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Cálculo y diseño de un sistema de acondicionamiento

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Academic year: 2023

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(1)

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO

“CÁLCULO Y DISEÑO DE UN SISTEMA DE

ACONDICIONAMIENTO”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO MECÁNICO

PRESENTA:

MARIO CABRERA MUÑOZ

ASESORES:

ING. GERARDO IRVING ARJONA RAMÍREZ ING. BEÁTRIZ ROMERO ANGELES

MÉXICO D.F. 2009

(2)

DEDICATORIAS.

A MIS PADRES.

Primero que nada quiero agradecerles por haberme dado la vida, por estar conmigo en todo momento, por haberme dado la mejor educación y enseñarme que todos los objetivos que nos propongamos se cumplen a base de esfuerzo y dedicación. Gracias a mi padre, el hombre más importante en mi vida, es mi ejemplo a seguir, me enseñaste a ser un hombre de provecho, me enseñaste a nunca rendirme y siempre seguir adelante. Gracias a mi madre, la mujer más importante de mi vida, gracias por todos los cariños que siempre tienes para mí, gracias por siempre estar al pendiente de mí, gracias por todas las desveladas para que nunca me faltara nada, gracias a todo esto pude terminar una meta más en mi vida que es mi carrera profesional. Gracias a mi papá y a mi mamá por todos los esfuerzos que han hecho para que nosotros, sus hijos, seamos unos hombres de provecho y les estamos agradecidos infinitamente, gracias por todo su amor, los amo papás.

A MIS HERMANOS.

Gracias por cuidar de mí siempre, gracias por saber que si surge algún problema siempre voy a contar con su apoyo y consejos y siempre vamos a estar juntos como familia, pase lo que pase. Nuestros papás nos dieron todo su amor y cariño y ahora es nuestro turno para salir adelante en la vida.

A MIS RATAS.

A mis pinchechos y a mis pinchechas, échenle muchas ganas a la escuela para que puedan salir adelante en la vida, cuídense, sigan siendo buenos primos, cuiden a sus abuelitos.

A MI NOVIA.

Gracias por todo este tiempo de estar a mi lado, gracias por vivir momentos buenos y momentos malos a mi lado y siempre estar conmigo, gracias por quererme tanto, por preocuparte por mí, por comprenderme, por consentirme, porque siempre me entregas tu corazón sin esperar nada a cambio, gracias por escucharme, por brindarme tu cariño incondicional. Le doy gracias a Dios porque nos permite estar juntos. Te amo.

Quiero agradecer al Instituto Politécnico Nacional, a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Azcapotzalco por haberme brindado las bases para poder ejercer mi carrera profesional.

Gracias Ing. Gerardo Irving Arjona Ramírez, Ing. Beatriz Romero Ángeles, porque sin su ayuda esto no hubiera sido posible.

(3)

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN JUSTIFICACIÓN

CAPÍTULO I HISTORIA. 1

HISTORIA...

2

WILLIS HAVILAND CARRIER...

12

JAMES TRANE...

15

CAPÍTULO II ACONDICIONAMIENTO Y SUS PARTES. 17

REFRIGERACIÓN...

18

APLICACIONES DE LA REFRIGERACIÓN...

19

SISTEMAS DE COMPRESIÓN...

19

REFRIGERANTES...

19

REFRIGERANTES Y MEDIO AMBIENTE...

20

ANTECEDENTES DE LOS REFRIGERANTES...

20

EFECTO INVERNADERO DE LOS GASES HFCs...

21

SOLUCIONES...

21

REFRIGERANTES NATURALES...

22

REFRIGERANTES NATURALES EN MÉXICO...

22

SISTEMAS DE ABSORCIÓN...

24

REFRIGERACIÓN TERMOELÉCTRICA...

25

MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO...

25

DEFINICIÓN DE AIRE ACONDICIONADO...

26

ENFRIAMIENTO O SÓLO FRÍO...

27

CALEFACCIÓN O BOMBA DE CALOR...

27

AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACIÓN...

27

OPERACIÓN DE UN AIRE ACONDICIONADO (CLIMA)...

27

COMPONENTES ESENCIALES DE UN CLIMA...

27

COMPRESOR...

28

TIPOS DE COMPRESORES...

28

EVAPORADOR...

29

TIPOS DE EVAPORADORES...

30

TUBO CAPILAR...

30

VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA...

31

VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA CON IGUALIZACIÓN DE PRESIÓN INTERNA...

32

VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA CON IGUALIZACIÓN DE PRESIÓN EXTERNA...

33

INFLUENCIA DEL SOBRECALENTAMIENTO SOBRE LA POTENCIA FRIGORÍFICA...

34

VÁLVULA PRESOSTÁTICA (VÁLVULA AUTOMÁTICA DE EXPANSIÓN)...

37

VÁLVULA DE EXPANSIÓN AUTOMÁTICA...

38

EVAPORADORES INUNDADOS...

38

VALVULAS DE FLOTADOR DE ALTA Y BAJA PRESIÓN...

38

CONTROL EN EL EVAPORADOR INUNDADO...

39

CONTROL DE FLOTADOR DE PRESIÓN BAJA...

40

CONTROL DE FLOTADOR DE PRESIÓN ALTA...

41

(4)

VÁLVULA DE EXPANSIÓN...

42

VÁLVULA DE EXPANSIÓN ELECTRÓNICA...

43

CONDENSADOR...

44

FUNCIÓN DEL CONDENSADOR...

44

DISPOSICIÓN CONSTRUCTIVA DEL CONDENSADOR...

45

TIPOS DE CONDENSADOR...

46

CAPACIDAD DEL CONDENSADOR...

47

CONDENSADOR DE AIRE...

48

CONDENSADOR DE AGUA...

48

CONDENSADOR DE DOBLE TUBO...

49

CAPÍTULO III

CÁLCULO, DISEÑO, COSTOS Y GRÁFICA DEL SISTEMA.

54

COSTOS DIRECTOS...

86

TABLA 20, DE MATERIALES PARA EL MANTENIMIENTO PREVENTIVO...

86

COSTO DIRECTO POR MANO DE OBRA...

87

TABLA 21, MANO DE OBRA...

87

COSTOS FIJOS...

88

COSTOS INDIRECTOS...

88

DISTRIBUCIÓN DE COSTOS INDIRECTOS...

88

TABLA DE COSTOS INDIRECTOS...

90

COSTOS POR UTILIDAD...

91

TABLA 22, DE COSTOS POR UTILIDAD...

92

ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS...

93

COSTO LÍMITE...

109

TABLA DE COSTO LÍMITE...

109

TABLA 23, DE RESUMEN COSTOS...

110

CAPÍTULO IV MANTENIMIENTO DEL EQUIPO. 111

MANTENIMIENTO...

112

EL MANTENIMIENTO A TRAVÉS DE LA HISTORIA...

113

CARACTERÍSTICAS DEL PERSONAL DE MANTENIMIENTO...

115

OBJETIVOS DEL MANTENIMIENTO...

115

CONCEPTOS GENERALES DE SOLUCIÓN DE PROBLEMAS...

116

MÉTODO IMPLEMENTACIÓN GESTIÓN MANTENIMIENTO...

116

CLASIFICACIÓN DE LAS FALLAS...

117

CRITERIOS DE LA GESTIÓN DEL MANTENIMIENTO...

118

TIPOS DE MANTENIMIENTO...

118

MANTENIMIENTO PREVENTIVO...

119

HISTORIA DEL MANTENIMIENTO PREVENTIVO...

119

VENTAJAS DEL MANTENIMIENTO PREVENTIVO...

119

DESVENTAJAS DEL MATENIMIENTO PREVENTIVO...

120

MANTENIMIENTO PREDICTIVO...

120

TÉCNICAS UTILIZADAS PARA LA ESTIMACIÓN DEL MANTENIMIENTO PREDICTIVO...

120

HISTORIA DEL MANTENIMIENTO PREDICTIVO...

120

VENTAJAS DEL MANTENIMIENTO PREDICTIVO...

121

DESVENTAJAS DEL MANTENIMIENTO PREDICTIVO...

121

MANTENIMIENTO CORRECTIVO...

121

(5)

EL MANTENIMIENTO CORRECTIVO CONTINGENTE...

122

MANTENIMIENTO CORRECTIVO PROGRAMABLE...

122

MANTENIMIENTO PRODUCTIVO TOTAL (T.P.M.)...

122

HISTORIA DEL MANTENIMIENTO PRODUCTIVO TOTAL (T.P.M.)...

