unidad 1

TECSUP Refrigeracin y Aire Acondicionado

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Unidad I

LLOOSS CCIICCLLOOSS DDEE RREEFFRRIIGGEERRAACCIINN

1. PRINCIPIOS BSICOS 1.1. CALOR

El calor es una forma de energa. Es la sensacin percibida por nuestros rganos sensoriales al encontrarnos frente a un hogar en actividad o un cuerpo incandescente, por ejemplo. La vida terrestre es tributaria de una de las principales fuentes de calor: el sol. El calor se manifiesta igualmente al paso de una corriente elctrica a travs de una resistencia, por la compresin brusca de un gas, ante determinadas reacciones qumicas, etc.

1.2. FRO Es la sensacin que prueba la ausencia, prdida o disminucin del calor. Comparativamente, el fro ante el calor es lo que representa la oscuridad frente a la luz. El fro y la oscuridad son trminos negativos. Indican simplemente la ausencia o la disminucin, bien del calor o de la luz.

1.3. TEMPERATURA

Es el nivel en que el calor (energa calorfica) se encuentra en un cuerpo. Significa la accin ms o menos enrgica del calor sobre nuestros sentidos. La temperatura nos permite decir que un cuerpo est ms o menos caliente que, otro.

1.4. INTERCAMBIO DE CALOR Cuando dos cuerpos estn en contacto, el calor pasa siempre del cuerpo caliente al cuerpo fra. El intercambio de calor no cesa hasta que los dos cuerpos se hallan a la misma temperatura. Ejemplo

Refrigeracin y Aire Acondicionado TECSUP PFR

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Cuerpo fro: el evaporador de un sistema frigorfico. Cuerpo caliente: los productos colocados dentro del frigorfico. Los productos (cuerpo caliente) ceden parte de su calor al evaporador (cuerpo fro) y al disminuir su calor desciende tambin su temperatura.

1.5. TRANSMISIN DE CALOR El calor puede transmitirse de un cuerpo a otro por tres medios de transmisin diferentes (fig. 1.1). 1.5.1. POR CONDUCCIN

La transmisin de calor por conduccin tiene lugar en un mismo cuerpo cuando sus partes presentan temperaturas diferentes, y de un cuerpo a otro si ambos, con temperaturas diferentes, se ponen en contacto. Ejemplos: Calentamiento de una barra metlica en un horno, o bien, calentamiento de un recipiente colocado sobre la superficie de una resistencia elctrica. Existen cuerpos que son buenos conductores de calor, por ejemplo el cobre, la plata, el aluminio, etc., y otros que son malos conductores (o calorfugos), como la madera, el corcho, los poliestirenos, el cartn, etc.

Figura 1.1. Transmisin de calor a travs de las paredes de un refrigerador.


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1.5.2. POR RADIACIN (fig. 1.2). Los rayos calorferos se propagan en lnea recta por el espacio, y siendo emitidos a temperatura elevada son absorbidos parcialmente por los cuerpos ms fros que forman una pantalla a su propagacin. siendo reflejada la parte no absorbida de forma idntica a la reflexin de los rayos luminosos en un espejo.

1.5.3. POR CONVECCIN

Esta forma de transmisin de calor es propia de los lquidos y de los gases. El medio (lquido o gas) entra en movimiento por diferencia de densidad. Las partes calientes son ms ligeras y ascienden conduciendo el calor a las partes elevadas ms fras. Ejemplo Un radiador calienta un recinto por conveccin, sirviendo el aire como vehculo del calor. Un evaporador enfra una cmara frigorfica de forma similar.

2. MEDICIN DE LA TEMPERATURA La temperatura indica el nivel al que se sita el calor en un determinado cuerpo. Para medir la temperatura se ha escogido la dilatacin del mercurio, del alcohol o del tolueno, sustancias que se emplean para la fabricacin de termmetros. Se utiliza igualmente la variacin de tensin de vapor en determinados fluidos, as como tambin los fenmenos termoelctricos. Para la graduacin de los termmetros se han escogido dos referencias que corresponden a dos temperaturas constantes bajo las que se producen dos fenmenos fsicos:

Figura 1.2 Forma de transmisin de calor por radiacin.


