UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
“FRANCISCO DE MIRANDA”
ÁREA DE TECNOLOGÍA
COMPLEJO ACADÉMICO EL SABINO
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
UNIDAD CURRICULAR: ELECTIVA III
“SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN”
Punto Fijo, Mayo del 2010
Por: Ing Gelys Guanipa R
Electiva III- Refrigeración
Programa: Ing.Mecánica
INTRODUCCIÓN
La Refrigeración es una técnica que se ha desarrollado con el transcurso del tiempo y el avance de la civilización; como resultado de las necesidades que la misma sociedad presenta a medida que avanza la tecnología y la invención en diferentes campos, contribuyendo a elevar el nivel de vida de las personas. La base sobre la que se fabrican nuevas sustancias y materiales la suministra la ciencia, siendo un tema muy interesante la selección de los refrigerantes, por dos razones principales: en primer lugar, los parámetros de operación que alcanza cada uno de ellos, esto es: presión y temperatura de evaporación y condensación y en segundo lugar la contribución a la destrucción de la
capa de Ozono logrando aumentar el calentamiento global.
Las aplicaciones de la Refrigeración son muy numerosas, siendo una de las más comunes la conservación de alimentos, acondicionamiento ambiental, enfriamiento de equipos y últimamente en los desarrollos tecnológicos de avanzada en el área de los ordenadores.
La diversidad de equipos empleados para refrigeración y acondicionamiento de aire es muy grande, y su funcionamiento se ajusta, en términos generales, a ciertos procesos termodinámicos tales como: evaporación, compresión, condensación y expansión. Cada sistema tiene sus características particulares. Cada tipo de compresor opera según distintos mecanismos de compresión (alternativos, rotativos, helicoidales, entre otros).
Cada dispositivo de control está diseñado para mantener algún parámetro de funcionamiento de un equipo entre determinados límites, principalmente: temperaturas, presiones, acumulación de hielo, entre otros fenómenos que se desea controlar. Algunos sistemas logran eliminar el uso de compresores valiéndose de procesos de absorción,pero a su vez requieren de fuentes externas directa e indirecta, como por ejemplo: energía eléctrica, gas natural, vapor de agua o calor residual. Así pues, la selección de sistemas de Refrigeración, dependen en gran medida de cuanta carga térmica se desea extraer, del tipo de instalación que se requiere y del costo tanto inicial como de mantenimiento.
A continuación se presentarán conceptos básicos y los aspectos más destacados de los diferentes sistemas de Refrigeración que existen.
1.- BASES CONCEPTUALES PREVIAS:
Calor:
Es una forma de energía (térmica), generada por el movimiento molecular en la materia,
esta energía se transfiere por una diferencia de temperatura.
Calor sensible:
Es el calor que se puede medir o sentir, provoca un cambio de temperatura de una sustancia, pero no un cambio de su estado, las sustancias al estar en estado líquido, sólido o gaseoso, contienen calor sensible hasta cierto grado, hasta que sus temperaturas sean mayores que el cero absoluto. También se define como la suma de la energía
interna del sistema más el producto del volumen del sistema por la presión ejercida sobre el sistema por su entorno, y no implica cambio de humedad.
Calor latente:
La palabra latente se deriva del vocablo latino (latin: latens; de latere, estar escondido) que significa escondido. Por lo cual se trata de un calor escondido, que no lo puede registrar un termómetro ni se puede sentir. También se denomina como la cantidad de calor absorbida o desprendida por un mol, o una unidad de masa de una sustancia,durante un cambio de estado a temperatura y presión constantes. En este caso estamos en presencia de un cambio de humedad en la sustancia.
Calor Latente de fusión:
Es el calor necesario para pasar una libra de sólido a líquido sin cambiar su temperatura a una presión atmosférica normal.
Calor Latente de vaporización:
Es el calor necesario para pasar una libra de liquido a vapor sin cambiar su temperatura a una presión atmosférica normal.
