APUNTES REFRIGERACION

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INDICE

INDICE

INTRODUCCIN.

UNIDAD I: INTRODUCCIN A LA REFRIGERACIN .

1.1.- APLICACIN DE LA REFRIGERACION

1.2.- MTODOS DE REFRIGERACIN

UNIDAD II: REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR

2.1.- CICLO DE COMPRESIN DE VAPOR

2.2.-CICLO DE PRESIONES MULTIPLES

UNIDAD III: COMPORTAMIENTO DE LOS COMPRESORES.

3.1.- COMPRESORES ALTERNATIVOS

3.2.- COMPRESORES ROTATIVOS

UNIDAD IV: CONDENSADORES.

4.1.- CLASIFICASION Y FUNCIONAMIENTO DE LOS CONDENSADORES

4.2.- CALCULO DE LOS CONDENSADORES

UNIDAD V: DISPOSITIVOS DE EXPANSIN.

5.1.- CLASIFICASION Y FUNCIONAMIENTO DE LOS DISPOSITIVOS DE EXPANSIN.

5.2.- CALCULO Y SELECCIN DE LOS DISPOSITIVOS DE EXPANSIN.

UNIDAD VI: EVAPORADORES.

6.1 CLASIFICASION Y FUNCIONAMIENTO DE LOS EVAPORADORES

6.2 CALCULO DE LOS EVAPORADORES

UNIDAD VII: SISTEMA TOTAL DE COMPRESIN DE VAPOR.

7.1.- ANLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA TOTAL DE COMPRESIN DE VAPOR.

UNIDAD VIII: REFRIGERANTES, LUBRICANTES, TUBERAS Y ACCESORIOS.

8.1: CLASIFICASION Y NOMENCLATURA DE LOS REFRIGERANTES

8.2.- PROPIEDAD Y CRITERIO DE SELECCIN DE LOS REFRIGERANTES

8.3.- PROPIEDAD Y CRITERIO DE SELECCIN DE LOS LUBRICANTES, ACCESORIOS Y TUBERAS.

8.4.- SISTEMA DE COMPRESIN DE VAPOR.

UNIDAD IX: OTROS SISTEMAS DE REFRIGERACIN.

9.1.- SISTEMA DE REFRIGERACIN POR ABSORCIN

9.2.- SISTEMA DE REFRIGERACIN POR CICLO DE AIRE.

9.3.- SISTEMA DE REFRIGERACIN POR CHORRO DE VAPOR DE AGUA

9.4.- SISTEMA DE REFRIGERACIN A BAJA TEMPERATURA.

9.5.- BOMBAS DE CALOR.

UNIDAD X: CONDISIONES DE CONFORT Y CARGA TERMICA.

10.1.- CARTA, TABLA DE CONFORT Y CICLO COMPLETOP DE AIRE ACONDICIONADO.

10.2.- CARGA TERMICA PARA CALEFACCIN.

10.3.- CARGA TERMICA PARA REFRIGERACIN.

UNIDAD XI: EQUIPO PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE.

11.1.- DISEO DE SISTEMAS DE DUCTOS Y EQUIPOS PARA CONDISIONES DE VERANO E INVIERNO.

UNIDAD XII: PROYECTO.

12.1.- SELECCIN DEL PROBLEMA

12.2.- ANLISIS DE ALTERNATIVAS

12.3.- SELECCIN DE LA ALTERNATIVA

12.4.-ELABORACION DE DIBUJOS Y PLANOS.

12.5.- APLICACIN DE CRITERIOS

12.6.- INTERPRETACIN DEL PROYECTOS

12.7.- CONCLUSIONES.

BIBLIOGRAFA

GLOSARIO.

INTRODUCCIN

La refrigeracin y el aire acondicionado contribuyen a elevar el nivel de vida de las personas en todos los pases. Los avances realizados en el campo de la refrigeracin y el aire acondicionado en aos recientes son el resultado de una labor de conjunto, en el cual los tcnicos, el personal relacionado , los ingenieros, los cientficos y otras personas han aportado sus habilidades y conocimientos.

Los fundamentos sobre los cuales se constituyen nuevas sustancias y materiales son proporcionados por la ciencia. Este conocimiento se aplica al campo de la refrigeracin y aire acondicionado por quienes disean, fabrican, instalan y mantienen el equipo de refrigeracin y aire acondicionado. Despus se a hecho til a travs de la investigacin planificada subsecuentemente, el desarrollo y la aplicacin practica.

La aplicacin del principio de la refrigeracin no tiene limites. El empleo ms comn y que se reconoce fcilmente es la conservacin de los alimentos; esto es, por mencionar uno y el acondicionamiento del aire han hecho del hombre poder vivir bajo condiciones climticas difciles. Por lo tanto, la refrigeracin y el aire acondicionado se han hecho una conveniencia indispensable en la vida moderna e industrial.

En los siguientes captulos se muestran los principios bsicos de la refrigeracin y aire acondicionado, aplicaciones, componentes de un sistema total de refrigeracin y aire acondicionado bsico y tambin algunos otros sistemas de refrigeracin pocos comunes.

UNIDAD I INTRODUCCIN A LA REFRIGERACION

1.1 APLICACION DE LA REFRIGERACIN Y DEL AIRE ACONDICIONADO

La industria de la refrigeracin y del aire acondicionado cada da se extiende ms y encuentra ms aplicaciones. En otro tiempo, el uso principal de la refrigeracin era la produccin y distribucin de hielo. Hoy la refrigeracin es esencial en la produccin y distribucin de alimentos y para el funcionamiento eficiente de la industria. Con el aire acondicionado la gente vive ms confortable y saludablemente, y muchos procesos industriales se realizan de forma ms eficiente.