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la fusin del hielo de agua destilada, la ebullicin del agua destilada, Que deben tener lugar bajo la presin atmosfrica normal. Estos dos fenmenos se llaman puntos fijos de la escala termomtrica. Se emplean dos escalas termomtricas: 2.1. ESCALA CELSIUS

El punto 0C se define como la temperatura del hielo en fusin v el punto de 100`C corresponde a la temperatura del vapor de agua en ebullicin bajo la presin atmosfrica normal.

2.2. ESCALA FAHRENHEIT En esta escala 0 C equivalen a 32 F, y el intervalo entre 0-100 C es dividido en 180 partes iguales por lo que 100 C se convierten en 32 + 180 = 212 F. La escala Fahrenheit se emplea todava en los pases anglosajones, aunque la escala Celsius se utiliza en Gran Bretaa para nombrar las temperaturas oficiales (datos meteorolgicos). La escala Celsius es de uso general en los pases que han adoptado el sistema internacional de unidades (SI). La conversin de temperaturas de la escala Celsius a la escala Fahrenheit, y recprocamente, se efecta por medio de las frmulas siguientes:

O bien con la ayuda de tablas de conversin. Se emplean otros termmetros distintos a los de mercurio (stos no pueden utilizarse a muy bajas temperaturas, ya que el mercurio se solidifica a -39 C). Entre ellos citamos: El termmetro de alcohol que permite medir temperaturas hasta - 80 C.


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El termmetro con bulbo termosttico en el que se registran las variaciones de presiones inherentes a las variaciones de temperatura de un fluido por medio de un tubo Bourdon o de una lmina de acero, variaciones referenciadas en un cuadrante graduado en temperatura. El termmetro con par termoelctrico que se utiliza especialmente en la toma de temperaturas a distancia. El termopar formado por dos conductores de naturaleza distinta - Cobre y constantan, por ejemplo - el cual seala la diferencia de potencial provocada por la diferencia de temperaturas entre las dos extremidades de dichos conductores unidos por soldadura, de los que uno se mantiene a temperaturas constantes (hielo en fusin). Esta diferencia de potencial puede leerse en un mili voltmetro graduado en grados (fig. 1.3).

3. CERO ABSOLUTO Y ESCALA TERMODINMICA El calor se halla presente en todo cuerpo que se encuentre a una temperatura por encima de -273 C. Se ha fijado que -273 C es la temperatura ms baja que puede obtenerse; es el punto en que hay una ausencia absoluta de calor en un cuerpo. Esta temperatura se denomina cero absoluto.

Figura 1.3 Utilizacin de un termopar.


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Las temperaturas valoradas a partir de este nuevo punto se conocen por tempe-raturas absolutas o temperaturas termodinmicas, y la nueva escala termomtrica as definida ha recibido el nombre de escala Kelvin o escala termodinmica. Las temperaturas expresadas bajo esta escala se dan en Kelvin (K), que tienen el mismo valor que los grados Celsius, pasndose de una escala a otra por medio de la frmula:

Ejemplo Cules son las temperaturas absolutas correspondientes a las temperaturas Cel-sius de +25 C y -10 C?

3.1. CALOR SENSIBLE Y CALOR LATENTE Un cuerpo o una sustancia pueden recibir o suministrar calor bajo dos formas diferentes (fig. 1.4). 3.1.1. BAJO FORMA SENSIBLE

La absorcin de calor bajo esta forma se manifiesta por una elevacin de la temperatura del cuerpo receptor: si el cuerpo, por el contrario, ha cedido calor, su temperatura desciende. La absorcin o cesin de calor no provoca la modificacin del estado fsico del cuerpo. La variacin de temperatura est en funcin de la cantidad de calor intercambiado y de una caracterstica fsica propia de cada cuerpo: su calor especfico (o msico).

3.1.2. BAJO FORMA LATENTE

La absorcin de calor por un cuerpo bajo esta forma - o el suministro de calor a este cuerpo - se caracteriza por una

273C K T +=


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constancia de la temperatura del cuerpo y por su cambio de estado fsico.

3.2. CALOR ESPECFICO DE UN CUERPO Es la cantidad de calor que debe suministrarse a 1 kilogramo de este cuerpo para elevar 1 C su temperatura, sin modificar su estado fsico. Por definicin, el calor especfico del agua a presin normal (1,013 bar) es de 4185 julios por kilogramo y por grado Celsius a 15 C (4,185 kJ/kg . K).

3.3. CALOR LATENTE DE SOLIDIFICACIN Es la cantidad de calor que se debe extraer a 1 kilogramo de un cuerpo para hacerlo pasar del estado lquido al estado slido sin reducir su temperatura.

