404. ENFRIAMIENTO MECÁNICOcef.uca.edu.sv/descargables/2012eficienciapublicas/mod43p/MрDULO... ·...
29
03/07/2012 1 404. ENFRIAMIENTO MECÁNICO MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO. Willis Haviland Carrier 1876-1950 1921. Primera Máquina centrífuga de aire acondicionado Carrier para uso industrial en procesos de hilado o papel. Antiguo sistema de aire acondicionado en Egipto. 4000 A.C. Ing. Francisco Javier Vadillo MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO — ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN DE UN SÓLIDO. — ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN DE UN LÍQUIDO. — ENFRIAMIENTO POR COMPRESIÓN DE VAPOR (ENFRIAMIENTO MÉCANICO). — ENFRIAMIENTO POR ABSORCIÓN.
Transcript of 404. ENFRIAMIENTO MECÁNICOcef.uca.edu.sv/descargables/2012eficienciapublicas/mod43p/MрDULO... ·...
03/07/2012
1
404. ENFRIAMIENTO MECÁNICO
MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO.
Willis Haviland Carrier1876-1950
1921.Primera Máquina centrífuga
de aire acondicionado Carrierpara uso industrial en
procesos de hilado o papel.
Antiguo sistema de aire acondicionado en
Egipto.4000 A.C.
Ing. Francisco Javier Vadillo
MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO— ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN DE UN SÓLIDO.— ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN DE UN
LÍQUIDO.— ENFRIAMIENTO POR COMPRESIÓN DE VAPOR
(ENFRIAMIENTO MÉCANICO).— ENFRIAMIENTO POR ABSORCIÓN.
03/07/2012
2
ENFRIAMIENTOPOR FUSIÓN
ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN— Bloque de hielo posee un calor
específico de 0.5 BTU/lb-ºF seencuentra a 32.2ºF en condiciónsaturada.
— Al absorber calor, el hielo se derrite yse forma una mezcla de hielo y aguaen condición saturada a 32.2ºF.
— Mientras el hielo se derrita, latemperatura del agua y el hielo semantendrán constantes.
ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN— Históricamente, fue la primer
forma de enfriamientodesarrollada por el hombre.
— Se aprovechaba el hielo de lasmontañas o el congelado de lagosen el invierno, almacenándolo encuartos fríos o en agujerosrellenos de paja.
— Luego el hielo se iba utilizandomientras duraran las existencias.
03/07/2012
3
ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN— Para evitar que el agua saturada acelere la
licuefacción del hielo, se debe drenar y desechar alambiente.
— Se requiere reemplazar el hielo cada vez que sederrita y la temperatura de absorción no puedecambiarse para otras aplicaciones.
— Se utiliza en la actualidad para enfriar bebidas, enhieleras y como baterías de “frío” para almacenarcalor.
— Las desventajas más importantes de estemétodo son:— Se requiere suministro continuo de hielo.— Se no se logra las temperatura que uno desee, sino
la que normalmente el hielo provee (0°C).— A medida que el hielo se derrite, hay menos
superficie del bloque que se puede utilizar, por loque absorbe calor más lentamente.
ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN
ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN
03/07/2012
4
ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN— Recipiente destapado con agua a 21°C (70°F) y
rodeado de aire a 1 atmósfera de presión (14.7 psi)se encontrará en estado líquido (el agua ebulle a212° F a Patm).
— La velocidad molecular promedio del agua no es losuficientemente alta para que sus moléculas escapencon rapidez.
— Sin embargo, algunas moléculas pueden tener unavelocidad mayor a la promedio.
ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN— Las moléculas cercanas a la superficie con la
velocidad suficiente podrán escapar porevaporación lenta.
— El resto tendrán una velocidad promedio más bajay por lo tanto, una temperatura menor.
— Esto ha producido un ligero efecto de enfriamientoen el líquido.
— Las moléculas cercanas a la superficie con lavelocidad suficiente podrán escapar porevaporación lenta.
Ing. Francisco Javier Vadillo
ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN
— El resto tendrán unavelocidad promediomás baja y por lotanto, una temperaturamenor.