122

VENTAJAS DEL MANTENIMIENTO PRODUCTIVO TOTAL (T.P.M.)...

123

DESVENTAJAS DEL MANTENIMIENTO PRODUCTIVO TOTAL (T.P.M.)...

123

MANTENIMIENTO DEL AIRE ACONDICIONADO...

123

MANTENIMIENTO DE LA TEMPERATURA DENTRO DEL HOGAR...

124

PUNTOS A SUPERVISAR EN MANTENIMIENTO PREVENTIVO...

125

CONCLUSIONES

...

129

ANEXOS

...

130

BIBLIOGRAFÍA

...

141

(6)

OBJETIVO.

Realizar una propuesta de cálculo, diseño y mantenimiento preventivo a una unidad de aire acondicionado en la azotea del Aeropuerto Internacional de la Ciudad de México, propiedad de una compañía aérea nacional de transporte de pasajeros con destinos nacionales e internacionales.

JUSTIFICACIÓN.

El motivo de realizar el cálculo, diseño y mantenimiento preventivo, es con la finalidad de realizar una propuesta para alargar el periodo de la vida útil del equipo, reducir los costos de operación , reducir costos en el momento de realizar el mantenimiento correctivo y reducir el tiempo de ejecución del mismo con la finalidad de dejar fuera de operación el menor tiempo posible el equipo , debido a que el equipo le da servicio a salas V.I.P. internacionales las cuales son importantes para la operación, imagen y confort de una compañía aérea nacional de transporte de pasajeros con destinos nacionales e internacionales, en caso de que se acepte la propuesta.

Se desea que en las salas V.I.P. internacionales se mantenga una temperatura agradable para el cuerpo humano entre los 20 °C y los 25 °C. Ya que por diferentes circunstancias el mundo va cambiando en cuanto a clima se refiere. Cada año tenemos un verano más caluro y un invierno más frío, por lo que es conveniente para la empresa de aviación contar con un sistema de aire acondicionado que satisfaga las necesidades de sus clientes.

CLIMA Y MEDIO AMBIENTE

Por su altura sobre el nivel del mar, el Distrito Federal ocupa climas que van desde el templado hasta el frió húmedo y tundra alpina en las partes más altas de las sierras del sur. La temporada húmeda en el Distrito Federal abarca de mayo a noviembre, si bien la pluviosidad es mayor entre los meses de junio y agosto. La última nevada sobre la ciudad de México ocurrió el 12 de enero de 1967 en la que nevó en toda la ciudad de México completa. El patrón de las lluvias indica que son más abundantes mientras mayor sea la altitud de un sitio. Por ello, las partes bajas cercanas al vaso del lago de Texcoco suelen ser más secas que las cumbres del Ajusco. De igual manera, la altitud condiciona la temperatura y los ecosistemas en el Distrito Federal. La zona que comprende el norte de Iztapalapa, los territorios de Iztacalco y Venustiano Carranza y el oriente de Gustavo A. Madero es la región más seca y templada. En contraste, las cumbres de Chichinauhtzin y el Ajusco están cubiertas de bosques de pino y encino, donde aún es posible encontrar algunas especies animales salvajes como el teporingo (endémico de las regiones volcánicas del centro de México), serpientes de cascabel y aves de diferentes especies.

(7)

PARÁMETROS CLIMÁTICOS PROMEDIO DE CIUDAD DE MÉXICO

Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Anual Temperatura

máxima registrada °C (°F)

27 (81)

29 (84)

31 (88)

32 (90)

34 (93)

32 (90)

32 (90)

31 (88)

32 (90)

32 (90)

29 (84)

29 (84)

34 (93) Temperatura

diaria máxima °C (°F)

21.6 (71)

24.1 (75)

24.5 (76)

26.7 (80)

26.2 (79)

24 (75)

23 (73)

23 (73)

22 (72)

22.4 (72)

21.6 (71)

22 (72)

30 (86) Temperatura

diaria mínima °C (°F)

5 (41)

6 (43)

8 (46)

10 (50)

11 (52)

13 (55)

12 (54)

12 (54)

12 (54)

11 (52)

8 (46)

6

(43) 9 (48) Temperatura

mínima registrada °C (°F)

-7 (19)

-3 (27)

-1 (30)

4 (39)

6 (43)

7 (45)

7 (45)

8 (46)

6 (43)

5 (41)

-2 (28)

-4 (25)

-1 (30) Precipitación

total mm (pulg)

7.3 (0.3)

2.7 (0.1)

7.4 (0.3)

9.3 (0.4)

25.3 (1)

104.4 (4.1)

107.1 (4.2)

93.9 (3.7)

85.3 (3.4)

45.7 (1.8)

5.4 (0.2)

3.6 (0.1)

546,5 (21,5)

• Temperatura máxima: 34°C (1983)

• Temperatura mínima: -7°C (1973)

(8)

CAPÍTULO I

HISTORIA

(9)

Los términos de Climatización y Acondicionamiento de Aire son sinónimos, son expresiones que se aplican a lo mismo, pero tienen distinto origen. La primera se utiliza mucho en los Estados Unidos, y la segunda, se utiliza mucho en Europa. Últimamente se ha ido también utilizando la palabra Control Ambiental, que es más utilizada en los Estados Unidos.

Es importante mencionar también, que la expresión más utilizada pero incorrecta es la palabra Aire Acondicionado, que se emplea mucho para expresar el concepto de Climatización, pero ésta tiene errores semánticos.

HISTORIA.

Se puede decir que la Climatización, parte en la prehistoria, cuando el hombre de las cavernas descubrió el fuego y lo utilizó para calefaccionar sus cavernas.

No obstante que la refrigeración, como la conocemos actualmente, data de unos sesenta años, algunos de sus principios fueron conocidos hace tanto como 10 000 años antes de Cristo.

Uno de los grandes sistemas para suprimir el calor sin duda fue el de los egipcios. Este se utilizaba principalmente en el palacio del faraón. Las paredes estaban construidas de enormes bloques de piedra, con un peso superior de 1000 Toneladas y de un lado pulido y el otro áspero.

Durante la noche, 3000 esclavos desmantelaban las paredes y acarreaban las piedras al Desierto del Sahara.

Como la temperatura en el desierto disminuye notablemente a niveles muy bajos durante el transcurso de la noche, las piedras se enfriaban y justamente antes de que amaneciera los esclavos acarreaban de regreso las piedras al sitio donde se localizaba el palacio y volvían a colocarlas al sitio donde estas se encontraban.

Se supone que el faraón disfrutaba de temperaturas alrededor de los 26.7°C, mientras que afuera estas se encontraban hasta en los 54°C o más. Como se mencionó, se necesitaban 3000 esclavos para poder efectuar esta labor de acondicionamiento, lo que actualmente se efectúa fácilmente.

Fig. 1 Antiguo Egipto

(10)

También se sabe que los primeros intentos y diseños de climatización parten con los romanos, con sus ingeniosos sistemas de ventilación y calefacción por túneles bajo el suelo.

Leonardo da Vinci construyó un artefacto para la ventilación a fines del siglo XV.

Fig. 2 Leonardo da Vinci

Fig 3 Sistema de ventilación de Leonardo da Vinci

(11)

Robert Boyle enunció su famosa Ley en 1659. En el siglo XVIII un monje en el monasterio de Yuso, en la Rioja, inventa un ingenioso sistema de climatización para la biblioteca donde guardaban los libros de canto del monasterio.

Fig. 4 Robert Boyle

Fig. 5 Bomba de Aire de Robert Boyle

(12)

Fig. 6 Monasterio de Yuso

En 1775 el doctor escocés William Cullen hizo un vacío en un recipiente con agua para obtener hielo.

Fig. 7 William Cullem

(13)

Fig. 8 Prototipo de Refrigeración de William Cullem

Algunos años más tarde Benjamín Franklin escribió un completo tratado sobre los hogares abiertos usados para la calefacción doméstica.

Fig. 9 Benjamín Franklin

(14)

Durante el siglo XIX progresaron las técnicas de la calefacción, de la ventilación y el perfeccionamiento de ventiladores, calderas y radiadores. También a lo largo de estos años se realizaron esfuerzos teóricos para sistematizar los conocimientos relacionados con la calefacción y la ventilación, obteniéndose valores y datos experimentales valiosos para mejorar las prestaciones de las instalaciones.

Aunque James Watt es el padre de los sistemas de calefacción a vapor, puede decirse que no es hasta el final del siglo XIX cuando, con la introducción práctica del purgador termostático, comenzó a aplicarse de modo corriente tal sistema de calefacción.