3.4. CALOR LATENTE DE FUSIN Es la cantidad de calor que debe suministrarse a 1 kilogramo de un cuerpo para hacerlo pasar del estado slido al lquido sin elevar su temperatura.

3.5. CALOR LATENTE DE VAPORIZACIN Es la cantidad de calor que debe suministrarse a 1 kilogramo de un cuerpo para hacerlo pasar del estado lquido al estado gaseoso sin aumentar su temperatura. Vara de acuerdo con la naturaleza y temperatura del lquido.

3.6. CALOR LATENTE DE LICUEFACCIN Es la cantidad de calor que se debe extraer a 1 kilogramo de un cuerpo para hacerlo pasar del estado gaseoso al estado lquido sin reducir su temperatura.


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Figura 1.4 Calor latente y calor sensible.


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4. MEDICIN DE LAS CANTIDADES DE CALOR 4.1. UNIDADES DE LAS CANTIDADES DE CALOR

El sistema legal de medidas en nuestro pas (sistema S.I.) admite como unidad de calor el julio (J). El empleo de las antiguas unidades calorficas, como la calora, la kilocalora, la frigora ha dejado de utilizarse en los documentos oficiales desde hace muchos aos. A continuacin indicamos las equivalencias de dichas unidades en kilojulios (kJ): 1 kilocalora ( 1 kcal ) = 4,186 kJ 1 frigora ( 1 fg ) = - 4,186 kJ En los pases que utilizan el sistema anglosajn de medidas, la unidad de cantidad de calor es diferente y depende de las unidades base de ese sistema. Es la BTU (British Thermal Unit: Unidad Trmica Britnica). BTU es la cantidad de calor que debe suministrarse a 1 libra de agua (1 libra = 0,453 kg) para elevar su temperatura 1 F. As pues, 1 BTU = 4,185 x 0,453 x 100/180 = 1,053 kJ, siendo 100/180 la relacin entre las escalas Celsius y Fahrenheit en los puntos fijados en las dos escalas termomtricas. La cantidad de calor ( Q ) que debe suministrarse o extraerse de un cuerpo es proporcional a: - la masa del cuerpo (m). - La variacin de temperatura que ha experimentado (T). - Su calor especfico ( C ). Por lo que la frmula general que proporciona la cantidad de calor intercambiado se expresa as:

Ejemplo

T x m x C Q =


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Cul es la cantidad de calor que debe sustraerse a 1500 kg de carne cuyo calor especfico C es de 2,93 kJ/kg . K, para rebajar su temperatura desde 30 C hasta + 2 C ?

5. CAMBIO DE ESTADO FSICO

5.1. FUSIN Y SOLIDIFICACIN La fusin es el paso de un cuerpo del estado slido al estado lquido por la accin del calor. Solidificacin es la transformacin inversa por enfriamiento.

5.2. LEYES DE FUSIN Y DE SOLIDIFICACIN 1. Bajo una presin igual, las temperaturas de fusin y de solidificacin

de un cuerpo son idnticas:

sTT =f Esta es una caracterstica fsica de un cuerpo. 2. Bajo una misma presin, esta temperatura permanece constante

durante todo el tiempo de cambio de estado. Observacin Durante el cambio de estado se produce una variacin de volumen.

5.3. VAPORIZACIN Es el paso de un cuerpo del estado lquido al estado gaseoso. Puede producirse por evaporacin o por ebullicin.

Figura1.5 Cambios de estado fsico.


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5.4. EVAPORACIN Es la formacin de vapor sobre la superficie libre de un lquido. Ser ms rpida: Si la superficie libre del lquido es grande; Si se eleva la temperatura; Si la atmsfera es seca y renovada; Si la presin es baja; Si la tensin del vapor saturante del lquido es elevada.

5.5. EBULLICIN Es la vaporizacin rpida de un lquido con la formacin de burbujas de vapor en el interior del lquido. 5.5.1. LEYES DE LA EBULLICIN

1. Bajo una misma presin, un lquido empieza siempre a hervir a la misma temperatura.

2. Durante todo el perodo de ebullicin, la temperatura permanece constante si la presin permanece tambin constante.

3. La tensin del vapor saturante del vapor emitido es igual a la presin soportada por el lquido.

5.5.2. PUNTO NORMAL DE EBULLICIN

Es la temperatura de ebullicin bajo la presin atmosfrica normal. Ejemplo gua: 100 C; R12: -30 C; NH,: -33,5 C; R-22: --10,8 C; R502: -45 C Si se desea reducir la temperatura de ebullicin, debe disminuirse la presin soportada por el lquido en ebullicin. A la inversa, si se quiere elevar la temperatura de ebullicin, deber aumentarse esta presin.

