Instalacion y Pruebas Iniciales de Un Sistema de Aire Acondicionado Asistido Por Un Colector Sola

8/19/2019 Instalacion y Pruebas Iniciales de Un Sistema de Aire Acondicionado Asistido Por Un Colector Sola

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INGENIERÍA

INSTALACIÓN Y PRUEBAS INICIALES DEUN SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO

ASISTIDO POR UN COLECTOR SOLAR.

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICO

P R E S E N T A:

ISMAEL ORDOÑEZ MORALES

ASESOR:

DR. CARLOS OCTAVIO RIVERA BLANCO

CO-ASESOR

DR. JOSÉ VIDAL HERRERA ROMERO

COATZACOALCOS, VERACRUZ. MAYO 2014.


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I

A mi Madre

La Sra. Evelia Ordoñez Morales, por darme su amorincondicionalmente, creer y darme toda su confianzaen el recorrido de la vida, por estar siempre y nuncadejar de luchar por mis sueños. Más que nada es unejemplo de vida. Por su paciencia y haber sidomadre y padre.

A Dios

En primer lugar por darme vida y salud, porcuidarme en todo momento y por darme la

sabiduría necesaria para poder concluir misestudios.

A mi asesor

El Dr. Carlos Octavio Rivera Blanco, le doylas gracias por haber confiado, y brindarmesu sabiduría, inteligencia, paciencia, ademáspor darme consejos y ayudarme en larealización del proyecto.

Además por ser una persona muyprofesional y que en todo momento mebrindo tiempo y amistad.


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III

A la Ing. María Daniela CardonaFlores, le agradezco por todo el tiempoque me brindó con la redacción de mitrabajo de tesina, paciencia,responsabilidad e interés.

Muchas gracias por ser una granamiga que siempre estuvo pendienteen la redacción.

Mi novia:

Angélica Moreno Arbole.Le doy las gracias por el tiempo que haestado conmigo, por todo su amorincondicional y sus alegrías.Que gran parte de mi formaciónprofesional me estuvo apoyando.


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INDICE

INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 1

OBJETIVO GENERAL ................................................................................................. 3

OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ....................................................................................... 3

CAPÍTULO 1 ................................................................................................................ 4

TEORÍA GENERAL DE LOS AIRES ACONDICIONADOS .......................................... 4

1.1 ANTECEDENTES DEL AIRE ACONDICIONADO ...................................................................... 4

1.2 CONCEPTO Y NECESIDADES DEL AIRE ACONDICIONADO .................................................... 61.3.1 Sistema de refrigeración por compresión ................................................................................. 61.3.2 Sistema de refrigeración por absorción .................................................................................... 7

1.4 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN..................... 81.4.1 Clasificación de los equipos de expansión directa .................................................................... 91.4.2 Clasificación de equipos de aire acondicionado tipo split ......................................................... 91.4.3 Equipos divididos ................................................................................................................... 111.4.4 Equipo compacto individual ................................................................................................... 13

1.5 AIRE ACONDICIONADO ASISTIDO POR UN COLECTOR SOLAR ........................................... 14

CAPÍTULO 2 .............................................................................................................. 16

DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS QUE INTEGRAN AL AIRE ACONDICIONADO. 16

2.1 ELEMENTOS BÁSICOS DE UN SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO ASISTIDO POR UN

COLECTOR SOLAR ........................................................................................................................... 16

2.2 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓNASISTIDO POR UN COLECTOR SOLAR .......................................................................................... 17

2.3 EVAPORADORES ....................................................................................................................... 182.3.1 Método de expansión seca .................................................................................................... 182.3.2 Método de evaporador inundado ............................................................................................ 19


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2.4 COLECTOR SOLAR .................................................................................................................... 212.4.1 Descripción del colector solar ................................................................................................ 212.4.2 Funcionamiento de los colectores solares ............................................................................. 242.4.3 Tipos de colectores solares ................................................................................................... 242.4.3.1 Colectores planos protegidos ............................................................................................. 242.4.3.2 Colectores planos no protegidos ......................................................................................... 25

2.4.3.3 Colector plano ...................................................................................................................... 25

2.5 COMPRESORES .......................................................................................................................... 262.5.1 Clasificación de los compresores ........................................................................................... 262.5.2 Compresor reciproco .............................................................................................................. 262.5.3 Compresor rotativo ................................................................................................................. 272.5.4 Compresor centrifugo ............................................................................................................. 282.5.5 Compresor inverter ................................................................................................................ 29

