MANUAL DE CAPACITACIÓN
BUENAS PRACTICAS EN SISTEMAS DE
REFRIGERACIÓN
Preparado por: Luis Coloma Rodríguez
Prologo
El presente manual tiene como objetivo brindar los conocimientos adecuados para el buen manejo de los refrigerantes utilizados en el campo de las refrigeración y aire acondicionado domestico, comercial e industrial. De tal manera que se utilicen los métodos y procedimientos adecuados que ayuden a evitar la rotura de la Capa de Ozono causada por la emisión de diferentes sustancias a la atmósfera, siendo una de las principales los refrigerantes que utilizamos todos aquellos que estamos relacionados con el campo de la refrigeración y el aire acondicionado.
También es necesario resaltar el daño que se esta produciendo debido a los agujeros presentados en la Capa de Ozono y que cada día se incrementan debido a las sustancias presentes actualmente en nuestra atmósfera y que además todavía no se produce el efecto total de estas emisiones pues muchas de estas sustancias no llegan al nivel donde se encuentra la Capa de Ozono. Por lo tanto pensando en lo que nuestros hijos heredaran es que se hace necesario trabajar hoy para que el futuro sea mejor.
La Comisión Nacional del Medio Ambiente CONAMA, mediante el Programa de Protección de la Capa de
Ozono, ha elaborado el Programa de Capacitación en Buenas Practicas en Sistemas de Refrigeración, el
cual tiene por objetivo capacitar a los entrenadores o instructores de centros de formación técnica en refrigeración en buenas procedimientos en refrigeración, a la vez de dotar a estos centros de enseñanza de maquinas, tanto de recuperación, como también de reciclaje de refrigerante. Luego de esta primera fase, los instructores ya capacitados, por los consultores nacionales, dictaran los cursos a los técnicos, con lo cual se logrará un efecto multiplicador.
Este manual es el primero de su tipo en nuestro país, especialmente elaborado para la capacitación de técnicos de todos los niveles; se ha tomado como base los manuales publicados por PNUMA; habiendo sido completado con los conocimientos docente y experiencia profesional personal.
Ing. Luis Antonio Coloma Rodríguez
Docente Área de Refrigeración y Climatización Industrial
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CONTENIDOS PÁGINA
CAPÍTULO I: EL AGOTAMIENTO DEL OZONO 4
• CAUSAS DEL AGOTAMIENTO 4
EL AGOTAMIENTO DEL OZONO 4
• EFECTOS DEL AGOTAMIENTO DEL OZONO 4
EFECTOS DE LA DESTRUCCION 4
EFECTOS DEL CALENTAMIENTO DE LA ATMÓSFERA 6 CFC Y OTRA SUSTANCIAS QUE CONTIENEN HALOGENOS 7
• LA RESPUESTA INTERNACIONAL 8
• EL PROTOCOLO DE MONTREAL 8
• SUSTANCIAS QUE DAÑAN LA CAPA DE OZONO 9
CAPÍTULO II: CONCEPTOS BÁSICOS 11
UNIDADES DE MEDIDAS 11 ESTADOS DE LA MATERIA 12 MOVIMIENTO MOLECULAR 13 CAMBIO DE ESTADO 14 TERMODINÁMICA 15 CALOR 18 TEMPERATURA 15 MEDIDA DE CALOR 16
TONELADA AMERICANA DE REFRIGERACIÓN 20
PRESIÓN 23
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 23
CONDUCCION 23
COVECCION 25
RADIACION 25
CAPÍTULO III: FUNDAMENTOS DE REFRIGERACIÓN 27
CLASIFICACIÓN DE LOS REFRIGERANTES 30 EFECTOS FISIOLOGICOS DE LOS REFRIGERANTRES 31
CONCEPTO DE CARGA TÉRMICA 32 TRANSMISION DE CALOR A TRAVÉS DE LA ESTRUCTURA 33
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR 33
DIAGRAMA DE PRESIÓN ENTALPIA 35
CICLO DE REFRIGERACIÓN 36 CICLO TEORICO DE REFRIGERACIÓN DE COMPRESION DE VAPOR 36
CAPÍTULO IV: COMPONENTES DE UN SISTEMA DE
REFRIGERACIÓN 40
EVAPORADORES 40
EVAPORADOR DE TUBO DESCUBIERTO 40
EVAPORADOR DE PLACA 41
EVAPORADOR DE TUBO Y ALETAS 41
COMPRESORES DE REFRIGERACION 42
COMPRESOR DEL TIPO ABIERTO 44
COMPRESOR HERMETICOS 45
COMPRESOR SEMIHERMETICO 46
COMPRESOR ROTATIVO 47
COMPRESOR HELICIODAL O TORNILLO 48
COMPRESOR CENTRIFUGO 49
LUBRICACION DE COMPRESORES 50
• CONDENSADORES 51
CONDENSADOR ENFRIADO POR AIRE 51
CONDENSADOR ENFRIADO POR AGUA 52
CONDENSADOR EVAPORATIVO 53
• DISPOSITIVOS DE EXPANSION 54
VALVULA DE EXPANSION TERMOSTATICA 55
TUBO CAPILAR 58
SISTEMA DE DESHIELOS 60
ELEMENTOS SECUNDARIOS EN LOS SISTEMS DE REFRIGERACIÓN 60
RECIBIDOR DE LÍQUIDO, 60
INTERCAMBIADOR DE CALOR, ACUMULADOR DE SUCCIÓN, 61 SEPARADOR DE ACEITE, DESHIDRATADOR, 62 FILTROS ELIMINADORES DE VIBRACIÓN, COLADORES INDICADOR DE HUMEDAD, 63
CALEFACTORES DE CARTER 64
CIRCUITO TIPICO DE REFRIGERACIÓN 65
CAPÍTULO V: SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN 66
REFRIGERACIÓN EN DISTINTAS APLICACIONES 66
REFRIGERACIÓN EN CASCADA 66
REFRIGERACIÓN EN DOS ETAPAS 66
REFRIGERACIÓN DE ENFRIAMIENTO INTERMEDIO 67
REFRIGERACIÓN SISTEMA INUNDADO 67
REFRIGERACIÓN SISTEMA RECIRCULADO 68
CAPÍTULO VI: RESPONSABILIDAD DE UN OPERADOR 69
CAPÍTULO VII: OPERACIÓN EFICIENTE 70
CAPÍTULO VIII: SEGURIDAD 72
CAPÍTULO IX: PRIMEROS AUXILIOS 74
CAPÍTULO X: NUEVOS REFRIGERANTES 76
TABLA DE REMPLAZO DE REFRIGERANTES 78 TABLAS DE ACIETES PARA LOS NUEVOS REFRIGERANTES 79
TABLA DE TEMPERATURAS ESTIMADAS, DE OPERACIÓN DESPUS DE RECONVERSIÓN 81
CAPÍTULO XII: RECUPERACIÓN Y RECICLAMIENTO DE
REFRIGERANTES 82
• COMO IMPEDIR LA LIBERACION INNESESARIA DE REFRIGERANTE AL AMBIENTE 82 • DEFINICION DE RECUPERACION, RECICLAJE Y REGENERACION 83
• RECUPERACION DE REFRIGERANTES 85
• RECIPIENTES DE REFRIGERANTES DESECHABLES Y, QUE SE PUEDEN DEVOLVER 86
• TECNOLOGÍAS DE RECUPERACIÓN 87
LISTADO DE MONITORES
• LISTADO DE PARTICIPANTRES (MONITORES) 1° CURSO 91 • LISTADO DE PARTICIPANTRES (MONITORES) 2° CURSO 92 • LISTADO DE PARTICIPANTRES (MONITORES) 3° CURSO 93
CAPÍTULO I / EL AGOTAMIENTO DEL OZONO
CAUSAS DEL AGOTAMIENTO.
El agotamiento del ozono
La presencia de ozono en la troposfera, esto es a niveles muy bajos de la atmósfera es perjudicial pues puede causar daños en el tejido pulmonar de los animales y en las plantas. La presencia de ozono en la estratosfera, sobre los 20 Km. de altitud es necesaria, ya que en esta región nos protege de la radiación de los rayos ultravioletas (UV) del sol. La estratosfera contiene el 90% del ozono de la atmósfera.
Existe evidencia actualmente de que el espesor de la capa de ozono esta relacionado con el incremento en el nivel de radiación sobre la superficie de la tierra y de que esta capa es destruida por los cloratos que se producen en la superficie terrestre. La mayor parte de estos cloratos provienen de actividades humanas y principalmente en procesos de refrigeración, como se representa a continuación:
Destrucción de la capa de ozono
EFECTOS DEL AGOTAMIENTO DEL OZONO.
Efectos de la destrucción
El ozono es una capa protectora de la atmósfera que ha permitido preservar la vida sobre la tierra durante milenios, dicha capa que esta compuesta de tres átomos de oxigeno en vez de dos habituales. Sin embargo el
átomo adicional convierte al ozono en veneno para los humanos, es por este motivo que a nivel de superficie (troposfera) es perjudicial para nosotros y otros seres vivos.