Estas aplicaciones pueden agruparse en cuatro grupos:

A.- Produccin y distribucin de alimentos.

B.- Uso en procesos industriales e industrias qumicas.

C.- Aplicaciones especiales de la refrigeracin.

D.- Aire acondicionado para la industria y el confort.

A.- PRODUCCIN Y DISTRIBUCIN DE ALIMENTOS

Preparacin de alimentos: las fases principales de la industria de los alimentos son la preparacin, el almacenamiento y la distribucin. Mientras que muchos alimentos, tales como ciertas frutas y vegetales, pueden almacenarse y distribuirse en su estado natural, otros requieren una preparacin . la refrigeracin es corrientemente el factor principal de esta preparacin.

Productos lcteos: los principales productos lcteos son la leche , el helado y la mantequilla. En las granjas, la leche pasa sin demoras desde las vacas hasta un tanque refrigerador, que la enfra a 10 o 15 o C. un camin tanque la transporta a las lecheras donde, despus de la pasteurizacin se enfra a 2 o 3 o C en un intercambiador de calor. Para preservar la calidad de la leche se utiliza la refrigeracin en numerosas etapas posteriores durante su distribucin. Las lecheras tienen el problema de necesitar gran capacidad de refrigeracin en solo cortos periodos del da. Algunas emplean su capacidad del da entero fabricando hielo en los de poco consumo, y fundindolos despus para aumentar su capacidad en los periodos de mucho consumo.

Envasado de la carne y volatera.- La refrigeracin de la carne se emplea primeramente en las operaciones de envasado, y se contina hasta que ya va a prepararse para comer, con el sencillo y esencial fin de conservarla. Estn refrigeradas las cmaras en que se guarda la carne en las carniceras cuando ya se empieza a cortar. Para largos periodos de almacenamiento, la carne permanece en cmaras mantenidas a temperaturas entre 0 y 1o C. La carne puede tambin envasarse en recipientes de tamao apropiado para el consumo y congelarse. Despus de la congelacin, se mantiene entre - 1 8 y - 23 OC.

Pescado.- A la necesidad de conservar el pescado desde que se captura hasta que el barco vuelve a puerto se le ha venido prestando atencin desde hace mucho tiempo. Actualmente se buscan mtodos ms eficaces de refrigeracin mecnica para conservar el pescado. La congelacin dentro del barco en el mar es preferible a la conservacin en hielo en espera de que el barco llegue al puerto para despus congelarlo. Est en estudio la congelacin del pescado por inmersin en salmuera a 15o C.Bebidas.- La refrigeracin es esencial en la produccin de bebidas tales como zumo de frutos concentrados, cerveza y vino. Por otra parte, el gusto de muchas bebidas se mejora sirvindolas fras.

Los zumos concentrados son populares por su buena calidad y razonable precio. Es menos costoso concentrar un zumo y transportarlo congelado que transportar el fruto crudo. El zumo de naranja es el ms popular de los zumos concentrados, pero son tambin muy frecuentes en el mercado otros zumos ctricos, los de manzana, uva y pia. La concentracin de zumos es un proceso industrial. Para conservar el gusto del zumo se hace hervir su agua a una temperatura baja, lo cual requiere que el proceso se realice a presin por debajo de la atmosfrica. Se necesita refrigeracin para congelar los zumos a la salida - del concentrador, y para mantener una temperatura de 18 o C durante el transporte y almacenamiento.

En la industria cervecera, la refrigeracin controla la reaccin de fermentacin y preserva algunos de los productos intermedios y finales. En la produccin del alcohol, la fermentacin ( reaccin exotrmica ) es el proceso clave. Para producir una cerveza que pueda conservarse, debe realizarse la fermentacin a temperatura entre 7 y 13 o C , y la refrigeracin mantiene esta temperatura a pesar del calor desprendido por la reaccin.

El vino es tambin el resultado de un proceso de fermentacin, y para mejorar la calidad del vino, la reaccin debe realizarse a temperaturas por debajo de 25 o 35 o C. Otro uso de la refrigeracin en las fbricas de vino es para apresurar la congelacin del crmor trtaro con el fin de que pueda separarse ms fcilmente.

Almacenamiento y distribucin de alimentos.- Una enorme capacidad de refrigeracin q se utiliza en todo el pas para conservar los alimentos. El almacenamiento de alimentos fros puede hacerse bien a temperaturas ligeramente por encima 0 o C, o ms bajas, como en el caso de alimentos congelados.

Carne y vegetales congelados.- Las ventas de alimentos congelados aumentan de ao en ao. La comodidad y el precio razonable de un vegetal congelado o de un plato de comida preparada hace que vaya ganando popularidad entre los consumidores.

