Diplomado en Sistemas de Refrigeración
Modulo 1:Principios y Fundamentos de la
Refrigeración
ENERGÍA:
La energía se define como la capacidad de efectuar un trabajo, se mide en kilovatios hora ( Kwh) o Julios ( Jul). La energía se manifiesta continuamente a nuestro alrededor, y se presenta en la naturaleza bajo muchas formas; energía cinética (energía que tiene un cuerpo en movimiento), energía potencial (energía que tiene un cuerpo originada por su posición en el espacio), energía eléctrica (capaz de encender un bombillo o hacer funcionar un motor), energía química (contenida en pilas y baterías, en los combustibles o en los alimentos), energía térmica, nuclear, eólica, hidráulica, mecánica, radiante o electromagnética, entre otras.
Refrigeración- Conceptos Básicos
CALOR:
Es una forma de energía contenida en la materia, que se transmite de un cuerpo o espacio a otro a causa de una diferencia de temperatura. Según la teoría molecular, el mayor o menor nivel de calor depende del mayor o menor nivel de vibración de las moléculas de la sustancia. La principal fuente de calor es el Sol. La unidad de calor en el sistema métrico es la caloría (Cal) la cual se define como el aumento de calor necesario para aumentar la temperatura de 1 gramo de agua de 15°C a 16°C. En refrigeración es muy normal el uso de la kilocaloría (KCal) lo que es igual a 1.000 calorías.
En el sistema SI la unidad para todas las formas de trabajo, incluyendo el calor es el julio (J). La conversión del sistema métrico al sistema SI viene dado por:
1 cal = 4,187 J.
1 kcal = 4,187 kJ.
Refrigeración- Conceptos Básicos
Hay una gran diferencia en la cantidad de calor que se necesita para aumentar la temperatura de distintas sustancias en1°C.
Por ejemplo: 1 Kg. de hierro necesita 0,114 KCal, por otra parte 1 Kg. de aire necesita 0,24 KCal. El calor especifico de una sustancia es el aumento de calor que requiere 1 Kg. de este cuerpo para incrementar en 1° C su temperatura.
Refrigeración- Conceptos Básicos
FRÍO:
Es la ausencia de calor que experimenta un cuerpo; no existe como magnitud en la física.
Sólo se entiende el concepto del frío como una sensación del cuerpo que ha perdido su calor normal. Se define como una propiedad adjetiva de un cuerpo, sin aportar una definición del sustantivo. El frío, en sí, es una temperatura baja (o la ausencia de una temperatura elevada), tratándose por lo tanto de una consecuencia del calor, y no de un fenómeno independiente.
Refrigeración- Conceptos Básicos
PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS SUSTANCIAS:
Masa: La masa de un cuerpo es la cantidad de materia, moléculas y átomos que posee. Se mide en libras masa (lbm) o en kilogramos (kg).
Fuerza: Es la atracción o empuje de un cuerpo sobre otro, capaz de alterar la velocidad o deformar al objeto. Se mide en libras fuerza (lbf) o Newton (N).
Peso: Es la fuerza con que el planeta tierra atrae a los cuerpos, por lo que se mide en libras fuerza. Sin embargo, es común que las personas se refieran al peso simplemente como libras.
Densidad y volumen específico: La densidad de una sustancia es la masa que posee por cada unidad de peso, es decir, cuántas libras de masa se encuentran en un volumen determinado. Se mide al dividir la masa entre el volumen en unidades de lbm/pie3 o Kg/m3. El volumen específico es lo opuesto a la densidad, es decir, mide la masa en un volumen dado y sus unidades son volumen entre masa (pie3/lbm o m3/Kg).
Refrigeración- Conceptos Básicos
PRESIÓN:
Cuando una fuerza se aplica a una superficie el efecto producido depende del tamaño de ésta superficie. Se le llama presión, a la reacción inmediata que ejerce un cuerpo sobre otro en relación de peso o fuerza. La presión técnicamente se refiere a dos tipos fundamentales, opresión y compresión, la opresión es comúnmente asociada a la falta de libertad de un sujeto para movilizarse con plena independencia, y la compresión se refiere al esfuerzo o impedimento que realiza un cuerpo sobre otro impidiendo su salida de algún sitio.