2.6 CONDENSADORES ..................................................................................................................... 29

2.6.1 Enfriados por aire ................................................................................................................. 302.6.2 Condensadores enfriados por agua ........................................................................................ 312.6.3 Condensador evaporativo ....................................................................................................... 32

2.7 VÁLVULAS ................................................................................................................................... 332.7.1 Válvula de expansión manual ................................................................................................. 332.7.2 Válvulas de expansión electrónicas ........................................................................................ 342.7.3 Tubo Capilar ........................................................................................................................... 342.7.4 Válvula de expansión termostática ......................................................................................... 352.7.6 Válvula de expansión automática ........................................................................................... 36

2.7.7 Válvula de expansión automática de diafragma ..................................................................... 37

2.8 GASES REFRIGERANTES .......................................................................................................... 382.8.1 Hidrocarburos directos ............................................................................................................ 382.8.2 CLOROFLUOROCARBONOS (CFC) ..................................................................................... 382.8.3 HIDROCLOROFLUOROCARBONOS (HCFC). ...................................................................... 392.8.4 REFRIGERANTE R-22. ......................................................................................................... 392.8.5 HIDROFLUOROCARBONOS (HFC) ...................................................................................... 402.8.6 REFRIGERANTE R134a. ...................................................................................................... 402.8.7 REFRIGERANTE R-410a. ..................................................................................................... 41

CAPÍTULO 3 .............................................................................................................. 45

INSTALACIÓN DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO POR COMPRESIÓN ASISTIDO POR UN COLECTOR ............................................................................... 45

3.1 DESCRIPCIÓN DEL SITIO DONDE SE LLEVÓ A CABO LA INSTALACIÓN. ............................ 45


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3.2 SELECCIÓN Y COTIZACIÓN DEL MATERIAL ............................................................................ 46

3.3 DISEÑO DE SOPORTES ............................................................................................................. 47

3.4 INSTALACIÓN DE LA UNIDAD INTERIOR .................................................................................. 49

3.5 INSTALACIÓN DE LA UNIDAD EXTERIOR ................................................................................. 50

3.6 CONEXIONES DE TUBERÍA ....................................................................................................... 523.6.1 Abocinado ............................................................................................................................... 523.6.2 Cómo apretar la conexión ....................................................................................................... 54

3.7 INSTRUMENTACIÓN ................................................................................................................... 543.7.1 Instalación de manómetros ..................................................................................................... 553.7.2 Instalación de válvula de compuerta ....................................................................................... 56

3.8 INSTALACIÓN ELÉCTRICA ......................................................................................................... 57

3.8.1Conexión del cable de la unidad exterior ................................................................................. 57

3.9 PRUEBAS DE FUGAS.................................................................................................................. 58

3.10 PURGA DE AIRE ...................................................................................................................... 593.10.1 Purga de aire con bomba de vacío ....................................................................................... 60

3.11 CARGA DEL REFRIGERANTE .................................................................................................. 63

3.12 OPERACIÓN EL EQUIPO ......................................................................................................... 63

CONCLUSIONES ....................................................................................................... 65

RECOMENDACIONES ............................................................................................... 66

BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 67


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INTRODUCCIÓN

El acondicionamiento de aire es el proceso que se considera más completo detratamiento del aire ambiente de los locales habitados; consiste en regular las

condiciones en cuanto a la temperatura (calefacción o refrigeración), humedad,limpieza (renovación, filtrado) y el movimiento del aire adentro de los locales. Si nose tratara la humedad, solo la temperatura, podría llamarse climatización.

Entre los sistemas de acondicionamiento se cuentan los autónomos y loscentralizados. Los primeros producen el calor o el frío y tratan el aire (aunque amenudo no del todo). Los segundos tienen uno o algunos acondicionadores quesolamente tratan el aire y obtienen la energía térmica (calor o frío) de un sistemacentralizado. En este último caso, la producción de calor suele confiarse a

calderas que funcionan con combustibles. Las máquinas que producen frio, quefuncionan por compresión o por absorción, llevan el frío producido mediantesistemas de refrigeración.