Por otra parte, a una mayor altura (estratosfera) absorbe la mayor parte de la radiación ultra violeta B (UV-B) del sol, este tipo de radiación constituye una de las causas principales del cáncer de la piel maligno cutáneo y lesiones oculares en los seres humanos, principalmente cataratas. Igualmente este tipo de radiación provoca daños en las plantas y la vida acuática.
Las moléculas de ozono se crean y destruyen de manera natural en la estratosfera gracias a la misma radiación, esta radiación descompone las moléculas de oxigeno en átomos que seguidamente se combinan en otras moléculas de oxigeno para luego formar el ozono .El ozono es un gas estable y es particularmente vulnerable a la destrucción por los compuestos que contengan hidrogeno, nitrógeno y cloro. El ozono forma un frágil escudo, pero notablemente eficaz.
Sin embargo, este filtro tan fino protege eficientemente de casi todos los peligros de la radiación ultravioleta proveniente del sol; la capa de ozono absorbe la mayor parte de la peligrosa radiación B (la radiación UV-A que pasa a través y UV-C que es capturada principalmente por el oxigeno). Todo daño que se produzca a la capa de ozono dará lugar al aumento de la radiación UV-B en zonas donde se ha acrecentado el deterioro de la capa.
La exposición a una mayor radiación también suprime la acción del sistema inmunitario del organismo, y esta inmunosupresion ocurre sea cual sea la pigmentación de la piel humana. Estos efectos podrían exacerbar las situaciones de salubridad deficiente en muchos países en desarrollo. Por otra parte los materiales expuestos a la radiación en las construcciones, pinturas y envolturas u otras sustancias, podrían degradarse rápidamente por un aumento de la radiación.
Hay una teoría de que el cloro que contienen las sustancias químicas artificiales liberadas en la atmósfera son las principales responsables de la extinción de la capa de ozono en la estratosfera. Una gran parte de estos compuestos están constituidos por CFC (clorofluorocarbono) y halones (agentes de extinción de incendios). Los primeros han sido utilizados por años como refrigerantes, disolventes o agentes espumantes.
Cabe mencionar que la estructura tan estable de estos productos químicos artificiales, tan útiles en la tierra, les permite atacar a la capa de ozono sin sufrir alteraciones.
Los mas peligrosos de estos elementos tienen larga vida, por ejemplo el CFC R-11 dura un promedio de 50años en la atmósfera, el CFC R-12 un promedio de 102 años y el CFC R-113 un promedio de 85 años, es por este motivo que las sustancias químicas influirán en el proceso de agotamiento por muchos años.
Se ha comprobado también que los CFC – EL CLORO – constituye la causa principal del fenómeno mas dramático de que se ha constatado en lo que atañe el agotamiento de la capa de ozono. Cada primavera, en el hemisferio sur, aparece un “agujero” en la capa de ozono sobre la antártica, tan grande como la superficie de los estados unidos. El “agujero” no es en realidad un agujero sino una región que contiene una concentración muy baja de ozono. En invierno, la atmósfera sobre la antártica queda aislada del resto del mundo por una circulación natural de vientos llamada remolino polar. Durante el invierno, con el frío y la oscuridad, se forman en la estratosfera las nubes estratosferitas polares (PSC). El cloro inactivo en la
superficie de estas nubes se convierte en formas que pueden agotar la capa de ozono por reacciones químicas con la acción de la radiación solar.
El resultado final es que en cada primavera, cuando aparece el sol en la antártica, el ozono se destruye rápidamente. El agujero desaparece nuevamente cuando la estratosfera en la antártica se calienta lo suficiente para dispersar las PSC y disolver los vientos que la aíslan del resto del mundo. Un aire rico en ozono fluye entonces para reaprovisionar la capa de ozono sobre la antártica. La circulación del aire aportara también hacia el norte masas con menos ozono, mezclándolas con las concentraciones de ozono de otros lugares y diluyéndolas. Estos fenómenos, pueden afectar a grandes zonas del hemisferio sur.
Las reducciones de la capa de ozono del hemisferio norte no son menos angustiantes que la de la región antártica, aun cuando no se han formado agujeros debidos, principalmente, aciertos factores meteorológicos. no obstante en enero de 1993, la cantidad de ozono situada entre los 45° N y 65° N de latitud , era entre un 12 % a 15% inferior de lo normal. En el periodo comprendido entre febrero y junio de1993, se produjo una reducción máxima de 25% tanto sobre el hemisferio norte como el hemisferio sur. Es por eso que el problema exige soluciones mundiales.
efectos del calentamiento de la atmósfera
Sin duda otro gran problema de actualidad, es el calentamiento de la atmósfera recordemos que la temperatura de la tierra se mantiene gracias a un equilibrio, entre el calor de la radiación solar que fluye desde el espacio y el enfriamiento de la radiación infrarroja emitida por la superficie caliente de la tierra y la atmósfera, que se escapa volviendo al espacio.
El sol es la única fuente de calor externa de la tierra. Cuando la radiación solar, en forma de luz visible, llega a la tierra, una parte es absorbida por la atmósfera y reflejada desde las nubes y el suelo (especialmente desde los desiertos y la nieve). El resto es absorbido por la superficie de la tierra que se calienta.
Si bien la atmósfera es relativamente transparente a la radiación solar, la radiación infrarroja se absorbe en la atmósfera por muchos gases menos abundantes. Aunque presentes en pequeñas cantidades, estas trazas de gases actúan como un manto que impide que una buena parte de la radiación infrarroja se escape directamente al espacio, al frenar este flujo al espacio los gases calientan la atmósfera y superficie terrestre. Los gases que absorben y atrapan cantidades variables de radiación infrarroja. También persisten en la atmósfera por periodos variables de tiempo, e influyen en la química atmosférica (especialmente del ozono) de diferentes maneras.
Por ejemplo, una molécula de CFC-12 tiene más o menos el mismo efecto sobre la radiación que 16000 moléculas de CO2. El efecto de una molécula de metano es igual a aproximadamente 21 veces el efecto del CO2, pero la vida útil del metano es mucho mas corta.
EL POTENCIAL DE CALENTAMIENTO MUNDIAL DE LA ATMÓSFERA (GWP), es un índice que compara el efecto de del recalentamiento en un lapso de tiempo para diferentes gases con respecto a emisiones iguales de CO2 (por peso).
Dado que la vida útil de los gases es diferente de la del CO2, se podrían calcular diferentes GWP, lo cual depende de la extensión de tiempo considerada.
La vida útil del CO2 es del orden de los 200 años en la atmósfera; sobre un plazo corto, un gas cuya vida útil es muy corta, no tiene relieve respecto al potencial de recalentamiento del CO2.
Normalmente de adoptar una extensión de tiempo de 100 años. Remplazar el CFC-R-12 POR EL HFC 134ª implicaría una reducción por factor de 6 en el calentamiento mundial de la atmósfera si hay emanación de gas. La contribución directa ya se esta reduciendo gracias a la limitación de las emisiones tanto por métodos mas estrictos para evitar fugas en los sistemas de refrigeración, como por la recuperación de CFCs.
El IMPACTO TOTAL EQUVALENTE DE RECALENTAMIENTO (TEWI), Es un índice que además considera el recalentamiento global indirecto, debido a la necesidad de consumo de energía que absorben los sistemas de refrigeración.
Es decir además de considerar la liberación de refrigerante a la atmósfera, esta contribución representa el número de kilogramos de CO2 vertidos en la atmósfera por la producción de cada kilovolt-hora de electricidad utilizado para producir el frío.
Diversos experimentos y cálculos han demostrado que la contribución de los sistemas termodinámicos al efecto invernaderos considerablemente superior a la contribución directa vinculada con la liberación de CFCs. Las consideraciones directas o indirectas se toman en cuenta en un coeficiente denominado impacto total equivalente de recalentamiento (TEWI).
CFC y otras sustancias que contienen halógenos
Los CFCs se han utilizado ampliamente desde la primera mitad del siglo XX. El consumo mundial de estos ha aumentado constantemente desde entonces, quedo sujeto a la limitación a fines de la década de los 80 por el protocolo de Montreal, destinado a reducir y eliminar el uso de los CFCs y de otras sustancias que contienen halógenos.
Los CFCs se utilizan como disolventes, como impelentes en aerosoles, en la producción de espumas de poliuretano; estos usos representan cerca del 70% de todos los CFCs producidos. También se emplean los CFCs como liquido activo en muchos sistemas de refrigeración y aire acondicionado. La industria de la refrigeración fue responsable de un cuarto del consumo de CFCs en 1986. Los utilizadores de pequeñas cantidades como, por ejemplo, los de la industria de la esterilización, consumieron el 5% del total mundial. La producción de CFCs disminuyo entre 1986-1993 y hubo una drástica reducción del uso del uso de estas sustancias como impelentes de los aerosoles, como agentes espumantes y como disolventes. la menor disminución de los CFCs fue en la industria de refrigeración, de manera que en el periodo de tiempo de 1992-1993 el consumo representaba el 50% del total mundial, pero por otra parte la cantidad de CFCs producida en 1993-1994 era significativamente menor de lo que se producía en el año 1986.