5.6. CONDENSACIN Es el paso del estado gaseoso al estado lquido.


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La condensacin de un vapor se obtiene de dos maneras: 1. Por compresin hasta la presin correspondiente a la tensin del

vapor saturante del fluido a la temperatura considerada. 2. Por enfriamiento hasta la temperatura correspondiente a la tensin

del vapor saturante del fluido en cuestin.

5.7. SUBLIMACIN Es el paso del estado slido al estado gaseoso sin pasar por el estado lquido. Esta propiedad la poseen solamente ciertos cuerpos. Este fenmeno se produce a presin constante frente a una temperatura bien determinada. Ejemplos La nieve carbnica, el yodo, el alcanfor, el hielo. Disolucin Si se forma con absorcin de calor, la mezcla se convierte en refrigerante; la disolucin, no obstante, no se realiza en un punto fijo. Ejemplo Se puede alcanzar una temperatura de 21 C con una mezcla de hielo y sal; aqu no existe una temperatura fija de disolucin.

5.8. TEMPERATURA CRTICA No es posible la licuefaccin por compresin de un gas o de un vapor por encima de una temperatura lmite, cualquiera que sea la presin ejercida sobre el gas o el vapor; esta temperatura lmite ha recibido el nombre de temperatura crtica.

R13 28,8 C R22 96 C R23 25,9 C R134a 100,6 C CO 31 C R12 112 C R502 82,2 C R152a 113,5 C

6. NOCIONES SOBRE LAS PRESIONES

6.1. DEFINICIN GENERAL DE LA PRESIN


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Suponiendo una fuerza F que acta sobre la superficie A de un cuerpo se dice que esta fuerza ejerce una presin p = F/A.

6.2. UNIDAD DE PRESIN Es la presin ejercida por la unidad de fuerza que acta sobre la unidad de superficie de un sistema dado de unidades.

6.3. UNIDAD LEGAL El pascal es la presin ejercida por una fuerza de 1 newton que acta de forma uniforme sobre una superficie de 1 m2. La unidad normalmente empleada es el bar, mltiplo 10 5 del pascal. Las equivalencias entre el bar y las antiguas unidades que son: el kilogramo fuerza por centmetro cuadrado (kgf/cmz), y la atmsfera (atm), se indican a continuacin: 1 bar = 105 Pa = 1,02 kgf/cm2 = 1 hpz = 0,086 atm.

6.4. UNIDAD INGLESA Es la libra por pulgada cuadrada (psi). Es la presin ejercida por la unidad de peso, la libra (0,453 kg), sobre la de superficie, la pulgada cuadrada (1 pulgada = 1 inch = 2,54 cm).

6.5. PRESIN ATMOSFRICA

Es la presin ejercida sobre la superficie de todos los cuerpos por la capa gaseosa que constituye la atmsfera. Esta presin, al nivel del mar, es igual a la de una columna de mercurio de 760 mm de altura.

bar 0,0687 1,02

0,07037 psi 1

sea o , kg/cm 0,07037 (2,54)0,453

psi 1 22

==

==


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Si se utiliza otro lquido en lugar del mercurio, la altura que equilibra la presin atmosfrica es inversamente proporcional a la densidad del lquido utilizado. Para el agua, esta altura es de 10,33 metros. La presin atmosfrica disminuye al aumentar la altura.

6.6. PRESIN RELATIVA

Se mide a partir de la presin atmosfrica. Presin absoluta Se mide a partir dei vaco absoluto.

Observacin En el caso de medidas de presin a nivel del mar en la instalacin, se admite: Presin absoluta = presin relativa + 1 bar La presin relativa viene dada por la lectura de los manmetros.

6.7. VACO Cuando se tienen presiones inferiores a la presin atmosfrica, se dice que se halla bajo vaco. El vaco relativo se mide a partir de la presin atmosfrica y varia, de acuerdo con los sistemas de unidades utilizadas, de: 0 a 76 cm de mercurio de vaco absoluto; 0 a 30 pulgadas de mercurio de vaco absoluto; de 0 a 1,013 bar de vaco absoluto.