Fig. 10 James Watt

Fig. 11 Máquina de vapor de James Watt

(15)

Con anterioridad se utilizaron con progresivas mejoras, sistemas de calefacción por aire caliente circulando por gravedad o mediante rudimentarios ventiladores.

A principios del siglo XX comenzó a utilizarse de modo habitual el sistema de calefacción por agua caliente, primero por gravedad y a partir de 1927 aproximadamente, por circulación forzada mediante bomba aceleradora. En los primeros tiempos se emplearon los radiadores como equipo de transmisión de calor, aunque de forma casi paralela se realizaron las primeras instalaciones por paneles radiantes embebidos en los muros de los edificios.

Es por estos años cuando se crean los aerotermos para aplicaciones industriales o comerciales, y con distintos tipos de fluido calefactor.

Fig. 12 Aerotermo

La historia de la refrigeración premecánica, en lo relativo a la utilización, producción y almacenamiento del frío se extiende al uso de la nieve de montaña, al del hielo de los lagos o pozos, al empleo de mezclas químicas para obtención de baños refrigerantes y a la fabricación de hielo por enfriamiento evaporativo y por radiación del agua.

Existen datos en la literatura china que demuestran que ya antes del año 1000 antes de Jesucristo, en China se empleaba hielo procedente de lagos o recogido de pozos donde se acumulaba a lo largo del invierno.

Fig. 13 Recolección de hielo en China

(16)

Como complemento a este uso, en climas cálidos se empleaban mezclas frigoríficas a base de soluciones de sales con agua y hielo. En el siglo XVIII se conocían de 10 a 15 mezclas químicas semejantes para bajar la temperatura.

Algunas como la mezcla de cloruro de calcio y nieve se aplicaron para fines comerciales, haciendo posible la obtención de temperaturas hasta -32 ºC. En esta época se introdujeron en Gran Bretaña máquinas enfriadoras para producción de bajas temperaturas, aunque su uso fue pronto sustituido por los procesos mecánicos de producción de hielo que se demostraron más competitivos. El uso de mezclas frigoríficas quedó relegado a algunas aplicaciones específicas como la fabricación de helados en cuyo proceso se usaba la mezcla común de sal y hielo.

Es importante citar un procedimiento de fabricación de hielo empleado en la India y Egipto, donde se aprovecha el efecto del enfriamiento evaporativo del agua en recipientes porosos combinado con el efecto de la fuerte radiación hacía el cielo nocturno en días claros. Protágoras, hacia el año 500 antes de Jesucristo cita este proceso como muy corriente entre la nobleza Egipcia.

Fig. 14 Protágoras

El primer intento de conseguir la refrigeración por medios mecánicos o físicos controlados por el hombre, se atribuye al doctor escocés William Cullen. Sin embargo, la invención de la refrigeración por compresión, que es el método más extendido para la obtención de frío artificial, se debe a Jacob Perkins en 1834, cuando obtuvo la patente 6662 por una máquina de hacer hielo en ciclo cerrado. Perkins específica en su patente el éter u otros fluidos volátiles como fluidos refrigerantes.

Fig. 15 Jacob Perkins

(17)

En 1844 el Doctor Jhon Gorrie de la marina de los Estados Unidos, en un hospital de una localidad de Florida, construyó una máquina de ciclo abierto, que funcionaba con aire comprimido, para la producción de hielo y el enfriamiento del aire para el uso del hospital.

Fig. 16 Jhon Gorrie

Fig 17 Máquina de hielo de Jhon Gorrie

(18)

Hacia 1850, el profesor Alexander Twining, de New Haven en Connecticut, en los Estados Unidos, recogiendo las ideas de Perkins comenzó a proyectar y construir plantas de fabricación de hielo, usando éter etílico como refrigerante y llegando en 1853 a obtener 725 Kg. diarios de hielo.

Fig. 18 Alexander Twining

En Francia, en el año 1851 Ferdinand Carré proyectó la primera unidad de refrigeración por absorción empleando amoniaco.

Fig. 19 Ferdinand Carré

(19)

En Australia, en la misma época, James Harrison, desarrolló las ideas de Jacob Perkins construyendo plantas de fabricación de hielo que, a diferencia de las hechas por Twining, tuvieron un desarrollo y producción comercial posterior, estas plantas se fabricaron en Inglaterra con éxito por la fábrica Siebe Brothers.

Fig. 20 James Harrison

A partir de entonces, el desarrollo de refrigeración mecánica se aceleró y extendió a todos los países industrializados.

En 1867 Charles Tellier, en Francia, proyectó sistemas empleando éter metílico, y en 1872 David Boyle inventó la máquina de compresión de amoniaco.

Como podemos ver, todos los esfuerzos realizados hasta fines del siglo XIX se dirigieron a la fabricación de hielo para la conservación de carne y pescado, con algunas aplicaciones a la industria cervecera o petrolífera.

En los primeros años del siglo XX destaca la figura de Willlis H. Carrier, que puede considerarse como el iniciador de la técnica del tratamiento científico del aire para aplicaciones de climatización. En Estados Unidos se le reconoce como el padre del Acondicionamiento del Aire.

WILLIS HAVILAND CARRIER.

Fig. 21 Willis Haviland Carrier

(20)

Creció en una granja de Angola, en el estado de Nueva York, se graduó como Ingeniero Mecánico en la Universidad de Cornell, en Junio 1901. En Julio de 1901 encontró trabajo en la Buffalo Forge Company, que era una empresa que fabricaba sistemas de calefacción.

La historia cuenta que el verano de 1901 fue terrible, y la litográfica Brooklyn comienza a desesperase por como el clima complicaba sus trabajo, la tinta no secaba, se corría y el papel se hinchaba con la humedad. El 1902 la empresa Brooklyn recurre a la empresa Buffalo Forge para ver si podían ver a forma de controlar la humedad y la temperatura.

Fue en 1902 cuando Willis Carrier sentó las bases de la maquinaria de refrigeración moderna y al intentar aplicarla a los espacios habitados, se encontró con el problema del aumento de la humedad relativa del aire enfriado, y al estudiar cómo evitarlo, desarrolló el concepto de climatización de verano.

Carrier tenía casi dos años de actividad, era un joven inteligente, ya que en la empresa Buffalo debido a sus investigaciones sobre serpentines de calefacción había optimizado los procesos y había logrado disminuir US$ 40.000.

Carrier pensaba con ironía, que el hombre por siglos había trasformado el frío en calor. Ahora se sentía frustrado por hacer lo opuesto.

La solución parcial de Carrier para la empresa Brooklyn fue hacer circular agua fría por los serpentines que originalmente fueron diseñados para calefacción, y luego balanceando sus temperaturas con el promedio de la circulación del aire.

Esto funcionó, se puede decir que era el primer sistema de aire acondicionado, pero el problema del

“Punto de Rocio” surge, el cual lo tenia muy complicado y no daba con la solución.

Una noche muy nublada, de regreso a su casa, en la estación de trenes de Pittsburg, surge la idea, el descubrimiento de una paradoja: “El aire se pude secar saturándolo con agua”. Él lo explicó de esta manera:

“La niebla es aire saturado aproximadamente al 100% de humedad, pero la temperatura es tan baja que aún estando saturada no hay realmente demasiada humedad. Ahora, si puedo saturar el aire y controlar su temperatura en la saturación, puedo hacerlo con cualquier grado de humedad y esto se logra circulando el aire a través de una fina pulverización de agua, creando una verdadera niebla“. En efecto, las gotas de agua producen una superficie de condensación saturando el aire que pasa a través de ellas. La humedad se condensa en gotitas y éstas caen liberando aire más seco y fresco.

La patente para el aparato de tratamiento de aire fue otorgada el 2 de enero de 1906.

Por lo tanto, en 1902 Carrier realizó la primera instalación completa de climatización integral (verano – invierno) aplicada a una industria litográfica de Brooklyn, (y si sacamos cuentas, este año se cumple 107 años de la primera instalación de climatización) A partir de esta primera instalación desarrolló diversos componentes para el tratamiento del aire, tales como: pulverizadores, separadores de gotas, etc., que se siguen empleando hoy en día de la misma forma sin grandes variaciones.

Durante aquellos años, el objetivo principal de Carrier era mejorar el desarrollo del proceso industrial a través de continuos cambios tecnológicos que permitieran el control de la temperatura y la humedad.