Esquema de representación del recalentamiento global
LA RESPUESTA INTERNACIONAL
El protocolo de Montreal
En marzo de 1985, el convenio de la protección de la capa de ozono fue firmado en Viena. El convenio preveía futuros protocolos y especificaba procedimientos para las enmiendas y la resolución de discrepancias. En septiembre de 1987, se llego a un acuerdo de medidas concretas a adoptar y se firmo el protocolo de Montreal sobre las sustancias que agotan la capa de ozono. En este protocolo se dio el primer paso concreto para proteger la capa de ozono, disponiéndose que para el año 1999 a mas tardar se debía llegar a una reducción del 50% en la producción y el consumo de los CFCs.
Como resultado de la segunda reunión de las partes en Londres (1990), se ajustaron los plazos de Montreal de manera que para el año 2000 a mas tardar quedasen eliminados cinco CFC (R-11,-12.-13,-14,Y15) y tres halones. El meticloroformo debía controlarse y quedar eliminado en el año 2005 a mas tardar.
En Londres se redactaron disposiciones especiales en el protocolo en materia de transferencia de tecnología a los países en desarrollo y en cuanto a la creación del Fondo Multilateral (para cubrir los costos de la aplicación del protocolo).
Las partes se reunieron por cuarta vez en Copenhague en noviembre de 1992 y convinieron en que todos los CFCs, al igual que el METICLOROFORMO y el CTC, quedasen eliminados en 1996 amas tardar, y que los halones se eliminasen en 1994 amas tardar. en cuanto a los HCFCs (hidroclorofluorocarbonos), estos quedarían eliminados el año 2030 a mas tardar, habiéndose establecido esta fecha tardía debido, principalmente, a la necesidad de alentar primero el uso de los HCFCs, de efecto menos agotador del ozono, como sustitutos de los CFCs.
En virtud del protocolo de Montreal, las fechas anteriores valen para las naciones desarrolladas; los países en desarrollo (o sea los que consumen menos de 0,3 kilogramos de CFC per capita) están eximidos y tienen un periodo de tolerancia de 10 años mas.
En 1987, participaron en la redacción del protocolo de Montreal únicamente 24 naciones; al realizarse la reunión de Londres en 1990, este número se había visto aumentado considerablemente. En diciembre de 1994, la situación era tal que habían ratificado el protocolo de Montreal casi todas las naciones del mundo, 101 lo habían hecho en cuanto a la Enmienda de Londres y 39 en cuanto a la Enmienda de Copenhague. El logro de de las metas del protocolo de Montreal depende de una amplia cooperación entre todas las naciones del mundo. No es suficiente que los países desarrollados, que en 1986 representaban el 85% del consumo de las sustancias agotadoras del ozono, participen en el protocolo. La participación de los países en desarrollo, que consumían solo el 15% de la producción mundial en 1986 es igualmente de importancia vital. El consumo de CFCs en los países en desarrollo ha estado creciendo a un ritmo mucho mas elevado que en los países desarrollados y podrían anular el efecto del protocolo en dos a tres décadas, si se mantuviera al margen del protocolo.
Si los países en desarrollo debían comprometerse a observar los plazos estrictos para adoptar nuevas tecnologías, era necesario que se les proporcione nuevas tecnologías y la ayuda financiera para adoptarlas. El mecanismo comprende un Fondo Multilateral y otro de cooperación multilateral, regional y bilateral. El fondo comenzó a funcionar en 1991, en virtud del mismo, el PNUMA IMA es responsable de la distribución de la información, de la capacitación y de la red de intercambio de información.
Sustancias que dañan la capa de ozono:
-.CFCs
-.HALONES
-.METICLOROFORMO
-.BROMURO DE METILO
-.TETRACLORURO DE CARBONO
CAPÍTULO II / CONCEPTOS BÁSICOS
UNIDADES DE MEDIDA.
Tabla de conversiones unidades de medidas
LONGITUDES mt cm Pulgadas Pie
Metros Centímetros Pulgadas Pie 1 0,01 0,0254 0,3078 100 1 2,54 30,48 39,37 0,3937 1 12 3,28 0,0328 0,08333 1
SUPERFICIES Mt2 Cm2 Pulgadas Pie2
Metros2 Centimetros2 Pulgadas2 Pie2 1 0,0001 0,000645 0,0929 10000 1 6,45 929,03 1550 0,155 1 144 10,76 0,001 0,0069 1
VOLUMEN Mt3 Cm3 Pulgadas 3 Pie3 Litros
Metros3 Centímetros3 Pulgada3 Pie3 Litros 1 0,000001 0,0000163 0,028 0,001 1000000 1 16,38 28316,8 1000 61023,37 0,061 1 1728 61,35 35,28 0,00003528 0,000578 1 0,035 1000 0,001 0,0163 28,34 1
PESOS Kg. Toneladas Oz Libras Kg. Toneladas Oz Libras 1 1000 0,0283 0,45359 0,001 1 0,000028 0,0004535 35,274 35274 1 16 2,20462 2204,62 0,0625 1 ELECTRICAS KW Hp Kw HP 0,7457 1 1,34102 1
PRESIÓN Kg/Cm2 Atmósferas Psi
Kg/cm2 Atmósferas Psi 1 1,033 0,07032 0,9676 1 0,068 14,22 14,7 1
TÉRMICAS kwH Hph kcal Btu
KwH Hph Kcal Btu 1 0,7457 1,16* 10-3 2,93*10-4 1,34102 1 1,56*10-13 3,93*10-4 859,845 641,186 1 0,251996 3412 2544,43 3,968 1
REFRIGERACIÓN TRJ TR Kcal/hr BTU/hr
TRJ TR Kcal/hr Btu/hr 1 0,91084 3,01 x10 - 4 7,59 x 10- 5 1,098 1 3.3 x 10-4 8,33 x 10 - 5 3320 3024 1 0,252 13173,76 12000 3,968 1
ESTADOS DE LA MATERIA.
Toda la materia conocida, existe en una de las tres formas físicas o estados: Sólida, líquida o gaseosa. La materia en estado Sólido, mantiene su cantidad, forma y dimensiones físicas.
La materia en estado Líquido, mantiene su cantidad y tamaño pero no su forma. El liquido siempre toma la forma del recipiente que lo contiene.
Movimiento molecular
Toda la materia se compone de pequeñas partículas llamadas moléculas y la estructura molecular de la materia puede posteriormente romperse en átomos.
Cuando se aplica energía calorífica a una sustancia, se incrementa la energía interna de las moléculas, lo cual aumenta su desplazamiento o velocidad de movimiento; hay también un incremento en la temperatura de la sustancia.
Cuando se retira calor de una sustancia se presenta una disminución en la velocidad del movimiento molecular y también un descenso en la temperatura de la sustancia.
Cuando se retira calor de una sustancia se presenta una disminución en la velocidad del movimiento molecular y también un descenso en la temperatura de la sustancia.
Cambio de estado
Cuando una sustancia sólida se calienta, el movimiento molecular es principalmente en la forma de rápido movimiento vibratorio, no desplazándose nunca las moléculas de su posición normal u original.
Pero en alguna temperatura dada, una sustancia en particular, la adición posterior de calor, no necesariamente incrementará el movimiento molecular dentro de la sustancia; en su lugar, el calor adicional causará que algún sólido se fusione (Cambia a líquido). Así el calor adicional causa un cambio de estado en el material.
CAMBIO DE NOMBRE
GAS A LÍQUIDO CONDENSACION
GAS A SÓLIDO SUBLIMACION INVERSA
LÍQUIDO A GAS EVAPORACION
LÍQUIDO A SÓLIDO SOLIDIFICACION
SÓLIDO A LÍQUIDO FUSION
Es así como el calor puede cambiar la temperatura y el estado de las substancias y también pueden ser absorbidos aún cuando no exista cambio de temperatura, como cuando un sólido cambia a líquido, o cuando un líquido se cambia a vapor. Cuando el vapor se vuelve líquido, o cuando el líquido vuelve a transformarse en sólido, se despide la misma cantidad de Calor.
El ejemplo más común de este proceso es el agua, que existe como líquido y que puede existir como sólido forma de Hielo y como Gas cuando se trasforma en Vapor.
Como hielo, es una forma de Refrigeración, absorbiendo calor mientras se derrite a una temperatura constante de 0ºC (32ºF). Si se coloca agua en un recipiente abierto y se pone al fuego, su temperatura aumentará a la temperatura de ebullición o sea 100ºC al nivel del mar (212ºF). Sin importar la cantidad de calor aplicado, la temperatura no puede subir arriba de 100ºC, porque el agua se estaría evaporando constantemente. Si este vapor pudiera ser retenido en el recipiente evitando la ebullición y se continuará agregando calor, entonces la temperatura podría nuevamente aumentarse. Obviamente, el proceso de evaporación o ebullición estará absorbiendo el calor y manteniendo la temperatura a 100ºC.
Cuando el vapor se condensa nuevamente formando agua, despide exactamente la misma cantidad de calor que absorbió al evaporarse.
Si el agua se congela, debe extraerse la misma cantidad de calor que fue absorbida en el proceso de descongelamiento por medio de algún proceso para la congelación.
Generalmente los usuarios confunden la palabra refrigeración con frío y con enfriamiento; sin embargo, la práctica de ingeniería de refrigeración, trata casi enteramente con la transmisión de calor.
