Influencia de la velocidad de congelacin respecto al tamao y localizacin

de los cristales en msculo congelado.




17. Proporcin del contenido de agua en alimentos segn su temperatura

18. Congelacin de aire por cmara

19. Congelador de cinta transportadora

20. Congelador de placas

21. Esquema de funcionamiento de una instalacin criognica con nitrgeno

lquido

22. Congelador con nitrgeno lquido

23. Congelador de hidrocarburo halogenado lquido

24. Tnel de congelacin con CO2

25. Influencia del tipo de congelacin sobre la velocidad de congelacin

26. Calibradores de presin en cmaras de atmsferas controlada

27. Curvas de los ensayos presin vs depresin

28. Transferencia de calor a travs de paredes.

29. Representacin esquemtica funciones en una pera

30. Cambios internos de las frutas durante el proceso de traspiracin

31. Ejemplos de patrn respiratorio de las frutas

32. Representacin esquemtica de los efectos de los rangos de temperatura

sobre los productos hortifrutcolas

33. Determinacin de la actividad respiratoria

34. Efectos del Etileno durante la maduracin

35. Variacin del tiempo de conservacin a distintas temperaturas de vegetales

no sensibles.




36. Mltiplos de enfriamiento requeridos para disipar varias fracciones de calor

de campo inicial desde el producto.

37. Tnel discontinuo de tres celdas

38. Unidad porttil de enfriamiento en cmara frigorfica por aire forzado en

depresin.

39. Unidad permanente de tnel de aire forzado en depresin, en el interior de

una cmara frigorfica.

40. Sistema de enfriamiento por flujo horizontal de aire

41. Instalacin de hidrocooling con prerefrigerador continuo.

42. Esquema de tipo inundado de Hidrocooler

43. Tiempo de semienfriamiento de meln en funcin del calor de agua

44. Comportamiento de hortalizas en el vacuum-cooling

45. Ejemplo prctico de enfriamiento bajo vacio

46. Efecto de la velocidad de evacuacin para alcanzar el flashpoint

47. Prdida de peso en relacin con el descenso de temperatura, en el

enfriamiento bajo vacio

48. Perspectivas de un Box-Icer

49. Perspectivas de un Pallet Icer

50. Sistema de enfriamiento por agua enfriada pulverizada

51. Sistema de obtencin de aire fro de elevada humedad

52. Influencia de la congelacin y del almacenamiento sobre una poblacin

microbiana.

53. Prdidas de masa para diferentes temperaturas de almacenamiento.




UNIDAD 1

Nombre de la Unidad GENERACION DE FRIO

Introduccin En la industria de alimentos existe la necesidad de

adquirir y conocer los diversos procesos de

refrigeracin que se manejan a nivel industrial y a nivel

comercial por lo tanto estas tcnicas mantienen

inalterables las caractersticas fsicas, qumicas,

microbiolgicas y organolpticas de los productos

alimenticios, por largos perodos de tiempo.

En la vida profesional se encontraran con el reto de

asumir este tipo de conocimiento, en refrigeracin,

para poderlo enfrentar necesitamos una serie de

conocimientos y herramientas que son presentados en

forma sencilla para que sean apropiados con facilidad.

En el primer captulo tenemos una recapitulacin de

los conceptos bsicos, se define lo que es un

refrigerante, se fundamenta los conceptos de

congelacin y sus tcnicas y tambin sus mecanismos

de control.

En el segundo captulo encontramos la aplicacin de

las bajas temperaturas en los diversos productos

alimenticios ya sean de origen animal o vegetal

teniendo como base el efecto del fro, sus alteraciones

fisiolgicas y su microbiologa aplicada a los diversos

alimentos.




El tercer captulo se fundamenta al estudiante en los

clculos de un cuarto fro, utilizando diversos criterios

de diseo e identificando condiciones internas y

externas tanto del producto como del entorno

ambiental.

Justificacin El avance de la globalizacin del mercado y la

comercializacin de alimentos congelados exige

competitividad para comercializar productos

agroalimentarios que cumplan con la exigencia de los

clientes: la calidad alimentaria: es por esto que el

ingeniero de alimentos egresado de la UNAD necesita

saber, conocer y aplicar cada una de las estrategias de

aplicacin de los diferentes sistemas de refrigeracin para

entrar a competir da a da en los mercados estratgicos.

Intencionalidades

Formativas

PROPSITO

Lograr que el estudiante conceptualice, se apropie y

aplique los conocimientos y transfiera a su contexto, las

implicaciones, requisitos, planeacin, puesta en marcha,

validacin y verificacin de los diferentes sistemas de

refrigeracin con un enfoque positivo hacia la adecuada

congelacin y hacia la calidad de un producto alimenticio

desde el punto de vista de su conservacin como

producto inocuo (sano y seguro para la salud del

consumidor) y de sus caractersticas tcnicas y

organolpticas.




Motivar al estudiante para que emprenda el estudio del

curso conociendo los beneficios, desde el punto de vista

temtico y como herramienta til para aplicar esos

conocimientos en contextos reales, a los cuales tendr

que enfrentarse ms adelante como profesional..

Contribuir a la formacin integral, mediante la aplicacin

de estrategias de aprendizaje que conllevan al desarrollo

de competencias cognitivas, metacognitivas, socio-

comunicativas y recontextuales.

OBJETIVOS GENERAL.

Reconocer los conceptos bsicos fundamentales sobre

refrigeracin especialmente conceptos termodinmicos

que sustentan el empleo del fro en la industria de

alimentos.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

1. Describir los principales controles de flujo en un

sistema de refrigeracin.

2. Identificar las principales caractersticas y efectos de la

congelacin especialmente en productos de origen

animal.

3. Enumerar los efectos y el comportamiento de los

productos vegetales al ser tratados por las tcnicas de

refrigeracin y congelacin.

COMPETENCIAS

1. El estudiante adquiere una actitud de compromiso y

responsabilidad en su futuro profesional como Ingeniero




de Alimentos.

2. El estudiante es capaz de iniciar el proceso de montaje

y puesta en marcha de procesos de refrigeracin.

3. El estudiante puede asesorar el proceso de instalacin

de cuartos fros y de sistemas de congelacin.

Denominacin de los

captulos

1.1 CONCEPTOS BASICOS

1.2 FUNDAMENTOS DE LA REFRIGERACION Y LA

CONGELACIN.

1.3 FUNDAMENTOS TECNICOS PARA EL CALCULO

DE UN CUARTO DE REFRIGERACION.




CAPITULO 1. CONCEPTOS BASICOS

Introduccin

En este captulo se tratarn temas muy importantes como: Los estados de la

materia, sus relaciones y cambios; se concepta sobre termodinmica

principalmente el aporte de la Segunda Ley de la Termodinmica y se profundiza

sobre los ciclos de Refrigeracin en especial el ciclo simple y el ciclo en dos

etapas con recirculacin de lquido.

Leccin 1: Estados de la Materia.

Toda la materia conocida, existe en una de las tres formas fsicas o estados:

Slida, lquida o gaseosa.

La materia en estado Slido, mantiene su cantidad, forma y dimensiones fsicas.




La materia en estado Lquido, mantiene su cantidad y tamao pero no su forma. El

liquido siempre toma la forma del recipiente que lo contiene.

La materia en estado Gaseoso, no tiene una tendencia a retener ni el tamao ni la

forma.

Movimiento molecular

Toda la materia se compone de pequeas partculas llamadas molculas y la

estructura molecular de la materia puede posteriormente romperse en tomos.

Cuando se aplica energa calorfica a una sustancia, se incrementa la energa

interna de las molculas, lo cual aumenta su desplazamiento o velocidad de

movimiento; hay tambin un incremento en la temperatura de la sustancia.