Los primeros en usar el sistema de aire acondicionado Carrier fueron las industrias textiles del sur de Estados Unidos.

Claros ejemplos fueron las industrias del tabaco, laboratorios farmacéuticos, máquinas de afeitar y panadería.

La lista de empresas que mejoraron su producto gracias a Carrier fue numerosa.

(21)

Por aquella época un impresor neoyorquino tenía serias dificultades durante el proceso de impresión, que impedían el comportamiento normal del papel, obteniendo una calidad muy pobre debido a las variaciones de temperatura, calor y humedad. Carrier se puso a investigar con tenacidad para resolver el problema: diseñó una máquina específica que controlaba la humedad por medio de tubos enfriados, dando lugar a la primera unidad de refrigeración de la historia.

Durante aquellos años, el objetivo principal de Carrier era mejorar el desarrollo del proceso industrial con máquinas que permitieran el control de la temperatura y la humedad. Un claro ejemplo, fue la fábrica de algodón Chronicle en Belmont. Esta fábrica tenía un gran problema. Debido a la ausencia de humedad, se creaba un exceso de electricidad estática haciendo que las fibras de algodón se convirtiesen en pelusa. Gracias a Carrier, el nivel de humedad se estabilizó y la pelusilla quedó eliminada.

Debido a la calidad de sus productos, un gran número de industrias, tanto nacionales como internacionales, se decantaron por la marca Carrier. La primera venta que se realizó al extranjero fue a la industria de la seda de Yokohama en Japón en 1907.

En 1915, empujados por el éxito, Willis Carrier y 6 amigos reunieron $ 32,600 y fundaron “La Compañía de Ingeniería Carrier”, cuyo gran objetivo era garantizar al cliente el control de la temperatura y humedad a través de la innovación tecnológica y servicio al cliente.

Más tarde, en 1922, Carrier lleva a cabo uno de los logros de mayor impacto en la historia de la industria “La enfriadora centrífuga”. Este nuevo sistema de aire acondicionado hizo su debut en 1924 en los grandes almacenes J.L. Hudson de Detroit, Michigan, en los cuales se instalaron tres enfriadoras centrífugas para enfriar el sótano y posteriormente el resto de la tienda. Tal fue el éxito, que inmediatamente se instalaron este tipo de máquinas en hospitales, oficinas, aeropuertos, hoteles y grandes almacenes.

La prueba de fuego llegó en 1925, cuando a la compañía Carrier se le encarga la climatización del cine

“RIVOLI” de Nueva York. Se realiza una gran campaña de publicidad que llega rápidamente a los ciudadanos formándose largas colas en la puerta del cine. La película que se proyectó aquella noche fue rápidamente olvidada, pero no lo fue la aparición del aire acondicionado. En 1930, alrededor de 300 cines tenían instalado ya aire acondicionado CARRIER.

Muchos americanos experimentaron por primera vez el aire acondicionado en los cines y los propietarios hicieron resurgir sus negocios que por estas fechas siempre habían caído, debido a las altas temperaturas.

A finales de 1920, propietarios de pequeñas empresas quisieron competir con las grandes distribuidoras, por lo que Carrier empezó a desarrollar pequeñas unidades. En 1928, se fabricó un equipo de aire acondicionado residencial que enfriaba, calentaba, limpiaba y hacía circular el aire y cuya principal aplicación era la doméstica, pero la “GRAN DEPRESIÓN” en los Estados Unidos puso punto final al aire acondicionado en los hogares.

El iglú presentado por Carrier en la Feria Mundial de 1939 pretendía ofrecer a los visitantes una visión del futuro con aire acondicionado, pero no fue hasta después de la II Guerra Mundial cuando las ventas de equipos residenciales empezaron a tomar importancia en empresas y hogares. Actualmente en nuestra sociedad muchos productos y servicios dependen del control del clima interno. La comida para nuestra mesa, la ropa que vestimos y la biotecnología de donde obtenemos productos químicos, plásticos y fertilizantes.

A Carrier se debe el establecimiento de las bases teóricas de la psicrometría del aire. En 1911 dio a conocer esta teoría conjuntamente con su famoso diagrama psicrométrico.

Algunos años mas tarde Mollier, en Alemania, mejoraría la teoría del aire húmedo sobre las bases de Carrier, estableciendo un nuevo diagrama psicrométrico. Con ello se puede decir que la Climatización queda firmemente asentada sobre bases científicas razonables.

(22)

Hoy Carrier es una de las empresas más grandes de Climatización en el Mundo, desarrollando una gama innumerable de equipos y controles electrónicos, y con fábricas en todo el mundo.

Fig. 22 Máquina de refrigeración centrífuga de Willis Haviland Carrier

JAMES TRANE.

Fig. 23 James A. Trane

James Trane inmigrante noruego, se instaló en los Estados Unidos en 1864, y encontró trabajo como fontanero. En 1885, abrió su propio negocio, donde ganó una reputación como uno de los mejores fontaneros del área. El hijo de James Trane, Reuben, compartió el amor de su padre para la creatividad mecánica.

Reuben ganó un grado de la ingeniería industrial en la Universidad de Wisconsin, y ensambló la firma de la plomería de su padre. En 1913, James y Reuben crearon Trane Company para producir un nuevo tipo de calefacción de baja presión de vapor, llamada James Trane Vapor. Además de este sistema innovador, la compañía hizo las válvulas y las trampas para los sistemas de calefacción convencionales del vapor.

(23)

Antes de 1916, los Trane eran algo más grandes en el negocio de la plomería, y se centraban en la fabricación de productos de la calefacción. Después de la primera Guerra Mundial, un hombre se unió a Trane Company y es el que pondría las políticas financieras de la compañía durante muchos años. Frank Hood, el cuñado de Reuben Trane, se hizo director, gerente general auxiliar, y tesorero de la compañía. Reuben y Frank hicieron buen equipo: Reuben dirigió la impulsión de la compañía hacia el desarrollo y ventas de productos nuevos, mientras que Frank manejó las materias financieras.

Reuben Trane, pensador inventivo, concibió la idea del radiador de calefacción de convección en 1925. El radiador de calefacción de convección era el producto que lanzó el Trane Company en su camino al éxito, este radiador era peso ligero y altamente eficiente, reemplazando el pesado y abultado de los radiadores que prevalecieron en ese entonces. Reuben Trane sabía que la compañía debía tomar ventaja máxima de este producto revolucionario, por lo que una nueva fuerza de venta fue necesaria.

En 1925 él comenzó con lo que se conoce hasta hoy como el programa de entrenamiento del ingeniero graduado de Trane, el primero de su clase y que todavía se reconoce en la industria como unos de los mejores.

Las ventas del radiador de convección se elevaron, y eso condujo a nuevas oportunidades de ventas por todo el mundo. Con la fuerza de venta cada vez mayor, Trane adquirió gran importancia.

Varios años más tarde, con el conocimiento ganado durante el desarrollo del radiador ayudó a Trane a volverse un pionero en un campo completamente nuevo, el Acondicionamiento del Aire.

La primera unidad del aire acondicionado de Trane, el Trane Unidad Refrigerador, se desarrolló en 1931. Esta unidad inyectaba aire a través de serpentines que recirculaban agua fría. Esta unidad se diseñó para las oficinas, restaurantes, tiendas de compras, y fábricas.

Al poco tiempo del nacimiento del Trane Unidad Refrigerador, rápidamente la compañía creció, pero se encontró con una prueba severa, la Depresión. La construcción se detuvo virtualmente, y la parálisis económica nacional hizo venir abajo la venta de los productos caloríficos, y el desarrollo del aire acondicionado fue casi imposible. La compañía de Trane cayó en tiempos duros.

Pero incluso durante este periodo de adversidad, se desarrollaron nuevos productos, equipos que al día de hoy son bases de los modernos que son utilizados ampliamente en muchos edificios de oficinas pequeñas y grandes rascacielos.

En 1938, después de la Depresión, Trane introdujo una nueva y revolucionaria máquina, que propulsó a la compañía, esta maquina era un gigante en el campo del aire acondicionado que emergía. Reuben Trane llamó la máquina el Turbovac, la primera máquina centrífuga hermética de refrigeración de la industria.

Durante la II Guerra Mundial, Trane utilizó sus tecnologías probadas de la calefacción y aire acondicionado en crear un número de productos para las fuerzas armadas, tales como ventiladores, calentadores para los procesos de la deshidratación de alimentos, etc.