Refrigeración- Conceptos Básicos
El Sistema SI:
A nivel internacional se ha conseguido un acuerdo de usar en el futuro el sistema SI (Sistema Internacional de unidades) como sustitución del sistema métrico.
Refrigeración- Conceptos Básicos
UNIDADES DE MEDIDA UTILIZADAS EN LOS AIRES ACONDICIONADOS:
Refrigeración- Conceptos Básicos
CAMBIO DE ESTADO:
Cada sustancia puede existir en tres formas diferentes: Sólida, líquida y gaseosa. La temperatura y la presión a que está expuesta una sustancia, determina si está en forma sólida, liquida o gaseosa. La temperatura a la cual una sustancia sólida se convierte en líquido se llama punto de fusión. Durante la fusión la temperatura de la sustancia no cambia, todo el calor aplicado se emplea en cambiar la sustancia de sólida a líquida. Solo cuando la sustancia se ha fusionado si se aplica un calor adicional su temperatura ulteriormente se elevará. Sustancias diferentes tienen distintos puntos de fusión.
Los cambios que se presentan en la materia son: fusión, vaporización, cristalización, solidificación, sublimación y condensación.
Refrigeración- Conceptos Básicos
Refrigeración- Conceptos Básicos
Entalpia
La entalpía frecuentemente se define como el calor total contenido en un cuerpo y es la suma de la energía aplicada a este cuerpo. En el sistema métrico la entalpia tiene como unidades Kcal/kg, mientras que en el sistema SI la unidad es Julio/kg. Tomemos como ejemplo agua a la presión atmosférica, donde en un diagrama Temperatura/Entalpia, el agua se encuentra a 0°C de aquí que la entalpía es también 0(KCal/Kg. de agua). La aplicación de calor sensible produce un cambio de A a B (Temperatura de evaporación del agua). La diferencia entre A y B es que la temperatura alcanza 100°C. Como anteriormente se dijo, cada 1ºC de aumento de temperatura requiere 1 KCal (4,187 KJ) de aquí que el calor total que necesariamente se ha aplicado, aquí es de 100 KCal., por tanto, el contenido de calor o calor total que es igual a la entalpía es de 100 KCal./Kg. de agua.(418,7 J/Kg.).
Refrigeración- Conceptos Básicos
REFRIGERACIÓN:
Producción o mantenimiento en un medio de una temperatura inferior a la temperatura ambiente. La refrigeración se puede definir como un proceso que saca y transporta el calor.
La refrigeración es un proceso que consiste en bajar o mantener el nivel de calor de un cuerpo o un espacio. Considerando que realmente el frío no existe y que debe hablarse de mayor o menor cantidad de calor o de mayor o menor nivel térmico (nivel que se mide con la temperatura), refrigerar es un proceso termodinámico en el que se extrae calor del objeto considerado (reduciendo su nivel térmico), y se lleva a otro lugar capaz de admitir esa energía térmica sin problemas o con muy pocos problemas. Los fluidos utilizados para llevar la energía calorífica de un espacio a otro, son llamados refrigerantes.
Refrigeración- Definición
Los más viejos y mejores refrigerantes conocidos son el hielo, el agua y el aire. Al principio, el único propósito de la refrigeración fue conservar alimentos. Los chinos fueron los primeros en descubrir que el hielo aumentaba la vida y mejoraba el gusto de las bebidas y durante los siglos los esquimales han conservado alimentos congelándolos.
A principios de este siglo fueron conocidos los términos tales como bacterias, fermentación, enmohecimiento, encimas. También se descubrió que el aumento de microorganismos es dependiente de la temperatura y que este crecimiento disminuye cuando la temperatura desciende y que el crecimiento empieza a ser muy bajo a temperaturas por debajo de +l0ºC.
Como consecuencia de este conocimiento fue entonces posible el uso de la refrigeración para conservar productos alimenticios y el hielo se empezó a usar para este propósito. La electricidad empezó a jugar su papel al principio de este siglo y las plantas mecánicas de refrigeración empezaron a ser comunes en muchos campos: Por ejemplo, cervecerías, mataderos, pescaderías y fabricación de hielo.