Cuando se retira calor de una sustancia se presenta una disminucin en la

velocidad del movimiento molecular y tambin un descenso en la temperatura de

la sustancia.

Cuando se retira calor de una sustancia se presenta una disminucin en la

velocidad del movimiento molecular y tambin un descenso en la temperatura de

la sustancia.

Cambio de estado

Cuando una sustancia slida se calienta, el movimiento molecular es

principalmente en la forma de rpido movimiento vibratorio, no desplazndose

nunca las molculas de su posicin normal u original.




Pero en alguna temperatura dada, una sustancia en particular, la adicin posterior

de calor, no necesariamente incrementar el movimiento molecular dentro de la

sustancia; en su lugar, el calor adicional causar que algn slido se fusione

(Cambia a lquido). As el calor adicional causa un cambio de estado en el

material.

Es as como el calor puede cambiar la temperatura y el estado de las substancias

y tambin pueden ser absorbidos an cuando no exista cambio de

temperatura, como cuando un slido cambia a lquido, o cuando un lquido se

cambia a vapor.

Cuando el vapor se vuelve lquido, o cuando el lquido vuelve a transformarse en

slido, se despide la misma cantidad de Calor.

El ejemplo ms comn de este proceso es el agua, que existe como lquido y que

puede existir como slido forma de Hielo y como Gas cuando se trasforma en

Vapor.

Como hielo, es una forma de Refrigeracin, absorbiendo calor mientras se derrite

a una temperatura constante de 0C (32F). Si se coloca agua en un recipiente

abierto y se pone al fuego, su temperatura aumentar a la temperatura de

ebullicin o sea 100C al nivel del mar (212F). Sin importar la cantidad de calor

aplicado, la temperatura no puede subir arriba de 100C, porque el agua se estara

evaporando constantemente. Si este vapor pudiera ser retenido en el recipiente

evitando la ebullicin y se continuar agregando calor, entonces la temperatura

podra nuevamente aumentarse. Obviamente, el proceso de evaporacin o

ebullicin estar absorbiendo el calor y manteniendo la temperatura a 100C.




Cuando el vapor se condensa nuevamente formando agua, despide exactamente

la misma cantidad de calor que absorbi al evaporarse.

Si el agua se congela, debe extraerse la misma cantidad de calor que fue

absorbida en el proceso de descongelamiento por medio de algn proceso para la

congelacin.

Generalmente los usuarios confunden la palabra refrigeracin con fro y con

enfriamiento; sin embargo, la prctica de ingeniera de refrigeracin, trata casi

enteramente con la transmisin de calor.

Esta aparente paradoja es uno de los conceptos fundamentales que deben ser

comprendidas para entender la operacin de un sistema de refrigeracin.

En conclusin los estados de la materia son slido, lquido y gaseoso. Cada

estado tiene sus caractersticas y funcionalidades especficas. Se debe precisar

que pasa cuando ocurre un cambio de estado, que pasa cuando una de las

variables como temperatura cambia en un producto alimenticio, que efectos

ocurren y cmo enfrentar tcnicamente un salto trmico, esto lo ir resolviendo el

estudiante a travs de la comprensin de las temticas descritas en el mdulo.




Leccin 2: Termodinmica Segunda Ley de la Termodinmica

La termodinmica es una rama de la ciencia que trata sobre la accin mecnica

del calor. Hay ciertos principios fundamentales de la naturaleza, llamadas leyes

termodinmicas, que rigen nuestra existencia aqu en la tierra, varios de los cuales

son bsicos para el estudio de la refrigeracin. La primera y la ms importante de

estas leyes dice:

LA ENERGA NO PUEDE SER CREADA NI DESTRUIDA, SOLO PUEDE

TRANSFORMARSE DE UN TIPODE ENERGA EN OTRO

Calor

El calor es una forma de energa, creada principalmente por la transformacin de

otros tipos de energa en energa de Calor; por ejemplo, la energa Mecnica que

opera una rueda causa friccin y crea calor. Calor es frecuentemente definido

como energa en transito, porque nunca se mantiene esttica, ya que siempre est

transmitindose desde cuerpos clidos a los cuerpos fros.




La mayor parte del calor en la tierra se deriva de las radiaciones del Sol.

Una cuchara sumergida en agua helada pierde su calor y se enfra; una cuchara

sumergida en caf caliente absorbe el calor del caf y se calienta. Sin embargo,

las palabras Ms Caliente y Ms Fro, son slo trminos comparativos.

Existe calor a cualquier temperatura arriba del cero absoluto, incluso en

cantidades extremadamente pequeas. Cero absoluto es el trmino usado pro los

cientficos para describir la temperatura ms baja que tericamente es posible

lograr, en el cul no existe calor, y que es de 273C (-460F). La temperatura

ms fra que podemos sentir en la tierra es mucho ms alta en comparacin con

esta base.

Temperatura

La temperatura es la escala usada para medir la intensidad del calor y es el

indicador que determina la direccin en que se mover la energa de calor.

Tambin puede definirse como el grado de calor sensible que tiene un cuerpo en

comparacin con otro.

La temperatura se mide en Grados Fahrenheit (F), o se usa la escala de Grados

Centgrados, algunas veces llamadas Celsius. Ambas escalas tienen dos puntos

bsicos en comn: el punto de congelacin y el de ebullicin del agua al nivel del

mar. Al nivel del mar, el agua se congela a 0C o a 32 F y hierve a 100 C o a

212F. En la escala Fahrenheit la diferencia de temperatura entre estos dos

puntos est dividida en 180 incrementos de igual magnitud llamados grados

Fahrenheit, mientras que en la escala Centgrados, la diferencia de Temperaturas

est dividida en 100 incrementos iguales llamados Grados Centgrados.




Medida de calor.

La medida de la temperatura no tiene ninguna relacin con la cantidad de calor.

Una llamada de fsforo puede tener la misma temperatura que una hoguera, pero

obviamente la cantidad de calor que despide es totalmente diferente.

La unidad bsica para medir calor usado en nuestro pas, es la calora que se

define como la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un

gramo de agua 1 C. Por ejemplo, para aumentar la temperatura de un litro de

agua de 95 a 100 C, se requieren 5000 caloras.

Sin embargo, la unidad de calor empleada comnmente es la Kilo-Calora (KCAL)

que equivale a 1.000 caloras y que pueden ser definidas como la cantidad de

calor necesaria para elevar la temperatura de un Kg. De Agua, un grado

Centgrado.

En el sistema Ingls, la unidad de calor es la BRITISH THERMAL UNIT (B.T.U.).

Un B.T.U. Puede definirse como la cantidad de calor necesaria para elevar la

temperatura de una libra de agua 1 F. Por ejemplo: Para aumentar la temperatura

de un Galn de agua (aproximadamente 8,3 lb.) de 70 F a 80 F, se requieren 83

BTU.

8.3 x (80 70) = 83 B.T.U.

Calor especfico.

El Calor especfico de una sustancia es su capacidad relativa de absorber o ceder

calor tomando como base la unidad de agua pura, y se define como la cantidad de

Kilocaloras o (BTU) necesarias para aumentar o disminuir la temperatura de un

Kilo o (libra) de cualquier sustancia en 1C o (1F). Por definicin, el calor




especfico del agua es 1,0 pero la cantidad de calor necesaria para aumentar o

disminuir la temperatura de otras substancias vara.

Se requieren, por ejemplo, nicamente 0,64 Kcal. por Kilo (0,64 BTU por libra)

para aumentar o disminuir la temperatura de un kilo (Libra) de Aluminio 1 C (1F),

por lo tanto, los calores especficos de estas dos substancias son 0,64 y 0,22

respectivamente.

