MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO.

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404. ENFRIAMIENTO MECÁNICO

MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO.

Willis Haviland Carrier 1876-1950

1921. Primera Máquina centrífuga de aire acondicionado Carrier para uso industrial en procesos de hilado o papel. Antiguo sistema de

aire acondicionado en Egipto. 4000 A.C.

Ing. Francisco Javier Vadillo

MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO

—ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN DE UN SÓLIDO.

—ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN DE UN

LÍQUIDO.

—ENFRIAMIENTO POR COMPRESIÓN DE VAPOR

(ENFRIAMIENTO MÉCANICO).

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ENFRIAMIENTO

POR FUSIÓN

ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN

—Bloque de hielo posee un calor

específico de 0.5 BTU/lb-ºF se encuentra a 32.2ºF en condición saturada.

—Al absorber calor, el hielo se derrite y se forma una mezcla de hielo y agua en condición saturada a 32.2ºF.

—Mientras el hielo se derrita, la temperatura del agua y el hielo se mantendrán constantes.

ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN

—Históricamente, fue la primer

forma de enfriamiento desarrollada por el hombre.

—Se aprovechaba el hielo de las montañas o el congelado de lagos en el invierno, almacenándolo en cuartos fríos o en agujeros rellenos de paja.

—Luego el hielo se iba utilizando mientras duraran las existencias.

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ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN

—Para evitar que el agua saturada acelere la

licuefacción del hielo, se debe drenar y desechar al ambiente.

—Se requiere reemplazar el hielo cada vez que se derrita y la temperatura de absorción no puede cambiarse para otras aplicaciones.

—Se utiliza en la actualidad para enfriar bebidas, en hieleras y como baterías de “frío” para almacenar calor.

—Las desventajas más importantes de este método son:

—Se requiere suministro continuo de hielo.

—Se no se logra las temperatura que uno desee, sino la que normalmente el hielo provee (0°C).

—A medida que el hielo se derrite, hay menos superficie del bloque que se puede utilizar, por lo que absorbe calor más lentamente.

ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN

ENFRIAMIENTO

POR EVAPORACIÓN

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ENFRIAMIENTO POR

EVAPORACIÓN

—Recipiente destapado con agua a 21°C (70°F) y rodeado de aire a 1 atmósfera de presión (14.7 psi) se encontrará en estado líquido (el agua ebulle a 212° F a Patm).

—La velocidad molecular promedio del agua no es lo suficientemente alta para que sus moléculas escapen con rapidez.

—Sin embargo, algunas moléculas pueden tener una velocidad mayor a la promedio.

ENFRIAMIENTO POR

EVAPORACIÓN

—Las moléculas cercanas a la superficie con la velocidad suficiente podrán escapar por evaporación lenta.

—El resto tendrán una velocidad promedio más baja y por lo tanto, una temperatura menor.

—Esto ha producido un ligero efecto de enfriamiento en el líquido.

—Las moléculas cercanas a la superficie con la velocidad suficiente podrán escapar por evaporación lenta.

ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN

—El resto tendrán una

velocidad promedio más baja y por lo tanto, una temperatura menor.

—Esto ha producido un ligero efecto de enfriamiento en el líquido.

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ENFRIAMIENTO POR

EVAPORACIÓN

250 psi A B C CALOR — ¿Cuál es la presión de saturación del R-22 a 80°F?

— ¿Cuál será la temperatura de ebullición del R-22 a 250 psia?

— Cuando el R-22 pasa por el orificio “A-B”, ¿a qué presión se reducirá y que temperatura tendrá? Presión 250 psi A B C CALOR —A medida el refrigerante para por el tubo largo en forma de serpentín, absorbe calor de los alrededores. 250 psi A B C

ENFRIAMIENTO POR

EVAPORACIÓN

—Este método se usaba realmente a principios del siglo XX.

—Las desventajas son: —Requiere reponer el

refrigerante ($$$). —No se tiene control de

la temperatura de salida del refrigerante.

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Entalpia 250 Presión psia Mezcla Líquido-vapor 14.7 Hfinal Hinicial

ENFRIAMIENTO

MECÁNICO POR

COMPRESIÓN DE VAPOR

ENFRIAMIENTO MECÁNICO POR

COMPRESIÓN DE VAPOR

—Si lográramos que el vapor refrigerante no escapara a la atmósfera y lo regresáramos a su estado líquido, el proceso de enfriamiento se puede volver un ciclo.