Esta aparente paradoja es uno de los conceptos fundamentales que deben ser comprendidas para entender la operación de un sistema de refrigeración.
La termodinámica es una rama de la ciencia que trata sobre la acción mecánica del calor. Hay ciertos principios fundamentales de la naturaleza, llamadas leyes termodinámicas, que rigen nuestra existencia aquí en la tierra, varios de los cuales son básicos para el estudio de la refrigeración. La primera y la más importante de estas leyes dice:
“LA ENERGÍA NO PUEDE SER CREADA NI DESTRUIDA, SOLO PUEDE TRANSFORMARSE DE UN TIPO DE ENERGÍA EN OTRO”
Calor
El calor es una forma de energía, creada principalmente por la transformación de otros tipos de energía en energía de Calor; por ejemplo, la energía Mecánica que opera una rueda causa fricción y crea calor. Calor es frecuentemente definido como energía en transito, porque nunca se mantiene estática, ya que siempre está transmitiéndose desde cuerpos cálidos a los cuerpos fríos. La mayor parte del calor en la tierra se deriva de las radiaciones del Sol.
Una cuchara sumergida en agua helada pierde su calor y se enfría; una cuchara sumergida en café caliente absorbe el calor del café y se calienta. Sin embargo, las palabras “Más Caliente” y “Más Frío”, son sólo términos comparativos.
Existe calor a cualquier temperatura arriba del cero absoluto, incluso en cantidades extremadamente pequeñas. Cero absoluto es el término usado pro los científicos para describir la temperatura más baja que teóricamente es posible lograr, en el cuál no existe calor, y que es de –273ºC (-460ºF). La temperatura más fría que podemos sentir en la tierra es mucho más alta en comparación con esta base.
Temperatura
La temperatura es la escala usada para medir la intensidad del calor y es el indicador que determina la dirección en que se moverá la energía de calor.
También puede definirse como el grado de calor sensible que tiene un cuerpo en comparación con otro. En algunos países, la temperatura se mide en Grados Fahrenheit (ºF), pero en nuestro país, y generalmente en el resto del mundo, se usa la escala de Grados Centígrados, algunas veces llamadas Celsius. Ambas escalas tienen dos puntos básicos en común: el punto de congelación y el de ebullición del agua al nivel del mar. Al nivel del mar, el agua se congela a 0ºC o a 32 ºF y hierve a 100 ºC o a 212ºF. En la escala Fahrenheit la diferencia de temperatura entre estos dos puntos está dividida en 180 incrementos de igual magnitud llamados grados Fahrenheit, mientras que en la escala Centígrados, la diferencia de Temperaturas está dividida en 100 incrementos iguales llamados Grados Centígrados. La relación existente entre las escalas Fahrenheit y Centígrados se establece por la siguiente formula:
(
F 32)
9 5 C 32 C 5 9 F − ° = ° + ° = ° 460 F R 273 C K + ° = + ° =Medida de calor.
La medida de la temperatura no tiene ninguna relación con la cantidad de calor. Una llamada de fósforo puede tener la misma temperatura que una hoguera, pero obviamente la cantidad de calor que despide es totalmente diferente.
La unidad básica para medir calor usado en nuestro país, es la caloría que se define como la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un gramo de agua 1 ºC. Por ejemplo, para aumentar la temperatura de un litro de agua de 95 a 100 ºC, se requieren 5000 calorías. (Un litro de agua pesa 1000 gramos), o sea:
1000 x ( 100 – 95) = 5000 calorías
Sin embargo, la unidad de calor empleada comúnmente es la Kilo-Caloría (KCAL) que equivale a 1.000 calorías y que pueden ser definidas como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un Kg. De Agua, un grado Centígrado.
En el sistema Inglés, la unidad de calor es la BRITISH THERMAL UNIT (B.T.U.). Un B.T.U. Puede definirse como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua 1 ºF. Por ejemplo: Para aumentar la temperatura de un Galón de agua (Aproximadamente 8,3 Lb) de 70 º F a 80 ºF, se requieren 83 BTU
8,3 x (80 – 70) = 83 B.T.U.
Calor específico.
El Calor específico de una sustancia es su capacidad relativa de absorber o ceder calor tomando como base la unidad de agua pura, y se define como la cantidad de Kilocalorías o (BTU) necesarias para aumentar o disminuir la temperatura de un Kilo o (libra) de cualquier sustancia en 1ºC o (1ºF). Por definición, el calor específico del agua es 1,0 pero la cantidad de calor necesaria para aumentar o disminuir la temperatura de otras substancias varía. Se requieren únicamente 0,64 Kcal por Kilo (0,64 BTU por libra) para aumentar o disminuir la temperatura de un kilo (Libra) de Aluminio 1 ºC (1ºF), por lo tanto, los calores específicos de estas dos substancias son 0,64 y 0,22 respectivamente.
Calor sensible
El calor sensible se define como el calor que provoca un cambio de temperatura en una sustancia. En otras palabras es como su nombre lo indica, el calor que puede percibirse por medio de los sentidos. Cuando la temperatura del agua se eleva de 0ºC a 100ºC, hay también un aumento de calor sensible.
Calor latente
Calor latente es el que necesita para cambiar un sólido en líquido, o un líquido en gas, es decir cambiar de estado, sin variar la temperatura de la sustancia. La palabra latente significa “oculto”, o sea que este calor requerido para cambiar el estado de una sustancia y no es percibido por los sentidos.
Tabla de calores específicos
ALIMENTOS
PRODUCTO (KCAL/(KG*ºC)) Cp (antes) (KCAL/(KG*ºC)) Cp (Después) CALOR LATENTE (KCAL/KG) Tº CONG. ºC APIO BROCOLI CARNE VACUNO CARNE CABRA CEBOLLAS CARNE CERDO CEREZAS CHOCLO CHOCOLATES CIRUELAS COLIFLOR CREMA (40%) DURAZNOS ESPÁRRAGOS ESPINACAS FRAMBUESAS FRESAS HELADO HIGOS HUEVOS JAMONES LECHE LECHUGA LEGUMBRES LIMONES MANTECA MANTEQUILLA MELONES MEMBRILLOS NARANJAS OSTIONES PAPAS PERAS PESCADO PIÑAS PLATANOS POLLO POROTOS QUESO VIENESAS SALMÓN TOMATES UVAS ZANAHORIAS 0,91 0,9 0,72 0.65 0,67 0,91 0,68 0,90 0,79 0,56 0,88 0,90 0,85 0,91 0,91 0,92 0,87 0,90 0,77 0,71 0,85 0,68 0,90 0,90 0,90 0,91 0,60 0,64 0,91 0,90 0,91 0,83 0,86 0,91 0,76 0,90 0,90 0,79 0,78 0,70 0,86 0,76 0,92 0,90 0,93 0,46 0,48 0,40 0.35 0,30 0,51 0,38 0,49 0,42 0,30 0,48 0,56 0,40 0,41 0,49 0,51 0,49 0,49 0,45 0,44 0,45 0,38 0,49 0,46 0,45 0,49 0,39 0,34 0,47 0,49 0,44 0,44 0,47 0,49 0,41 0,50 0,42 0,37 0,36 0,40 0,56 0,41 0,46 0,61 0,45 75,55 74,99 52,77 54.42 46,38 72,22 48,05 66,66 59,00 22,22 64,44 73,88 49,99 71,11 74,99 71,66 66,66 66,66 20,55 64,44 55,55 48,05 68,88 75,55 72,22 69,99 49,99 8,33 71,11 67,77 69,44 64,44 62,27 67,77 56,11 71,11 59,99 58,88 54,99 47,77 47,77 60,00 73,33 62,22 69,99 -1,3 -1,7 -1,7 -1.7 -1,7 -1,1 -2,8 -1,5 -0,6 -0.7 -2,2 -1,1 -2,2 -1,7 -1,1 -1,1 -1,5 -1,5 -1,7 -2,2 -0,3 -0,6 -0,6 -0,6 -1,1 -2,2 0 -1,1 -1,7 -2,2 -2,1 -2,8 -1,7 -2,5 -2,2 -1,0 -2,0 -2,8 -2,3 -16,1 -1,7 -2,2 -0,9 -2,2 -1,1
Tonelada americana de refrigeración
Aún en nuestro medio es muy frecuente hablar de toneladas de refrigeración, la cual es realmente una unidad americana basada en el efecto frigorífico de la fusión del hielo. La tonelada de refrigeración puede definirse como la cantidad de calor absorbida por la fusión de una tonelada de hielo sólido puro en 24 horas. Puesto que el calor latente de fusión de una libra de hielo es de 144 BTU, el calor latente de una tonelada americana (2000 libras) de hielo será 144 * 2000, o sea 288,000 BTU por 24 horas. Para obtener el calor por hora es necesario dividir entre las 24 horas, lo cual da una cantidad de 12.000 BTU/HORA, que recibe el nombre de “TONELADA DE REFRIGERACION”. Puesto que el calor latente del hielo en el sistema métrico es de 80 Kilo- Calorías y que y una tonelada americana e igual a 907.187 kilos, la tonelada de refrigeración es igual a 80 * 907.185 o sea 72.575 kilo- calorías por 24 horas, es decir, 3.024 kilo-calorías por hora.