6.8. APARATOS PARA LA MEDICIN DE PRESIONES Y DEL VACO

Para la medicin de la presin atmosfrica se emplean barmetros.

Presin absoluta = presin relativa + presin atmosfrica


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Barmetro de mercurio, en el cual se mide la altura de la columna baromtrica. Barmetro aneroide, aparato inventado por Vid y perfeccionado por Bourdon. Se compone de un tubo de cobre que forma un crculo casi completo. Este tubo, en cuyo interior se ha hecho el vaco, queda fijo por uno de sus extremos. El otro se halla junto a una pequea palanca, la cual pone en movimiento un sector dentado que engrana con un pin portador de una aguja indicadora. La curva del tubo crece cuando aumenta la presin atmosfrica, y la aguja seala la variacin sobre un cuadrante.

6.9. MEDICIN DE LAS PRESIONES EN GENERAL

Se emplean manmetros metlicos basados en el sistema Bourdon. Un extremo del tubo en espiral se halla cerrado, mientras que el otro se comunica con la presin que debe medirse. El extremo cerrado acciona la aguja indicadora de las variaciones por el mismo procedimiento de la palanca y del sector dentado. En refrigeracin, se emplean manmetros cuya escala est graduada de 0 a 25 bars para la medicin de las presiones de descarga y tambin de manmetros llamados de baja presin, cuyo cuadrante est graduado desde - 1 a 6 bars para medir las presiones de aspiracin. Las lecturas de las depresiones se efectan en la escala de 0 a -1 (es decir, desde cero al vaco absoluto) y las de las presiones relativas de 0 a 6 bars. En las instalaciones de refrigeracin de tipo comercial y domstico se utilizan tambin manmetros con los cuadrantes graduados en libras por pulgada cuadrada para medir las presiones de descarga, y en pulgadas y libras por pulgada cuadrada para la lectura de los vacos y de las presiones de aspiracin. En la prctica, la transformacin de libras por pulgada cuadrada en bar se consigue rpidamente por medio de la siguiente equivalencia: 1 bar = 14,6 psi y 1 psi = 0,069 bar. Las frecuentes manipulaciones exponen estos aparatos a sacudidas que pueden perjudicar la exactitud de sus indicaciones. Los instaladores deben contrastarlos en el taller comparando sus indicaciones con las del manmetro patrn.


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Para medir presiones muy bajas, especialmente en laboratorios se emplean los aparatos siguientes: El manmetro truncado de mercurio, en el que se utiliza la diferencia

de nivel en las dos secciones de un tubo de cristal en forma de U (lectura entre 760 y 0,5 mm de Hg).

El manmetro de tubo inclinado, anlogo al anterior, cuya lectura es ms precisa (entre 20 mm y 0,1 mm de Hg).

7. DIAGRAMA PRESIN - ENTALPA ( DIAGRAMA DE MOLLIERE )

7.1. DIAGRAMAS DE CICLO

Un buen conocimiento del ciclo compresin - vapor requiere un estudio intensivo de no solamente los procesos individuales que conforman el ciclo sino tambin los enlaces que existen entre varios procesos y de los efectos que tienen los cambios en cada proceso particular relacionados con los dems procesos del ciclo. Esto es en gran medida simplificado por el uso de Cartas y Diagramas sobre los cuales se muestra el ciclo completo grficamente. La representacin grfica del ciclo de refrigeracin permite observar las consideraciones simultneas deseadas de toda la variedad de cambios en las condiciones del refrigerante que

a b

Figura 1.6 manmetros de alta (a) y baja(b).


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pueden ocurrir durante el ciclo y el efecto que esos cambios tienen en el ciclo, sin la necesidad de memorizar los diferentes valores nmericos involucrados en los problemas. Los diagramas frecuentemente usados en el anlisis del ciclo de refrigeracin son el diagrama de presin entalpa ( p - h ) y el diagrama de Temperatura - entropa ( T - s ). De los dos, el diagrama de presin - entalpa parece ser el ms til.

7.1.1. ENTROPA

Es la cantidad total de calor que tiene 1 Kg de refrigerante. Como es un poco complicado explicar lo que la entropa es especficamente, podramos omitirla aqu. De todos modos, las condiciones de un gas como son la presin, temperatura y volumen especfico, cambian a lo largo de una lnea de entropa constante cuando el gas es comprimido adiabticamente.