—Esto se logra comprimiendo el vapor, enfriándolo hasta condensarlo en líquido y regresarlo al dispositivo de expansión.

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Entalpia 250 Presión psia Mezcla Líquido-vapor 14.7 Hfinal Hinicial

CICLO TERMODINÁMICO

A B C D condensador evaporador compresor Dispositivo de expansión

A B C D CONDENSACIÓN D-A EVAPORACIÓN B-C C-D COMPRESIÓN A-B EXPANSIÓN

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Ing. Francisco Javier Vadillo A B C D CONDENSACIÓN D-A EVAPORACIÓN B-C C-D COMPRESIÓN A-B EXPANSIÓN

PROCESO B-C. EVAPORACIÓN

PROCESO C-D. COMPRESIÓN

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La tonelada de refrigeración

TR

—Para poder medir la potencia de enfriamiento o capacidad de remover calor de un sistema de refrigeración o de aire acondicionado, se utilizan unidades de KW y KWH.

—Sin embargo, existe una medida aún en uso en el país llamada la “tonelada de refrigeración”.

—Esto equivale a la cantidad de calor que una tonelada de hielo puede absorber en un tiempo determinado.

—El equivalencia es de 12,000 BTU/h por TR

COMPONENTES DEL SISTEMA

—Los componentes básicos para realizar el ciclo de refrigeración son:

—El dispositivo de expansión. —El evaporador.

—El compresor. —El condensador.

—Pueden existir otros dispositivos auxiliares como:

—Un acumulador del líquido condensado, tuberías para el flujo del refrigerante, válvulas de control o mantenimiento, etc.

El dispositivo de expansión

—El dispositivo de control de flujo debe realizar dos funciones:

—Regular el flujo del refrigerante líquido que se alimenta al evaporador, según sea la demanda. —Crear una caída de presión desde el lado de alta al lado de baja del sistema.

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El Evaporador

—Es un intercambiador de calor y su objetivo es proveer de una transferencia continua y eficiente de calor del medio a enfriar al refrigerante.

—La sustancia a enfriar puede ser sólida, líquida o gaseoso (normalmente es agua o aire).

El Evaporador

—Los más comunes son hechos de tubos por los que fluye el refrigerante mientras que el aire a enfriar pasa por el exterior, a estos se les llama serpentines y constituyen la superficie de trasferencia de calor.

—Pueden se con aletas o sin aletas. —De convección natural o Forzada. —Expansión seca o inundados. —Enfriador de aire o agua (líquidos).

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Evaporador con aletas y sin

aletas

Evaporador convección natural o

Forzada

—En la convección natural, el aire se mueve dentro del recinto por la diferencia de densidad que tiene el aire frío y el caliente.

—En la convección forzada, se utilizan ventiladores para crear el movimiento.

Evaporador Expansión Seca

—Son más baratos y fáciles de fabricar, pero obligatoriamente deben tener un sobrecalentamiento en la salida para prevenir que líquido llegue al compresor y lo rompa.

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Evaporador Inundado

—Son mas eficientes porque no requieren sobrecalentamiento y aprovechan más la superficie del evaporador.

—Son de mayor costo.

Enfriadores de aire o agua

—Las aplicaciones convencionales enfrían aire para que por medio de su movimiento, se enfríe el espacio refrigerado o acondicionado.

—Cuando el fluido a enfriar es agua, el evaporador recibe el nombre de “enfriador de agua” o “cooler”.

Problemas

típicos

—Escarcha en los serpentines. —Taponamiento por suciedad.

—Rebalse del drenaje del evaporador.

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El Compresor

— Es el corazón del sistema.

— Se encarga de producir la diferencia de presiones y el flujo de refrigerante en las tuberías.

—En cuanto a costos, el compresor constituye un poco más del 50% del valor inicial total del equipo y aproximadamente un 95% del consumo de potencia de funcionamiento.

Funcionamiento

—

El

compresor

aspira

o

succiona

el

refrigerante del evaporador y luego lo

comprime para incrementar su presión y su

temperatura.

—

Para

evaluar

la

operación

de

los

compresores se define la presión de succión

saturada (TSS) que compara cual sería la

temperatura de saturación del refrigerante a

la presión de succión.