— Esto ha producido unligero efecto deenfriamiento en ellíquido.
03/07/2012
5
ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN
250 psi
A B
C
CALOR
— ¿Cuál es la presión de saturación del R-22 a 80°F?
— ¿Cuál será la temperatura de ebullición del R-22 a 250 psia?
— Cuando el R-22 pasa por el orificio “A-B”, ¿a qué presión se reducirá y que temperatura tendrá?
Presión
250 psi
A B
C
CALOR
— A medida el refrigerante para por el tubo largo en forma de serpentín, absorbe calor de los alrededores.
250 psi
A B
C
ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN— Este método se usaba
realmente a principiosdel siglo XX.
— Las desventajas son:— Requiere reponer el
refrigerante ($$$).— No se tiene control de
la temperatura desalida del refrigerante.
CALOR
03/07/2012
6
Entalpia
250
Presiónpsia
MezclaLíquido-vapor
14.7
HfinalHinicial
ENFRIAMIENTO MECÁNICO POR COMPRESIÓN DE VAPOR
ENFRIAMIENTO MECÁNICO POR COMPRESIÓN DE VAPOR— Si lográramos que el vapor refrigerante no
escapara a la atmósfera y lo regresáramos a suestado líquido, el proceso de enfriamiento sepuede volver un ciclo.
— Esto se logra comprimiendo el vapor, enfriándolohasta condensarlo en líquido y regresarlo aldispositivo de expansión.
03/07/2012
7
Entalpia
250
Presiónpsia
MezclaLíquido-vapor
14.7
HfinalHinicial
CICLO TERMODINÁMICO
A
B C
D
condensador
evaporador
compresorDispositivo de
expansión
Ing. Francisco Javier Vadillo
A
B C
D
CONDENSACIÓN D-A
EVAPORACIÓN B-C
C-D COMPRESIÓN
A-B EXPANSIÓN
PROCESO A-B. EXPANSIÓN
03/07/2012
8
Ing. Francisco Javier Vadillo
A
B C
D
CONDENSACIÓN D-A
EVAPORACIÓN B-C
C-D COMPRESIÓN
A-B EXPANSIÓN
PROCESO B-C. EVAPORACIÓN
Ing. Francisco Javier Vadillo
A
B C
D
CONDENSACIÓN D-A
EVAPORACIÓN B-C
C-D COMPRESIÓN
A-B EXPANSIÓN
PROCESO C-D. COMPRESIÓN
Ing. Francisco Javier Vadillo
A
B C
D
CONDENSACIÓN D-A
EVAPORACIÓN B-C
C-D COMPRESIÓN
A-B EXPANSIÓN
PROCESO D-A. CONDENSACIÓN
03/07/2012
9
La tonelada de refrigeraciónTR— Para poder medir la potencia de enfriamiento o
capacidad de remover calor de un sistema derefrigeración o de aire acondicionado, se utilizanunidades de KW y KWH.
— Sin embargo, existe una medida aún en uso en elpaís llamada la “tonelada de refrigeración”.
— Esto equivale a la cantidad de calor que unatonelada de hielo puede absorber en un tiempodeterminado.
— El equivalencia es de 12,000 BTU/h por TR
COMPONENTES DEL SISTEMA— Los componentes básicos para realizar el ciclo de
refrigeración son:— El dispositivo de expansión.— El evaporador.— El compresor.— El condensador.
— Pueden existir otros dispositivos auxiliares como:— Un acumulador del líquido condensado, tuberías para
el flujo del refrigerante, válvulas de control omantenimiento, etc.
El dispositivo de expansión— El dispositivo de control de flujo
debe realizar dos funciones:— Regular el flujo del refrigerante
líquido que se alimenta alevaporador, según sea la demanda.
— Crear una caída de presión desdeel lado de alta al lado de baja delsistema.
03/07/2012
10
El Evaporador
El Evaporador— Es un intercambiador de calor
y su objetivo es proveer deuna transferencia continua yeficiente de calor del medio aenfriar al refrigerante.