Un producto de Trane que tuvo gran éxito fue el intercooler para aviones, éste representó una brecha importante para el esfuerzo de la guerra. Permitió que los aviones de guerra aliados volaran más arriba y más rápidamente.

Después de la II Guerra Mundial, Trane se aprovecho rápidamente del auge en la construcción. Trane amplió sus líneas del aire acondicionado y de ventiladores, y en 1950 comenzó a fabricar sus propios compresores.

Y así desde mediados de los años cincuenta Trane comenzó una nueva carrera en la empresa de la climatización, con equipos unitarios, o autónomo, grandes unidades de aire acondicionado para el uso comercial e industrial, ampliándose a otros países, como Francia e incorporando sistemas de control electrónico para sus equipos.

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CAPÍTULO II

ACONDICIONAMIENTO Y SUS

PARTES

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REFRIGERACIÓN.

Es el proceso por el que se reduce la temperatura de un espacio determinado y se mantiene esta temperatura baja con el fin, por ejemplo, de enfriar alimentos, conservar determinadas sustancias o conseguir un ambiente agradable. El almacenamiento refrigerado de alimentos perecederos, pieles, productos farmacéuticos y otros se conoce como almacenamiento en frío. La refrigeración evita el crecimiento de bacterias e impide algunas reacciones químicas no deseadas que pueden tener lugar a temperatura ambiente.

El uso de hielo de origen natural o artificial como refrigerante estaba muy extendido hasta poco antes de la I Guerra Mundial, cuando aparecieron los refrigeradores mecánicos y eléctricos. La eficacia del hielo como refrigerante es debida a que tiene una temperatura de fusión de 0 °C y para fundirse tiene que absorber una cantidad de calor equivalente a 333,1 kJ/kg. La presencia de una sal en el hielo reduce en varios grados el punto de fusión del mismo. Los alimentos que se mantienen a esta temperatura o ligeramente por encima de ella pueden conservarse durante más tiempo.

El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo seco o nieve carbónica, también se usa como refrigerante.

A la presión atmosférica normal no tiene fase líquida, y sublima directamente de la fase sólida a la gaseosa a una temperatura de -78,5 °C. La nieve carbónica es eficaz para conservar productos a bajas temperaturas mientras dura su sublimación.

En la refrigeración mecánica se obtiene un enfriamiento constante mediante la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado, donde se evapora y se vuelve a condensar en un ciclo continuo. Si no existen pérdidas, el refrigerante sirve para toda la vida útil del sistema. Todo lo que se necesita para mantener el enfriamiento es un suministro continuo de energía y un método para disipar el calor. Los dos tipos principales de sistemas mecánicos de refrigeración son el sistema de compresión, empleado en los refrigeradores domésticos grandes y en la mayoría de los aparatos de aire acondicionado, y el sistema de absorción, que en la actualidad se usa sobre todo en los acondicionadores de aire por calor, aunque en el pasado también se empleaba en refrigeradores domésticos por calor.

La refrigeración es el proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura (a un valor menor a la del medio ambiente) de un objeto o espacio. La reducción de temperatura se realiza extrayendo energía del cuerpo, generalmente reduciendo su energía térmica, lo que contribuye a reducir la temperatura de este cuerpo.

La refrigeración implica transferir la energía del cuerpo que pretendemos enfriar a otro, aprovechando sus propiedades termodinámicas. La temperatura es el reflejo de la cantidad o nivel de energía que posee el cuerpo, ya que el frío propiamente no existe, los cuerpos solo tienen más o menos energía térmica. De esta manera enfriar corresponde a retirar Energía (calor) y no debe pensarse en términos de " producir frío o agregar frío".

La salud y el bienestar de un país pueden depender de los sistemas de refrigeración. Por ejemplo; la alimentación y el almacenamiento de vacunas, distribución, aplicación médica, industrial, comercial y doméstica de todo tipo depende de los sistemas de refrigeración.

Durante la década de los 90 casi todos los países firmaron y consecuentemente ratificaron el Protocolo de Montreal de Las Naciones Unidas y sus correcciones posteriores. Éste acuerdo incluye una escala de tiempo estricto para la desaparición de refrigerantes que atacan el ozono y requiere el uso provisional hasta su sustitución por refrigerantes que no dañen el ozono. Éste cambio resultó en el aumento de la variedad de refrigerantes de uso común existentes de 3 a 4 veces mayor y en la necesidad de asegurarse de que las prácticas de los ingenieros sean muy exigentes.

La firma del Acuerdo de Kyoto hace que aumente la necesidad de las prácticas ya que muchos de los sistemas de refrigeración y de aire acondicionado usan una considerable cantidad de energía y por lo tanto contribuyen ya sea directa o indirectamente al calentamiento global.

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La gama de aparatos de refrigeración para la enseñanza y software de ordenador de la empresa ha sido diseñada para enseñar a los estudiantes los principios básicos de la refrigeración, para así asegurarse de que la próxima generación de ingenieros sea capaz de comprender y contribuir a los cambios fundamentales que están ahora dándose lugar en la industria de la refrigeración.

APLICACIONES DE LA REFRIGERACIÓN.

Las aplicaciones de la refrigeración son entre muchas:

¾ La climatización, para alcanzar un grado de confort térmico adecuado para la habitabilidad de un edificio.

¾ La conservación de alimentos, medicamentos u otros productos que se degraden con el calor. Como por ejemplo la producción de hielo o nieve, la mejor conservación de órganos en medicina o el transporte de alimentos perecederos.

¾ Los procesos industriales que requieren reducir la temperatura de maquinarias o materiales para su correcto desarrollo. Algunos ejemplos son el mecanizado, la fabricación de plásticos, la producción de energía nuclear.

¾ La criogénesis o enfriamiento a muy bajas temperaturas, empleada para la licuar algunos gases o para algunas investigaciones científicas.

¾ Motores de combustión interna: en la zona de las paredes de los cilindros y en las culatas de los motores se producen temperaturas muy altas que es necesario refrigerar mediante un circuito cerrado donde una bomba envía el líquido refrigerante a las galerías que hay en el bloque motor y la culata y de allí pasa un radiador de enfriamiento y un depósito de compensación. el líquido refrigerante que se utiliza es agua destilada con unos aditivos que rebajan sensiblemente el punto de congelación para preservar al motor de sufrir averías cuando se producen temperaturas bajo cero.

¾ Máquinas herramientas: las máquinas herramientas también llevan incorporado un circuito de refrigeración y lubricación para bombear el líquido refrigerante que utilizan que se llama taladrina o aceite de corte sobre el filo de la herramienta para evitar un calentamiento excesivo que la pudiese deteriorar rápidamente.

SISTEMAS DE COMPRESIÓN.

Los sistemas de compresión emplean cuatro elementos en el ciclo de refrigeración: compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador. En el evaporador, el refrigerante se evapora y absorbe calor del espacio que está enfriando y de su contenido. A continuación, el vapor pasa a un compresor movido por un motor que incrementa su presión, lo que aumenta su temperatura.

El gas sobrecalentado a alta presión se transforma posteriormente en líquido en un condensador refrigerado por aire o agua. Después del condensador, el líquido pasa por una válvula de expansión, donde su presión y temperatura se reducen hasta alcanzar las condiciones que existen en el evaporador.

REFRIGERANTES.

Para cada refrigerante existe una temperatura específica de vaporización asociada con cada presión, por lo que basta controlar la presión del evaporador para obtener la temperatura deseada. En el condensador existe una relación similar entre la presión y la temperatura. Durante muchos años, uno de los refrigerantes más utilizados fue el diclorodifluorometano, conocido como refrigerante-12. Este compuesto clorofluorocarbonado (CFC) sintético se transformaba en vapor a -6,7 °C a una presión de 246,2 kPa, y después de comprimirse a 909,2 kPa se condensaba a 37,8 °C.

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En los refrigeradores pequeños empleados en las viviendas para almacenar comida, el calor del condensador se disipa a la habitación donde se sitúa. En los acondicionadores de aire, el calor del condensador debe disiparse al exterior o directamente al agua de refrigeración.

En un sistema doméstico de refrigeración, el evaporador siempre se sitúa en un espacio aislado térmicamente.

A veces, éste espacio constituye todo el refrigerador. El compresor suele tener una capacidad excesiva, de forma que si funcionara continuamente, produciría temperaturas más bajas de las deseadas. Para mantener el refrigerador a la temperatura adecuada, el motor que impulsa el compresor está controlado por un termostato o regulador.