La expresión aire acondicionado suele referirse a la refrigeración, pero no escorrecto, puesto que también debe referirse a la calefacción, siempre que se traten(acondicionen) todos o algunos de los parámetros del aire de la atmósfera. Lo másimportante a tratar del aire acondicionado es, la humedad del aire, que no hatenido tanta importancia en la calefacción, puesto que casi toda la humedadnecesaria cuando se calienta el aire, se añade de modo natural por los procesos

de respiración y transpiración de las personas. De ahí que cuando se inventaronmáquinas capaces de refrigerar, hubiera necesidad de crear sistemas queredujesen también la humedad ambiente.

Un equipo de aire acondicionado es un artículo de necesidad que disfrutanmuchas personas en la sociedad actual, pues es muy utilizado en empresas ylugares de trabajo, en hogares, entre otros. Un mal funcionamiento de lasinstalaciones de aires acondicionados además, de privar a las personas delsistema de refrigeración ambiental, puede provocar problemas de salud como tos,mareos, náuseas, problemas respiratorios, y muchas enfermedades, por lo quehay que realizar un mantenimiento adecuado para que no afecte la salud delpersonal. (6)

El mantenimiento aplicado en un aire acondicionado para su mejor funcionamientocomo sistema de refrigeración ambiental, obedece al estudio de aspectos de gran


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ayuda, ya que con su aplicación se espera minimizar los costos, aumentar laproducción, contar con un equipo eficiente y prolongar la vida útil de loscompresores y los demás elementos de un equipo de aire acondicionado parapoder cumplir con el proceso de producción establecido.


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OBJETIVO GENERAL

Evaluar la operación de un equipo comercial de aire acondicionado híbrido asistidopor un colector solar que opera con refrigerante R410.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Diseñar, construir e instalar los soportes para la instalación del equipo.

Instalar el equipo incluyendo el colector solar.

Efectuar la carga de refrigerante al equipo.

Llevar a cabo pruebas de funcionamiento del equipo.

Evaluar el funcionamiento del equipo ya instalado.


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Fig. 1.1 Retrato de Carrier.

CAPÍTULO 1

TEORÍA GENERAL DE LOS AIRES ACONDICIONADOS

Se dan a conocer las necesidades del aire acondicionado actualmente.

Clasificación de acuerdo a su forma de operación.

Ventajas y desventajas.

1.1 ANTECEDENTES DEL AIRE ACONDICIONADO

Para el hombre prehistórico la sombra y el agua fría eran probablemente su único

alivio contra el calor. Durante millones de años no hubo mejoras en lascondiciones de los seres humanos. Sin embargo, hubo algunas excepciones aesta carencia.

Ha habido una serie de personas que con sus aportaciones han ido construyendolas bases de esta tecnología.

En 1902, Willis Haviland Carrier (Fig. 1.1) sentó las bases de la refrigeraciónmoderna. Diseñó una máquina que controlaba la temperatura y la humedad por

medio de tubos enfriados, dando lugar a la primera unidad de aire acondicionadode la historia (González, 2013). Por su gran aportación se le reconoce como elpadre del acondicionamiento de aire.

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Las industrias florecieron con la nueva habilidad para controlar la temperatura ylos niveles de humedad durante la producción. Durante aquellos años, su objetivoprincipal fue mejorar el desarrollo de los procesos industriales con máquinas quepermitieran el control de la temperatura y la humedad.

Por casi dos décadas, el uso del aire acondicionado estuvo dirigido a lasindustrias, más que a las personas. En 1921, Carrier patentó la máquina derefrigeración centrífuga (Fig. 1.2). También conocida como enfriadora centrífuga orefrigerante centrifugado, fue el primer método para acondicionar el aire engrandes espacios.

La industria creció rápidamente y cinco años después, alrededor de 300 salas decine tenían instalado ya el aire acondicionado. El éxito fue tal, que inmediatamentese instalaron este tipo de máquinas en hospitales, oficinas, aeropuertos y hoteles.

En 1928, Carrier desarrolló el primer equipo que enfriaba, calentaba, limpiaba yhacía circular el aire para casas y departamentos, pero la gran depresión en losEstados Unidos puso punto final al aire acondicionado en los hogares. Las ventasde aparatos para uso residencial no empezaron hasta después de la SegundaGuerra Mundial. A partir de entonces, el confort del aire acondicionado se extendióa todo el mundo.

Fig. 1.2 Maquina de refrigeración centrifuga

patentada por Willis Carrier en 1921.


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1.2 CONCEPTO Y NECESIDADES DEL AIRE ACONDICIONADO

El acondicionamiento del aire y climatización son completamente sinónimos y sedefine como el proceso de tratamiento del aire que controla simultáneamente sutemperatura, humedad, limpieza y movimiento para responder a las exigencias delespacio climatizado.