Frío:
Es un término relativo que describe el nivel bajo de energía o temperatura, de un objeto o área en comparación con un nivel de energía o temperatura conocido. Un ejemplo de lo relativo es que una persona que viviera en el Ártico diría que un ambiente que esté a una
temperatura de 15oC es caliente, pero para una persona en el Ecuador sería fría.
Temperatura:
Es solo una indicación de la intensidad o grado de calor de una sustancia u objeto, por ejemplo, dos trozos de cobre uno de un kilogramo y otro de cincuenta kilogramos, indicarán la misma temperatura independiente de la masa de cada trozo.
Escala de temperatura:
Es cada una de las maneras convencionales de graduar los termómetros con valores numéricos definidos, existiendo fórmulas especificas que relacionan las diferentes escalas.
Las escalas más conocidas son: Fahrenheit y Celsius.
Calor especifico:
Es la capacidad de un cuerpo para absorber calor.
Transferencia de calor por conducción:
Es la transferencia de energía desde las partículas más energéticas de una sustancia a las partículas adyacentes, menos energéticas, como resultado de la interacción entre partículas.
Transferencia de calor por convección:
Es la transferencia de energía entre una superficie solida y el fluido adyacente que se encuentra en movimiento, e involucra los efectos combinados de la conducción y el movimiento del fluido.
Transferencia de calor por Radiación:
Es la transferencia de energía debida a la emisión de ondas electromagnéticas (o fotones).
Refrigeración:
Es la transferencia de calor de regiones de temperatura inferior a regiones de temperatura más altas.Refrigerantes:
Son los fluidos de trabajo utilizados en los ciclos de refrigeración, que tienen la característica principal de evaporarse a bajas presiones y temperaturas y condensarse a altas presiones y temperaturas y son capaces de absorber calor de un ambiente.
Ambiente Térmico:
Es el lugar que se desea acondicionar y donde se generan cargas térmicas tanto internas como externas.
Confort humano
Es lo concerniente a proporcionar un ambiente en el cual las personas se sientan confortables, independientemente de las condiciones exteriores y básicamente comprende: la temperatura ambiente, la iluminación, la purificación del aire, el nivel de humedad en el aire, nivel sonoro y la circulación del aire dentro del ambiente.
Aire atmosférico
Está compuesto de gases que constituyen el aire seco y vapor de agua en cantidades variables. Para propósitos prácticos se considera el aire seco constituido por 79% de nitrógeno y 21% de oxigeno, por unidad de volumen. El vapor de agua se encuentra siempre presente en el aire atmosférico en condiciones de saturado o sobrecalentado, y no obstante que su peso promedio es menor que el 3% del peso del aire atmosférico, su influencia con el confort humano es bastante significativa.
2.- TEORÍA COMPLEMENTARIA
La refrigeración:
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.
Los 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 (kilopascales), y después de comprimirse a 909,2 kPa se condensaba a 37,8 °C.
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, este 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 elcompresor 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.
El refrigerante-12 y otros dos CFC, el refrigerante-11 y el refrigerante-22, eran los principales compuestos empleados en los sistemas de enfriamiento y aislamiento de los refrigeradores domésticos. Sin embargo, se ha descubierto que los CFC 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 (véase Contaminación atmosférica: Medidas gubernamentales), la fabricación de CFC debía finalizar al final de 1995. Los hidroclorofluorocarbonos, HCFC, y el metilbromuro no dañan la capa de ozono pero producen gases de efecto invernadero. Los HCFC se retirarán en el 2015 y el consumo de metilbromuro selimitará progresivamente. La industria de la refrigeración debería adoptar
rápidamente otros compuestos alternativos no perjudiciales, como el
metilcloroformo.
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 licúa 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 uelta 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 vaporgenerado en una caldera.
Sistemas por 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.