Calor sensible

El calor sensible se define como el calor que provoca un cambio de temperatura

en una sustancia. En otras palabras es como su nombre lo indica, el calor que

puede percibirse por medio de los sentidos. Cuando la temperatura del agua se

eleva de 0C a 100C, hay tambin un aumento de calor sensible.

Calor latente

Calor latente es el que necesita para cambiar un slido en lquido, o un lquido en

gas, es decir cambiar de estado, sin variar la temperatura de la sustancia. La

palabra latente significa oculto, o sea que este calor requerido para cambiar el

estado de una sustancia y no es percibido por los sentidos.

Tonelada americana de refrigeracin

An en nuestro medio es muy frecuente hablar de toneladas de refrigeracin, la

cual es realmente una unidad americana basada en el efecto frigorfico de la

fusin del hielo. La tonelada de refrigeracin puede definirse como la cantidad de

calor absorbida por la fusin de una tonelada de hielo slido puro en 24 horas.




Puesto que el calor latente de fusin de una libra de hielo es de 144 BTU, el calor

latente de una tonelada americana (2000 libras) de hielo ser 144 * 2000, o sea

288,000 BTU por 24 horas.

Para obtener el calor por hora es necesario dividir entre las 24 horas, lo cual da

una cantidad de 12.000 BTU/HORA, que recibe el nombre de TONELADA DE

REFRIGERACION. Puesto que el calor latente del hielo en el sistema mtrico es

de 80 Kilo- Caloras y que y una tonelada americana e igual a 907.187 kilos, la

tonelada de refrigeracin es igual a 80 * 907.185 o sea 72.575 kilo- caloras por 24

horas, es decir, 3.024 kilo-caloras por hora.

Calor latente de fusin

El cambio de una sustancia de slido a lquido o de lquido a slido requiere calor

latente de fusin. Este tambin puede llamare calor latente de fusin o calor

latente de congelacin.

Cuando se derrite un kilo de hielo, ste absorbe 80 kilo-caloras (144 BTU) a una

temperatura constante de 0C (32F); del mismo modo, cuando se congela un kilo

de agua para convertirla en hielo, deben sustrarsele 80 kilo- caloras (144 BTU) a

una temperatura constante de 0C (32F). En la congelacin de productos

alimenticios, nicamente se considera el calor latente del porcentaje de agua que

estos contienen; por tanto, el calor latente se conocer, determinado e porcentaje

de agua que existe en dichos productos.

Calor latente de evaporacin

Para cambiar una sustancia de lquido a vapor y de vapor a lquido se requiere

calor latente de evaporacin.




Puesto que la ebullicin es slo un proceso acelerado de evaporacin, este calor

tambin puede llamarse calor latente ebullicin, calor latente de evaporacin, o

para el proceso contrario, el calor latente de condensacin.

Cuando un kilo de agua hierve o se evapora, absorbe 539 kilo- caloras (970 BTU)

a una temperatura constante de 100C (212F) al nivel del mar; igualmente, para

condensar un kilo de vapor deben sustraerse 539 kilo- caloras (979 BTU).

Debido a la gran cantidad de calor latente que interviene en la evaporacin y en la

condensacin, la transmisin de calor puede ser eficiente mediante este proceso.

Los mismos cambios de estado que afectan al agua se aplican tambin a

cualquier lquido a diferentes presiones y temperaturas.

La absorcin de calor para cambiar un lquido a vapor y la sustraccin de este

calor para condensar nuevamente el vapor, es la clave para todo el proceso de la

refrigeracin mecnica y la transmisin del calor latente requerido, es el

instrumento bsico de la refrigeracin.

El cambio de una sustancia de slido a lquido o de lquido a slido requiere calor

latente de fusin. Este tambin puede llamare calor latente de fusin o calor

latente de congelacin.

Cuando se derrite un kilo de hielo, ste absorbe 80 kilo-caloras (144 BTU) a una

temperatura constante de 0C (32F); del mismo modo, cuando se congela un kilo

de agua para convertirla en hielo, deben sustrarsele 80 kilo- caloras (144 BTU) a

una temperatura constante de 0C (32F). En la congelacin de productos

alimenticios, nicamente se considera el calor latente del porcentaje de agua que

estos contienen; por tanto, el calor latente se conocer, determinado e porcentaje

de agua que existe en dichos productos.




Calor latente de evaporacin

Para cambiar una sustancia de lquido a vapor y de vapor a lquido se requiere

calor latente de evaporacin.

Puesto que la ebullicin es slo un proceso acelerado de evaporacin, este calor

tambin puede llamarse calor latente ebullicin, calor latente de evaporacin, o

para el proceso contrario, el calor latente de condensacin.

Cuando un kilo de agua hierve o se evapora, absorbe 539 kilo- caloras (970 BTU)

a una temperatura constante de 100C (212F) al nivel del mar; igualmente, para

condensar un kilo de vapor deben sustraerse 539 kilo- caloras (979 BTU).

Debido a la gran cantidad de calor latente que interviene en la evaporacin y en la

condensacin, la transmisin de calor puede ser eficiente mediante este proceso.

Los mismos cambios de estado que afectan al agua se aplican tambin a

cualquier lquido a diferentes presiones y temperaturas.

La absorcin de calor para cambiar un lquido a vapor y la sustraccin de este

calor para condensar nuevamente el vapor, es la clave para todo el proceso de la

refrigeracin mecnica y la transmisin del calor latente requerido, es el

instrumento bsico de la refrigeracin.

Calor latente de sublimacin

El proceso de sublimacin es el cambio directo de un slido a un vapor sin pasar

por el estado lquido, que puede ocurrir en algunas sustancias. El ejemplo ms

comn es el uso de hielo seco o sea dixido de Carbono para enfriar.




El mismo proceso puede ocurrir con hielo abajo de su punto de congelacin, y se

utiliza tambin en algunos procesos de congelamiento a temperaturas

extremadamente bajas y altos vacos. El calor latente de sublimacin es igual a la

suma de calor latente de fusin y el calor latente de evaporacin.

TABLA No 1 CALORES ESPECIFICOS DE ALGUNOSALIMENTOS




Temperatura de saturacin

Saturacin es la condicin de temperatura y presin en la cual el lquido y el vapor

pueden existir simultneamente. Un lquido o vapor esta saturado cuando est en

su punto de ebullicin (para el nivel del mar, la temperatura de saturacin del agua

es de 100C o 212 F). A presiones ms altas la temperatura de saturacin

aumenta, y disminuye a temperatura ms baja.

Vapor sobrecalentado

Cuando un lquido cambia a vapor, cualquier cantidad adicional de calor

aumentar su temperatura (calor sensible). Siempre y cuando la presin a la que

se encuentre expuesto se mantenga constante. El trmino vapor sobrecalentado

se emplea para denominar un gas cuya temperatura se encuentre arriba de su

punto de ebullicin o saturacin. El aire a nuestro alrededor contiene vapor

sobrecalentado.

Lquidos subenfriados

Cualquier lquido que tenga una temperatura inferior a la temperatura de

saturacin corresponde a la presin existente, se dice que s encuentra

subenfrado. El agua a cualquier temperatura por debajo de su temperatura de

ebullicin (100C al nivel del mar) est subenfrada.

Presin

Presin atmosfrica




La presin se expresa como una fuerza perpendicular ejercida sobre un rea o

superficie. Pues bien la presin atmosfrica ser la fuerza de gravedad que atrae

la capa de gases que componen la atmsfera sobre la superficie terrestre, y se

denomina presin atmosfrica estndar a la presin atmosfrica a nivel del mar.