Refrigeración- Definición
Después de la segunda Guerra Mundial el desarrollo de los pequeños compresores herméticos adquirió una seria reputación y los refrigeradores y congeladores empezaron a utilizarse en los hogares. Hoy día estas aplicaciones son estimadas como necesidades normales de un hogar.
Ahora hay numerosas aplicaciones para plantas de refrigeración: Como ejemplos tenemos:
• Conservación de productos alimenticios.
• Procesos de refrigeración.
• Plantas de aire acondicionado.
• Plantas secadoras.
• Instalación de enfriamiento de agua.
• Contenedores refrigerados.
• Bombas de calor.
Refrigeración- Aplicaciones
• Fábricas de hielo.
• Liofilización.
La refrigeración puede utilizarse para tres fines, principalmente:
• Refrigeración para CONSERVACIÓN.
• Refrigeración para CONGELACIÓN.
• Refrigeración para CLIMATIZACIÓN.
Las dos primeras se aplican generalmente a alimentos, mientras que la última se refiere a la refrigeración de locales o vehículos para animales, personas o plantas. Además de las aplicaciones más conocidas, tales como el acondicionamiento de aire para comodidad, así como el proceso de congelación, almacenamiento, transporte y exhibición de productos, se usa actualmente en el proceso de manufacturas de casi todos los artículos que se encuentran en el mercado.
Refrigeración- Categorias
Por ejemplo la refrigeración ha hecho posible la producción de plástico, hule sintético y muchos otros materiales. Gracias a la refrigeración mecánica las fábricas textiles y de papel pueden acelerar sus máquinas obteniendo mayor producción y se dispone de mejores métodos para el endurecimiento de los aceros para las máquinas y herramientas.
Las aplicaciones de refrigeración se pueden agrupar en las siguientes categorías:
a) Refrigeración doméstica: Tiene un campo de aplicación relativamente limitada y trata principalmente de refrigeradores y congeladores domésticos. Sin embargo, debido a la cantidad de unidades en servicio, la refrigeración doméstica representa una porción muy significativa de la industria de la refrigeración. Las unidades domésticas son generalmente de tamaño pequeño, con potencias entre 40 W y 400 W.
Refrigeración- Categorias
b) Refrigeración comercial: Trata del diseño, instalación y mantenimiento de aparatos de refrigeración del tipo usado por almacenes y tiendas, restaurantes, hoteles e instituciones, para el almacenaje, exhibición, procesado y expedición de artículos de todos los tipos que estén sujetos a deterioro.
Refrigeración- Categorias
c) Refrigeración industrial: Se confunde frecuentemente con la refrigeración comercial ya que la división de las dos áreas no se ha definido claramente. Por regla general, las aplicaciones industriales son de mayor tamaño y tienen la característica de requerir un operario para su atención. Entre las aplicaciones industriales típicas se encuentran: plantas de hielo, plantas empacadoras de alimentos (carne, pescado, aves, alimentos congelados, entre otros), cervecerías, cremerías y plantas industriales tales como: refinerías de aceite, plantas químicas, plantas de hule, etc.
d) Refrigeración marina y de transporte: Las aplicaciones que caen dentro de esta categoría, se pueden clasificar particularmente bajo refrigeración comercial e industrial. Sin embargo ambas áreas han crecido lo suficientemente para requerir mención especial.
La refrigeración de transporte se refiere a los equipos aplicados a transportes de cargas y pasajeros.
Refrigeración- Categorias
La refrigeración marina se refiere a refrigeración a bordo de barcos e incluye por ejemplo, refrigeración para botes de pesca y embarcaciones de transporte y de cargamento sujeto a deterioro, así como refrigeración de los almacenes del barco, en toda clase de embarcaciones.
e) Acondicionamiento de aire: Generalmente involucra el control no solamente de la temperatura del espacio sino también de la humedad y movimiento del aire dentro del mismo, así como el filtrado y limpieza (Climatización).