La mayor parte de los sistemas de acondicionamiento de aire se usan para darconfort a las personas o en el control de procesos. Se sabe que elacondicionamiento de aire aumenta la comodidad y condiciones que se requierenen cada proceso siempre y cuando los estándares de temperatura, humedad,limpieza y movimiento estén en determinados rangos.

El aire acondicionado juega un rol importante en la medicina moderna, desde sus

aplicaciones en el cuidado de bebés y las salas de cirugía hasta sus usos en loslaboratorios de investigación. Sin el control exacto de temperatura y humedad, losmicroprocesadores, circuitos integrados y la electrónica de alta tecnología nopodrían ser producidos. Los centros computacionales dejarían de funcionar.Muchos procesos de fabricación precisa no serían posibles. El vuelo de aviones yde naves espaciales sería solo un sueño. Minerales valiosos no podrían serextraídos desde la profundidad de la tierra y los arquitectos no podrían haberdiseñado los enormes edificios que han cambiado la cara de las ciudades másgrandes del mundo.

1.3 TIPOS DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

De los sistemas de refrigeración existentes los más empleados son porcompresión y absorción en cuanto a avances técnicos ya que las compañías quelos distribuyen se han preocupado para mejorarlos y eliminar problemas así comoelevar su eficiencia.

1.3.1 Sistema de refrigeración por compresión

El sistema de refrigeración más utilizado, es el de refrigeración por compresión.

La refrigeración por compresión se lleva a cabo evaporando el refrigerante através de un intercambiador de calor denominado evaporador. Luego de esteintercambio energético, un compresor mecánico aumenta la presión del vaporpara poder condensarlo en otro intercambiador de calor conocido como


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condensador, la función del condensador es intercambiar las fases nuevamenteahora de gas–liquido. El aumento de presión también aumenta la temperatura, ypor medio de un ventilador se va desprendiendo el calor latente o sensible hastalograr convertirlo en un líquido sub-enfriado, sigue su recorrido hasta pasar poruna válvula de expansión y cuya función es disminuir bruscamente la presión, y

con ello la temperatura del refrigerante, para que éste se encuentre en lascondiciones de llevar a cabo el efecto refrigerante, a su paso por el espaciorefrigerado, absorberá calor de los alrededores pasará de líquido a vapor (Fig. 1.3)

Fig. 1.3 Ciclo de refrigeración por compresión.

Para mantener este ciclo se emplea energía mecánica, generalmente medianteenergía eléctrica.

1.3.2 Sistema de refrigeración por absorción

El método por absorción sólo se suele utilizar cuando hay una fuente de calorresidual o barata, como la energía solar o el calor de desecho de procesosindustriales, por lo que la producción de frío es mucho más económica.El refrigerante no es comprimido mecánicamente, sino absorbido por un líquidosolvente en un proceso exotérmico y transferido a un nivel de presión superiormediante una simple bomba. La energía necesaria para aumentar la presión de unlíquido mediante una bomba es despreciable en comparación con la energíanecesaria para comprimir un gas en un compresor. (Fig. 1.4) A una presiónsuperior, el refrigerante es evaporado y absorbido del líquido solvente en un


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proceso endotérmico, o sea mediante calor. A partir de este punto, el proceso derefrigeración es igual al de un sistema de refrigeración por compresión. Por esto,al sistema de absorción y compresión se le denomina también "compresortérmico".

Fig. 1.4 Ciclo de refrigeración por absorción.

1.4 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓNPOR COMPRESIÓN

Los equipos de descarga directa se clasifican en dos tipos: compresión simple ymúltiple. Y a su vez de expansión directa

Donde clasifica en aire tipo split: Acondicionador de ventana.

Equipos divididos.

Equipo de compacto individual.


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Fig. 1.5 Aire acondicionado tipo ventana.

Ventajas:

Puede ser instalado en cualquier ventana o pared y su costo es bajo.

Asegura la ventilación del espacio, ya que introduce aire fresco al interior yrenueva el aire viciado.

Su precio es accesible en comparación con otros equipos de aireacondicionado.

Fácil mantenimiento.

No requiere instalación eléctrica especializada.

Desventajas:

La vista al exterior es obstruida por el equipo de aire acondicionado, cuandoes ubicado en una ventana.