Energía y ambiente:
La conversión de energía de una forma a otra a menudo afecta al ambiente y al aire que se respira en diversas maneras, y de aquí que el estudio de la energía no será completo si no se toma en cuenta su impacto en el ambiente. Los combustibles fósiles como elcarbón, el petróleo y el gas natural han suministrado potencia al desarrollo industrial y a las comodidades de la vida moderna que se disfrutan desde 1700, aunque esto no ha sido posible sin efectos colaterales indeseables. Desde el suelo donde se cosecha y el agua que se bebe hasta el aire que se respira, el ambiente ha pagado un costo muy alto.
La emisión de contaminantes durante la combustión de combustibles fósiles es responsable del esmog, la lluvia ácida, el calentamiento global y el cambio de clima. La contaminación ambiental ha alcanzado niveles tan altos que se ha vuelto una seria amenaza para la vegetación, para la vida animal y para la salud humana. La contaminación del aire ha sido
la causa de numerosos problemas de salud incluyendo asma y cáncer. El incremento de la contaminación ambiental a velocidades alarmantes y el aumento de la percepción delpeligro que se produce, hace necesario su control por medio de las Leyes y tratados internacionales. Estos estándares iniciales se enfocaron sobre las emisiones de hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono. Los niños son mucho más
susceptibles a los daños causados por las contaminaciones en el aire puesto que sus organismos están aún en desarrollo, y las personas con problemas del corazón y también se ven más afectados, esto se hace más evidente cuando los niveles de contaminante aumentan en la región donde viven.
Efecto invernadero: cambio de clima y el calentamiento global
Probablemente ha observado que cuando se deja el auto directamente bajo los rayos del sol en un día soleado, el interior del auto se calienta mucho más que el aire exterior y la cuestión es ¿Por qué el automóvil actúa como una trampa de calor? Esto se debe a que el vidrio, en los grosores empleados comúnmente transmite más del 90% de la radiación
en el rango visible y es prácticamente opaco (no transparente) a las radiaciones de longitudes de onda más larga, en la región infrarroja emitida por las superficies interiores.
Esto provoca un aumento de la temperatura como resultado de la energía creada en el auto. Los efectos de este calentamiento se conocen como efecto invernadero ya que se utiliza principalmente en los invernaderos.
El efecto invernadero también se manifiesta a mayor escala en la superficie de la tierra, que se calienta durante el día como resultado de la absorción de la energía solar, se enfría por las noches irradiando parte de su energía hacia el espacio profundo como radiación infrarroja. El dióxido de carbono (CO 2 ), el vapor de agua y trazas de algunos otros gases como metano y algunos otros gases como metano y óxidos de nitrógeno actúan como una manta y conservan tibia a la tierra por la noche por el bloqueo del calor que se irradia desde la tierra. Este efecto permite la vida sobre la tierra ya que la conserva tibia (alrededor de 30oC más caliente), sin embargo, cantidades excesivas de
estos gases perjudican el delicado balance atrapando demasiada energía, lo que origina un aumento en la temperatura de la tierra y el cambio de clima en algunas localidades.
El bulbo sensor del termostato de control debe encontrarse bien montado y asegurado en un sitio predeterminado, para que el accionamiento del termostato (normalmente remoto)
produzca efecto de enfriamiento deseado.
Tuberías:
Las tuberías que conectan condensador y evaporador deben estar bien sujetas con bridas y anclajes rígidos que impidan toda vibración. El aislamiento de la tubería de líquido debe estar en buen estado para que no haya posibilidad de que se produzca vaporización en el trayecto hasta la válvula de expansión. Emplear un detector de fugas para inspeccionar todo el trayecto.
En sistemas que incluyan tramos verticales extensos, estar pendiente de que el diseño haya incluido suficientes medidas preventivas (trampas de aceite, doble tubería de distinto diámetro) para garantizar el máximo retorno de aceite al compresor.