Calor latente de fusión
El cambio de una sustancia de sólido a líquido o de líquido a sólido requiere calor latente de fusión. Este también puede llamare calor latente de fusión o calor latente de congelación.
Cuando se derrite un kilo de hielo, éste absorbe 80 kilo-calorías (144 BTU) a una temperatura constante de 0ºC (32ºF); del mismo modo, cuando se congela un kilo de agua para convertirla en hielo, deben sustraérsele 80 kilo- calorías (144 BTU) a una temperatura constante de 0ºC (32ºF). En la congelación de productos alimenticios, únicamente se considera el calor latente del porcentaje de agua que estos contienen; por tanto, el calor latente se conocerá, determinado e porcentaje de agua que existe en dichos productos.
Calor latente de evaporación
Para cambiar una sustancia de líquido a vapor y de vapor a líquido se requiere calor latente de evaporación. Puesto que la ebullición es sólo un proceso acelerado de evaporación, este calor también puede llamarse calor latente ebullición, calor latente de evaporación, o para el proceso contrario, el calor latente de condensación.
Cuando un kilo de agua hierve o se evapora, absorbe 539 kilo- calorías (970 BTU) a una temperatura constante de 100ºC (212ºF) al nivel del mar; igualmente, para condensar un kilo de vapor deben sustraerse 539 kilo- calorías (979 BTU).
Debido a la gran cantidad de calor latente que interviene en la evaporación y en la condensación, la transmisión de calor puede ser eficiente mediante este proceso. Los mismos cambios de estado que afectan al agua se aplican también a cualquier líquido a diferentes presiones y temperaturas.
La absorción de calor para cambiar un líquido a vapor y la sustracción de este calor para condensar nuevamente el vapor, es la clave para todo el proceso de la refrigeración mecánica y la transmisión del calor latente requerido, es el instrumento básico de la refrigeración.
Calor latente de sublimación
El proceso de sublimación es el cambio directo de un sólido a un vapor sin pasar por el estado líquido, que puede ocurrir en algunas sustancias. El ejemplo más común es el uso de “hielo seco” o sea dióxido de Carbono para enfriar. El mismo proceso puede ocurrir con hielo abajo de su punto de congelación, y se utiliza también en algunos procesos de congelamiento a temperaturas extremadamente bajas y altos vacíos. El calor latente de sublimación es igual a la suma de calor latente de fusión y el calor latente de evaporación.
Temperatura de saturación
Saturación es la condición de temperatura y presión en la cual el líquido y el vapor pueden existir simultáneamente. Un líquido o vapor esta saturado cuando está en su punto de ebullición (para el nivel del mar, la temperatura de saturación del agua es de 100ºC o 212 ºF). A presiones más altas la temperatura de saturación aumenta, y disminuye a temperatura más baja.
Vapor sobrecalentado
Cuando un líquido cambia a vapor, cualquier cantidad adicional de calor aumentará su temperatura (calor sensible). Siempre y cuando la presión a la que se encuentre expuesto se mantenga constante. El término vapor sobrecalentado se emplea para denominar un gas cuya temperatura se encuentre arriba de su punto de ebullición o saturación. El aire a nuestro alrededor contiene vapor sobrecalentado.
Líquidos subenfriaoos
Cualquier líquido que tenga una temperatura inferior a la temperatura de saturación corresponde a la presión existente, se dice que s encuentra subenfríado. El agua a cualquier temperatura por debajo de su temperatura de ebullición (100ºC al nivel del mar) está subenfríada.
Presión atmosférica
La presión se expresa como una fuerza perpendicular ejercida sobre un área o superficie. Pues bien la presión atmosférica será la fuerza de gravedad que atrae la capa de gases que componen la atmósfera sobre la superficie terrestre, y se denomina presión atmosférica estándar a la presión atmosférica a nivel del mar.
Presión absoluta
Generalmente, la presión absoluta expresa en términos de bar o de kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado o (libras-fuerza por pulgada cuadrada) y se cuenta a partir del vacío perfecto en el cual no existe la presión atmosférica. Por tanto en el aire a nuestro alrededor, la presión absoluta y la atmósfera son iguales.
Presión manométrica
Un manómetro de presión está calibrado para leer 0 kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado o (libras-fuerza por pulgada cuadrada) cuando no está conectado a algún recipiente con presión; por tanto, la presión absoluta de un sistema cerrado será siempre la presión manométrica más la presión atmosférica. Las presiones inferiores a la presión atmosférica Standard son realmente lecturas de depresión en los manómetros y se denominan vacíos. Un manómetro de refrigeración mixto (compound) está calibrado en el equivalente en milímetros (pulgadas) de Mercurio por las lecturas de depresión. Puesto que 1.03 Kg/cm2 (14.7 PSI) equivale aproximadamente a 760 milímetros de columna de Mercurio (29.92 pulgadas).
Es importante recordar que la presión manométrica es siempre relativa a la presión absoluta. La TABLA Nº 1 demuestra la relación de presiones a diferentes altitudes suponiendo que las condiciones atmosféricas sean normales.
La columna en milímetros (pulgadas) de Mercurio, indica los milímetros (pulgadas) de Mercurio que una bomba de vacío perfecta debería obtener teóricamente. Por lo tanto a 1.525 metros (5ies) de altura y bajo condiciones atmosféricas normales, un vacío perfecto sería de 632 milímetros (24.89 pulgadas) de Mercurio, mientras que al nivel del mar sería de 760 milímetros de Mercurio (29.92 pulgadas).
RELACIÓN DE PRESIONES A DIFERENTES LATITUDES
ALTITUD PRESIONES PUNTO DE EBULLICI ÓN DEL AGUA
MANOMETRICAS ABSOLUTA ATMOS
Metros pies Kg/cm2 PSIG Kg/cm2 PSIA mm Hg Pulg. Hg ºC ºF 0 305 610 915 1220 1525 0 1000 2000 3000 4000 5000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.03 1.00 0.96 0.93 0.89 0.86 14.7 14.2 13.7 13.2 12.7 12.2 760 733 707 681 656 632 29.92 28.85 27.82 26.81 25.84 24.89 100 99 98 97 96 95 212 210 208 206 205 203
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La segunda ley de la termodinámica, como se discutió antes establece que se transfiere calor en una sola dirección, de mayor a menor temperatura; esto tiene lugar a través de tres modos básicos de transferencia de calor que se detallan a continuación.
Conducción
La conducción se describe como la transferencia de calor entre las moléculas cercanas de una sustancia, o entre sustancias que están tocándose o en un contacto físico real con la otra. Cuando la transferencia de calor ocurre en una sola sustancia, tal como una varilla de metal con un extremo en una llama de fuego, el movimiento de calor va hasta que hay un balance de temperatura a todo lo largo de la longitud de la varilla. Si la varilla se sumerge en agua, las moléculas que se mueven rápidamente sobre la superficie de la varilla transmitirán algún calor a las moléculas del agua y otra transferencia de calor por conducción tendrá lugar. Cuando la superficie exterior de la varilla se enfría, hay aún algún calor dentro de la varilla y este continuará transfiriéndolo a las superficies exteriores de la varilla y luego al agua hasta que se alcanza el balance de temperatura.
La velocidad con la cual el calor se transfiere por medio de la conducción varía con las diferentes sustancias o materiales si éstas poseen iguales dimensiones. La tasa de transferencia de calor variará de acuerdo a la habilidad de los materiales o sustancias para conducir calor.
Los sólidos, en general son mucho mejore conductores que los líquidos; y a su vez los líquidos conducen el calor mejor que los gases o los vapores.
La mayoría de los metales tales como la plata, cobre, acero y el hierro, conducen el calor mucho más rápidamente, mientras que otros materiales tales como vidrio, la madera y otros materiales de construcción, transfieren el calor en una tasa mucho más lenta y por consiguiente solo usados como aislantes.
El Cobre es un excelente conductor de calor como lo es el Aluminio. Estas sustancias son ordinariamente usadas en los evaporadores, condensadores y tubería de refrigerante que conecta los varios componentes de un sistema de refrigeración, aunque el hierro es ocasionalmente usado con algunos refrigerantes. La tasa a la cual el calor pueda conducirse a través de varios materiales depende de factores tales como:
a) El espesor del material
b) La diferencia de temperatura entre los lados del material c) La conductividad térmica (factor k) de un material d) El tiempo de duración del flujo de calor.
La figura es una Tabla de factores de conductividad térmica de algunos materiales comunes. CONDUCTIVIDAD PARA MATERIALES AISLANTES Y DE CONSTRUCCIÓN
MATERIAL CONDUCTIVIDAD (k)
(Kcal/(h) (Mt) (ºC) Madera en láminas
Aislamiento de Poliestileno expandido Aislamiento de Poliuretano inyectado Mortero
Estuco
Ladrillo (común) Yeso (con arena) Piedra Adobe Fibra de Algodón 0.10 0.004 0.0003 1.2 1.3 0.70 0.6 5,5 0,6 0,032
Nota: Los factores k están dados en [(Kcal/ (hr x Mt x ºC)] estos factores pueden utilizarse correctamente a través del uso de la siguiente ecuación:
Ecuación n° 1: X T Ak Q = ∆ DONDE: A : Área seccional en Mt2
K : Conductividad térmica en [Kcal/(h)(Mt)(ºC)] ∆T : Diferencia de temperatura entre los dos lados X : Espesor del material en Metros.