Presin absoluta

Generalmente, la presin absoluta expresa en trminos de bar o de kilogramo-

fuerza por centmetro cuadrado o (libras-fuerza por pulgada cuadrada) y se cuenta

a partir del vaco perfecto en el cual no existe la presin atmosfrica. Por tanto en

el aire a nuestro alrededor, la presin absoluta y la atmsfera son iguales.

Presin manomtrica

Un manmetro de presin est calibrado para leer 0 kilogramo-fuerza por

centmetro cuadrado o (libras-fuerza por pulgada cuadrada) cuando no est

conectado a algn recipiente con presin; por tanto, la presin absoluta de un

sistema cerrado ser siempre la presin manomtrica ms la presin atmosfrica.

Las presiones inferiores a la presin atmosfrica Standard son realmente lecturas

de depresin en los manmetros y se denominan vacos. Un manmetro de

refrigeracin mixto (compound) est calibrado en el equivalente en milmetros

(pulgadas) de Mercurio por las lecturas de depresin.

Puesto que 1.03 Kg./cm2 (14.7 PSI) equivale aproximadamente a 760 milmetros

de columna de Mercurio (29.92 pulgadas). Es importante recordar que la presin

manomtrica es siempre relativa a la presin absoluta. Diferentes tablas

demuestran la relacin de presiones a diferentes altitudes suponiendo que las

condiciones atmosfricas sean normales.




SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA

La segunda ley de la termodinmica, como se discuti antes establece que se

transfiere calor en una sola direccin, de mayor a menor temperatura; esto tiene

lugar a travs de tres modos bsicos de transferencia de calor que se detallan a

continuacin.

Conduccin

La conduccin se describe como la transferencia de calor entre las molculas

cercanas de una sustancia, o entre sustancias que estn tocndose o en un

contacto fsico real con la otra. Cuando la transferencia de calor ocurre en una

sola sustancia, tal como una varilla de metal con un extremo en una llama de

fuego, el movimiento de calor va hasta que hay un balance de temperatura a todo

lo largo de la longitud de la varilla.

Si la varilla se sumerge en agua, las molculas que se mueven rpidamente sobre

la superficie de la varilla transmitirn algn calor a las molculas del agua y otra

transferencia de calor por conduccin tendr lugar.

Cuando la superficie exterior de la varilla se enfra, hay an algn calor dentro de

la varilla y este continuar transfirindolo a las superficies exteriores de la varilla y

luego al agua hasta que se alcanza el balance de temperatura.

La velocidad con la cual el calor se transfiere por medio de la conduccin vara

con las diferentes sustancias o materiales si stas poseen iguales dimensiones.

La tasa de transferencia de calor variar de acuerdo a la habilidad de los

materiales o sustancias para conducir calor.




Los slidos, en general son mucho mejore conductores que los lquidos; y a su vez

los lquidos conducen el calor mejor que los gases o los vapores.

La mayora de los metales tales como la plata, cobre, acero y el hierro, conducen

el calor mucho ms rpidamente, mientras que otros materiales tales como vidrio,

la madera y otros materiales de construccin, transfieren el calor en una tasa

mucho ms lenta y por consiguiente solo usados como aislantes.

El Cobre es un excelente conductor de calor como lo es el Aluminio. Estas

sustancias son ordinariamente usadas en los evaporadores, condensadores y

tubera de refrigerante que conecta los varios componentes de un sistema de

refrigeracin, aunque el hierro es ocasionalmente usado con algunos refrigerantes.

La tasa a la cual el calor pueda conducirse a travs de varios materiales depende

de factores tales como:

a) El espesor del material

b) La diferencia de temperatura entre los lados del material

c) La conductividad trmica (factor k) de un material

d) El tiempo de duracin del flujo de calor.

La siguiente tabla presenta los factores de conductividad trmica de algunos

materiales comunes.




TABLA No. 2 FACTORES DE CONDUCTIVIDAD TERMICA

Los factores k estn dados en [(Kcal./ (hr x Mt x C)] estos factores pueden

utilizarse correctamente a travs del uso de la siguiente ecuacin:

Q = A K (T2 T1) / X

DONDE:

A : rea seccional en Mt2

K : Conductividad trmica en [Kcal/(h)(Mt)(C)]

T: Diferencia de temperatura entre los dos lados

X: Espesor del material en Metros.

Los materiales de una alta conductividad se usan dentro del sistema de

refrigeracin en si mismo a causa de que es deseable que una transferencia de

calor rpida ocurra tanto en el evaporador como en el condensador.

El evaporador es donde el calor se remueve, del espacio refrigerado o el proceso

que ha estado en contacto directo con la sustancia. El condensador disipa este

calor a otro medio o espacio.




En el caso del evaporador el producto o aire est a una mayor temperatura que el

refrigerante dentro de la tubera y hay una transferencia de calor de mayor a

menor temperatura; mientras que en el condensador el vapor del refrigerante est

a una mayor temperatura que la del medio enfriarte viajando a travs del

condensador, y aqu de nuevo hay una transferencia de calor de mayor a menor

temperatura.

Conveccin

Otro medio de transferencia de calor es por el movimiento de material calentado

en s mismo cuando se trata de un lquido o gas. Cuando el material se calienta,

las corrientes de conveccin son producidas dentro del mismo y las porciones ms

calientes de l suben, ya que el calor trae consigo el decrecimiento de la densidad

del fluido y un incremento en su volumen especfico.

El aire dentro de un refrigerador y el agua que se calienta en una vasija son

ejemplo primario de los resultados de las corrientes de conveccin.

El aire en contacto con el serpentn de enfriamiento de un refrigerador llega a

enfriarse y por consiguiente se vuelve ms denso, y empieza a bajar a la parte

inferior e ste. Al hacerlo absorbe inferior calor de los alimentos y de las paredes

del refrigerador, el cual a travs de conduccin, ha ganado calor del cuarto.

Despus de que el calor ha sido absorbido por el aire, ste se expande

volvindose ms liviano y sube nuevamente al serpentn enfriador en donde el

calor nuevamente se renueva de l. El ciclo de conveccin se repite siempre que

haya una diferencia de Temperatura entre el aire y el evaporador.




Las corrientes de Conveccin tales como las explicadas aqu son naturales, y, o

como el caso de un refrigerador, el flujo natural es un flujo lento. En algunos casos

la conveccin debe incrementarse con el uso de ventiladores o sopladores; en el

caso de los lquidos se usan bombas para forzar la circulacin y la transferencia

de calor de un lugar a otro.

Radiacin

Un tercer medio de transferencia de calor es la radiacin por medio de ondas

similares a las de la luz o las ondas de sonido. Los rayos del sol calientan la tierra

por medio de ondas de calor radiantes el cual viaja en caminos rectos sin calentar

la materia que interviene en su recorrido o el aire. El calor de un bulbo de luz o de

una estufa caliente es radiante en naturaleza y se siente cuando se est cerca de

ella, aunque el aire entre la fuente y el objeto cuando los rayos pasan a travs de

l no se calienta.

Si usted ha estado relajndose en un edificio sombreado o en un rbol en un da

caliente o soleado y se mueve directamente a los rayos del sol, el impacto directo

de las ondas calorficas le golpear como un pesado martillo an cuando la

temperatura del aire en la sombra es aproximadamente la misma que en la parte

soleada. A bajas temperaturas hay solamente una pequea cantidad de radiacin,

y solamente se sienten pequeas diferencias de temperatura, por consiguiente la

radiacin tiene pequeo efectos en el proceso real de refrigeracin, pero los

resultados de la radiacin de los rayos solares pueden causar un incremento en la

carga de refrigeracin en un edificio expuesto a estos rayos.

El calor radiante es rpidamente absorbido por materiales o sustancias oscuras o

mates, mientras las superficies o materiales con colores claros, reflejarn las

ondas de calor radiante, como lo hacen con los rayos de luz.