PRINCIPALES CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA REFRIGERACIÓN Refrigeración doméstica:
Dentro de este sistema se destacan las neveras, diversas combinaciones de nevera – congelador y congeladores. Las neveras y congeladores de mayor precio están equipadas con circuitos para su descongelamiento automático, mientras que las combinaciones nevera-congelador siempre cuentan con este circuito auxiliar. Además, las neveras y combinaciones de nevera-congelador pueden ser equipadas con sistemas automáticos fabricadores de hielo y otros dispositivos de confort, tales como: puntos dispensadores de agua potable, proveniente de la red externa, circuitos de enfriamiento rápido de productos,
controles de funcionamiento sofisticados basados en microprocesadores, e incluso interfaz para conexión vía internet con el taller de servicio autorizado para realizar un prediagnóstico antes del envío técnico de servicio
Neveras Domésticas:
Pueden presentarse en dos configuraciones básicas: una o dos puertas. Desde el puntode vista de comodidad de uso, se ofrecen dos opciones: con y sin escarcha. El tamañode una nevera se define en base a la capacidad interna del gabinete, que es igual a suvolumen interno, y se expresa en pies cúbicos (sistema Inglés) o litros (sistemainternacional). Las neveras comienzan a fabricarse a partir de los 2pie 3 = 57 lts y llegan hasta los 12 pie 3 = 340 lts. En las neveras de uso doméstico existe una sección con temperaturas de congelación en el interior del evaporador y sus paredes. Este se moldea en forma de paralelepípedo, con la cara posterior abierta, pero a corta distancia de la pared posterior interna del gabinete y la anterior normalmente cerrada por una puerta interna que disminuye y controla el intercambio con el resto del compartimiento. El evaporador se fija a la cara superior del interior del gabinete de manera que proveaenfriamiento al resto del compartimiento de alimentos por convección (ver fig 1).
corte oportuno del termostato o exceso de carga de refrigerante).
Control Termostático
El control de funcionamiento del Compresor se logra mediante un termostato de
diafragma, sensible a la temperatura, en un punto predeterminado por el fabricante en el interior del gabinete, el cual abre el circuito de alimentación eléctrica del compresor al alcanzarse la temperatura deseada (programable por el usuario), y cierra nuevamente el circuito cuando la temperatura asciende y alcanza un valor diferencial no programable por el usuario. El diferencial entre la temperatura de arranque y parada del compresor es prefijado en la fábrica y es un valor de compromiso que establece la mínima variación de temperatura que permita que el tiempo de trabajo-reposo del compresor tenga una distribución de 50% - 50% en condiciones normales de operación.
Condiciones normales de funcionamiento (temperaturas y presiones):
Para aplicaciones de conservación de alimentos son muy comunes las siguientes
temperaturas de diseño, sin embargo hay que resaltar que esto varía en función del refrigerante y de las condiciones que se desean alcanzar:
(Ver fig 2)
T 1 = Temperatura a la entrada del evaporador = -26oC.
T 2 = Temperatura a la salida del evaporador = -25oC ~ -26oC.
T 3 = Temperatura a la entrada del compresor = 3 ~ 5oC < T amb
T 4 = Temperatura de condensación = 10 ~ 13oC > T amb
T 5 = Temperatura de descarga del compresor = 120oC.
T 6 = Temperatura del domo del compresor = 110oC.