Los materiales de una alta conductividad se usan dentro del sistema de refrigeración en si mismo a causa de que es deseable que una transferencia de calor rápida ocurra tanto en el evaporador como en el condensador. El evaporador es donde el calor se remueve, del espacio refrigerado o el proceso que ha estado en contacto directo con la sustancia. El condensador disipa este calor a otro medio o espacio.
En el caso del evaporador el producto o aire está a una mayor temperatura que el refrigerante dentro de la tubería y hay una transferencia de calor de mayor a menor temperatura; mientras que en el condensador el vapor del refrigerante está a una mayor temperatura que la del medio enfríante viajando a través del condensador, y aquí de nuevo hay una transferencia de calor de mayor a menor temperatura. La tubería lisa bien sea de Cobre, Aluminio o de cualquier otro metal, transferirá calor de acuerdo a su conductividad o factor k, pero esta transferencia de calor puede incrementarse mediante la adición de aletas a la tubería.
Estas incrementarían el área de superficie de transferencia de calor, por consiguiente incrementando la eficiencia total del sistema.
Si la adición de aletas dobla el área superficial puede demostrarse en el uso de la ecuación (1) que la transferencia de calor total será en sí mismo doblada cuando se compare con la de la tubería libre.
Convección
Otro medio de transferencia de calor es por el movimiento de material calentado en sí mismo cuando se trata de un líquido o gas. Cuando el material se calienta, las corrientes de convección son producidas dentro del mismo y las porciones más calientes de él suben, ya que el calor trae consigo el decrecimiento de la densidad del fluido y un incremento en su volumen específico.
El aire dentro de un refrigerador y e agua que se calienta en una vasija son ejemplo primario de los resultados de las corrientes de convección.
El aire en contacto con el serpentín de enfriamiento de un refrigerador llega a enfriarse y por consiguiente se vuelve más denso, y empieza a bajar a la parte inferior e éste. Al hacerlo absorbe inferior calor de los alimentos y de las paredes del refrigerador, el cual a través de conducción, ha ganado calor del cuarto
Después de que el calor ha sido absorbido por el aire, éste se expande volviéndose más liviano y sube nuevamente al serpentín enfriador en donde el calor nuevamente se renueva de él.
El ciclo de convección se repite siempre que haya una diferencia de Temperatura entre el aire y el evaporador. Las corrientes de Convección tales como las explicadas aquí son naturales, y, o como el caso de un refrigerador, el flujo natural es un flujo lento. En algunos casos la convección debe incrementarse con el uso de ventiladores o sopladores; en el caso de los líquidos se usan bombas para forzar la circulación y la transferencia de calor de un lugar a otro.
Radiación
Un tercer medio de transferencia de calor es la radiación por medio de ondas similares a las de la luz o las ondas de sonido. Los rayos del sol calientan la tierra por medio de ondas de calor radiantes el cual viaja en caminos rectos sin calentar la materia que interviene en su recorrido o el aire. El calor de un bulbo de luz o de una estufa caliente es radiante en naturaleza y se siente cuando se está cerca de ella, aunque el aire entre la fuente y el objeto cuando los rayos pasan a través de él no se calienta.
Si usted ha estado relajándose en un edificio sombreado o en un árbol en un día caliente o soleado y se mueve directamente a los rayos del sol, el impacto directo de las ondas caloríficas le golpeará como un pesado martillo aún cuando la temperatura del aire en la sombra es aproximadamente la misma que en la parte soleada. A bajas temperaturas hay solamente una pequeña cantidad de radiación, y solamente se sienten pequeñas diferencias de temperatura, por consiguiente la radiación tiene pequeño efectos en el proceso real de refrigeración, pero los resultados de la radiación de los rayos solares pueden causar un incremento en la carga de refrigeración en un edificio expuesto a estos rayos.
El calor radiante es rápidamente absorbido por materiales o sustancias oscuras o mates, mientras las superficies o materiales con colores claros, reflejarán las ondas de calor radiante, como lo hacen con los rayos de luz.
Este principio también se utiliza en el campo del Aire Acondicionado, donde, con techos y paredes claras, penetrará menos calor radiante en el espacio acondicionado, reduciendo así el tamaño del equipo de enfriamiento requerido. El calor radiante también penetra fácilmente las ventanas con vidrios claros, pero es absorbido por vidrios opacos o traslúcidos.
Cuando el calor radiante o energía (ya que todo el calor es energía) es absorbido por un material o sustancia, se convierte en calor sensible, el cual puede sentirse o medirse. Todo cuerpo o sustancia absorbe energía radiante en algunas cantidades, dependiendo de la diferencia de temperatura entre el cuerpo específico o sustancia y la otra sustancia. Toda sustancia radiará energía cuando su temperatura es mayor que el cero absoluto y otra sustancia próxima este a menor temperatura.
Si un automóvil se deja sol bajo el sol caliente, con las ventanas cerradas durante un período de tiempo largo, la temperatura dentro del carro será mucho mayor que la del medio ambiente que lo rodea. Esto demuestra que la energía absorbida por los materiales de los cuales se construye el carro se convierte a calor sensible, que puede medirse.
CAPÍTULO III / FUNDAMENTOS DE REFRIGERACIÓN
Como refrigerante se entiende todo aquel fluido que se utiliza para transmitir el calor en un sistema frigorífico y que absorbe calor a bajas temperaturas y presión, y lo cede a temperaturas y presión mas elevada, generalmente con cambios de estado del fluido.
Los refrigerantes se identifican por su fórmula química o por una denominación simbólica numérica; no es suficiente identificarlos por su nombre comercial.
En 1956, la compañía DU PONT ideo y registró un método para clasificar numéricamente los refrigerantes, con el se eliminaba el uso de complicados nombres químicos. La asociación americana de ingenieros en refrigeración calefacción, ventilación y aire acondicionado (ASHRAE) adopto este sistema en 1960.
El numero del refrigerante esta relacionado con el numero de átomos de fluor, de hidrogeno, de carbono y el numero de enlaces químicos dobles.
De acuerdo a esto la tabla de refrigerantes que identifico a los refrigerantes hasta 1993 era la siguiente:
N° de Refrig. nombre formula punto de ebullición °c 10 tetracloruro de carbón CCI4 76,7
11 triclorofruorometano CCI3F 23,8 12 diclorodifluorometano CCI2F2 -29,7 13 cloritrifluorometano CCIF3 -81,6 13b1 bromotrifluorometano CBRF3 -57,7 14 tretraflururo de carbono CF4 -145,6 20 cloroformo CHCI3 78,8 21 diclorofluorometano CHCI2F 26,6 22 clorodifluorometano CHCIF2 -40,7 23 trifluorometano CHF3 -81,9
30 cloruro de metileno CH2CI2 40,6 31 clorofluorometano CH2CIF -9,1 32 difluorometano CH2F2 -51,7
40 cloruro de metilo CH3CI -23,7 41 fluoruro de metilo CH3F -78,2
50 metano CH4 -179,2 112 tetraclorodifluorometano CCI2FCCI2F 92,7 113 triclorotrifluoroetano CCI2FCCIF2 47,5 113a triclorotrifluuoretano CCI3CF3 45,6
114 diclorotetrafluoretano CCIF2CCIF2 3,5 114a diclorotetrafluoroetano CCI2FCF3 3,6 114b2 dibromotetra CBRF2CBRF2 47,5 115 clopentafluoroetano CCIF2CF3 -27,5 116 hexafluoroetano CF3CF3 -78,14
124 clorotetrafluoroetano CHCIFCF3 -12 124a clorotetrafluoroetano CHF2CCIF2 -10
125 pentafluoroetano CHF2CF3 -48,3 133a clorotrifluoroetano CH2CICF3 6,1 142b clorodifluoroetano CH3CCIF2 -9,7 143a trifluoroetano CH3CF3 -47,3 152a difluoroetano CH3CF3 -24,6 160 cloruro de etilo CH3CHF2 12,3 170 etano CH3CH3 -88,5 218 octafluoropropano CF3CF2CF3 -37,9 290 propano CH3CH3CH3 -42,2 compuestos cíclicos c316 diclorohexafluorciclobutano C4CI2F6 60 c318 octafluorciclobutano C4F8 -5,8
otros hidrocarbones (hidrocarburos)
600 butano CH3CH2CH2CH3 -0,38 601 isobutano CH(CH3)3 -10 1150 etileno CH2=CH2 -103,5 1270 propileno CH3CH=CH2 -47,5 azeotropos 500 ref 12/152a (73,8/26,2) -33,3 501 ref 22/12 (75/25) -41,1 502 ref 22/115 (48,8/21,2) -45,5 503 ref 23/13 (40/60) -88,5 compuestos inorgánicos 717 amoniaco NH3 -33,3 718 agua H2O 100 729 aire -194,2 744 dióxido de carbono CO2 -78,2 744a oxido nitroso N2O -88,2
764 dióxido de azufre SO2 -10
Los refrigerantes además se califican en tres grupos según su grado de seguridad o peligrosidad. El criterio que se sigue para ello es el siguiente:
A. grupo primero
Comprende los refrigerantes que no son combustibles y que poseen una acción tóxica muy pequeña o nula.