— La sustancia a enfriar puedeser sólida, líquida o gaseoso(normalmente es agua o aire).
El Evaporador— Los más comunes son hechos de tubos por los
que fluye el refrigerante mientras que el aire aenfriar pasa por el exterior, a estos se les llamaserpentines y constituyen la superficie detrasferencia de calor.— Pueden se con aletas o sin aletas.— De convección natural o Forzada.— Expansión seca o inundados.— Enfriador de aire o agua (líquidos).
03/07/2012
11
Ing. Francisco Javier Vadillo
Evaporador con aletas y sin aletas
Evaporador convección natural o Forzada— En la convección natural, el
aire se mueve dentro delrecinto por la diferencia dedensidad que tiene el airefrío y el caliente.
— En la convección forzada, seutilizan ventiladores paracrear el movimiento.
Evaporador Expansión Seca— Son más baratos y fáciles de fabricar, pero
obligatoriamente deben tener unsobrecalentamiento en la salida para prevenirque líquido llegue al compresor y lo rompa.
03/07/2012
12
Evaporador Inundado— Son mas eficientes porque no requieren
sobrecalentamiento y aprovechan más la superficiedel evaporador.
— Son de mayor costo.
Enfriadores de aire o agua— Las aplicaciones convencionales enfrían aire para
que por medio de su movimiento, se enfríe elespacio refrigerado o acondicionado.
— Cuando el fluido a enfriar es agua, el evaporadorrecibe el nombre de “enfriador de agua” o “cooler”.
Problemastípicos— Escarcha en los
serpentines.— Taponamiento por
suciedad.— Rebalse del drenaje del
evaporador.
03/07/2012
13
El Compresor— Es el corazón del sistema.— Se encarga de producir la
diferencia de presiones y el flujode refrigerante en las tuberías.— En cuanto a costos, el compresor
constituye un poco más del 50%del valor inicial total del equipo yaproximadamente un 95% delconsumo de potencia defuncionamiento.
Ing. Francisco Javier Vadillo
Funcionamiento— El compresor aspira o succiona el
refrigerante del evaporador y luego locomprime para incrementar su presión y sutemperatura.
— Para evaluar la operación de loscompresores se define la presión de succiónsaturada (TSS) que compara cual sería latemperatura de saturación del refrigerante ala presión de succión.
Ing. Francisco Javier Vadillo
Temperatura de succión saturadas TSS— La TSS no será la temperatura real en la
succión del compresor.— La temperatura real se mide con el
termómetro y la diferencia entre estastemperaturas será aproximadamente de 5.5a 8° C (10 a 15° F).
— Los fabricantes hacen referencia a susequipos en base a la TSS.
03/07/2012
14
Tipos de compresores— Por su forma de operar pueden ser:
— Dinámicos o centrífugos.— Desplazamiento positivo:
— Reciprocante.— Rotativo.— Tornillo.— Espiral o “scroll”.
Compresores Dinámicos
Compresores Dinámicos— Mejor conocidos como compresores Centrífugos.— Son similares a las bombas centrífugas de agua y
funcionan proporcionando velocidad al vaporrefrigerante para aumentar su energía cinética ysu presión.— Poseen muy pocas partes móviles, por lo que son
menos propensos a fallas mecánicas que los otrostipos de compresores.
— Generan grandes cargas de enfriamiento con equiposde menores dimensiones.
03/07/2012
15
Ing. Francisco Javier Vadillo
SE USAN EN APLICACIONESDE GRAN TAMAÑO.
DE MUY ALTA EFICIENCIA YRELATIVAMENTE SILENCIOSOS
COSTO ELEVADO Y REQUIERE POCO ESPACIO.
SE UTILIZAN MUCHO EN ELENFRIAMIENTO DE LÍQUIDOS ENCICLOS SATURADOS
Centrífugos
Ing. Francisco Javier Vadillo
DESCARGA
SUCCIÓN
IMPULSOR
ÁLABES DIRECCIÓN
Centrífugos
Compresores Reciprocantes
03/07/2012
16
Ing. Francisco Javier Vadillo
— Son los más baratos en sistemas de refrigeracióny aire acondicionado.