Muchas carnes, pescados y vegetales pueden congelarse para que conserven un gusto que casi mejora el de productos frescos. Los vegetales que ms frecuentemente se sirven congelados son las judas verdes, maz, guisantes, esprragos, brcoles. coliflores y muchos otros. Para la preparacin y manipulacin de los alimentos congelados se hace un gran uso de la refrigeracin. El alimento, despus de clasificarlo y preparado, es sper congelado a temperaturas frecuentemente por debajo de -30 o C. La supercongelacin, o descenso brusco de la temperatura en el intervalo de congelacin mantiene los cristales de hielo muy pequeos e invisibles. Grandes almacenes refrigerados conservan los alimentos congelados a temperaturas entre - 18 y - 23 o C, hasta que se transportan, en vagones o camiones refrigerados, a las tiendas, donde los alimentos esperan la venta en escaparates refrigerados

Productos de panaderas congelados. - Las panaderas modernas usan la refrigeracin y el aire acondicionado desde hace aos para el confort y para almacenar los ingredientes. Actualmente, los costos han estimulado tambin a la congelacin de productos de las panaderas. En stas las ventas oscilan mucho, aumentando la demanda el fin de la semana. Para nivelar su produccin, muchas panaderas congelan parte de la produccin de los primeros das de la semana, para poder hacer as frente a la gran demanda de los ltimos das.

Frigorficos domsticos y congeladores.- El punto final de almacenamiento de la mayora de los alimentos es el frigorfico, congelador o casero. Las ventas de frigorficos caseros han alcanzado ya la saturacin, es decir, que prcticamente todo posible cliente de un frigorfico domstico ya lo tiene. Sin embargo, las ventas continan porque hay una demanda constantes para sustituciones. Por otra parte el constante incremento de poblacin hacen que aparezcan cada ao gran nmero de nuevas familias, que son posibles clientes. El nmero de los congeladores domsticos continuar aumentando de la misma manera que el consumo de alimentos congelados. En el proyecto de frigorficos, la tendencia es hacia compartimentos cada vez mayores para alimentos congelados.

B.- USO EN PROCESOS INDUSTRIALES E INDUSTRIAS QUIMICAS.

Usos de la refrigeracin en las industrias qumicas y procesos industriales.- La refrigeracin se aplica en gran escala en las industrias qumicas y en los procesos industriales. Estas industrias necesitan indudablemente un cuidadoso proyecto de ingeniera, ya que cada instalacin es diferente y, por otra parte, el costo de la instalacin es muy alto. Las principales aplicaciones de la refrigeracin en las industrias qumicas y en los procesos industriales son:

a).- Separacin de gases.

b).- Condensacin de gases

c).- Desecado del aire.

d).- Precipitacin de un soluto desde una solucin.

e).- Almacenamiento a baja presin en estado lquido.

f).- Proceso de enfriamiento.

g).- Disipacin del calor de reaccin.

h).- Recuperacin de disolventes.

i).- Control de fermentacin, y

j).- Enfriamiento para la conservacin.

Separacin de gases. - Pueden separase los componentes del aire por enfriamiento hasta la licuefaccin y posterior destilacin fraccionada. En las plantas petroqumicas se usan bajas temperaturas para separar gases. Pueden necesitarse temperaturas por debajo de los -150 o C, y en alguna planta petroqumica, la potencia consumida por el equipo de refrigeracin es de ms de 1 0. 000 H. P.

Condensacin de gases.- Las plantas de amoniaco sinttico, por ejemplo, condensan el gas amoniaco a temperaturas entre - 1 8 y 10 o C antes del almacenamiento y transporte.

Desecado del aire- La refrigeracin es uno de los medios de extraccin de la humedad del aire. Se necesita aire seco en la preparacin de productos farmacuticos.

Precipitacin de un soluto.- Un ejemplo de este proceso es el desencerado del petrleo en la industria petrolfera. La cera se precipita a unos - 26 o C, y puede entonces separarse por un filtrado. Las refineras de petrleo hacen gran uso de la refrigeracin en otros procesos.

Almacenamiento en estado lquido a baja presin. - El almacenamiento de una sustancia en estado lquido en vez de gaseoso permite muchas veces almacenar ms sustancias en un volumen dado. Un gas natural, por ejemplo, puede enfriarse a - 160 o C y almacenarse en estado lquido a una presin de 1,7 Kg. / cm2, EL calor que atraviesa las paredes del recipiente hace hervir al lquido, generndose un poco de gas, que a continuacin se comprime, se enfra y se expande hasta la baja presin y baja temperatura del lquido.

Procesos de enfriamiento: una gran variedad de procesos estn comprendidos en esta categora. Un ejemplo es el enfriamiento de la cera a 12 o C para endurecerla sobre el papel.

Disipacin del calor de reaccin.- Muchas reacciones qumicas, aun siendo exotrmicas, deben realizarse a temperaturas ms bajas que el ambiente. En este caso, la refrigeracin debe absorber el calor, como sucede en la produccin de rayn viscoso, acetato de celulosa y caucho sinttico.

Recuperacin de disolventes- Numerosos disolventes, tales como la acetona en la fabricacin de pelcula, el tetracloruro de carbono en la produccin textil, y el disulfuro de carbono en la produccin de caucho, pueden recuperarse por refrigeracin.

control de la fermentacin.- El calor generado durante la fermentacin debe de disiparse para que la temperatura de los cuerpos que reaccionen no se salga de control. Por ejemplo, la refrigeracin mantiene la temperatura entre 4 y 10 o C, que es la requerida en la formacin del alcohol y de la penicilina.

Enfriamiento para la conservacin.- Del mismo modo que los alimentos necesitan bajas temperaturas para aumentar su duracin, muchos productos no alimenticios, tales como el caucho natural, ciertas drogas y explosivos, tiene una mayor duracin cuando se almacenan a temperaturas entre 5 y 15 o C.