Este principio tambin se utiliza en el campo del Aire Acondicionado, donde, con

techos y paredes claras, penetrar menos calor radiante en el espacio

acondicionado, reduciendo as el tamao del equipo de enfriamiento requerido.

El calor radiante tambin penetra fcilmente las ventanas con vidrios claros, pero

es absorbido por vidrios opacos o traslcidos.

Cuando el calor radiante o energa (ya que todo el calor es energa) es absorbido

por un material o sustancia, se convierte en calor sensible, el cual puede sentirse

o medirse. Todo cuerpo o sustancia absorbe energa radiante en algunas

cantidades, dependiendo de la diferencia de temperatura entre el cuerpo

especfico o sustancia y la otra sustancia. Toda sustancia radiar energa cuando

su temperatura es mayor que el cero absoluto y otra sustancia prxima este a

menor temperatura.

Si un carro se deja sol bajo el sol caliente, con las ventanas cerradas durante un

perodo de tiempo largo, la temperatura dentro del carro ser mucho mayor que la

del medio ambiente que lo rodea. Esto demuestra que la energa absorbida por los

materiales de los cuales se construye el carro se convierte a calor sensible, que

puede medirse.




Leccin 3: Ciclos de Refrigeracin

SISTEMA DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR

Diagrama presin entalpa

Para realizar ciertos clculos en instalaciones de refrigeracin es preciso disponer,

y saber manejar, los diagramas que permiten trabajar a diferentes presiones,

temperaturas y contenido entlpicos del medio refrigerante que se utilice.

Los diagramas permiten obtener los datos termodinmicos que se necesitan para

resolver los problemas que se plantean en los ciclos de refrigeracin.

Hay varios tipos de diagramas; Uno de los ms empleados es el de presin

entalpa.

Este diagrama tiene la presin en ordenadas (eje vertical) y la entalpa en

abscisas (eje horizontal). Mediante lneas que atraviesan el diagrama se indican la

temperatura, el volumen especfico y a entropa.

En el diagrama modlico indicado puede apreciarse las zonas de Vapor saturado,

lquido saturado, vapor recalentado, liquido subenfriado y mezcal liquido- vapor en

el interior de la campana.

Cada refrigerante tiene su propio diagrama

Esto quiere decir que el diagrama de cada refrigerante tiene su propia forma y

dimensiones y no puede utilizarse un diagrama cualquiera para todos los casos,

sino que debe utilizarse el especfico del refrigerante.

Vamos a repasar el significado de las diferentes zonas.




Vapor Saturado:

Es vapor que se encuentra en equilibrio con su fase liquida a presin y

temperaturas especificadas.

Vapor Recalentado: Es vapor que se ha calentado. Esta representado por la zona

de la derecha de la campana.

Lquido Saturado: Es lquido que est a punto de hervir. Esta representado por la

curva de la izquierda de la campana.

Lquido Subenfriado: Es un lquido a una temperatura inferior a la de saturacin.

Esta representado por la zona de la izquierda de la campana.

Mezcla lquido- Vapor: Es la zona interior de la campana. La campana esta

rematada por el punto Crtico, que representa unas condiciones de presin y

temperaturas tales que no distingue el estado del fluido (si es liquido o gas)

En el proceso tienen lugar dos fenmenos con balance de calor:

La evaporacin de un refrigerante en estado lquido produce la absorcin de calor

o, lo que es lo mismo, baja la temperatura en el recinto o cmara donde se

encuentra, produciendo sensacin de fro.

La condensacin del Vapor de un refrigerante se produce mediante una sesin de

calor al ambiente, lo cual se traduce en una elevacin de temperatura el mismo.




Este proceso es continuo y depende de las condiciones que los elementos que

configuren la instalacin impongan al refrigerante, de modo que pueda seguirse

desde cualquier punto.

En la figura, veamos el ciclo que se producir en un circuito frigorfico ideal sobre

el diagrama Presin- entalpa de cualquier refrigerante. Sobre las abscisas se

representa la entalpa del refrigerante en Kjoule/Kg y sobre las ordenadas la

presin en Psi o bar. El diagrama es conocido para cada refrigerante, y su

principal elemento caracterstico es la curva de saturacin del mismo, como ya se

ha explicado.




Diagrama Presin Entalpa

Situmonos en el punto antes del dispositivo de expansin, previa al evaporador,

en que el refrigerante se encuentra en estado lquido a una cierta presin; su paso

al evaporador se controla mediante un dispositivo cuya funcin es regular el paso

de refrigerante.

Dicha vlvula produce una estrangulacin brusca que hace que a presin

descienda desde la que tena a la salida del condensador hasta la existente a la

entrada del evaporador.

La vlvula es el regulador automtico de los lmites entre los que se denomina

parte de alta presin y parte de baja presin, presiones entre las cuales la vlvula

se ve forzada de trabajar.

Esta bajada de presin en el evaporador hace que el refrigerante hierva y se

produzca su evaporacin, auxiliado por la cantidad de calor que absorbe del

recinto en que se encuentra, a travs del aire del mismo y transfirindolo al liquido,

que se va transformando en vapor en el interior de los tubos de serpentn hasta

que se evapora completamente.

El refrigerante, en forma de gas, entra en el compresor por la tubera denominada

de aspiracin o succin, a travs de la vlvula de aspiracin (semejante a los

cilindros de un carro). Aqu el refrigerante es comprimido aumentando por ello su

presin y su temperatura hasta llegar al punto en cuyas condiciones fluye hasta la

entrada del condensador.




La vlvula de salida del cilindro del compresor actuar de retencin, impidiendo

que el gas regrese hacia el mismo. En el condensador, mediante la accin de un

fluido exterior (aire, agua o ambas a la vez), se extrae calor al gas refrigerante, lo

cual produce un enfriamiento del mismo favoreciendo su condensacin hasta

alcanzar el estado liquido; a partir de aqu s impulsado de nuevo por la tubera

hacia la vlvula de expansin, punto donde se repite el ciclo explicado.

Como puede observarse, en el proceso existen varias temperaturas diferentes, lo

cual hace que el estado refrigerante sea distinto en varios puntos; por ejemplo, se

obtiene lquido subenfriado y saturado, vapor saturado y sobrecalentado, como se

ver en el ciclo real.

No obstante, en principio solo hay dos presiones perfectamente diferenciadas, que

son las que corresponden a la evaporacin y a la condensacin.

Es por ello que puede hablarse del LADO DE ALTA PRESIN y del LADO DE

BAJA PRESIN de una planta o instalacin frigorfica.

Distingamos las caractersticas de presin (p), temperatura (t) y entalpa (h) de los

puntos ms representativos del proceso sobre dichas figuras.

El refrigerante condensado, esta a una temperatura tc (de condensacin) y a una

determinada presin pc (presin de condensacin) y a una entalpa h1.

Cuando el lquido pasa a travs de la vlvula de expansin su estado disminuye

su presin y aumenta su velocidad. Esta variacin permite que cambie de estado,

se produce por la ebullicin del lquido, provocada por la cada brusca de presin,

bajando al mismo tiempo la temperatura. En este proceso el calor es constante,

por lo que la entalpa no vara.




A la entrada del evaporador, coexiste una mezcla de vapor y liquido (parte interior

de la curva p-h), mientras que a la salida del mismo, el vapor esta saturado.

La presin y la temperatura son las mismas, pero como el evaporador ha

absorbido calor del recinto donde se encuentro, la entalpa ha aumentado antes de

la entrada del compresor.