Temperatura de succión saturadas

TSS

—

La TSS no será la temperatura real en la

succión del compresor.

—

La

temperatura

real

se

mide

con

el

termómetro y la diferencia entre estas

temperaturas será aproximadamente de 5.5

a 8° C (10 a 15° F).

—

Los fabricantes hacen referencia a sus

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Tipos de compresores

—Por su forma de operar pueden ser:

—Dinámicos o centrífugos. —Desplazamiento positivo: — Reciprocante. — Rotativo. — Tornillo. — Espiral o “scroll”.

Compresores Dinámicos

—Mejor conocidos como compresores Centrífugos.

—Son similares a las bombas centrífugas de agua y funcionan proporcionando velocidad al vapor refrigerante para aumentar su energía cinética y su presión.

—Poseen muy pocas partes móviles, por lo que son menos propensos a fallas mecánicas que los otros tipos de compresores.

—Generan grandes cargas de enfriamiento con equipos de menores dimensiones.

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SE USAN EN APLICACIONES DE GRAN TAMAÑO.

DE MUY ALTA EFICIENCIA Y RELATIVAMENTE SILENCIOSOS

COSTO ELEVADO Y REQUIERE POCO ESPACIO.

SE UTILIZAN MUCHO EN EL ENFRIAMIENTO DE LÍQUIDOS EN CICLOS SATURADOS

Centrífugos

DESCARGA SUCCIÓ N IMPULSOR ÁLABES DIREC CIÓN

Centrífugos

Compresores Reciprocantes

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—Son los más baratos en sistemas de refrigeración y aire acondicionado.

—Funcionan con un juego de pistones y cilindros similares a los motores de combustión interna.

—Se clasifican en tres grupos:

—a) herméticos —b) semiherméticos —c) abiertos

Compresores Reciprocantes

—Poseen muchas más piezas, por lo que están más propensos a las fallas mecánicas.

—La lubricación se vuelve crítica.

—Equipos de 5 HP o más requieren bombas de aceite.

Compresores Herméticos

—Son compactos y de poco tamaño, pero al ser sellados, no pueden repararse y se consideran desechables.

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Compresores Herméticos

—En ellos el motor que mueve al compresor se encuentra alojado en la misma carcasa y el refrigerante aspirado sirve para su enfriamiento

—Su principal aplicación es la refrigeración doméstica y comercial en pequeña escala debido a su bajo costo.

—También en aire acondicionado se utilizan en equipos de bajo costo y eficiencia.

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Compresores Semiherméticos

—La diferencia radica en que

estos compresores pueden abrirse y desarmarse en ciertos lugares destinados al mantenimiento, lo que permite su reparación y cambio de piezas en caso de falla o desgaste.

—Son muy utilizados en el campo de la refrigeración comercial de cuartos fríos y en la refrigeración industrial.

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Compresores reciprocantes con válvula

tipo disco

— Son los compresores de refrigeración más eficientes

— Se utilizan en aplicaciones de potencia hasta 40HP.

— El plato de válvulas esta diseñado para reducir la reexpansión del refrigerante a presión alta.

Comparación entre las válvulas

de compresores reciprocantes

— Convencional

— válvula de disco

Compresores Semiherméticos

con válvula de disco.

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Compresores Abiertos

—El motor y el compresor son dos partes separadas y un sello especializado se encarga que no exista fuga de refrigerante o lubricante en el acoplamiento entre ejes.

—Estos se encuentran casi en desuso y han ido siendo sustituidos por los semiherméticos.

—Poseen la ventaja de no sufrir contaminación en caso de daño del motor por recalentamiento y no destinan parte de su capacidad para enfriar el devanado del motor.

Ing. Francisco Javier Vadillo 1) Pistón 2) Bomba de aceite 3) Carcaza 4) Anillos de compresión 5) Buje 6) Polea 7) Plato de válvulas 8) Sello estanco mecánico

Compresores Abiertos

—Pueden ser de acople directo (coupling) o de acople por poleas y fajas.

—Este último acople permite modificar la velocidad del compresor modificando el diámetro de la polea.

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Compresores Abiertos

Funciona al empujar un pistón dentro de un cilindro Aspira vapor baja presión y frío Descarga vapor a alta presión y temperatur a El espacio entre pistón y válvulas debe ser lo más pequeño posible.