C.- APLICACIONES ESPECIALES DE LA REFRIGERACION,

Usos especiales de la refrigeracin.- La refrigeracin tiene otras muchas aplicaciones, y cada ao aparecen otras nuevas. Algunas de las aplicaciones especiales de la refrigeracin que nosotros mencionaremos a continuacin no han adquirido importancia hasta los ltimos aos.

Tratamiento fro de los metales.- Una aplicacin de la refrigeracin que se extiende rpidamente es el tratamiento fro de los metales. El tratamiento fro a - 100 o C, en una cabina que ayuda a estabilizar las dimensiones de las piezas y medidores de precisin. Si un acero cementado se somete durante 30 minutos a una temperatura de 87 C, aumentar su dureza y la resistencia al desgaste. La vida del filo cortante de las herramientas se aumenta refrigerando la herramienta a 100 C durante 15 minutos. La refrigeracin tambin mejora la ductibilidad para las ambutaciones profundas, La fuerza magntica a la estabilidad de los imanes se mejoran por un tratamiento a alta temperatura de - 84 o C durante ocho horas.

medicina.- La fabricacin de drogas y productos farmacuticos necesita el uso de la refrigeracin para algunas operaciones. Una tcnica mdica poco comn consiste en usar la refrigeracin local como anestesia quirrgica. La ventaja de esta tcnica consiste en que no solo los nervios, sino todo el protoplasma se anestesia, consiguindose as una ciruga sin conmociones. El plasma sanguneo y los antibiticos se obtienen usando un mtodo llamado congelacin seca .

pistas de patinaje. Los patinadores, jugadores de hockey y esquiadores no pueden esperar a que el tiempo atmosfrico sea lo suficientemente fri para que se hiele el agua de sus pistas. Por este motivo, se colocan tuberas que llevan una salmuera fra, dentro de la pista de arena, sobre la que despus se vierta agua, que se solidifica.

Construccin.- En la industria de la construccin se utilizan equipos de refrigeracin que enfran el hormign para evitar su agrietamiento, y que congelan a veces el terreno, para facilitar las excavaciones. Cuando se vierte una gran masa de hormign, tal como la de una presa, puede ser necesario enfriarlo. En la reaccin qumica que tiene lugar durante el endurecimiento, se desprende calor, que s no es extrado, hace dilatar al hormign, originando tensiones en su interior. El hormign puede refrigerarse bien enfriando la arena, grava, agua y cemento antes de la mezcla o bien introduciendo en l tuberas de refrigeracin.

Purificacin del agua de mar.- Actualmente, es un problema nacional el conseguir el suministro suficiente de agua potable, y el problema nacional agudizar an ms en el futuro. Se ha pensado en transformar el agua del mar en agua potable, y uno de los medios consiste en el uso de la refrigeracin. En esencia, el proceso consiste en fabricar hielo, que est relativamente libre de sal, a partir del agua del mar, separarlo de la salmuera que queda y fundirlo despus para convertirlo en agua potable.

Fbrica de hielo.- No hay que creer que la fabricacin de hielo esta disminuyendo. Es cierto que las fbricas de hielo han perdido importancia, pero el consumo de hielo aumenta de ao en ao. La mayor parte del ao se fabrica actualmente bien en aparatos autnomos, del tipo de los usados en restaurantes y hoteles, o bien en aparatos de tipo industrial. Otro medio de enfriar el hormign distinto del que se mencion anteriormente consiste en aadir parte del agua necesaria en forma de hielo. Grandes neveras estn situadas a lo largo de los apartaderos del ferrocarril para refrigerar con hielo los vagones de mercancas.

D.- AIRE ACONDICIONADO PARA INDIUSTRIA Y EL CONFORT

Aire Acondicionado.- Al principio, las instalaciones de aire acondicionado se destinaban ms bien a la mejora de procesos y materiales que el confort de la gente. Por esta razn, el crecimiento del aire acondicionado industrial ha sido constante, pero no tan espectacular como el aire acondicionado para las personas. Hasta los ltimos aos no se han puesto en evidencia las ventajas econmicas de proporcionar aire acondicionado a los empleados. Por otra parte, tambin la gente instala ahora el aire acondicionado en sus hogares para procurarse salud y confort.

Aire acondicionado industrial.- Donde se utiliza ms frecuentemente el aire acondicionado es en los laboratorios, imprentas, talleres de mecnicas de precisin, y en la fabricacin de productos textiles, acero, productos farmacuticos y productos fotogrficos.

Laboratorios.- El objeto del acondicionamiento del aire vara de un laboratorio a otro. En unos pueden ser proporcionar condiciones de confort al personal de manera que su trabajo y mediciones sean precisos, mientras que en otros, la temperatura puede mantenerse a 60 C para estudiar el comportamiento de una determinada mquina a bajas temperaturas. El acondicionamiento de otros laboratorios puede destinarse a ayudar a los mdicos y bilogos a estudiar los efectos de la temperatura y humedad sobre los seres vivientes.

imprentas.- El control de la humedad es una de las razones primordiales para la utilizacin del aire acondicionado en las imprentas, Cuando se imprime en multicolor, el papel pasa a travs de la prensa una vez para cada color, Si la humedad no es constante, el papel se encoge o estira, lo que origina una mala impresin de los colores. Otros perjuicios debido a una humedad impropia son la electricidad esttica, los rizos u ondulaciones del papel, y el mal secado de la tinta.