Limita el ingreso de luz a través de la ventana al espacio.


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Suelen consumir más electricidad, en comparación a otros equipos de aireacondicionado.

Por lo general son bastante ruidosos.

Poco estético.

Su instalación en pared requiere hacer un hueco.

Deben estar protegidos en la parte exterior para evitar el robo del aparato. El aparato debe ser instalado de modo que el ruido o el aire caliente

procedente de la unidad condensadora no cause molestias a lasedificaciones colindantes.

El sistema debe contar con un drenaje para el condesado.

1.4.3 Equipos divididos

Estos equipos constan de dos unidades, la unidad formada por el compresor y elcondensador va al exterior, mientras que la unidad evaporadora se instala en elinterior. Ambas unidades se conectan mediantes las líneas de refrigerante. (Fig.1.6). El hueco necesario para unir la unidad interior y la exterior es muy pequeño,así un hueco de 10x10 cm es suficiente para pasar los tubos de refrigerante, el

tubo de condensación de la unidad evaporativa y el cable de conexión eléctrica.

Los equipos divididos se clasifican de acuerdo a la localización de la unidadinterior y pueden ser de tipo suelo, tipo pared, tipo horizontal de techo y tipocassette.


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Fig. 1.6 Equipo de aire acondicionado tipo dividido.

Ventajas

Son unidades fáciles de adaptar a cualquier espacio.

Instalación sencilla.

Se requiere un simple enlace de la unidad exterior a la unidad interior.

Pueden ser manejados por control remoto.

Bajo nivel de ruido.

Mantenimiento sencillo.

Consume menos energía que otros equipos.

Modelos que facilitan la colocación en distintos lugares.


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Desventajas

Su instalación con lleva hacer una perforación en la pared.

La instalación de la unidad condensadora en el exterior puede generar

problemas si no es considera dentro del diseño.

Es difícil de colocar en determinados sitios, como paredes prefabricadas.

El aparato debe ser instalado de modo que el ruido o el aire calienteprocedente de la unidad condensadora no cause molestias a loscolindantes.

Si el equipo condensador se ubicara a una distancia mayor a cinco metros

implicara material y costo adicional para hacer la conexión con la unidadevaporadora.

1.4.4 Equipo compacto individual

Es un equipo unitario de descarga indirecta, mediante red de conductos y emisiónde aire a través de rejillas de pared o difusores en techo, generalmente se instalanpara todo el conjunto habitacional de una vivienda o local.

El equipo necesita de una toma de aire exterior, generalmente se localiza fuera delinmueble. Cada vez crece más la aplicación de estos equipos. (Fig.1.7)

Fig. 1.7 Equipo de aire acondicionado individual.


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Ventajas

Bajo nivel sonoro

Las dos unidades (condensadora y evaporadora) están acopladas en una

sola.

Desventaja

No pueden trabajar en un rango donde se exige un índice muy bajo detemperatura.

Instalación especializada.

Puede tener gran tamaño y peso.

Requerimiento de espacios en el entretecho para la instalación de ductos.

1.5 AIRE ACONDICIONADO ASISTIDO POR UN COLECTORSOLAR

Actualmente el hombre se ha preocupado por el ahorro de energía eléctrica, por

lo tanto se ha buscado múltiples soluciones para disminuir los costos, en losequipos de aire acondicionado, se hicieron unas series de adaptaciones.

El aumento del costo de generación de energía eléctrica y el aumento en lasrestricciones ambientales contra los sistemas energéticos que utilizancombustibles fósiles, ha fortalecido la investigación de sistemas deacondicionamiento de aire y refrigeración que utilizan el recurso solar como fuentede energía motriz. Entre estos sistemas de refrigeración movidos térmicamente yasistidos por energía solar y gas natural, se destaca el sistema de refrigeración

por absorción.

El colector absorbe la radiación solar directa e indirecta, lo que genera unatransferencia de calor permitiendo convertir en vapor al refrigerante, inyectandopresión hacia el compresor y disminuyendo la carga de trabajo. El compresor es loque presenta el mayor gasto en las unidades de aire acondicionado tradicionales.


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La transformación de energía solar térmica ayuda a calentar el gas, reduciendo asíla carga de trabajo del compresor, lo que ahorra entre 40% y 50% en energíaeléctrica.

El equipo de aire acondicionado comercial asistido por un colector solar

El aire acondicionado según el fabricante, cuenta con calidad de nuevageneración:

Rango de eficiencia energética.