Cuando el vapor pasa por el compresor, este le confiere un aumento de presin al

vapor ha llegado, hasta el punto de presin de condensacin. Esta energa

aadida por el compresor hace que aumente la temperatura hasta el valor

necesario, como consecuencia de haber sido recalentado el vapor, y la entalpa,

por tanto, a la entrada del condensador, encontramos, pues, vapor recalentado a

una presin de condensacin. All se evacua el calor al medio ambiente, hasta

conseguir que su entalpa descienda de nuevo, por tener lugar el proceso de

cambio de estado de gas a lquido.

En la prctica, el ciclo ideal o terico no se produce exactamente como se ha

descrito, ya que debido a otras causas, suelen producirse variaciones que apartan

sensiblemente el comportamiento del refrigerante de su ciclo terico. Es el

denominado ciclo real y sus diferencias principales se encuentran las

caractersticas de los elementos que constituyen a la instalacin (evaporadores,

condensadores compresores y tubera de refrigerante) en forma de

recalentamiento o subenfriamientos que varan las condiciones tericas de los

valores de presin y temperatura, fundamentalmente.




Leccin 4: Ciclo Simple de Refrigeracin

El ciclo de refrigeracin en una etapa consta de cuatro procesos que transportan

calor desde una fuente de baja temperatura (cmara fra), hasta una fuente de alta

temperatura (atmsfera).

Los equipos necesarios para el ciclo son:

Evaporador.

Compresor.

Condensador.

Vlvula de expansin.

Refrigerante

Figura No. 2 Ciclo Simple de Refrigeracin mecnica

Los cuatro procesos bsicos del sistema de refrigeracin son:




Evaporacin 1 - 2: Existe un intercambio de calor entre el cuarto fro y el

refrigerante. El refrigerante cambia de fase a presin constante.

Compresin 2 - 3: El compresor eleva la presin del refrigerante, para elevar su

temperatura.

Condensacin 3 - 4: Existe un intercambio de calor entre el refrigerante y la

atmsfera. El refrigerante baja su temperatura y luego cambia de fase, esto ocurre

a presin constante.

Expansin 4 - 1: El refrigerante baja sbitamente su presin y de esta forma baja

tambin su temperatura. El proceso ocurre a entalpa constante.

Figura 3. Diagrama presin del refrigerante Vrs Nivel de energa Entalpa




El balance trmico de este sistema genera los siguientes resultados:

Capacidad del Evaporador:

Qe = m * (h2 - h1)

Potencia del compresor:

Wc = m * (h3 - h2)

Capacidad del condensador:

Qc = m * (h3 - h4)

En el diagrama se observa que:

(h2 - h1) + (h3 - h2) = (h3 - h4)

As que: Qe + Wc = Qc

La eficiencia de un sistema de refrigeracin la determina el coeficiente de

operacin: COP = Qe / Wc

1 TR = 3.517 kW, 1 Hp = 0.746 kW, 1 kW = 3412.14 BTU / hr




Leccin 5: Ciclo de Refrigeracin en dos etapas con recirculacin de lquido

En un sistema de refrigeracin industrial se hacen variaciones al sistema en una

etapa con el fin de: Aumentar la capacidad de refrigeracin y disminuir la energa

consumida.

Para esto se deben agregar los siguientes elementos:

1. Otro compresor

2. Un recirculador

3. Un intercambiador

4 Elementos auxiliares (recibidores, purgadores, vlvulas y otros).

Observar en detalle la siguiente figura:

Figura No.4 Ciclo de Refrigeracin de dos etapas con recirculacin de

lquido




Los procesos de este ciclo son bsicamente los mismos pero hay dos diferencias:

En el recirculador se acumula refrigerante lquido en la parte inferior y se bombea

hacia los evaporadores. En el ciclo simple a los evaporadores llega refrigerante

directamente de la expansin.

Por esto se aumenta la capacidad de refrigeracin. h4 -h3 > hb ha

La energa que consume el compresor de baja y el de alta es menor que la

energa que consume el compresor en una etapa, siempre que trabajen entre los

mismos niveles de presin. De esta forma el consumo de energa es menor y es

ptima a determinada presin intermedia.

(h6 - h5) + (h8 - h7) < hc hb




En la figura 7 se pueden demostrar los anteriores enunciados:

CAPACIDAD DE REFRIGERACION:

Sin recirculacin = 1396 - 302 = 1094 kJ / kg.

Con recirculacin = 1396 - 81 = 1315 kJ / kg.

Incremento (%) = 20.20%. Reduccin en el tamao de todos los equipos (ms

econmicos).




ENERGIA CONSUMIDA EN COMPRESION

En una etapa = 1814 - 1396 = 418 kJ / kg.

En dos etapas = (1558 - 1396) + (1663 - 1430) = 395 kJ / kg.

Ahorro de energa (%) = 5.50%. Si al mes se pagan $ 15 000 000.oo por el

consumo en compresin, tericamente al trabajar en dos etapas se ahorran $

825000.

Tonelada Refrigeracin = 3.517 kW, 1 Hp = 0.746 kW, 1 kW = 3412.14 BTU / hr

Figura No. 7 Diagrama de la Presin vs Entalpa




Capitulo 2. Fundamentos de la Refrigeracin y la congelacin

Introduccin

En este captulo se revisar y estudiar lo concerniente al manejo de temperaturas

aplicadas a procesos de refrigeracin y congelacin. Es muy importante revisar los

conceptos de fro aplicados a productos alimenticios con el fin de lograr su

conservacin en adecuados sitios de refrigeracin los cuales se disearn de

acuerdo a parmetros tcnicos establecidos que se revisarn en el presente

mdulo.

Leccin 1. Generalidades Refrigeracin mecnica

Las bajas temperaturas son una herramienta importante para la conservacin de

Alimentos perecederos, la reduccin de temperatura tiene un efecto sobre los

procesos fisiolgicos del producto sobre las reacciones bioqumicas que integran

el proceso metablico global caracterstico de cada tejido biolgico.

La velocidad de estas reacciones decrece a partir de los niveles ptimos de

Temperatura para la actividad especfica de enzimas, por lo tanto, el fro reduce el

ritmo y velocidad de los procesos de respiracin, transpiracin, maduracin y

Deterioro, as mismo, las bajas temperaturas reducen la accin de

microorganismos patognicos que puedan causar efecto negativo sobre los seres

humanos y animales.

El enfriamiento es el proceso que retira el calor de una sustancia o producto con el

fin de reducir su temperatura y mantenerla a un nivel adecuado. El calor es una

forma de Energa trmica en transicin de un sistema a otro a travs del lmite que

los separa debido solo a la diferencia de temperatura entre los sistemas.




El fro es la expresin de un nivel relativamente bajo de calor, durante el

almacenamiento refrigerado el producto es enfriado mediante su remocin de

calor.

Concepto de Carga trmica

Para mantener fra una cmara y todo lo que este contenida en ella, es necesario

extraer el calor inicial y despus el que pueda ir entrando en la cmara por bien

aislada que este.

El requerimiento total de refrigeracin, Q total, puede establecerse como siguiente:

Q total = Q producto + Q otras fuentes

En la anterior expresin, los trminos del segundo miembro tienen el siguiente

significado:

Q producto = representa los sumandos necesarios que tiene en consideracin en

la carga trmica a eliminar procedente del calor sensible, del calor latente de

solidificacin, de las reacciones qumicas del embalaje y del calor absorbido para

la congelacin del agua de los alimentos o productos que se desea refrigerar.

Q otras fuentes = Incluye entre otros los flujos de calor a travs de los

cerramientos de la cmara por transmisin de paredes, suelo y techo, la

refrigeracin para el aire exterior que se introduce, la ventilacin, las cargas

trmicas debidas a ventiladores, bombas, iluminacin elctrica, personas que

manipulan los productos, etc.