Refrigeración- Categorias
f) Conservación de alimentos: La conservación de artículos sujetos a deterioro, particularmente alimentos, es una de las aplicaciones mas comunes de la refrigeración.
La conservación de alimentos es más importante en la historia del hombre. Las poblaciones urbanas requieren grandes cantidades de alimentos que, en su mayor parte deben ser producidas y procesadas en áreas distintas. Naturalmente, estos alimentos deben conservarse en condiciones de conservación durante el transporte y almacenaje subsecuente hasta que finalmente se consuman. Esto puede ser cuestión de horas, días, meses y en ocasiones años. Por ejemplo, la frutas y legumbres que solamente se producen en ciertas estaciones del año deben almacenarse y conservarse para poder ser consumidas durante todo el año.
Refrigeración- Categorias
Refrigeración- Métodos de refrigeración
Refrigeración por compresión mecánica: En la actualidad el frío se produce principalmente mediante sistemas de refrigeración por compresión mecánica, de forma que el calor se transmite desde la cámara de refrigeración hasta una zona en la que pueda eliminarse más fácilmente. La transferencia de calor se realiza mediante un fluido “refrigerante” que cambia de estado, de líquido a vapor, a una temperatura de ebullición muy baja y con una entalpía o calor latente de vaporización alto. Una vez que el refrigerante está en estado de vapor se comprime mecánicamente (aumentando su presión) de forma que vuelve al estado líquido y vuelve a utilizarse cíclicamente. Se establece así un ciclo termodinámico cuyo límite teórico sería el ciclo de Carnot. El sistema de refrigeración se denomina entonces como sistema de compresión de vapor.
Refrigeración-Circuito Refrigerante
Componentes básicos de la instalación frigorífica por compresión mecánica:
Refrigeración- Circuito Refrigerante
Refrigeración- Circuito Refrigerante
Refrigeración por absorción: Otro método que se está implantando es el de refrigeración por absorción. Se trata, en realidad, de un proceso bien conocido. De hecho la primera máquina de refrigeración, patentada en 1834 por J. Perkins, consistía en una máquina de absorción que utilizaba éter.
La idea básica de la refrigeración por absorción consiste en sustituir la compresión mecánica del vapor por una absorción de éste en una disolución. Una de las ventajas de éste método es que el coste energético es mucho menor. Para liberar el vapor de la disolución comprimida debe suministrarse calor. Esto hace posible el que, por ejemplo, se utilice la energía solar como energía primaria (se consigue ENFRIAR a partir del CALOR del Sol). En cambio, el rendimiento es inferior al conseguido mediante el método de compresión.
Desde el punto de vista práctico, el conjunto formado por el evaporador, el condensador y la válvula de expansión se mantiene igual que en la máquina de compresión
Refrigeración- Circuito Refrigerante
La única diferencia está en la sustitución del compresor por un sistema absorbedor- generador, cuyos componentes básicos se muestran en la figura siguiente. En el generador, que suele ser una columna de destilación, existe una mezcla líquida formada por un líquido absorbente y un vapor refrigerante disuelto en él. Preferiblemente dichos fluidos deben tener temperaturas de ebullición diferentes. Como mezclas de trabajo refrigerante- absorbente se suele utilizar comercialmente amoniaco-agua o bromuro de litio-agua. La primera mezcla se utiliza para temperaturas de evaporación inferiores a 0 ºC, y la segunda para temperaturas superiores. En este segundo caso la instalación cambia ligeramente de diseño.
Cuando se suministra calor en el generador se producen vapores de ambos fluidos (destilación). Dichos vapores son adecuadamente separados. Así el vapor refrigerante, a alta presión y temperatura, pasa al condensador donde se enfría y pasa a estado líquido.
Mediante una válvula se disminuye su presión, y pasa al evaporador donde se vaporiza y extrae calor del medio a refrigerar.
Refrigeración- Circuito Refrigerante
Este aporte de vapor hace que la mezcla líquido-vapor se caliente, y debe ser refrigerada mediante una corriente de agua fría. La mezcla enfriada es enviada de nuevo al generador mediante una bomba, donde vuelve a ser destilada.