Funcionamiento

— Debido a que el gas (1) entra por medio de válvulas al cilindro (2), se debe dejar un espacio para prevenir que el pistón las golpee en su carrera de descarga.

Pérdida de eficiencia por existencia del

claro del cilindro.

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— Esto crea un claro (3) que atrapa gas a alta presión al finalizar la descarga.

— Cuando empieza la carrera de succión, el gas primero debe reexpandirse hasta alcanzar la presión de succión.

Pérdida de eficiencia por existencia del

claro del cilindro.

— El espacio ocupado por el gas reexpandido le resta espacio al gas entrante, por lo que se considera una pérdida del volumen aspirado.

— A esto se le llama eficiencia volumétrica.

Pérdida de eficiencia por existencia del

claro del cilindro.

Eficiencia Volumétrica

—Depende de varios factores, pero entre las principales están:

—La diferencia de presiones entre succión y descarga. —La diferencia de temperaturas de condensación y

succión.

—El tipo de compresor.

—En los compresores reciprocantes, la eficiencia ronda entre el 75% y el 85%.

—En los compresores reciprocantes tipo válvula de disco ronda entre los 95% y 99%.

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Compresor Rotativo.

—Son muy silenciosos y costo relativamente bajo.

—Son de muy poca potencia por lo que no se solo se utiliza en equipos de aire acondicionado residenciales de hasta 2 toneladas de refrigeración.

—Su eficiencia volumétrica es arriba del 90%.

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Compresores de tornillo

—Son de alto costo y elevada eficiencia.

—Pueden manejar cargas

parciales.

—Esto reduce el consumo total de energía.

—Solo se utilizan en aplicaciones de gran tamaño (arriba de 70 toneladas de capacidad).

Funcionamiento

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Compresores

Scroll

Compresor tipo SCROLL

UTILIZAN UNA ESPIRAL DE MOVIMIENTO CONTINUO QUE COMPRIME EL GAS AL REDUCIR GRADUALMENTE SU VOLUMEN.

MUY EFICIENTES Y SILENCIOSOS.

APROXIMADAMENTE 3 VECES MENOS RUIDOSOS QUE UN RECIPROCANTE.

SU COSTO ES MAYOR A LOS RECIPROCANTES HERMÉTICOS

POSEEN MENOS PARTES MÓVILES, POR LO QUE SON MENOS PROPENSOS A FALLAS.

Compresor tipo SCROLL

—Los compresores tipo scroll son lo más reciente en tecnología de compresores.

—Son de costo accesible (de un 20% a un 30% mayor que los reciprocantes).

—Eficiencias volumétricas arriba del 95%.

—Han reemplazado al reciprocante en las aplicaciones de mercado comercial e industrial de aire acondicionado y en algunas de refrigeración.

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Funcionamiento

TABLAS Y CATÁLOGOS DE

EQUIPOS

www.heatcraftrpd.com/

http://www.copeland-corp.com/

El condensador

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El condensador

—La misión del condensador es remover calor del evaporador y el calor de compresión para condensar el refrigerante a su estado líquido.

—Pueden ser de similar construcción a los evaporadores, pero se reconocen por tener un mayor tamaño.

—Los condensadores remueven calor sensible y latente y se diseñan sobredimensionados para brindar subenfriamiento al líquido.

El condensador

—Pueden ser:

—Enfriados por agua: —El refrigerante se enfría

con un flujo de agua, que puede ser a su vez enfriado por otros medios, como:

—Torres de enfriamiento. —Estanques de evaporación.

El condensador

—Pueden ser: —Enfriados por aire:

—Se utiliza aire a temperatura

ambiente.

—Convección natural.

—Convección forzada.

—Son menos eficientes que los enfriados por agua, pero más baratos.

—Son los más usados a nivel residencial y comercial.

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El condensador

—Pueden ser: —Evaporativos:

—Es una combinación de

enfriado por agua y aire, ya que aprovecha el efecto de enfriamiento al evaporar agua en un flujo de aire.

—Son de muy buena

eficiencia, pero caros tanto en compra como en mantenimiento.

Unidades condensadoras

—Cuando un condensador y un compresor se ensamblan en fábrica como un solo equipo, se le denomina unidad condensadoras.

—Normalmente incluye también los accesorios eléctricos y mecánicos para operar juntos y las válvulas o tuberías para acoplar en el campo el evaporador.

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