— Funcionan con un juego de pistones y cilindrossimilares a los motores de combustión interna.
— Se clasifican en tres grupos:— a) herméticos— b) semiherméticos— c) abiertos
Compresores Reciprocantes
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresores Reciprocantes— Poseen muchas más
piezas, por lo queestán más propensos alas fallas mecánicas.— La lubricación se vuelve
crítica.— Equipos de 5 HP o más
requieren bombas deaceite.
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresores Herméticos— Son compactos y de poco tamaño, pero al
ser sellados, no pueden repararse y seconsideran desechables.
03/07/2012
17
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresores Herméticos— En ellos el motor que mueve al compresor se
encuentra alojado en la misma carcasa y elrefrigerante aspirado sirve para su enfriamiento
— Su principal aplicación es la refrigeración doméstica ycomercial en pequeña escala debido a su bajo costo.
— También en aire acondicionado se utilizan en equiposde bajo costo y eficiencia.
Compresores Herméticos
03/07/2012
18
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresores Semiherméticos— La diferencia radica en que
estos compresores puedenabrirse y desarmarse en ciertoslugares destinados almantenimiento, lo que permitesu reparación y cambio depiezas en caso de falla odesgaste.
— Son muy utilizados en elcampo de la refrigeracióncomercial de cuartos fríos y enla refrigeración industrial.
03/07/2012
19
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresores reciprocantes con válvula tipo disco
— Son los compresores derefrigeración más eficientes
— Se utilizan en aplicacionesde potencia hasta 40HP.
— El plato de válvulas estadiseñado para reducir lareexpansión del refrigerantea presión alta.
Comparación entre las válvulas de compresores reciprocantes— Convencional
— válvula de disco
Compresores Semiherméticoscon válvula de disco.
03/07/2012
20
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresores Abiertos— El motor y el compresor son dos partes
separadas y un sello especializado se encargaque no exista fuga de refrigerante o lubricanteen el acoplamiento entre ejes.— Estos se encuentran casi en desuso y han ido siendo
sustituidos por los semiherméticos.— Poseen la ventaja de no sufrir contaminación en caso
de daño del motor por recalentamiento y no destinanparte de su capacidad para enfriar el devanado delmotor.
Ing. Francisco Javier Vadillo
1) Pistón2) Bomba de aceite3) Carcaza4) Anillos de compresión5) Buje6) Polea7) Plato de válvulas8) Sello estanco mecánico
Compresores Abiertos
Ing. Francisco Javier Vadillo
— Pueden ser de acople directo (coupling) o deacople por poleas y fajas.— Este último acople permite modificar la velocidad
del compresor modificando el diámetro de la polea.
Compresores Abiertos
03/07/2012
21
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresores Abiertos
Ing. Francisco Javier Vadillo
Funciona al empujar un pistón dentro de un cilindro
Aspira vapor baja presión y frío
Descarga vapor a alta presión y temperaturaEl espacio entre pistón y válvulas debe ser lo más pequeño posible.
Funcionamiento
Ing. Francisco Javier Vadillo
— Debido a que el gas (1)entra por medio deválvulas al cilindro (2),se debe dejar un espaciopara prevenir que elpistón las golpee en sucarrera de descarga.
Pérdida de eficiencia por existencia del claro del cilindro.
03/07/2012
22
Ing. Francisco Javier Vadillo
— Esto crea un claro (3)que atrapa gas a altapresión al finalizar ladescarga.
— Cuando empieza lacarrera de succión, elgas primero debereexpandirse hastaalcanzar la presión desucción.
Pérdida de eficiencia por existencia del claro del cilindro.
Ing. Francisco Javier Vadillo
— El espacio ocupado porel gas reexpandido leresta espacio al gasentrante, por lo que seconsidera una pérdidadel volumen aspirado.
— A esto se le llamaeficiencia volumétrica.