B. grupo segundo
Comprende los refrigerantes que son tóxicos o corrosivos, o que al combinarse con el aire, en una porción 3,5% o más en volumen, pueden formar una mezcla combustible o explosiva.
c. grupo tercero
Comprende los refrigerantes que, al combinarse con el aire en proporción inferior al 3,5 % en volumen, puede constituir una mezcla combustible o explosiva. En el anexo se encuentran las características de los diferentes refrigerantes, tanto la calificación como los efectos fisiológicos.
CLASIFICACION DE LOS REFRIGERANTES
(Reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones Frigoríficas, 1979) Número de
Identificación del
refrigerante Nombre químico Fórmula química
Paso molecular en gramos
Punto de ebullición en ºC a
1,013 bar Grupo primero: Refrigerante de alta seguridad
R –11 R-12 R-13 R-13B1 R-14 R-21 R-22 R-113 R-114 R-115 R-C318 R-500 R-502 R-744 Triclorofluormetano Diclorodifluormetano Clorotrifluormetano Bromotrifluormatano Tetrafluoruro de carbono Diclorofluormetano Clorodifluormetano 1,1,2-Triclorofluoretano 1,2Diclorotetrafluoretano cloropentafluoretano octofluorciclobutano R-12 (73,8%) + R-152 a (26,2%) 22 (48,8%) + R-115(51,2%) Anhídrido Carbonico CCI3F CCI2F2 CCIF3 CBrF3 CF3 CHCI2F CHCIF2 CCI2FCCIF2 CCIF2CCIF2 CCIF2CF3 C1F3 CC2F2/CH3CHF2 CHIF2/CCIF2CF3 CO2 137,4 120,9 104,5 148,9 88 102,9 86,5 187,4 170,9 154,5 200 99,29 112 44 23,8 -28,8 -81,8 -58 -128 8,92 -40,8 47,7 3,5 -38,7 -5,9 -28 -45,6 -78,5 Segundo grupo: Refrigerante de medida seguridad
R-30 R-40 R-160 R-611 R-717 R-764 R-1130 Cloruro de Metileno Cloruro de Metileno Cloruro de Etileno Formiato de Metilo Amoníaco Anhídrido Sulfuroso 1,2- Dicloetileno CH2CI2 CH3CI CH3CH2CI CHOOCH3 NH3 SO2 CHCI=CHCI 84,9 50,5 -64,5 60 17 64 96,9 40,1 -24 12,5 31,2 -33 -10 48,5 Grupo tercero: Refrigerante de baja seguridad
R-170 R-290 R-600 R-600a R-1150 Etano Propano Butano Isobutano Etileno CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 CH(CH3)3 CH2=CH2 30 44 58,1 58,1 28 -88,6 -42,8 0,5 -10,2 -103,7
Efectos fisiológicos de los refrigerantes
.Porcentaje en volumen de
concentración en el aire Caracterís-ticas Advertencia Número de
dentificación Nombre químico Fórmula química
Lesión mortal o importante en pocos minutos Peligroso de los 30 a los 60 minutos Inocuo de 1 a 2 horas Grupo primero: Refrigerantes de alta seguridad R-11 R-12 R-13 R-1381 R-14 R-21 R-22 R-113 R-114 R-115 R-C318 R-500 R-502 R-744 Triclorofluormetano Diclorodifluormetano Clorotrifluormetano Bromotrifluormetano Tetrafluorurodecarbono Diclorofluormetano Clorodifluormetano 1,1,2-Triclorofluoretano 1,2Diclorotetrafluoretano cloropentafluoretano Octofluorciclobutano R-12 (73,8%) + r-152ª (26,2%) R-22 (48,8%) + R-115 (561,2%) Anhídrido Carbónico CCI3F CCI3F2 CCIF3 CBrF3 CF4 CHCI2F CHACIF2 CCI2FCIF2 CCIF2CCIF2 CCIF2CF2 C2F2 CCI2F2/CH3CHF2 CHSIF2/CCIF2CF3 CO2 8 10 5 a 10 5 a 6 10 20 a 30 20 a 30 20 a 30 5 20 2,5 20 a 30 20 a 30 20 a 30 20 20 2 a 4 a b b b a b a b b b b b c Pueden producirse gases de descomposición tóxicos en presencia de llamas, su olor intenso proporciona un aviso antes de alcanzarse concentraciones peligrosas
Grupo segundo: Refrigerantes de media seguridad R-30 R-40 R-60 R-717 R-764 R-1130 Cloruro de metileno Cloruro de Metilo Cloruro de Etilo Amoníaco Anhídrido sulfuroso 1,2-Dicloroetileno CH2CI2 CH3CI CH3CH2CI NH3 SO2 CHCI=CHCI 5 a 5,4 15 a 30 15 a 30 0,5 a 1 0,2 a 1 2 a 2,4 2 a 4 6 a 10 0,2 a 0,3 0,04 a 0,05 2 a 2,5 0,2 0,05 a 0,1 2 a 4 0,01 a 0,03 0,005 a 0,004 a f f d, e d, e f Gases de descomposición tóxicos e inflamables. Gases de descomposición tóxicos e inflamables. Gas de descomposición tóxico e inflamable. Corrosivo Corrosivo Gases de Descomposición tóxicos e inflamables. Grupo tercero: Refrigerantes de baja seguridad
R-170 R-290 R-600 R-600a R-1150 Etano Propano Butano Isobutano etileno CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 CH(CH3)3 CH2=CH2 6,3 4,7 a 5,5 4,7 a 5,5 5 a 5,6 4,7 a 5,5 g g g g g Altamente inflamables...
Las letras de la columna “características” significan: a) Altas concentraciones producen efectos soporíferos.
b) Altas concentraciones provocan una disminución en la cantidad de oxigeno, originando sofoco y peligro de asfixia.
c) No posee olor característico, pero posee un margen muy pequeños entre los efectos no tóxicos y mortales d) Olor característico, incluso a concentraciones muy bajas
e) Irritante, incluso a concentraciones muy bajas f) Muy soporífero
g) No produce lesiones mortales o importantes a concentraciones por debajo de los límites inferiores de explosión; de hecho, no es tóxico.
CONCEPTO DE CARGA TÉRMICA
La carga térmica
Para mantener fría una cámara y todo lo que este contenida en ella, es necesario extraer el calor inicial y después el que pueda ir entrando en la cámara por bien aislada que este.
El requerimiento total de refrigeración, Q total, puede establecerse como siguiente:
Q total = Q producto + Q otras fuentes
En la anterior expresión, los términos del segundo miembro tienen el siguiente significado:
Q producto = representa los sumandos necesarios que tiene en consideración en la carga térmica a eliminar procedente del calor sensible, del calor latente de solidificación, de las reacciones químicas del embalaje y del calor absorbido para la congelación del agua de los alimentos o productos que se desea refrigerar.
Q otras fuentes = Incluye entre otros los flujos de calor a través de los cerramientos de la cámara por transmisión de paredes, suelo y techo, la refrigeración para el aire exterior que se introduce, la ventilación, las cargas térmicas debidas a ventiladores, bombas, iluminación eléctrica, personas que manipulan los productos, etc.
Como el calor generado en las 24 horas de un día se ha de extraer en un número de horas menor, en las horas de funcionamiento diario, la potencia frigorífica de la maquinaria NR habrá de ser superior a la potencia Q total calculada para extraer en las 24 horas. Su valor será:
t Q
NR = total
Transmisión de calor a través de estructura
La ganancia de Calor a través de paredes, pisos y techos, variará según las siguientes características:
A.- Tipo de Construcción.
B.- Área expuesta a diferentes temperaturas C.- Tipo y espesor del aislante
D.-Diferencia de Temperatura entre el espacio refrigerado y la temperatura ambiental.
Este cálculo se establece a partir de la ecuación:
Q = A x u x (Tº ext - Tº int)
Donde:
A =Área de Intercambio
U = Coeficiente Global de Transferencia T ext. = Temperatura Exterior
T int = Temperatura Interior
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR
Diagrama presión entalpía
Para realizar ciertos cálculos en instalaciones d refrigeración es preciso disponer, y saber manejar, los diagramas que permiten trabajar a diferentes presiones, temperaturas y contenido entálpicos del medio refrigerante que se utilice. Los diagramas permiten obtener los datos termodinámicos que se necesitan para resolver los problemas que se plantean en los ciclos de refrigeración.
Hay varios tipos de diagramas; Uno de los más empleados es el de presión-entalpía.
Este diagrama tiene la presión en ordenadas (eje vertical) y la entalpía en absisas (eje horizontal). Mediante líneas que atraviesan el diagrama se indican la temperatura, el volumen específico y a entropía.
En el diagrama modélico indicado puede apreciarse las zonas de Vapor saturado, líquido saturado, vapor recalentado, liquido subenfriado y mezcal liquido- vapor ene interior de la campana.