T 7 = Temperatura del bobinado del motor del compresor <
130oC
Fig 2: Temperaturas del Circuito de una nevera doméstica
Estos límites de temperatura deben ser respetados rigurosamente pues de ello depende que el compresor funcione bien durante su periodo de vida útil, y las razones son las siguientes:
- Temperaturas a la entrada y salida del evaporador: Generalmente son iguales o
muy aproximadas, determinan que se está empleando este a su plena capacidad y dependen de la temperatura de evaporación del gas empleado. - Temperatura a la entrada del Compresor: Depende de que el proceso de
evaporación se haya completado dentro del evaporador y del trayecto del vapor
por la línea de succión. Para obtener una temperatura aceptable se suele recurrir a un intercambio de calor entre el tubo capilar y el tubo de retorno desde el evaporador a la succión del compresor. El rango de esta temperatura tiene por objeto: por el límite inferior, que no haya retorno de líquido al compresor; y por el superior que el gas de retorno no llegue excesivamente caliente, pues el equilibrio térmico de funcionamiento, en este caso de un compresor de baja presión de succión (LBP) requiere de la baja temperatura del gas de retorno para enfriar el compresor y mantener sus temperaturas criticas por debajo de los límites aceptables. - Temperatura de condensación: Deben estar por encima de la temperatura
ambiente para que haya intercambio de calor desde el gas refrigerante hacia elaire que rodea el condensador. También debe ser tal, que respete la máxima presión de descarga recomendada para el compresor. - Temperatura de descarga del compresor: Usualmente medida en el tubo de
descarga, a 5 cm de la carcasa, es un fiel reflejo de la temperatura de la válvula de descarga. Si la temperatura en la válvula de descarga supera el valor límite hay riesgo de carbonización del lubricante en el asiento de la válvula, con la consiguiente pérdida de compresión. - Temperatura medida en el domo del compresor: Es aquella que se mide en el centro de la tapa del compresor, normalmente se correlación a con la temperatura del bobinado del motor, siendo la temperatura del domo aproximadamente 20oC más baja que la temperatura de bobinas.
9 Temperatura de los bobinados del motor: Esta solamente se puede medir por el método de variación de la resistencia, pues no podemos acceder a ellos con instrumentos de medición directa de la temperatura.
Estas dependen del gas refrigerante empleado, y deben fijarse teniendo en cuenta además de los valores necesarios para un funcionamiento adecuado, la presión critica del refrigerante. Cabe destacar que en estos parámetros juega un papel muy importante la condición de saturación de cada fluido de trabajo. Analicemos entonces algunas características principales de estas presiones:
- Presión de Baja o de Evaporación: La presión de equilibrio que alcance el circuito de refrigeración durante los períodos de reposo del compresor dependerá de la carga de gas del sistema, que deberá ser calculada de manera de lograr el efecto máximo de enfriamiento en el evaporador, que se observa cuando las temperaturas de entrada y salida son iguales o casi iguales. Por consiguiente, esta presión deberá ser igual a la entrada y a la salida del evaporador, y deberá permanecer constante en cada ciclo siempre que no exista ninguna falla durante el funcionamiento. Un exceso de carga producirá como efecto, primero: que las presiones de equilibrio sean superiores a lo especificado, y segundo: retorno de líquido al compresor.
- Presión de alta o de descarga del Compresor: Depende del gas en el circuito y nuevamente de la carga de gas. Las presiones de descarga elevadas pueden ser producto de una sobrecarga de gas en el sistema, así como de un condensador sucio o mal ventilado, por falla del ventilador, si es de enfriamiento forzado u obstrucción del flujo regular de aire de enfriamiento.
En un circuito básico de refrigeración, se encuentran además de los elementos descritos,los accesorios externos propios del compresor hermético: relé de arranque (amperométrico o PTC), protector térmico bimetálico de accionamiento por temperatura y/o consumo del compresor, y eventualmente un capacitor de arranque del compresor, destinado a mejorar el par de arranque del compresor, cuando las presiones de alta y baja no tienen oportunidad de equilibrarse o cuando existen condiciones de alimentación eléctricas tales, que la tensión en bornes del compresor desciende excesivamente debido a que el consumo de corriente de arranque produce una caída de tensión temporal en la
línea de alimentación del artefacto. Los compresores de alta eficiencia llevan siempre un capacitor permanente (capacitor de marcha), destinado a disminuir el consumo de energía.
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