Fabricas textiles.- Lo mismo que el papel, los tejidos son sensibles a los cambios de humedad y, en una menor proporcin a los cambios de temperatura. Los hilados en las modernas plantas textiles se mueven a enormes velocidades, y los cambios en la flexibilidad y resistencia de la tela o de la Generacin de electricidad esttica deben de evitarse.

Plantas siderrgicas.-Desecado del aire antes de que entre al horno alto, se mejora la calidad del acero y se reduce la cantidad de coque necesario por tonelada de acero.

Productos farmacuticos- Las fbricas de productos farmacuticos necesitan aire acondicionado para eliminar las bacterias areas y el polvo para conservar los productos. Las cpsulas de gelatina, por ejemplo, necesitan un aire muy seco. Los productos glandulares pierden su efectividad si la temperatura aumenta demasiado. Las pldoras y tabletas requieren unas condiciones de aire precisas para mantener su calidad.

Granjas.- se estn llevando acabo interesantes experiencias para determinar si el aire acondicionado puede aplicarse econmicamente a refrigerar establos, cochiqueras y gallineros. Las primeras experiencias indican que refrigerando los establos en verano se obtiene un mayor rendimiento en la conversin del pienso en carne, es decir, se aumenta la produccin. Es de esperar que en este campo se abran nuevos mercados a los equipos de refrigeracin y de acondicionamiento del aire.

Aire acondicionado para el confort- El aire acondicionado para las necesidades humanas, dejando en segundo trmino a los materiales o a los procesos de fabricacin, se le llama aire acondicionado para el confort. Su crecimiento ha sido enorme. Algunas de las principales aplicaciones se describen a continuacin.

Residencias.- Para el hogar, que es el ltimo reducto del aire sin acondicionar, es para donde las ventas de equipo de aire acondicionado estn aumentando ms rpidamente. La gente que disfruta del aire acondicionado en los lugares de trabajo, en las tiendas mientras compra, o en los lugares de diversin, pide el mismo confort en sus hogares. Las ventas de aparatos individuales, tales como los que se instalan en una ventana o pared han aumentado rpidamente. Sin embargo, muchos fabricantes creen que la refrigeracin central, que usa la misma conduccin para distribuir el aire caliente para la calefaccin, ser pronto el sistema ms popular.

Locales pblicos.- En los restaurantes, teatros, clubs nocturnos y otros lugares de diversin, el aire acondicionado es esencial. El sistema de aire acondicionado que se utilice en estos locales debe satisfacer las exigencias impuestas por las grandes variaciones de carga en el transcurso del da, las grandes prdidas por humedad de las personas y de los alimentos, y por filtracin y ventilacin.

Almacenes.- El aire acondicionado aumenta la clientela y el rendimiento de los empleados, hace que las visitas de los clientes sean ms largas y, por consiguiente, aumenta las ventas de los almacenes. Los almacenes de tamao pequeo y mediano pueden usar un aparato de aire acondicionado autnomo , con el aire saliendo directamente del acondicionador, o envindolo, a travs de un conducto, a distintos lugares del almacn.

Grandes edificios- Un edificio para oficinas, apartamentos, hotel u hospital que se construya hoy sin aire acondicionado, se considera anticuado aun antes de ser ocupado. Cuando basta una diferencia de ocupacin del 10% para pasar de un beneficio a una prdida, la instalacin del aire acondicionado tiene justificacin econmica. Muchas iglesias tienen ahora aire acondicionado, si bien es difcil establecer una relacin entre el gasto del dinero y la mayor atencin de los fieles a los actos religiosos.

transportes.- Los sistemas de aire acondicionado se han hecho normales en los vagones de ferrocarril y en los autobuses. Todos los barcos modernos de pasajeros tienen aire acondicionado, y el acondicionamiento de aire en los automviles se hace ms popular de ao en ao. Tambin los aviones necesitan aire acondicionado. Los aviones comerciales necesitan refrigeracin artificial durante el tiempo en que estn en los aeropuertos y mientras se elevan. Los aviones militares necesitan refrigeracin a causa de las altas temperaturas que alcanzan sus superficies cuando se mueven a grandes velocidades.

Lugares de trabajo.- Aunque las instalaciones de aire acondicionado hayan tardado en establecerse en los talleres, salas de proyectos, centrales telefnicas, y otros lugares donde trabajan grupos de personas, los directores de la mayor parte de las empresas estn convencidos actualmente de que el costo del aire acondicionado se recupera por el aumento de la produccin y la mejora de la calidad del trabajo de sus empleados. Los estudios que han medido el incremento del rendimiento de los empleados que trabajan en locales con aire acondicionado se han seguido con gran inters. El rendimiento de una persona que trabaja intelectualmente es ms difcil de medir, pero son grandes las ganancias que se obtienen por su aumento de productividad.

1.2.- METODOS DE REFRIGERACION,

Refrigerar consiste en conseguir una temperatura ms baja que la del medio ambiente inmediato. En cualquier sistema prctico de refrigeracin, el mantenimiento de la baja temperatura requiere la extraccin del calor del cuerpo a refrigerar a baja temperatura y la cesin de este calor a una temperatura ms alta.

Se explican algunos procesos fundamentales usados en la refrigeracin. Estos procesos son:

A) Elevacin de la temperatura de un refrigerante

B) Cambio de fase

C) Expansin de un lquido

C) Expansin de un gas real, y

D) Procesos elctricos.

En los procesos A) y B), la temperatura se logra ya en el refrigerante, y el proceso consiste nicamente en la transferencia del calor desde el producto que se va a enfriar. Los restantes procesos, por el contrario, producen la baja temperatura por s mismos.