7.2. SISTEMA DEL DIAGRAMA PRESIN ENTROPA La condicin del refrigerante en cualquier estado termodinmico puede ser representada como un punto en el diagrama p - h. El punto en el diagrama p - h el cual representa la condicin del refrigerante en cualquier estado termodinmico particular puede ser ubicado si dos de las propiedades del refrigerante son conocidas. Una vez que dicho punto ha sido ubicado en el diagrama, todas las otras propiedades del refrigerante para su estado pueden ser determinadas directamente del diagrama. Como es mostrada en la Figura 1.6, el diagrama tpico p-h, la carta est dividida en tres reas las cuales estn separadas cada una de la otra por las curvas de lquido saturado y gas saturado. El rea de la izquierda de la curva del lquido saturado en el diagrama es llamada regin sub-enfriada. En cualquier punto en la regin sub-enfriada el refrigerante est en el estado lquido, y su temperatura est por debajo de la temperatura de saturacin correspondiente a esa presin. El rea a la derecha de la curva de gas saturado es la regin sobrecalentada y el refrigerante est en la forma de gas sobrecalentado. La seccin central de la carta, entre las curvas de lquido saturado y de gas saturado, representa el cambio de fase del refrigerante entre los estados de lquido y gas. En cualquier


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punto entre las dos curvas el refrigerante est en la forma de mezcla de gas y lquido. La distancia entre las dos curvas a lo largo de una lnea de presin constante, que puede leerse en la escala de entalpa en la parte inferior del grfico, es el calor latente de evaporacin del refrigerante a esa presin. Las curvas de lquido y gas saturados no son exactamente paralelas una a la otra, porque el calor latente de evaporacin del refrigerante varia con la presin a la cual ocurre el cambio de fase.

En el grfico, el cambio de fase de lquido a estado de gas toma lugar progresivamente de izquierda a derecha, mientras que el cambio de fase de gas a estado lquido ocurre de derecha a izquierda. Muy cerca a la curva de lquido saturado la mezcla lquido - gas es casi todo lquido; mientras ms cerca a la curva de gas saturado, la mezcla lquido - gas es casi todo gas. Las lneas de condicin constante (Fig. 1.7), extendindose

Regin de cambio de fase. El refrigerante es una mezcla de lquido y gas

Regin sobrecalentada. El refrigerante est en la forma de gas sobrecalentado.

Liq. a gas

Gas a lquido

Entalpa Kcal/kg

Pres

in

abso

luta

kg/

cm2

Regin subenfriada. El refrigerante est en forma de lquido sub-enfriado.

Figura 1.7 Diagrama tpico p h.


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de arriba a abajo a travs de la seccin central del grfico y aproximadamente paralela a las curvas de lquido y gas saturados, Indican la fraccin de gas en la mezcla en incrementos de 0.10. Por ejemplo en cualquier punto de la lnea de calidad constante cercana a la curva del lquido saturado, la condicin de la mezcla lquido gas es 0.10 (10 %), lo cual significa que el 10% (en peso) de la mezcla es gas, similarmente la condicin indicada de la mezcla en cualquier punto a lo largo de la lnea de calidad constante cercano a la curva de gas saturado es 90% y la cantidad de gas en la mezcla lquido - gas es 90%. En cualquier punto de la curva de lquido saturado el refrigerante es un lquido saturado, y en cualquier punto a lo largo de la curva de gas saturado el refrigerante ser gas saturado.

La presin es graficada a lo largo del eje vertical, y la entalpa a lo largo del eje horizontal. Por lo tanto, las lneas horizontales que cruzan el

Entropa constante

Presin constante

Entalpa Kcal/kg

Temperatura constante

Pres

in

abso

luta

kg/

cm2 Volumen

constante

Curva de lquido saturado

Curva de vapor saturado

Fig. 1.8 Diagrama p h mostrando lneas de presin y temperatura constante.