HITACHI garantiza la calidad del compresor.

El colector solar reduce el consumo de energía eléctrica.

Es un sistema que cuenta con certificaciones nacionales e internacionales.

El mejor plan de retorno de inversión a corto plazo.


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CAPÍTULO 2

DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS QUE INTEGRAN AL AIRE ACONDICIONADO.

Se mencionarán los equipos que integran el aire acondicionado asistido por elcolector solar y se conocerá el funcionamiento de cada uno de ellos.

2.1 ELEMENTOS BÁSICOS DE UN SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO ASISTIDO POR UN COLECTOR SOLAR

Los equipos de aire acondicionado poseen cuatro componentes básicos:

Evaporador es un intercambiador de calor en el cual se efectúa el pasodel gas de fase líquida a fase gas.

Compresor , el cual cumple la misión de, aspirándolo, comprimir el gasrefrigerante e imprimir la circulación de este en el circuito derefrigeración.

Condensador es un intercambiador de calor a la salida del compresor,que recibe el gas comprimido por éste, a alta temperatura.

Válvula de Expansión regula el flujo de tu refrigerante mediante lacompresión o expansión de acuerdo a la cantidad de presión que elaparato de aire acondicionado necesita para vaporizar con eficacia elrefrigerante en su interior.

Se muestra en la siguiente figura los componentes básicos. (Figura 2.1)

Fig. 2.1Principales componentes del aire acondicionado.


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2.2 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓNPOR COMPRESIÓN ASISTIDO POR UN COLECTOR SOLAR

La refrigeración por compresión asistida por un panel solar se lleva a cabo

evaporando el refrigerante a través de un intercambiador de calor denominadoevaporador. El colector absorbe la radiación solar directa e indirecta, lo quegenera una transferencia de calor permitiendo elevar la temperatura y la presióndel vapor, reduciendo el trabajo del compresor. Se utiliza otro intercambiador decalor conocido como condensador, la función del condensador es intercambiar lasfases nuevamente ahora de gas–liquido. El aumento de presión también aumentala temperatura, y por medio de un ventilador se va desprendiendo el calor hastalograr convertirlo en un líquido sub-enfriado sigue su recorrido hasta pasar por unaválvula de expansión y su función es convertir el líquido a vapor, y repetir el ciclode refrigeración por compresión (Fig. 2.2).

Fig.2.2 Esquema de operación de un aire acondicionado por compresión asistido con

energía solar.


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Los equipos de aire acondicionado solares se clasifican de la siguiente manera:

Económicos: Con la instalación de un sistema adecuado a sus necesidades,podemos satisfacer la mayor parte de los requerimientos de ambientación denuestra casa, sin tener que pagar electricidad y aprovechar la energía del

sol que no nos cuesta.

Ambientales: El uso de los aires acondicionados que operan con energíasolar permite mejorar en forma importante nuestro entorno ambiental. Losproblemas de la contaminación en las zonas urbanas no sólo sonprovocados por la cantidad de electricidad utilizada en el transporte eindustria, sino también por el uso excesivo de electricidad en millones dehogares. Todo esto contribuye al deterioro de la calidad del aire y la emisiónde gases de efecto invernadero, con graves repercusiones locales,

regionales y globales.

Para aprovechar al máximo las capacidad del aire acondicionado solar, se debentomar en cuenta estas recomendaciones: cerrar puertas y ventanas de lahabitación a acondicionar, no tener fuentes de calor cerca del equipo, que launidad interior no reciba radiación solar directa y comprar un equipo que vaya deacuerdo a sus necesidades y las características del espacio a acondicionar.

2.3 EVAPORADORES

Se le conoce como un intercambiador de calor, durante el proceso deevaporación, el fluido pasa del estado líquido al gaseoso. Los evaporadores seencuentran en todos los sistemas de refrigeración como neveras, equipos de aireacondicionado y cámaras frigoríficas. Su diseño, tamaño y capacidad depende dela aplicación y carga térmica.

Hay dos tipos básicos de evaporadores.

Expansión seca

Inundado

2.3.1 Método de expansión seca


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En los evaporadores de expansión seca la evaporación del refrigerante se lleva acabo a través de su recorrido por el evaporador, encontrándose éste en estado demezcla en un punto intermedio. De esta manera, el fluido que abandona elevaporador es puramente vapor sobrecalentado. Estos evaporadores son los máscomunes y son ampliamente utilizados en sistemas de aire acondicionado.