Los congeladores para alimentos ultracongelados son similares a los anteriores, sólo que su compresor y motor tienen que tener la potencia y tamaño suficientes para manejar un mayor volumen de refrigerante con una presión menor en el evaporador. Por ejemplo, para mantener una temperatura de -23,3 °C con refrigerante -12 se necesitaría una presión de 132,3 kPa en el evaporador.

REFRIGERANTES Y MEDIO AMBIENTE.

En el caso de la refrigeración y el aire acondicionado, la acumulación de pruebas contra el uso de refrigerantes de origen químico es ya indubitable y la respuesta ha estado a nuestro alcance por más de 10 años, pero hemos tardado en aceptarla y esta repuesta: es el uso de Refrigerantes Naturales, y desde luego con ello, redimensionar la refrigeración en todos sus niveles, en búsqueda de parámetros de operación más eficientes en el uso de energía: capacitación, uso de herramentales más precisos, en general todos los elementos, que convierta a la Refrigeración en Sustentable y que se aplique a la operación de Edificios y Edificaciones también Sustentables (Green Building).

El uso de refrigerantes naturales ha sido una práctica común por más de 10 años en el centro de Europa, además, otros países como: China, India, Argentina, Costa Rica, República Dominicana, Cuba y Australia han experimentado en su uso, con diferentes alcances y resultados.

Pero también en México, contrario a lo usual, existe desarrollo tecnológico propio en materia de uso de refrigerantes naturales, encontramos que los tecnólogos de la empresa Ecofreeze Internacional, S.A. de C.V., llevan 8 años experimentando con el uso de estos refrigerantes con éxito, de tal suerte que hoy por hoy es una realidad poder usar esta tecnología, denominada ECOFREEZE, que además de ser ecológica, al aplicarlo a los equipos de aire acondicionado se obtiene una mayor eficiencia en su consumo de energía eléctrica de hasta un 30%.

ANTECEDENTES DE LOS REFRIGERANTES.

Hace 15 años la industria mundial de la refrigeración y el aire acondicionado comenzó a enfrentarse con la necesidad de una reconversión forzada, producto de un acuerdo global de protección ambiental legalmente vinculante: el Protocolo de Montreal sobre Sustancias que Agotan la Capa de Ozono.

El asunto era simple: refrigeradores, equipos de aire acondicionado domésticos y comerciales son la mayor causa de destrucción de la capa de ozono debido a que utilizan en sus sistemas aislantes y refrigerantes gases CFCs (cloro fluoro carbonos), el daño que estos gases han registrado sobre la vital capa de ozono, todo esto alarmó a la comunidad científica al grado que exigieron se tomarán acciones internacionales.

Debido a esto, los gobiernos establecieron normas las cuales prohíben la utilización de CFCs, a pesar de las presiones de la industria química productora de CFCs.

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Sin embargo, la industria química no tardó en desarrollar gases sustitutos de los CFCs a los que llamó sus

“soluciones ambientales”. Rápidamente, comenzaron a circular los catálogos de los nuevos gases.

La refrigeración es una necesidad de la sociedad actual y es un negocio jugoso producir el insumo básico: el gas refrigerante. Con los CFCs con fecha de vencimiento legal, la industria química lanza al mercado su gran novedad para la industria de refrigeradores y congeladores: los HFCs (hidroflurocarbonos) y amplía el uso de los ya existentes HCFCs.

El Protocolo de Kyoto, ratificado oficialmente a nivel internacional el pasado 15 de febrero de 2005, señala precisamente a los refrigerante HFCs (hidrofluorocarbonos), como gases de “Efecto Invernadero”, y por lo tanto sujetos a control sobre sus emisiones. Estas emisiones favorecen el incremento de la temperatura media global del planeta. A pesar de que hoy en día, ya no se comercializan equipos de climatización que contengan CFC, los fluidos alternativos más utilizados en la actualidad, los hidrofluorocarbonos (HFCs), tienen un impacto medioambiental significativo por el efecto invernadero.

Precisamente en la Conferencia de las Naciones Unidas Sobre el Cambio Climático, celebrada en Montreal Canadá, de noviembre 28 al 9 de diciembre de 2005, donde asistieron mas de 10,000, personas entre científicos y oficiales ambientalistas, cuyos acuerdo fueron firmados por más de 200 Presidentes Municipales de otra tantas Ciudades alrededor del Mundo.

En esta conferencia de Montreal, se avanzó en convenios concretos firmados por las Ciudades, incluyendo 194 Alcaldes (Mayors) de las principales Ciudades de Estados Unidos liderados por el alcalde de Seattle, dentro del Consejo Mundial de Alcaldes sobre el Cambio Climático, en abierto desafío a la política federal de George W. Bush, quien no a querido firmar el protocolo de Kyoto por claras razones económicas (pérdida de control de la industria de refrigeración por los grandes consorcios químicos), aún a pesar de las claras pérdidas que en vidas y bienes de las familias se han presentado por la acción de huracanes como Katrina y Willma; cuyos montos económicos de destrucción superan los 150,000 Millones de US Dólares, además de las miles de pérdidas en vidas humanas principalmente en la Ciudad de Nueva Orleáns.

EFECTO INVERNADERO DE LOS GASES HFCs.

El efecto Invernadero de estos gases se indica por la capacidad de absorción de radiación infrarroja de algunos de los HFCs propuestos como sustitutivos de los CFCs, respecto al dióxido de carbono a lo largo de 100 años.

Este índice se conoce como GWP (Global Warming Potential).

Los CFCs (Clorofluorocarburos) y los HCFCs (Hidroclorofluorocarburos) son los únicos refrigerantes que dañan la capa de ozono.

Los CFCs son los que tienen mayor poder de destrucción de la capa de ozono.

Los HCFCs afectan en menor medida que los anteriores a la capa de ozono (R22).

Los HFCs no afectan a la capa de ozono (R410A, R407C, R134a, etc.).

SOLUCIONES.

Cuando analizamos la situación de la problemática de los gases que van directamente a la capa de ozono o que provocan el efecto invernadero, es inevitable pensar que se tiene que buscar soluciones efectivas para poder afrontar dicha problemática.

Las grandes emanaciones de gases refrigerantes que dañan a la capa de ozono han estado en aumento con el paso de los años, y esto ha provocando serias alteraciones en la atmósfera y en el clima.

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Los gases refrigerantes que actualmente se encuentran en el mercado están dañando la capa de ozono ya que los productos químicos que emiten tardan en disolverse en la atmósfera. Por tal motivo, dentro del seno de la O.N.U., se han emitido protocolos que impiden a los países seguir emitiendo este tipo de gases.

Buscando una eficiente solución al problema de gases refrigerantes, se ha desarrollado una tecnología capaz de generar refrigerantes naturales 100 % ecológicos.

El reglamento (CE) Nº 2037/2000 regula la utilización del R22. El calendario establecido para el fin de su utilización es el siguiente:

1 de enero de 2001: Prohibición de utilizar HCFCs como refrigerantes en la fabricación de cualquier equipo de aire acondicionado y refrigeración producido después del 31 de diciembre de 2000, con excepción de equipos Solo Frío de una capacidad inferior a 100kW y equipos Bomba de Calor.

1 de julio de 2002: Prohibida la utilización de HCFCs como refrigerantes en la fabricación de cualquier equipo de aire acondicionado Solo Frío excepto equipos Bomba de Calor.

1 de enero de 2004: Prohibición de fabricar todo tipo de equipos con HCFCs.

1 de enero de 2010: Prohibido utilizar los HCFCs "nuevos", tanto para mantenimiento como recarga de equipos de refrigeración y aire acondicionado existentes en aquella fecha.

REFRIGERANTES NATURALES.

Hay cuatro refrigerantes reconocidos como "naturales": amoníaco, bióxido de carbono, agua, y el grupo de los gases hidrocarbonados cadena corta (Etano, etileno, propano, propileno, butano e isobutano).

Esto inicia una nueva era en la industria de la refrigeración relacionada con la necesidad de generar refrigerantes que no afecte el ambiente.

Los nuevos tipos de refrigerantes tienen que ser ecológicos, que no dañen la capa de ozono y no tengan efecto invernadero, y con mayor eficiencia energética que los actuales.

REFRIGERANTES NATURALES EN MÉXICO.

Por lo tanto al ver esta problemática que desde hace tiempo se está presentando por la emanación de gases que dañan al ambiente, después de varios años de investigación y desarrollo en México, se ofrece una alternativa viable técnica y económicamente para cambiar a un refrigerante natural que brinda beneficios entre ellos no dañar al ambiente y logra que los equipos de aire acondicionado y refrigeración sean de mayor eficiencia energética.