Calidad constante 10 %


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grfico son lneas de presin constante y las lneas verticales son lneas de entalpa constante. Las lneas de temperatura constante en la regin sub-enfriada son casi verticales en el grfico y paralelas a las lneas de entalpa constante. En la seccin central, considerando que el refrigerante cambia de estado a temperatura y presin constantes, las lneas de temperatura constante corren horizontalmente cruzando el grfico y paralelas a las lneas de presin constante. En la curva de gas saturado las lneas de temperatura constante cambian de direccin de nuevo y, en la regin de gas sobrecalentado caen violentamente hasta hacerse nulo en el grfico. Las lneas rectas que se extienden diagonalmente y casi verticalmente cruzando la regin de gas sobrecalentado son lneas de entropa constante. Las lneas curvadas y casi horizontales que cruzan la regin de gas sobrecalentado son lneas de volumen constante. Los valores de cualesquiera de las variadas propiedades del refrigerante que son de importancia en un ciclo de refrigeracin pueden ser ledas directamente del grfico p-h en cualquier punto donde el valor de esa propiedad particular sea significante para el proceso que ocurre en ese punto. Para simplificar el grfico, el nmero de lneas en el grfico es preferible que sea mnimo. Por esta razn, el valor de esas propiedades del refrigerante las cuales no tengan real significacin en algunos puntos del ciclo, son omitidos en el grfico. Por ejemplo, en la regin del lquido y en la regin del cambio de fase (seccin central), los valores de entropa y volumen no son de particular inters y por lo tanto omitidos del grfico en esas secciones. Considerando que el grfico p-h est basado en 1 Kg de refrigerante, el volumen dado es el volumen especfico, la entalpa est en Kcal por Kg, y la entropa est en Kcal por Kg por grado absoluto de temperatura. Los valores de entalpa se encuentran en la escala horizontal en la parte inferior del grfico y los valores de entropa y volumen estn dados adyacentemente a las lneas de entropa y volumen respectivamente. Los valores de entalpa y entropa estn basados en el punto standard de 0 C seleccionado arbitrariamente, donde la entalpa es 100 Kcal/Kg. y la entropa es 1 Kcal/kg K en estado lquido.


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La magnitud de la presin en Kg/cm2 (abs.) es ledo en la escala vertical y al lado izquierdo del grfico. Los valores de temperatura en grados centgrados se encuentran adyacentes a las lneas de temperatura constante, en las regiones sub-enfriada y sobrecalentadas del grfico y en las curvas de lquido y gas saturados. Los diagramas de los refrigerantes que proporcionan los fabricantes se encuentran en unidades de S.I., kJ/kg para la entalpa y bar (abs) para las presiones, aunque tambin se tienen diagramas en kcal/kg y Btu/lb para las entalpas y kg/cm2 o bar y psi para las presiones. Se adjuntan en el anexo diagramas p h de los refrigerantes ms usuales.

7.3. CAMBIOS TERMODINMICOS Los cambios termodinmicos de un estado definido a otro, pueden seguir cualquier nmero de trayectorias, dependiendo de la manera en que dicho cambio es llevado a cabo. 7.3.1. UN CAMBIO ADIABTICO

Es aquel en que no hay flujo de calor hacia adentro o hacia afuera del sistema. SI el medio es tal que obedece a la ley de los gases perfectos en la regin en cuestin, la relacin funcional entre la presin y el volumen es pVk = const., dnde k = Cp/CV. Cp y CV son los calores especficos a presin y volumen constante respectivamente.

7.3.2. UN CAMBIO ISOTRMICO

Es aquel en que la temperatura de trabajo de la sustancia permanece constante. Este tipo de compresin sera la mas efectiva pero fsicamente imposible.

7.3.3. UN CAMBIO ISOENTRPICO

Requiere que la entropa de la sustancia permanezca constante adicionalmente al estado adiabtico que tenga.

7.3.4. UN CAMBIO POLITRPICO


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Para un gas, es el que sigue la trayectoria representada por pVn = const., donde (1 < n


23


24

8.1. MODIFICACIN DEL CICLO BSICO

condensador

evaporador

ER

Q

C

capilar

3

h

h

3 2

q 2

1 1

4

3

4 3 q

1 1

P

h

Carga Trmica = mR x ERU

(h1 - h4)

41r h - h

Trmica Carga m =

)h - (h)h - (h

COP

)h - (hmr x ERUmr x

compresor del PotenciaTrmica Carga

COP

12

41

12

=

==

Figura1.10 ciclo bsico con regeneracin.