Cada refrigerante tiene su propio diagrama
Esto quiere decir que el diagrama de cada refrigerante tiene su propia forma y dimensiones y no puede utilizarse un diagrama cualquiera para todos los casos, sino que debe utilizarse el específico del refrigerante. Vamos a repasar el significado de las diferentes zonas.
Vapor Saturado:
Es vapor que se encuentra en equilibrio con su fase liquida a presión y temperaturas especificadas.
Vapor Recalentado:
Es vapor que se ha calentado. Esta representado por la zona de la derecha de la campana.
Líquido Saturado:
Es líquido que está a punto de hervir. Esta representado por la curva de la izquierda de la campana.
Líquido Subenfríado:
Es un líquido a una temperatura inferior a la de saturación. Esta representado por la zona de la izquierda de la campana.
Mezcla líquido- Vapor: Es la zona interior de la campana.
La campana esta rematada por el punto Crítico, que representa unas condiciones de presión y temperaturas tales que no distingue el estado del fluido (si es liquido o gas)
CICLO DE REFRIGERACIÓN
Como observamos el capitulo anterior los refrigerantes son sustancias utilizadas en los equipos de refrigeración. Tienen la particularidad de evaporarse en condiciones de presión y temperaturas relativamente bajas, absorbiendo calor. Por otra parte, al condensarse a presiones superiores, ceden su calor a un medio circundante que puede ser en general agua o aire.
Los refrigerantes actualmente están instalados, mediante un equipo formando por compresor, condensador dispositivo de expansión y evaporador en el denominado CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR.
Su utilización práctica supera el 98% de las aplicaciones frigoríficas. En este sistema se incrementa la presión del vapor del refrigerante, desde la que tiene en el evaporador hasta la necesaria en condensador, mediante la incorporación energética proporcionada por el compresor.
Ciclo teórico básico de comprensión de vapor
Para estudiar un sistema de refrigeración o de producción de frío, es preciso fijarse en el comportamiento de refrigerante y mediante que elementos se produce la variación de las características físicas para llevar a cabo el proceso.
Inicialmente y de forma muy esquemática los elementos principales intervienen en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor son los que ese representan en la figura siguiente:
A evaporador; B compresor; C condensador; D dispositivo de expansión Ciclo de refrigeración por compresión de vapor
En el proceso tienen lugar dos fenómenos con balance de calor:
La evaporación de un refrigerante en estado líquido produce la absorción de calor o, lo que es lo mismo, baja la temperatura en el recinto o cámara donde se encuentra, produciendo sensación de frío
La condensación del Vapor de un refrigerante se produce mediante una sesión de calor al ambiente, lo cual se traduce en una elevación de temperatura el mismo.
Este proceso es continuo y depende de las condiciones que los elementos que configuren la instalación impongan al refrigerante, de modo que pueda seguirse desde cualquier punto.
Diagrama de presión entalpía
En la figura, veamos el ciclo que se producirá en un circuito frigorífico ideal sobre el diagrama Presión- entalpía de cualquier refrigerante. Sobre las abscisas se representa la entalpía del refrigerante en Kjoule/Kg y sobre las ordenadas la presión en Psi o bar
El diagrama es conocido para cada refrigerante, y su principal elemento característico es la curva de saturación del mismo, como ya se ha explicado.
Situémonos en el punto antes del dispositivo de expansión, previa al evaporador, en que el refrigerante se encuentra en estado líquido a una cierta presión; su paso al evaporador se controla mediante un dispositivo cuya función es regular el paso de refrigerante.
Dicha válvula produce una estrangulación brusca que hace que a presión descienda desde la que tenía a la salida del condensador hasta la existente a la entrada del evaporador.
La válvula es el regulador automático de los límites entre los que se denomina parte de alta presión y parte de baja presión, presiones entre las cuales la válvula se ve forzada de trabajar.
Esta bajada de presión en el evaporador hace que el refrigerante hierva y se produzca su evaporación, auxiliado por la cantidad de calor que absorbe del recinto en que se encuentra, a través del aire del mismo y transfiriéndolo al liquido, que se va transformando en vapor en el interior de los tubos de serpentín hasta que se evapora completamente.
El refrigerante, en forma de gas, entra en el compresor por la tubería denominada de aspiración o succión, a través de la válvula de aspiración (semejante a los cilindros de un automóvil). Aquí el refrigerante es comprimido aumentando por ello su presión y su temperatura hasta llegar al punto en cuyas condiciones fluye hasta la entrada del condensador.
La válvula de salida del cilindro del compresor actuará de retención, impidiendo que el gas regrese hacia el mismo.
En el condensador, mediante la acción de un fluido exterior (aire, agua o ambas a la vez), se extrae calor al gas refrigerante, lo cual produce un enfriamiento del mismo favoreciendo su condensación hasta alcanzar el estado liquido; a partir de aquí s impulsado de nuevo por la tubería hacia la válvula de expansión, punto donde se repite el ciclo explicado.
Como puede observarse, en el proceso existen varias temperaturas diferentes, lo cual hace que el estado refrigerante sea distinto en varios puntos; por ejemplo, se obtiene líquido subenfriado y saturado, vapor saturado y sobrecalentado, como se verá en el ciclo real.
No obstante, en principio solo hay dos presiones perfectamente diferenciadas, que son las que corresponden a la evaporación y a la condensación.
Es por ello que puede hablarse del LADO DE ALTA PRESIÓN y del LADO DE BAJA PRESIÓN de una planta o instalación frigorífica.
Distingamos las características de presión (p), temperatura (t) y entalpía (h) de los puntos más representativos del proceso sobre dichas figuras.
El refrigerante condensado, esta a una temperatura tc (de condensación) y a una determinada presión pc (presión de condensación) y a una entalpía h1.
Cuando el líquido pasa a través de la válvula de expansión su estado disminuye su presión y aumenta su velocidad. Esta variación permite que cambie de estado, se produce por la ebullición del líquido, provocada
por la caída brusca de presión, bajando al mismo tiempo la temperatura. En este proceso el calor es constante, por lo que la entalpía no varía.
A la entrada del evaporador, coexiste una mezcla de vapor y liquido (parte interior de la curva p-h), mientras que a la salida del mismo, el vapor esta saturado.
La presión y la temperatura son las mismas, pero como el evaporador ha absorbido calor del recinto donde se encuentro, la entalpía ha aumentado antes de la entrada del compresor.
Cuando el vapor pasa por el compresor, este le confiere un aumento de presión a el vapor ha llegado, hasta el punto de presión de condensación. Esta energía añadida por el compresor hace que aumente la temperatura hasta el valor necesario, como consecuencia de haber sido recalentado el vapor, y la entalpía, por tanto, a la entrada del condensador, encontramos, pues, vapor recalentado a una presión de condensación. Allí se evacua el calor al medio ambiente, hasta conseguir que su entalpía descienda de nuevo, por tener lugar el proceso de cambio de estado de gas a líquido. En la práctica, el ciclo ideal o teórico no se produce exactamente como se ha descrito, ya que debido a otras causas, suelen producirse variaciones que apartan sensiblemente el comportamiento del refrigerante de su ciclo teórico. Es el denominado ciclo real y sus diferencias principales se encuentran las características de los elementos que constituyen a la instalación (evaporadores, condensadores compresores y tubería de refrigerante) en forma de recalentamiento o subenfriamientos que varían las condiciones teóricas de los valores de presión y temperatura, fundamentalmente.
CAPÍTULO IV / COMPONENTES DE UN SISTEMA DE
REFRIGERACIÓN
EVAPORADORES
El evaporador o serpentín de enfriamiento es la parte del sistema de refrigeración donde se retira el calor del producto: aire, agua o algo que deba enfriarse, y se define como un intercambiador de calor.
Cuando el refrigerante entra a los pasajes o tubos, que conforman el evaporador, absorbe calor de los productos que van a ser enfriados, y, cuando absorbe calor de la carga empieza a “hervir” y se vaporiza. En este proceso el evaporador ejecuta la función de puente térmico entre el medio a enfriar y el refrigerante, desarrollando el propósito total del sistema, la refrigeración.
Se desarrollan y producen evaporadores de diseños y formas diferentes para satisfacer las más variadas necesidades de los usuarios. Los tres principales tipos de evaporadores son de tubo descubierto, de superficie de placa y aleteados. Los evaporadores de tubo descubierto y superficie de placa algunas veces se les califica como evaporadores de superficie primaria debido a que para ambos tipos la superficie completa queda más o menos en contacto con el refrigerante vaporizado en su interior. Con el evaporador aleteado, los tubos que conducen el refrigerante constituyen la superficie principal, las aletas en si no tienen refrigerante en su interior y por lo mismo, son superficies secundarias en la transferencia del calor cuya función es recoger calor del aire de los alrededores y conducirlo hacia los tubos que llevan el refrigerante.
Descripción de tipos de compresores
Evaporadores de tubo descubierto
Los evaporadores de tubo desnudo por lo general se construyen de tubo de acero o cobre.
El tubo de acero se usa en evaporadores grandes y en evaporadores que trabajan con amoniaco como refrigerante, mientras que los de cobre son más pequeños y se les usa con cualquier refrigerante que no sea amoniaco.