A) ELEVACIN DE LA TEMPERATURA DE UN REFRIGERANTE.- Uno de los medios obvios de enfriar un producto es ponerlo en contacto con una sustancia ms fra llamada refrigerante. Las personas y objetos situados en el interior de un edificio se refrigeran introduciendo aire a baja temperatura dentro del edificio. La leche en las lecheras se enfra elevando la temperatura del agua fra o de alguna salmuera.

Tambin pueden usarse sustancias slidas como refrigerantes.

La cantidad de calor Q, en caloras o caloras por hora, absorbida por el refrigerante en un proceso a presin constante viene dada por la frmula:

Q = mcp (tf ti) (1-1)Donde m= masa en Kg, o caudal en masa en Kg/h

Cp = calor especfico a presin constante en ( cal/Kg) (o C)

tf ti = elevacin de la temperatura del refrigerante en o CB) CAMBIO DE FASE.- El hecho de que un refrigerante necesita calor para pasar de slido a lquido, de liquido a vapor, o de slido a vapor, puede tener aplicacin en la prctica de la refrigeracin.

El cambio de fase slida a liquida se llama fusin , y el calor absorbido por el refrigerante es el calor de fusin. El ejemplo ms notable es la fusin del hielo. Una ventaja del uso del hielo es que la refrigeracin se hace independiente del equipo mecnico. Una desventaja frecuente es el problema de la eliminacin del agua. Otra desventaja es la imposibilidad del hielo de enfriar un producto a temperatura ms baja que 0 o C.El cambio de fase lquida a vapor se llama vaporizacin , y el calor absorbido por el refrigerante en este cambio de fase se llama calor latente de vaporizacin. Este proceso de refrigeracin es el ms usado, debido a que tiene lugar en el conocido ciclo de comprensin del vapor. Controlando la presin a la que se realiza la vaporizacin, se regula la temperatura del proceso.

C) EXPANSIN DE UN LQUIDO.- La expansin de un lquido origina el descenso de su temperatura. El descenso de temperatura es ligero si la sustancia permanece en estado lquido durante la expansin, se realiza dentro de la regin de las mezclas lquido-vapor. Consideremos la expansin isoentrpica de un lquido refrigerado a una baja presin.

La Fig. 1-1 es un diagrama temperatura-entropa mostrando las lneas de lquido saturado y de vapor saturado de cierta sustancia. En la regin del lquido se han trazado ,varias lneas de presin constante- Si el punto 1 es el estado antes de la expansin, y el 2 es el punto despus de la expansin isoendotrpica, observamos que la temperatura desciende durante el proceso. La Fig. 1-1 no est a escala, y las lneas de presin constante estn ms prximas a la lnea de lquido saturado de lo que muestra el dibujo. Esto significa que la cada de la temperatura entre 1 y 2 es menor que la sealada. Si la expansin desde 1 es irreversible y adiabtica, el punto despus de la expansin estar a la derecha de 2. Un lquido expandindose a entalpa constante, por ejemplo, desde el punto 1 hasta la misma presin que la del punto 2, experimenta un descenso de temperatura todava menor que en la expansin isoentrpica. Por consiguiente, en una expansin, cuando la sustancia permanece en estado lquido, el descenso de temperatura carece probablemente de importancia prctica.

Por otra parte, cuando la expansin se realiza dentro de la regin de mezclas, la reduccin de temperatura puede ser apreciable. Consideremos una expansin isoentrpica de un lquido saturado a partir del punto 3 en la Fig. 1 - 1 hasta una presin ms baja. Si suponemos que este proceso va desde 3 hasta 4, resulta un pronunciado descenso de temperatura. Si el proceso es irreversible y adiabtico, se pasar desde 3 hasta 4', y la reduccin de temperatura es tan grande como en el caso isoentrpico. Por tanto, en la expansin de un lquido saturado se presenta un descenso apreciable de temperatura.

La expansin de un lquido es uno de los procesos de comprensin del vapor.

D) EXPANSIN DE UN GAS REAL.-Cuando un gas real se expande, aunque permanezca constante la entalpa puede variar la temperatura. En la expansin de un gas perfecto en un rgimen permanente la temperatura permanece constante en un proceso de entalpa constante. En cambio en un gas real, la temperatura puede permanecer constante, disminuir o aumentar.

El termino que expresa la magnitud y el signo de la variacin de la temperatura se llama coeficiente Joule-Thomson . Por definicin,

Coeficiente de Joule-Thomson = (( T( (P(h

(1-3)

que es la variacin de temperatura con respecto a la presin en un proceso a entalpa constante. Las lneas tpicas de entalpa constante en un diagrama presin-temperatura de un gas real se muestra en la Fig. 1 -5.

La pendiente en un punto de las lneas de entalpa constante de la Fig. 1-5 es el coeficiente de Joule-Thomson en el punto considerado, Se puede lograr que un gas experimente una transformacin a entalpa constante hacindolo pasar por un estrangulamiento. Como la presin disminuye en el estrangulamiento, el movimiento a lo largo de la curva de la Fig. 1-5 es hacia la izquierda. Si el estrangulamiento ocurre desde el punto 1 hasta el punto 2, la temperatura aumenta. En el punto 2 la temperatura tiene un mximo y el coeficiente de Joule-Thomson vale cero. Este punto se llama punto de inversin . Si el estrangulamiento es de 2 a 3 o de 1 a 3, la temperatura desciende.