Esta alternativa es un desarrollo tecnológico realizado por la empresa Ecofreeze International obteniendo a base de años de investigación, y el producto es poder ofrecer al mercado en esta primera etapa los refrigerantes naturales E-12 y E-22.

El desarrollo tecnológico llevó varios años de trabajo, desde 1996 a la fecha, basados en un principio en la tecnología desarrollada por la comunidad europea, trabajos conjuntos realizados con: Proklima (la agencia Alemana para apoyos a mejoramiento del clima), cuyos productos daban el resultado ecológico, pero con un rendimiento energético muy similar al de los gases a sustituir (R12 y R22).

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El grupo de tecnólogos de Ecofreeze International siguió con la investigación y desarrollo de aplicaciones para poder brindar un refrigerante natural con las características tanto ecológicas como económicas, esto es que tuvieran una mayor eficiencia energética, mas apropiado para nuestro tipo de economía.

A continuación se presenta los usos de cada uno de los refrigerantes:

¾ Ecofreeze 12: para uso en refrigeración doméstica, comercial y aire acondicionado de vehículos.

Sustituto directo de R12 y R134a.

¾ Ecofreeze 22: para uso en refrigeración comercial y aire acondicionado. Sustituto directo del R22.

Bondades de este refrigerante natural:

¾ 100% ecológico.

¾ 100% compatibles con sistemas actuales.

¾ Ahorro de hasta 30% de energía eléctrica.

¾ Tecnología más duradera.

¾ Zero ODP (Ozono Depletion Potencial).

¾ Zero GWP (Global Warming Potencial).

¾ No son tóxicos al ser humano.

¾ Curvas de Presiones-Temperaturas prácticamente iguales a los gases que sustituye, CFCs, HFCs, y HCFCs; solo en bajas presiones, herramienta utilizada en el proceso de llenado de refrigerante.

¾ Densidad de <50%. Provocando menor esfuerzo del compresor = menor consumo de energía de los equipos hasta en un 30%.

¾ Ventaja adicional, se libera capacidad eléctrica instalada.

¾ Su peso molecular es más ligero que los gases refrigerantes químicos.

¾ Trabaja a presiones mas bajas.

¾ Su tamaño molecular es más grande, lo que disminuye las probabilidades de fugas.

¾ Requiere de 400 gramos de refrigerante ecológico por un kilogramo de refrigerante químico.

Aunado a toda la investigación que la empresa ha realizado sobre los refrigerante naturales desde 1996, en octubre de 2005, recibió un extraordinario “respaldo no solicitado”, aunque esperado eventualmente; el principal organismo regidor del funcionamiento de aires acondicionado y refrigeración en Estados Unidos (Instituto Americano de Ingenieros en Refrigeración y Aire Acondicionado, el ASHRAE, por sus siglas en inglés), publicó el lanzamiento de un plan estratégico de investigación y desarrollo para implementar mejoras sustentable a todos los niveles de la refrigeración que llamó: ASHRAE Research Strategic Plan 2005-2010

“Navigation for a Sustainable Future” (Plan Estratégico de Investigación del ASHRAE 2005-2010, Navegando para un Futuro Sustentable), en donde claramente expone que la salida para una refrigeración sustentable es el uso de refrigerantes naturales, solución tecnológica propuesta por la Comunidad Europea desde hace 15 años y por Ecofreeze Internacional en México desde hace 8 años.

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Este suceso considerado por algunos enterados de la refrigeración, como: “la caída del Muro de Berlín de la refrigeración”, le brinda la oportunidad a Ecofreeze Internacional de ofrecer sus productos a un mayor número de mercados nacionales e internacionales en una forma más rápida y sin trabas de credibilidad.

El refrigerante R-12 y otros dos CFCs, el refrigerante R-11 y el refrigerante R-22, eran los principales compuestos empleados en los sistemas de enfriamiento y aislamiento de los refrigeradores domésticos.

Sin embargo, se ha descubierto que los CFCs suponen una grave amenaza para el medio ambiente del planeta por su papel en la destrucción de la capa de ozono. Según el Protocolo de Montreal, la fabricación de CFCs debía finalizar al final de 1995. Los hidroclorofluorocarbonos, HCFCs, y el metilbromuro no dañan la capa de ozono pero producen gases de efecto invernadero. Los HCFCs se retirarán en el 2015 y el consumo de metilbromuro se limitará en un 25% en 1998. La industria de la refrigeración debería adoptar rápidamente otros compuestos alternativos no perjudiciales, como el metilcloroformo.

Los más utilizados son el R22, R-134a, R407C y el R410A.

El R22 es el refrigerante más utilizado actualmente en el sector del aire acondicionado, tanto para instalaciones de tipo industrial como domesticas.

El R134a se utiliza normalmente en grandes equipos de enfriamiento de aire.

El R407C se utiliza normalmente en enfriadoras de agua de mediana y pequeña potencia además de equipos splits (partidos).

El R410A se utiliza actualmente en equipos splits (partidos).

SISTEMAS DE ABSORCIÓN.

Algunos refrigeradores domésticos funcionan mediante el principio de absorción. En ellos, una llama de gas calienta una disolución concentrada de amoníaco en agua en un recipiente llamado generador, y el amoníaco se desprende en forma de vapor y pasa a un condensador. Allí se licua y fluye hacia el evaporador, igual que en el sistema de compresión. Sin embargo, en lugar de pasar a un compresor al salir del evaporador, el amoníaco gaseoso se reabsorbe en la disolución diluida y parcialmente enfriada procedente del generador, para formar de nuevo una disolución concentrada de amoníaco. Este proceso de reabsorción se produce en un recipiente llamado absorbedor, desde donde el líquido concentrado fluye de vuelta al generador para completar el ciclo.

La refrigeración por absorción se usa cada vez más en refrigeradores para acondicionar el aire, en los que resultan adecuadas temperaturas de refrigerante entre 7 y 10 °C aproximadamente. En este rango de temperaturas puede emplearse agua como refrigerante, y una disolución acuosa de alguna sal, generalmente bromuro de litio, como material absorbente. El agua hierve a una temperatura muy baja en el evaporador porque la presión allí es muy reducida. El vapor frío se absorbe en la disolución salina concentrada. Después, esta disolución se bombea al generador donde, a temperatura elevada, se hace hervir el agua sobrante para aumentar la concentración de sal en la disolución; ésta, después de enfriarse, circula de vuelta al absorbedor para completar el ciclo. El sistema funciona con un vacío elevado: la presión del evaporador es aproximadamente de 1 kPa, y el generador y el condensador están a unos 10 kPa. Generalmente, estas unidades se calientan con llama directa o utilizan vapor generado en una caldera.

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REFRIGERACIÓN TERMOELÉCTRICA.

En el estudio de aplicaciones que pueden usar la refrigeración termoeléctrica, así como la elaboración de diferentes equipos de refrigeración que satisfagan las necesidades actuales en este campo hay que tener en cuenta que la refrigeración por métodos termoeléctricos podría sustituir en bastantes casos a los sistemas de refrigeración actuales, eliminando así el uso de los gases contaminantes que destruyen la capa de ozono.

Además de esta, la refrigeración termoeléctrica posee diversas ventajas, entre las que se pueden destacar:

¾ Producción de frío y calor indistintamente simplemente invirtiendo la polaridad de la tensión aplicada.

¾ Ser totalmente silenciosas, así como no producir vibraciones.

¾ Fácil variación de la potencia refrigerante, actuando sobre la tensión de alimentación.

¾ No necesitan mantenimiento.

¾ No posee elementos móviles.

¾ Asegura la estanqueidad del elemento a refrigerar.

¾ Puede funcionar en cualquier posición.

En función de las características de la refrigeración termoeléctrica expuestas, el campo de estudio y aplicación de esta es muy amplio. Es posible el estudio de aplicaciones concretas tales como: refrigeración de cuadros eléctricos, refrigeración de frigoríficos portátiles.

Son importantes las aplicaciones alternativas que puedan utilizar termoeléctrico, como pueden ser aplicaciones en medicina, sistemas de refrigeración de aire acondicionado para habitáculos reducidos, etc.