Refrigeración- Circuito Refrigerante
Proceso de expansión: El líquido procedente del condensador penetra en un tanque colector, el recipiente. La presión en el recipiente es más alta que la presión en el evaporador a causa de la compresión (incremento de presión) que se lleva a cabo en el compresor. Para disminuir la presión, al mismo nivel del evaporador hay que colocar un dispositivo que lleve a cabo este proceso el cual se llama de estrangulación o expansión, por lo que este dispositivo es conocido por dispositivo de estrangulación o dispositivo de expansión. Normalmente se utiliza una válvula llamada válvula de estrangulación o válvula de expansión.
Delante de la válvula de expansión el fluido estará a una temperatura por encima del punto de ebullición. Al reducirle rápidamente su presión se producirá un cambio de estado, el líquido empezará a hervir y a evaporarse. La cooperación se lleva a cabo en el evaporador y así se completa el circuito.
Refrigeración-Circuito Refrigerante
Lados de alta y baja presión en una planta de refrigeración: Hay muchas temperaturas diferentes implicadas en el funcionamiento de una planta de refrigeración. De aquí que hay diferentes cosas como líquido subenfriado, líquido saturado, vapor saturado y vapor recalentado. En principio, sin embargo solo hay dos presiones: presión de cooperación y presión de condensación. Las plantas entonces se pueden dividir en lado de alta presión y lado de baja presión.
Refrigeración- Circuito Refrigerante
DIAGRAMA DE MOLLIER:
Es la tabla en la cual pueden representarse en un punto las condiciones del refrigerante en cualquier estado termodinámico y en cualquier parte del ciclo. A veces esta tabla se menciona como “tabla P-h” o “tabla presión-entalpía”
Refrigeración- Circuito Refrigerante
Diagrama Presión/Entalpía
La relación temperatura/entalpía, es dependiente de la presión. sin embargo para poder mostrar las características temperatura/entalpía de cualquier medio que se utilice, hay que construir diagramas para todas las presiones posibles. Esto como se comprende es muy poco práctico, y, por tanto, se utiliza un diagrama presión/entalpía, en vez de temperatura/entalpía. Este diagrama presión/entalpía, se muestra en la figura siguiente.
La presión se encuentra en la ordenada, y es como una regla graduada de acuerdo a una escala logarítmica. En refrigeración es necesario trabajar con diferentes presiones y temperaturas y este diagrama ofrece un camino práctico de determinar gráficamente los cambios de energía de una planta de refrigeración.
Refrigeración- Circuito Refrigerante
Refrigeración- Circuito Refrigerante
Un refrigerante condensado que se encuentra en un recipiente, está en condición A que está situada sobre la línea del punto de ebullición del líquido. El líquido tiene de este modo una temperatura tk (temperatura de condensación), y una presión pk (presión de condensación) y una entalpía ho.
Cuando el líquido pasa a través de una válvula de expansión su estado cambia de A a B. Este cambio de estado se efectúa por la ebullición del líquido a causa de la caída de presión hasta po. Al mismo tiempo, se produce un punto más bajo de ebullición del líquido to como consecuencia de la caída de presión.
En la válvula, el calor ni se aplica ni se disipa, por eso la entalpía es ho. A la entrada del evaporador hay una mezcla de vapor y líquido mientras que en la salida del evaporador punto C, el vapor es saturado. La presión y la temperatura son las mismas que las del punto B pero como el evaporador ha absorbido el calor de sus alrededores, la entalpía ha cambiado a h1.
Cuando el vapor pasa a través del compresor sus condiciones cambian de C a D. La presión se eleva a la presión de condensación pk. La temperatura se eleva a tov que es más alta que la temperatura de condensación tk, como consecuencia de que el vapor ha sido fuertemente recalentado. Más energía en forma de calor le ha sido también introducido y por consiguiente la entalpía cambia a h2.
A la entrada del condensador punto D, la condición por tanto, es de la de un vapor recalentado a la presión pk., el calor es evacuado por el condensador a sus alrededores y por ésta razón la entalpía de nuevo cambia a la del punto A. Lo primero que sucede en el condensador es un cambio de un vapor fuertemente recalentado a un vapor saturado (punto E) y luego una condensación de éste vapor. Del punto E al punto A, la temperatura (temperatura de condensación) permanece la misma puesto que la condensación y la evaporación se efectúan a temperatura constante.