Se hace uso de valores positivos del coeficiente Joule-Thomson para la Produccin de gases tales como nitrgeno y oxgeno a baja temperatura.

E) PROCESOS ELCTRICOS.-

Puede refrigerarse por mtodos elctricos o magnticos de dos formas diferentes. Un mtodo consiste en utilizar la orientacin molecular bajo un campo magntico, y el otro en invertir el efecto de un termopar.

El enfriamiento magntico que se ha utilizado con ms xito para aproximarse al cero absoluto. Una sustancia con propiedades magnticas especiales se somete a un campo magntico. El campo magntico eleva la temperatura de la sustancia, pero el calor es extrado rpidamente por el belio que rodea la sustancia y hierve a -273,16o C. A continuacin se asla trmicamente a la sustancia del helio y se aleja bruscamente el campo magntico. La temperatura de la sustancia desciende entonces a 0,00 1o K.

Un termopar consiste en dos uniones interconectadas de metales diferentes. Cuando las uniones estn a temperaturas diferentes, el circuito genera una fuerza electromotriz, lo que se conoce con el nombre de efecto Peltier . El efecto inverso puede tambin realizarse. Cuando se establece una f.e.m. (fuerza electromotriz) en el circuito del termopar, aumentar la temperatura de unin y disminuir la de la otra. Instalando una batera de uniones calientes fuera de la habitacin de la que quiere extraerse el calor, y una batera de uniones fras dentro, para absorber el calor, resulta un acondicionador de aire. Este principio ha sido experimentado con xito, pero todava no existen en el mercado refrigeradores de este tipo.

UNIDAD II

REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE VAPOR2.1.- EL CICLO DE COMPRESIN DEL VAPOR.El ciclo de comprensin del vapor es el ciclo de refrigeracin ms importante desde el punto de vista comercial. En tal ciclo, un fluido se evapora y se condensa alternativamente, siendo uno de los procesos que intervienen en el ciclo una compresin de vapor. Es este captulo se estudia primeramente el clsico de Carnot, y despus el ciclo real de vapor- Las modificaciones que se hacen en el ciclo de Carnot se deben a consideraciones prcticas.

El ciclo de refrigeracin de Carnot.- El rendimiento del ciclo de Carnot es mayor que el de cualquier otro ciclo que trabaje entre las dos mismas temperaturas extremas. El ciclo de Carnot en una mquina trmica ya nos es familiar desde los estudios de termodinmica. La mquina trmica de Carnot est representada esquemticamente en la Fig. 2-1a. El correspondiente diagrama de temperatura-entropa es el de la Fig. 2-1b. La mquina trmica de Carnot recibe energa de un foco caliente a alta temperatura, convierte una porcin de energa en trabajo, y cede la restante a un foco fro a baja temperatura.

El ciclo de refrigeracin de Carnot consigue el efecto inverso de la mquina termica, porque transporta energa desde un foco fro a un foco caliente. Para realizar el ciclo de refrigeracin se necesita suministrar un trabajo externo. El diagrama de la instalacin y el -diagrama de temperatura-entropa del ciclo de refrigeracin se muestran en las Figs. 2-2a y 2-2b.

Los procesos que comprenden el ciclo son:

1-2, comprensin adiabtica

2-3, cesin de calor isoterma

3-4, expansin adiabtica

4-1, adicin de calor isoterma

La absorcin del calor del foco fro en el proceso 4-1 es la operacin de refrigeracin y el nico efecto til del ciclo. Todos los restantes procesos de ciclo tienen como misin que la energa tomada de un foco fro a baja temperatura pueda ser cedida a un foco caliente a alta temperatura.

El ciclo de Carnot es un proceso reversible que tiene un rendimiento mayor que cualquier ciclo real. Surge una pregunta razonable: Por qu estudiar el ciclo de Carnot si es un ideal inalcanzable? Hay dos razones para ello. Uno es que sirve como tipo de comparacin. La otra es que proporciona una gua conveniente sobre las temperaturas que deberan mantenerse para conseguir el mximo rendimiento.

coeficiente de funcionamiento: para poder evaluar el grado de bondad de funcionamiento de un sistema de refrigeracin debe definirse un termino que exprese su afectividad. Sin embargo, al ndice de funcionamiento no se le llama rendimiento porque este trmino en termodinmica, se reserva solamente para la relacin dela salida a la entrada. La relacin de la salida a la entrada dara lugar a confusin si se aplicase a un sistema de refrigeracin, porque la salida en el proceso 2-3 no es generalmente aprovechable. Sin embargo, la idea del ndice de funcionamiento del ciclo de refrigeracin es la misma que la idea que se tiene prcticamente del rendimiento, puesto que representa la relacin.

Cantidad de comodidad obtenida /cantidad de gasto

El ndice de funcionamiento en el ciclo de refrigeracin se llama coeficiente de funcionamiento . Est definido por:

COP = refrigeracin til / trabajo neto

Los dos trminos que intervienen en el coeficiente de funcionamiento deben estar en las mismas unidades, es decir, el coeficiente de funcionamiento es una magnitud adimensional.