Como el calor generado en las 24 horas de un da se ha de extraer en un nmero

de horas menor, en las horas de funcionamiento diario, la potencia frigorfica de la

maquinaria NR habr de ser superior a la potencia Q total calculada para extraer

en las 24 horas. Su valor ser:

NR = Q total / t

Transmisin de calor a travs de estructura

La ganancia de Calor a travs de paredes, pisos y techos, variar segn las

siguientes caractersticas:

A.- Tipo de Construccin.

B.- rea expuesta a diferentes temperaturas

C.- Tipo y espesor del aislante

D.-Diferencia de Temperatura entre el espacio refrigerado y la temperatura

ambiental.

Este clculo se establece a partir de la ecuacin:

Q = A X U (T exterior -- T interior)

Donde:

A =rea de Intercambio

U = Coeficiente Global de Transferencia

T Ext. = Temperatura Exterior

T int. = Temperatura Interior




La refrigeracin mecnica

En esta parte analizaremos uno de los fenmenos de mayor utilizacin dentro de

los procesos de conservacin de la industria alimentaria.

Recordemos cmo el propsito principal de un sistema de refrigeracin es el de

mantener un cuerpo cualquiera a una temperatura menor a la del medio que le

rodea. De hecho, la refrigeracin se fundamenta, desde el punto de vista

termodinmico, en la diferencia existente entre las temperaturas de saturacin o

condensacin de los vapores a diversas presiones, tambin sabemos que en la

medida en que disminuye la presin dentro de un equipo refrigerador al mismo

tiempo disminuyen las temperaturas de condensacin. Este principio se constituye

entonces en la base conceptual que permite entender el fenmeno de la

refrigeracin. Observemos la siguiente figura:

FIGURA No.8 . Sistema de refrigeracin (Esquema)




Analicemos rpidamente los componentes marcados en la figura anterior:

En el evaporador, la presin sobre el refrigerante es lo suficientemente baja como

para que la evaporacin del liquido refrigerador tenga lugar a una temperatura

baja previamente elegida. En el se sucede el fenmeno de la evaporacin que

consiste en extraer del entorno a la temperatura baja ya conocida previamente, el

calor latente de vaporizacin del lquido refrigerante. Posteriormente, en el resto

del sistema y como paso siguiente los vapores son aspirados por el compresor

que eleva su presin y los enva al condensador, all el lquido refrigerante cede su

calor latente de vaporizacin.

Entonces, la refrigeracin consiste en un transporte de calor de una fuente de

baja temperatura evaporador- hasta una fuente de alta temperatura

condensador.

Como medio de transporte se emplea un refrigerante que es un elemento que en

el evaporador toma el calor y lo descarga en el condensador. El intercambio de

calor se hace a travs de superficies cerradas, luego el refrigerante nicamente

esta en contacto con los equipos necesarios para el ciclo.

En sntesis, el ciclo de refrigeracin est integrado por tres equipos bsicos como

lo son: el evaporador, el compresor y el condensador; en l ocurren los

fenmenos de evaporacin a baja presin y baja temperatura seguidos por etapas

de compresin y condensacin a temperatura atmosfrica y presiones elevadas,

aqu el lquido a elevada presin pasa del condensador hasta el evaporador por

intermedio de una vlvula (de expansin) que permite, a partir de este punto la

repeticin del ciclo.




Es importante tener en cuenta que el manejo de las temperaturas de evaporacin

y condensacin est sujeto al ajuste de presiones. Por ejemplo, una presin alta la

puede determinar la temperatura del agua de refrigeracin disponible.

En el caso de la presin de evaporacin, sta es generalmente regulada por la

necesidad que tenga el producto que se vaya a conservar, de una temperatura

baja especfica o de una velocidad de enfriamiento o congelacin tambin

especfica.

El uso de temperaturas de evaporacin bajas significa, un mayor trabajo de los

compresores y mayores volmenes de vapor a baja presin, es decir, un alto costo

de operacin.

Abordaremos a continuacin los principales aspectos termodinmicos que deben

ser tenidos en cuenta durante un proceso o ciclo de refrigeracin:

Figura No. 9 Esquema ciclo de refrigeracin




1. Aspiracin del compresor. Tenemos gas sobrecalentado a baja presin, el

compresor aspira los vapores que se forman en el evaporador.

2. Descarga del compresor. Tenemos gas a alta presin y alta temperatura, esta

presin es la presin de condensacin.

3. Entrada al condensador. A la misma presin que el punto 2 pero con algo

menos de temperatura.

4. Condensador. Una mezcla de gas saturado y lquido a la presin de

condensacin aqu la temperatura ya ha disminuido. A medida que vamos

saliendo del serpentn o intercambiador cada vez hay ms lquido y menos gas.

De esta manera al licuar el gas el sistema traspasa calor el medio.

5. Aqu, si el proceso de condensacin ha sido eficiente, tenemos lquido saturado,

a presin de condensacin.

6. Salida del depsito de lquido (s lo hay). En algunas instalaciones grandes se

pone un depsito de lquido capaz de guardar el 125% de todo el gas que cabe en

la instalacin, para recuperarlo si tenemos una avera y no perderlo, y tambin

como acumulador que permite suministrar lquido a la vlvula de expansin sean

cuales sean las condiciones en las que trabaje la instalacin, .El depsito de

lquido estar casi lleno cuando la instalacin este a baja carga y estar casi vaco

cuando la instalacin este a plena carga y las vlvulas de expansin se abran para

regar el evaporador.

Tiene una llave en su salida para poderla cerrar y recuperar el gas que queda

encerrado entre esta vlvula y la vlvula de descarga del compresor (que no deja

pasar el fluido hacia atrs).




7. Lquido a la presin de condensacin pero subenfriado; cuanto mayor sea el

subenfriamiento mejor rinde la instalacin ya que el refrigerante dispone de ms

entalpa en su evaporacin para llevarse el calor del evaporador. Dicho de otra

manera, para el mismo desplazamiento del compresor (que mueve unos

determinados kilos de refrigerante) se tiene una mayor diferencia de entalpa por

kilo de refrigerante.

8. Salida, prcticamente igual que en el punto 7 menos una pequea prdida de

carga que produce este filtro. Recordar que a cada presin corresponde una

temperatura y si perdemos presin tambin baja la temperatura.

9. Entrada a la vlvula de expansin. A la misma temperatura y presin que en el

punto 8.

10. Salida de la vlvula de expansin. El refrigerante sale prcticamente en estado

lquido. Debido a la baja presin a la que ahora est sometido, el refrigerante sale

a baja temperatura.

11. Entrada al evaporador. Similares condiciones al punto 10.

12. El refrigerante en el evaporador. Por contacto trmico, el refrigerante se enfra

y se gasifica, absorbiendo calor del medio. Es en este punto donde se produce el

efecto til del enfriamiento.

13. La salida del evaporador. Vapores del refrigerante salen a presin y

temperatura muy baja.




Leccin 2: Coeficientes de Funcionamiento

Veamos el siguiente esquema:

Como se observa, en la Figura 10, la mquina frigorfica logra extraer la cantidad

de calor q2 del recinto a baja temperatura t2, gracias al consumo del trabajo

exterior W, proceso que va acompaado por la transferencia del calor q2 al recinto

de mayor temperatura t1.

FIGURA No. 10 Esquema general mquina frigorfica

En consecuencia el coeficiente de funcionamiento o eficacia (Cf ) de la mquina se

encuentra definida por:

Si el caso fuere el de utilizar una mquina frigorfica que opere entre las

temperaturas t2 y t1. Siendo t1 >t2, es decir, que si la temperatura de la fuente fra

es mayor o igual a la temperatura ambiental a la mquina se le denomina bomba

de calor. En esencia ambos mecanismos (bomba y frigorfico) son los mismos; su

diferencia esencial estriba como se observa, en los niveles trmicos en los que

operan.