Una parte de cada masa unitaria de refrigerante circulado se vaporiza en la válvulade expansión termostática o de tubo capilar donde controla el refrigerante amedida que la presión es reducida desde la presión condensante hasta la presióndel evaporador. (Fig. 2.3). Con el evaporador de alimentación de expansión secael gas resultante entra al evaporador junto con el líquido resultante, el cual sevaporiza progresivamente a medida que el refrigerante pasa a través delevaporador. De lo anterior, es evidente que el refrigerante en la última parte delevaporador no trabaja tan efectivamente como a la entrada en donde se tiene una

gran parte del refrigerante en la fase líquida.

Es por esta razón que en un evaporador de expansión seca, la superficie delserpentín siempre es más baja en la parte de la entrada del refrigerante y su valormás alto se tiene cerca de la salida, a pesar del hecho de que la temperatura desaturación del refrigerante es más baja en la salida debido a la caída de presiónque experimenta el refrigerante al fluir a través del evaporador.

2.3.2 Método de evaporador inundado

El evaporador inundado está equipado con un acumulador o colector de vapor quesirve como receptor líquido desde el cual el refrigerante líquido es circulado porgravedad a través de los circuitos del evaporador. El nivel del líquido en elevaporador se mantiene más bajo o más alto mediante un control de flotador y, el

Fig. 2.3 Evaporador de expansión seca.


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2.4 COLECTOR SOLAR

Captador solar plano, también llamado colector solar plano o panel solar térmico,consistente en una caja plana metálica cuya superficie es altamente absorbentede calor, por la que circula un fluido a través de una tubería interior colocada sobrela superficie, y donde la radiación solar incide sobre una cubierta de vidriocolocada inmediatamente arriba de la tubería, calentando el fluido que circula através de la misma.

2.4.1 Descr ipción del colector solar

Un colector solar plano (Fig.2.5), básicamente consiste de los siguientes

elementos (Tutorial Energía Solar Térmica, 2014):

La cubierta transparente

La superficie de absorción

La tubería donde circula el fluido caloportador

El aislamiento térmico

La carcasa

La cubierta transparente. Las principales características que ha de tener son:

Provocar el efecto invernadero y reducir las pérdidas por convección paramejorar el rendimiento del colector.

Asegurar la estanqueidad del colector al agua y al aire, con la ayuda de lacarcasa y las juntas.

Tener un coeficiente de transmisión alto para la radiación solar en la bandade 0,3 a 3 micrómetros.

Tener un bajo coeficiente de transmisión para las ondas largas, emitidaspor el absorbedor, superiores a 3 micrómetros.


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Tener un bajo coeficiente de conductividad térmica para hacer más difícil elpaso del calor desde la superficie interior hacia el exterior.

Tener un coeficiente de dilatación pequeño, evitando el riesgo de rotura.

Evitar que la suciedad se adhiera a la superficie exterior.

A la cubierta transparente se le pueden aplicar dos tratamientos:Anti-reflejante a la superficie exterior. Así se evitan las pérdidas por reflexión delos rayos solares incidentes.

En la superficie interior para que refleje las radiaciones de onda larga y puedapasar la radiación de onda corta.

La superficie de absorción. Tiene como función absorber la mayor cantidad deenergía solar posible y transformarla en energía térmica, que será a su veztransferida al fluido caloportador. (8)

La cara del absorbedor que está expuesta al sol ha de estar recubierta de unrevestimiento para absorber los rayos solares. Se utilizan dos procedimientos:

Pinturas: las de color oscuro o negro absorben muy bien la radiación solar perotienen un coeficiente de emisión similar al coeficiente de absorción (0,9), es decir,las pérdidas por emisión de radiación son bastantes elevadas y aumentan al

hacerlo la temperatura, por lo que no se aconsejan para lugares con temperaturaselevadas. Son más baratas que las superficies selectivas.

Superficies selectivas: se denominan así por la diferencia que existe entre elcoeficiente de absorción (0,8) y el coeficiente de emisión (0,1). Estas superficiesse consiguen por superposición de varias capas de metal o tratamientossuperficiales especiales (como el óxido de titanio). Son más caras pero muchomás efectivas cuando se alcanzan altas temperaturas en el colector.

La tubería va colocada sobre la superficie absorbedora y debe estar en contacto

directo con ésta para facilitar la transferencia de calor.