Comprensin hmeda en lugar de compresin seca.- Consideremos primeramente el proceso de compresin. El proceso de compresin 1-2 de la Fig. 2-3 se llama compresin hmeda, porque el proceso completo ocurre en la regin de las mezclas en presencia de gotitas de liquido, Cuando se utiliza un compresor de mbolo hay varias razones en contra del uso de la compresin hmeda. Una razn consiste en que el lquido refrigerante puede quedar detenido en la culata del cilindro al subir el pistn, con la posibilidad de averiar las vlvulas o la culata. Aunque el punto final de la compresin sealado como punto 2 en la Fig. 2-3, corresponde a vapor saturado, lo cual significa que no hay lquido, tal cosa no sucede en la realidad. Durante la compresin, las gotitas de lquido se vaporizan segn un proceso de transferencia de calor que requiere cierto tiempo. Los compresores a alta velocidad son especialmente vulnerables a averas originadas por el lquido, a causa del poco tiempo disponible para la transferencia de calor. En un compresor que gire a 1.800 rpm, por ejemplo, la compresin se realiza en 1/60 seg. Al final de la compresin, el punto 2, sobre la lnea de vapor saturado, representa nicamente las condiciones medias de una mezcla de vapor recalentado y liquido.

Otro posible peligro de la compresin hmeda es que las gotitas de lquido pueden arrastrar el aceite de lubricacin de las paredes del cilindro, acelerndose as el desgaste. A causa de las desventajas mencionadas, la compresin seca es preferible a la compresin hmeda. La compresin seca se realiza sin que existan gotitas de lquidos presentes. Si el refrigerante entra en el compresor es vapor saturado, como en la Fig. 2-4 la compresin desde el punto 1 al 2 se llama compresin seca.

Con la compresin seca el ciclo pierde la forma rectangular del ciclo de Carnot. La compresin de un vapor seco termina a la temperatura del punto 2, que es superior a la temperatura de condensacin. Por tanto, el refrigerante abandona el compresor recalentado. La porcin de ciclo por encima de la temperatura de condensacin se llama triangulo de recalentamiento El rea de tringulo de recalentamiento en el diagrama Temperatura - Entropa representa el trabajo adicional necesario para la compresin seca.

Proceso de expansin.- Otra modificacin que se hace en el ciclo de Carnot consiste en alterar el proceso de expansin. El ciclo de Carnot exige que la expansin se realice isoentrpicamente, y que el trabajo que se obtiene se utilice para mover el compresor. Sin embargo, dificultades prcticas se oponen al uso de la mquina de expansin. En primer lugar, el posible trabajo que puede obtenerse con la mquina es una pequea fraccin del que debe suministrarse al compresor. En segundo lugar, surgen dificultades prcticas en la lubricacin cuando un fluido de dos fases empuja el mbolo. Finalmente, la potencia recuperada raras veces justifica el costo de la mquina de expansin.

Sin embargo, sigue siendo necesario reducir la presin del lquido en el proceso 3- 4. Un estrangulamiento, tal como una vlvula u otro dispositivo similar, es el sistema casi universalmente usado con este fin. Si no existen cambios de energa potencial ni cintica, y si no hay transferencia de calor, h3 = h4, es decir, el proceso es isoentlpico. El proceso de estrangulamiento a entalpa constante es reversible, y durante el proceso la entropa aumenta. El proceso de estrangulamiento se realiza entre los puntos 3 y 4 de la Fig. 2-5.

Ciclo estndar de compresin de vapor.- El ciclo estndar de compresin del vapor en el diagrama T- s se muestra en la Fig. 2-5. Los procesos que comprende el ciclo estndar de compresin de vapor son:

1-2, compresin adiabtica y reversible, desde vapor saturado hasta la presin del condensador.

2-3, cesin reversible de calor a presin constante en la zona de recalentamiento y posterior condensacin.

3-4, la expansin irreversible a entalpa constante desde el lquido saturado hasta la presin del evaporador.

4-1, adicin reversible de calor a presin constante durante la evaporizacin del vapor saturado.

Propiedades de los refrigerantes.- Las nicas propiedades de los refrigerantes que se han considerado hasta ahora son la lneas de lquido y vapor saturado en el diagrama T-s, . Otras propiedades termodinmicas son necesarias para el estudio de la refrigeracin. Todos los refrigerantes usados comnmente en los sistemas de compresin de vapor presentan caractersticas similares, aunque los valores numricos de las propiedades varen de un refrigerante a otro.

El diagrama presin-entalpa es el medio grfico ms corriente de representar las propiedades de un refrigerante. En otros trabajos termodinmicos, los diagramas temperatura-entropa, presin-volumen o entalpa-entropa pueden ser ms interesantes. En la prctica de la refrigeracin, la entalpa es una de las propiedades ms importantes, y la presin, por lo general, puede determinarse muy fcilmente

Cul ser la forma del ciclo estndar de compresin del vapor en el diagrama ph? La Fig. 2-6a nos muestra los procesos que forman el ciclo, y la Fig. 3-11b es un diagrama esquemtico de la instalacin. El proceso 1-2 es la compresin isoentrpica a lo largo de la lnea de entropa constante desde el estado de vapor saturado hasta la presin del condensador. El proceso 2-3 es a presin constante, en un principio en la regin del vapor recalentado, seguido de una condensacin, y es una lnea horizontal en el diagrama ph. El proceso de estrangulamiento, 3-4, es a entalpa constante, y por tanto, la lnea representativa es vertical. Por ltimo, el proceso de evaporacin est representado por una lnea recta horizontal, porque el flujo del refrigerante a travs del evaporador se supone que es a presin constante.

unidad de capacidad de refrigeracin.- La unidad de capacidad de refrigeracin es la