REFRIGERANTES:
Es bien conocido sin embargo que en la práctica son usados diferentes refrigerantes de acuerdo con sus aplicaciones y necesidades. Los factores más importantes son los siguientes:
• El refrigerante no debe ser venenoso. Cuando esto es imposible, el refrigerante necesariamente ha de tener un olor característico o forzosamente ha de poseer un colorante de tal forma que cualquier fuga pueda observarse rápidamente.
• El refrigerante no debe ser inflamable o explosivo.
• El refrigerante debe tener una presión razonable, preferentemente un poco más alta que la presión atmosférica a la temperatura requerida que debe mantenerse en el evaporador.
• Para evitar un pesado diseño de la planta de refrigeración la presión a la que corresponda una condensación normal no debe ser demasiado alta.
Refrigeración- Refrigerantes
• Se requiere en el refrigerante un calor de evaporación relativamente alto para que la transmisión de calor se lleve a cabo con el mínimo posible de refrigerante en circulación.
• El vapor no debe tener un volumen específico demasiado alto puesto que esto es determinante de la carrera del compresor a una determinada producción de frío.
• El refrigerante necesariamente ha de ser estable a las temperaturas y presiones normales en una planta de refrigeración.
• No debe ser corrosivo y necesariamente tanto en forma líquida o vapor no atacará a los materiales normales de diseño en una planta frigorífica.
• No debe destruir al aceite de lubricación.
• Debe ser fácil de adquirir y manipular.
• No debe ser costoso.
Refrigeración- Refrigerantes
Los refrigerantes fluorados más comunes son:
R11 o Triclorofluormetano(𝑪𝑪𝒍𝟐F): Es el que más se usa en instalaciones de Aire Acondicionado y bombas de calor porque tiene un punto de ebullición relativamente alto:
+24°C.
R12 o Diclorodifluormetano (𝑪𝑪𝒍𝟐𝑭𝟐) : Al igual que el R11 es un componente químico de grupo metano. Tiene su punto de ebullición a -30°C. El R12 normalmente se usa en pequeñas plantas de refrigeración debido a que calor de evaporación de la cantidad de refrigerante en circulación es relativamente pequeño.
R22 o Clorodifluormetano (𝑪𝑯𝑪𝑳𝑭𝟐): Es el refrigerante que se usa en plantas de congelación donde se necesitan más bajas temperaturas. Su punto de ebullición es de - 41°C. El valor de evaporación de la cantidad de refrigerante en circulación es mejor que el del R12.
Refrigeración- Refrigerantes
R 502 (𝑪𝑯𝑪𝑳𝑭𝟐/𝑪𝑪𝑳𝑭𝟐 𝑪𝑭𝟑: Es una mezcla azotrópica de los refrigerantes R22 y R115. La palabra azotrópica significa que el refrigerante se encontrará en la misma concentración sobre toda la planta completa.
El punto de ebullición es aún más bajo qué el del R22 es decir -46°C. Además de estos refrigerantes fluorados, hay una larga serie de otros que no se ven a menudo hoy: R12B1, R13, R13B1, R114, R115, R500.
Amoníaco 𝑵𝑯𝟑 : El amoníaco 𝑁𝐻3 es usado normalmente en grandes plantas de refrigeración. Su punto de ebullición es de -33°C. El amoníaco tiene un olor característico incluso en pequeñas concentraciones con el aire. No arde, pero es explosivo cuando se mezcla con el aire en un porcentaje en volumen de 13-28.
Es corrosivo, el cobre y aleaciones de cobre no se pueden emplear en plantas de amoníaco.
Refrigeración- Refrigerantes
Refrigerantes secundarios: Los refrigerantes mencionados anteriormente se designan a menudo como "Refrigerantes primarios". Como medio de la transmisión del calor del evaporador a su alrededor se emplean los llamados "refrigerantes secundarios". Se puede usar por ejemplo: agua, salmuera y aire.