Pérdida de eficiencia por existencia del claro del cilindro.
Eficiencia Volumétrica— Depende de varios factores, pero entre las
principales están:— La diferencia de presiones entre succión y descarga.— La diferencia de temperaturas de condensación y
succión.— El tipo de compresor.— En los compresores reciprocantes, la eficiencia ronda
entre el 75% y el 85%.— En los compresores reciprocantes tipo válvula de disco
ronda entre los 95% y 99%.
03/07/2012
23
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresor Rotativo.
Compresor Rotativo.— Son muy silenciosos y costo
relativamente bajo.— Son de muy poca potencia por
lo que no se solo se utiliza enequipos de aire acondicionadoresidenciales de hasta 2toneladas de refrigeración.
— Su eficiencia volumétrica esarriba del 90%.
Funcionamiento
03/07/2012
24
Compresores de tornillo
Compresores de tornillo— Son de alto costo y elevada
eficiencia.— Pueden manejar cargas
parciales.— Esto reduce el consumo total de
energía.— Solo se utilizan en aplicaciones de
gran tamaño (arriba de 70toneladas de capacidad).
Funcionamiento
Ing. Francisco Javier Vadillo
03/07/2012
25
Compresores Scroll
Compresor tipo SCROLLUTILIZAN UNA ESPIRAL DE MOVIMIENTOCONTINUO QUE COMPRIME EL GAS AL REDUCIRGRADUALMENTE SU VOLUMEN.
MUY EFICIENTES Y SILENCIOSOS. APROXIMADAMENTE 3 VECES MENOS RUIDOSOS QUE UN RECIPROCANTE.
SU COSTO ES MAYOR A LOS RECIPROCANTES HERMÉTICOS
POSEEN MENOS PARTES MÓVILES, POR LO QUE SON MENOS PROPENSOS A FALLAS.
Compresor tipo SCROLL— Los compresores tipo scroll son lo más reciente en
tecnología de compresores.— Son de costo accesible (de un 20% a un 30% mayor
que los reciprocantes).— Eficiencias volumétricas arriba del 95%.— Han reemplazado al reciprocante en las aplicaciones
de mercado comercial e industrial de aireacondicionado y en algunas de refrigeración.
03/07/2012
26
Funcionamiento
TABLAS Y CATÁLOGOS DE EQUIPOS
www.heatcraftrpd.com/
http://www.copeland-corp.com/
El condensador
03/07/2012
27
Ing. Francisco Javier Vadillo
El condensador— La misión del condensador es remover calor del
evaporador y el calor de compresión paracondensar el refrigerante a su estado líquido.
— Pueden ser de similar construcción a losevaporadores, pero se reconocen por tener unmayor tamaño.
— Los condensadores remueven calor sensible ylatente y se diseñan sobredimensionados parabrindar subenfriamiento al líquido.
Ing. Francisco Javier Vadillo
El condensador— Pueden ser:
— Enfriados por agua:— El refrigerante se enfría
con un flujo de agua, quepuede ser a su vezenfriado por otros medios,como:— Torres de enfriamiento.— Estanques de evaporación.
El condensador— Pueden ser:
— Enfriados por aire:— Se utiliza aire a temperatura
ambiente.— Convección natural.— Convección forzada.
— Son menos eficientes quelos enfriados por agua, peromás baratos.
— Son los más usados a nivelresidencial y comercial.
03/07/2012
28
El condensador— Pueden ser:
— Evaporativos:— Es una combinación de
enfriado por agua y aire,ya que aprovecha elefecto de enfriamiento alevaporar agua en unflujo de aire.
— Son de muy buenaeficiencia, pero carostanto en compra comoen mantenimiento.
Unidades condensadoras— Cuando un condensador y un compresor se
ensamblan en fábrica como un solo equipo, se ledenomina unidad condensadoras.
— Normalmente incluye también los accesorioseléctricos y mecánicos para operar juntos y lasválvulas o tuberías para acoplar en el campo elevaporador.
03/07/2012
29