El rendimiento del equipo refrigerante termoeléctrico irá en función de varios factores: buen asentamiento de las células termoeléctricas tanto en el disipador del lado caliente como en el bloque de ajuste, para evitar perdidas, en cuanto a los disipadores deben poseer un coeficiente de conductividad adecuado y una superficie lo más grande posible, para que la evacuación de calor sea efectiva, procurando al disipador de calor una convección forzada suficiente, para facilitar la emisión de calor al exterior, por que cuanto más baja mantengamos la temperatura del lado caliente menores temperaturas obtendremos en lado frío, dado que el salto térmico de las células termoeléctricas permanece aproximadamente constante, también es importante calcular la intensidad de funcionamiento óptimo, para obtener el máximo rendimiento.

Elementos similares, bien o mal elaborados, pueden tener grandes diferencias tanto en cuanto al salto térmico máximo, como a la potencia refrigeradora.

Dentro de la instalación termoeléctrica frigorífica conviene definir un parámetro, en función de las características especificas de los elementos empleados como conductores en dicha instalación, y buscar la relación de este con el rendimiento térmico de la instalación.

MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO.

Los métodos más antiguos para enfriar son la evaporación, como en el caso del botijo (proceso adiabático); o la utilización del hielo o la nieve naturales. Para la preparación de refrescos o agua fría, se bajaba nieve de las montañas cercanas (a menudo por las noches) que se guardaba en pozos y, en las casas, en armarios aislados, que por esa razón se llamaban neveras.

Más tarde se consiguió el enfriamiento artificial mediante los métodos de compresión y de absorción.

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El método por compresión es el más utilizado, sin embargo el método por absorción solo se suele utilizar cuando hay una fuente de calor residual o barato, como en la trigeneración.

Otros métodos son mediante un par termoeléctrico que genera una diferencia de temperatura; mediante una sustancia fría, como antiguamente el hielo y hoy en día la criogenia, con nitrógeno líquido o mezcla de sustancias, como sal común y hielo.

Otra posibilidad, aún en investigación y sin aplicación comercial, es utilizar el efecto magnetocalórico.

Al igual que se puede aprovechar diferencias de temperatura para producir calor, para crear diferencias de calor, se requiere energía. A veces se llama refrigeración simplemente a mejorar la disipación de calor, como en la refrigeración de los motores térmicos, o simplemente la ventilación forzada para sustituir aire caliente por aire más fresco.

DEFINICIÓN DE AIRE ACONDICIONADO.

Proceso o tratamiento que permite controlar y mantener las condiciones de confort en el interior de una estancia o recinto cerrado, por lo que se pretende controlar las condiciones de temperatura, humedad, circulación y pureza del aire conveniente para la salud y el confort.

Los sistemas de aire acondicionado también pueden aplicarse en espacios en donde se requieren condiciones específicas de temperatura y humedad, por ejemplo: salas de cómputo, equipos de medición, salas de cirugía, edificios públicos, etc.

El acondicionamiento es de verano o de refrigeración si se controla la temperatura máxima (25 ºC). Es acondicionamiento de invierno o de calefacción cuando se controla la temperatura mínima (20 ºC).

Los valores de temperatura, humedad, limpieza y movimiento del aire influyen muy directamente sobre el confort, y varían con la época del año. La temperatura recomendada en nuestro país es de 25 ºC con un margen de +/-1º C. La diferencia con el exterior puede variar de 6 a 10 ºC máximo.

La temperatura recomendada en invierno es de entre 19º y 21 ºC.

La humedad relativa es la relación que existe entre el agua del aire en suspensión a una temperatura dada y la que podría contener si estuviera saturado (el aire) a esa temperatura. Oscila entre el 30 y el 65%. Si el porcentaje es más bajo se resecan las vías respiratorias y además, da lugar a una evaporación demasiado rápida, que produce una desagradable sensación de frío. Si la humedad es demasiado alta se dificulta la evaporación del sudor, dando la sensación de bochorno, también produce condensación de agua sobre ventanas, paredes, muebles, etc. El aire de una habitación está en movimiento, debido a la presencia de personas y por efectos térmicos. Este movimiento no debe superar el valor de 0.25 m/s. Una velocidad superior produce un efecto desagradable, que se incrementa cuando el aire es muy frío. Igualmente una velocidad menor de 0.1 m/s puede ser molesta.

Cualquier sistema de aire acondicionado deberá realizar las siguientes funciones:

¾ Controlar la temperatura.

¾ Controlar la humedad relativa.

¾ Eliminar las impurezas del aire.

¾ Controlar el movimiento del aire.

¾ Renovar el aire interior con aire nuevo exterior.

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ENFRIAMIENTO O SÓLO FRÍO.

Es mantener un espacio o lugar a una temperatura menor que en el exterior o lugar que nos rodea. Son equipos que únicamente proporcionan enfriamiento (conocidos como aparatos de aire acondicionado).

CALEFACCIÓN O BOMBA DE CALOR.

Es mantener un espacio o lugar a una temperatura mayor que la de sus alrededores. Hay equipos de aire acondicionado que tienen la posibilidad de invertir su ciclo para proporcionar calor al interior del espacio a acondicionar.

De confort (Casas y oficinas) 22 °C ± 2 °C.

Comercial (Industrial) 20 °C ± 2 °C.

Precisión (Salas de cómputo) 17 °C ± 1 °C.

Industria farmacéutica (Clases de aire) 1, 10, 100, 1 000, 10 000, 100 000 cambios de aire por hora.

AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACIÓN.

El acondicionamiento del aire es el proceso que enfría, limpia y circula el aire, controlando, además, su contenido de humedad. En condiciones ideales logra todo esto de manera simultánea.

Como enfriar significa eliminar calor, otro termino utilizado para decir refrigeración, el aire, obviamente éste tema incluye a la refrigeración.

OPERACIÓN DE UN AIRE ACONDICIONADO (CLIMA).

El acondicionador de aire o clima toma aire del interior de una recamara pasando por tubos que están a baja temperatura estos están enfriados por medio de un liquido que a su vez se enfría por medio del condensador, parte del aire se devuelve a una temperatura menor y parte sale expulsada por el panel trasero del aparato, el termómetro está en el panel frontal para que cuando pase el aire calcule la temperatura a la que está el ambiente dentro de la recámara, y así regulando que tan frío y que tanto debe trabajar el compresor y el condensador.

COMPONENTES ESENCIALES DE UN CLIMA.

El equipo de acondicionamiento de aire se encarga de producir frío o calor y de impulsar el aire tratado a la vivienda o local.

Generalmente, los acondicionadores de aire funcionan según un ciclo frigorífico similar al de los frigoríficos y congeladores domésticos. Al igual que estos electrodomésticos, los equipos de acondicionamiento poseen cinco componentes principales:

¾ Evaporador.

¾ Compresor.

¾ Termómetro.

¾ Líquido enfriador.

¾ Panel o condensador.

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COMPRESOR.

Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.

Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.

Los compresores son ampliamente utilizados en la actualidad en campos de la ingeniería y hacen posible nuestro modo de vida por razones como:

¾ Son parte importantísima de muchos sistemas de refrigeración y se encuentran en cada refrigerador casero, y en infinidad de sistemas de aire acondicionado.

¾ Se encuentran en sistemas de generación de energía eléctrica, tal como el Ciclo Brayton.

¾ Se encuentran en el interior muchos "motores de avión", como los turborreactores y hacen posible su funcionamiento.

¾ Generan gases comprimidos para la red de alimentación de sistemas neumáticos, los cuales mueven fábricas completas.

TIPOS DE COMPRESORES.

Clasificación según el método de intercambio de energía:

¾ Sistema Pendular Taurozzi.

¾ Reciprocantes o Alternativos.

Utilizan pistones (sistema bloque-cilindro-émbolo como los motores de combustión interna). Abren y cierran válvulas que con el movimiento del pistón aspira/comprime el gas gracias a un motor eléctrico incorporado.

Es el compresor más utilizado en potencias pequeñas. Pueden ser del tipo hermético monofásico, común en refrigeradores domésticos. O de mayores capacidades (monofásicos y trifásicos) de varios cilindros que permiten mantención/reparación. Su uso ha disminuido en el último tiempo y ha cedido lugar al compresor de tornillo que tiene mejores prestaciones.

¾ Orbital (Espiral, Scroll) .

¾ Rotativo-Helicoidal (Tornillo, Screw).

La compresión del gas se hace de manera continua, haciéndolo pasar a través de dos tornillos giratorios. Son de mayor rendimiento y con una regulación de potencia sencilla, pero su mayor complejidad mecánica y costo hace que se emplee principalmente en elevadas potencias, solamente.

¾ Rotodinámicos o Turbomáquinas.

Referencias

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