H1-h4


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9. SISTEMAS MLTIPLES

9.1. CON SEPARADOR DE VAPOR

C

Figura 1.11

ER

CONDENS

EVAPORAD

3

7

4 8 2

5

1 9 6

4 5

3 2

6

7

8 9 1

P

h

)h - (h)h - (h

m m

:separador elen trmicoBalance

)h - (hTrmica Carga

m

:evaporador elen masa de Flujo

47

548 7

699

==

=

981

121

699

m m m :

)h - (h m)h - (h x m

COP

+=

=

Nota


26

9.2. CON 2 EVAPORADORES Y 1 COMPRESOR

Figura 1.12

ER1

ER2

4

7

3 5 4

3

6

1 8 7

2

5

6 8 1

P

h

CONDENS

EVAP 1

EVAP 2

C

861121

788456

788

456

m m m :Nota )h- (h m)h- (h m )h- (h m

h- h2 Trmica Carga

m

h- h1 Trmica Carga

m

+=+

=

=

=

COP


27

9.3. CON 1 EVAPORADOR Y 2 COMPRESORES E INTERCOOLER

Figura 1.13

9.4. SISTEMAS EN CASCADA Se denomina as a todo aquel sistema que tiene un intercambiador de calor que sirve de evaporador en un ciclo y a la vez de condensador en otro.

CONDENS

EVAPOR

5

3

6

4

2 7

1 8

6 7

5 4

8

3 2

1

P

h

COMP ALTA

COMP BAJA

)h- (h m )h- (h m)h- (h m

COP

:Perfomance de eCoeficient

)h- (h)h- (h . m

m

:separador el en Trmico Balance

h- hTrmica Carga

m

343121

811

63

7213

811

+=

=

=


28

El refrigerante que circula por cada uno de los ciclos es diferente, siendo a su vez los ciclos independientes uno del otro. Con los sistemas en cascada se pueden alcanzar hasta -100 C utilizndose sucesivas cascadas.

Figura 1.14

10. PROBLEMAS DE APLICACIN PROBLEMA 1.- Una cmara frigorfica est compuesta por un sistema mltiple de 2 evaporadores y un compresor. La capacidad de refrigeracin es de 1,5 TON y el sistema utiliza refrigerante R-22. La temperatura de condensacin es de 40 C y el vapor entra al condensador sobrecalentado. La temperatura de trabajo

2

1

q'''' EVAPORADOR

CONDENSAD

C

P

h

C

C 3

2

1 4

4

3 2

1

q

)h- (h mr )h- (h mr)h- (h mr

COP

h- hTrmica Carga

mr :

h- h)h- (h mr

mr :Luego

)h- (h mr )h- (h mrq) q ( cedido Calor ganado Calor

:calor de adorintercambi el en Balance

121122

412

412

41

3221

322411

+=

=

=

=

==

donde


29

de cada evaporador es -15 C y -30C respectivamente y el evaporador de mas baja temperatura recoge 1 TON. Hallar: Flujo total de refrigerante. Pot del compresor. COP del sistema. A que temperatura entra el refrigerante al condensador?

PROBLEMA 2.- Para una aplicacin frigorfica se utiliza un sistema mltiple de 2 compresores y un evaporador, teniendo un depsito separador que a la vez es un enfriador intermedio. La evaporacin del sistema es de 4 TON y se utiliza R-12 como refrigerante. Datos: Tamb= 30 C Temperatura Cmara frigor. = -10 C Calcular: La potencia terica de los compresores. El COP en TON/ HP El calor disipado en el condensador en 1 hora.

PROBLEMA 3.- Un sistema de refrigeracin necesita una temperatura de cmara de -60 C para lo cual utiliza un sistema en cascada con los refrigerantes R-22 y R-502. La carga trmica del sistema es de 4 TON. Si el compresor de alta recibe al refrigerante a -15 C y la temperatura ambiente es de 25 C, calcular: El flujo de cada refrigerante. La potencia de cada compresor. El COP del sistema. PROBLEMA 4.- Seleccionar un compresor semi-hermtico (BITZER) para una carga de 5 TON de refrigeracin, si el equipo est instalado en un ambiente de 30 C y se requiere una temperatura en la cmara de 0C. El refrigerante utilizado es R-22. Nota: Utilizar T = 10 C PROBLEMA 5.- Seleccionar una unidad condensadora (COPELAMETIC) si se tiene una carga de 2,5 TON que se desea mantener a 10 F y contestar: Con que refrigerante el sistema es mas econmico. Que modelo de compresor requiere.


30

Cual es la potencia que consume? Cual es la eficiencia en BTU/WATTS-HR


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ANOTACIONES:

..

..

..

..

..

..

..

..

unidad 1

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