FIGURA No. 11 Esquema de una bomba de calor

En sntesis lo interesante de un equipo de refrigeracin es conocer la cantidad de

calor (q1) que se logra extraer del recinto fro, mientras que de la bomba de calor

lo que interesa conocer es la cantidad de calor (q2) cedido al recinto de

temperatura t1 por esto y a diferencia de una mquina frigorfica, el coeficiente de

funcionamiento de la bomba de calor vendra dada por la siguiente relacin:

Con lo anterior es fcil entender el porqu una bomba de calor puede ser

empleada como mecanismo de calefaccin.

La eficiencia de una mquina trmica, bien sea que opere como refrigerador o

como bomba de calor, viene dada por la siguiente ecuacin:

Eficacia = Coeficiente de Funcionamiento Eficiencia

q1 = representa el calor absorbido del recinto de menor temperatura T2

q2 = representa el calor cedido al recinto de mayor temperatura T1.




Para finalizar este aparte recordemos el concepto bsico de energa utilizable o

exergia:

El concepto de energa utilizable es fundamental para analizar las caractersticas

de un ciclo cualquiera; se utiliza para determinar la eficacia de un dispositivo cuyo

objetivo sea realizar un trabajo W.

Si recordamos la definicin de eficacia dada por Darrieus, esta es un proceso

sistmico que permite conocer la relacin entre el trabajo realizado y el mximo

posible que podra obtenerse si el proceso fuere reversible. Sobre este postulado

se puede deducir que la eficacia o coeficiente de funcionamiento de los ciclos

totalmente reversibles es 1 mientras que la de los ciclos irreversibles ser siempre

mayor que 1.

En consecuencia, si un sistema cerrado evoluciona desde un estado de equilibrio

inicial 1 a otro estado 2 se definir el trabajo mximo realizable por la siguiente

ecuacin:

W12 = W (U1 TeS1) (U2 TeS2) J/kg.

donde:

Te = Temperatura de estado

U = Energa interna

S = Calor especifico

Es decir, que el trabajo utilizable viene expresado por la diferencia de los valores

adoptados por la funcin UTeS en los estados extremos considerados.




De lo anterior es fcil deducir una nueva funcin de estado tal que la diferencia

entre sus valores inicial y final de proceso coincida con el trabajo mximo

realizable por el sistema; luego si hacemos = UTeS tendremos:

donde 1 y 2 son los valores adoptados por la funcin o variable extensiva

anotada = UTeS. Ntese bien que la funcin es funcin de estado y tiene

dimensiones de energa y se denomina energa utilizable de un proceso carente

de flujo o energa utilizable para un sistema cerrado.

Al integrar las anteriores funciones observaremos como el trabajo mximo que

pueda obtenerse de un sistema que experimente una transformacin 1 a 2

coincidir con la disminucin que sufra la energa utilizable del mismo.

Teniendo en cuenta que la energa utilizable tiene naturaleza de tipo energtico,

resulta, al igual que con la energa interna (U) o la entalpa (h), imposible definir su

valor absoluto en un determinado estado; a pesar de ello dado que la energa

utilizable del sistema cuando se encuentra en equilibrio termodinmico con el

medio es nula, es vlido referir su valor al de la funcin en las condiciones

termodinmicas del medio exterior.




Leccin 3: Refrigerantes

Un refrigerante es cualquier fluido que acta como agente de enfriamiento,

absorbiendo calor de un foco caliente al evaporarse.

El refrigerante en una instalacin frigorfica debe tener las siguientes

caractersticas:

- Calor latente de evaporacin alto: cuanto mayor sea su valor menor cantidad de

refrigerante hay que utilizar en el proceso de refrigeracin para obtener una

temperatura determinada.

- Presin de evaporacin superior a la atmosfrica: para evitar que entre aire en el

circuito de refrigeracin, lo que acarreara el problema de que el agua contenida

en el aire se solidificase y obturase algn conducto.

- Punto de ebullicin lo suficientemente bajo para que sea inferior a la temperatura

de trabajo del evaporador.

- Temperaturas y presin de condensacin bajas: as se evitan trabajar con

presiones de condensacin altas en el compresor lo que se traduce en un

considerable ahorro tanto de energa como en el coste de la instalacin.

- Inercia qumica: es decir que no reaccione con los materiales que componen el

circuito ni con el aceite del compresor.

- Ha de ser inmiscible o totalmente miscible con el aceite del compresor: la

solubilidad parcial da origen a problemas de depsitos de aceite en el evaporador.




- Debe de ser qumicamente estable: hasta el grado de no ser inflamable ni

explosivo.

- Ha de ser soluble en agua: de esta forma se evita que el agua libre pueda formar

cristales de hielo. Por este motivo los circuitos de refrigeracin van provistos de

filtros deshidratantes.

- Debe ser no txico para el hombre.

- Debe tener un impacto ambiental bajo o nulo en el caso de ser liberado por

posibles fugas.

- Debe ser fcilmente detectable por el olfato para poder localizar las fugas que se

produzcan en el sistema.

- Debe ser barato.

Clasificacin de los refrigerantes

Los primeros refrigerantes utilizados por reunir varias de estas caractersticas y

ser los nicos disponibles cuando aparecieron las primeras mquinas de

produccin mecnica de fro (1867) fueron el amoniaco (NH3), el dixido de

carbono (CO2)y el dixido de azufre (SO2). Pero estos refrigerante presentaban

grandes problemas de toxicidad, explosin y corrosin en las instalaciones de

modo que su utilizacin estaba restringida a usos industriales.

Con excepcin del amoniaco todos estos refrigerantes han dejado de usarse

siendo reemplazados por otros denominados freones que aparecen en el mercado

a partir del ao 1928 y no presentan los inconvenientes de los primeros.




El amoniaco hoy en da se sigue empleando en instalaciones de gran tamao

debido a que es el refrigerante conocido que tiene el efecto frigorfico ms alto.

Es uno de los ms baratos y fciles de conseguir y tiene gran estabilidad qumica.

Es inmiscible con el aceite, por lo tanto debe usarse un separador de aceite en la

tubera de descarga del compresor hacia el condensador. Como inconveniente: es

txico, algo inflamable y puede llegar a ser explosivo en grandes concentraciones,

pero puede ser detectado fcilmente por el olor por lo que estos inconvenientes

tiene poca importancia en industrias con alto nivel de control.

Freones: Es un grupo de refrigerantes derivados de hidrocarburos de bajo peso

molecular fundamentalmente derivados del metano y el etano en los que alguno o

todos sus tomos de H se han sustituidos por halgenos normalmente flor, cloro

y bromo. En funcin de su composicin estos refrigerantes pueden clasificarse en

tres grupos: CFC (clorolfuorocarbonados), HCFC (hidroclorofluorocarbonados) y

HFC (hidrofluorocarbonados).

CFC: son hidrocarburos totalmente halogenados, es decir, todos sus hidrgenos

estn sustituidos por cloro y flor. Se caracterizan por ser gases muy estables que

persisten en la atmsfera muchos aos y por tanto pueden llegar a la estratosfera

donde destruyen la capa de ozono. Por este motivo dejaron de fabricarse y usarse

a partir de 1995 segn lo acordado en el Protocolo de Montreal. El Protocolo de

Montreal, sobre productos que destruyen la capa de ozono, es un acuerdo

internacional adoptado en una conferencia diplomtica que tuvo lugar en Montreal

(Canad) el 16 de septiembre

modulo unidad 1 del curso refrigeración aplicada unad

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