El aislamiento. El aislante térmico que aparece en la estructura del colectorpuede ser de distinta naturaleza -espuma de poliuretano, poliestireno, lana de fibrade vidrio. Algunas de las características que deben cumplir los aislantes son:

Debe resistir temperaturas de hasta 150º C, las cuales se pueden alcanzaren verano y en momentos de parada del sistema. También las


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temperaturas de congelación.

No debe desprender vapor al alcanzar altas temperaturas.

Ser duradero.

Se coloca en la parte posterior y a los lados del colector, para disminuir laspérdidas de calor de esas zonas al exterior.

Fig. 2.5 Elementos que conforman un colector solar plano

La carcasa. Es la caja que protege y contiene los elementos del colector, ademásde ser el sistema de conexión entre la instalación y el resto del edificio. Debe estarformada por materiales como el acero inoxidable, el aluminio o ciertos tipos deplásticos como el poliéster o el polietileno que garanticen su estanqueidad y


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seguridad frente a las condiciones ambientales adversas.

2.4.2 Funcionamiento de los colectores solares

El sol incide sobre el vidrio del colector, que siendo transparente a la longitud deonda de la radiación visible, deja pasar la mayor parte de la energía. Ésta calientaentonces la placa colectora que, a su vez, se convierte en emisora de radiación enonda larga o (infrarrojos). Pero como el vidrio es opaco para esas longitudes deonda, a pesar de las pérdidas por transmisión, (el vidrio es un mal aislantetérmico), el recinto de la caja se calienta por encima de la temperatura exterior. Alpaso por la caja, el fluido calor portador que circula por los conductos se calienta,y transporta esa energía térmica a donde se desee.

El rendimiento de los colectores mejora cuanto menor sea la temperatura detrabajo, puesto que a mayor temperatura dentro de la caja (en relación con laexterior), mayores serán las pérdidas por transmisión en el vidrio. También, amayor temperatura de la placa captadora, más energética será su radiación, y mástransparencia tendrá el vidrio a ella, disminuyendo por tanto la eficiencia delcolector. Por la misma razón, también perderá rendimiento cuanto menor sea latemperatura exterior: al aumentar el salto térmico interior-exterior, aumentarán las

pérdidas por trasmisión.

2.4.3 Tipos de colectores solares

Los colectores solares más usuales son los siguientes:

Colectores planos protegidos.

Colectores planos no protegidos.

Colector plano.

2.4.3.1 Colectores planos protegidos

Son los más utilizados por tener la relación costo-producción de calor másfavorable. En ellos el captador se ubica en una caja rectangular, la cara expuestaal sol está cubierta por un vidrio muy fino, mientras que las cinco caras restantesson opacas y están aisladas térmicamente.


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Dentro de la caja, expuesta al sol, hay una placa metálica. Esta placa está unida osoldada a una serie de conductos por los que fluye un calor portador(generalmente agua, glicol o una mezcla de ambos). A dicha placa se le aplica untratamiento superficial selectivo para que aumente su absorción de calor, osimplemente se la pinta de negro.

2.4.3.2 Colectores planos no protegidos

En un colector plano no protegido se elimina el vidrio protector, dejando la placaexpuesta directamente al ambiente exterior.

Dada la inmediatez y simplicidad de este tipo de paneles, existen multitud de sub-variantes tanto en formas como en materiales: conceptualmente, una simple

manguera enrollada y pintada de negro. Debido a su limitada eficiencia, necesitanuna superficie más grande para conseguir las presiones deseadas, pero puedencompensarlo por su bajo costo.

2.4.3.3 Colector plano

El colector plano está diseñado para suministrar energía a temperaturas hasta de65.5 °C aproximadamente sobre la temperatura exterior (ambiental). Sustemperaturas máximas de operación en condiciones de flujo son del orden de65.5°C a 115.5°C. Capta la radiación directa, la difusa y la reflejada, no tiene que

estar orientado directamente hacia el sol a todas horas y requiere unmantenimiento mínimo a lo largo de su vida útil. Correctamente diseñado yconstruido, el colector plano puede durar de 20 a 25 años o más, dependiendo deldiseño. El costo de la energía suministrada por un colector plano depende de surendimiento térmico, su costo instalado y su vida útil efectiva.}

El rendimiento de los colectores planos se conoce bien y se puede predecir. (Fig.2.6). Por lo general, el rendimiento o eficiencia del colector se mide como la razónentre la energía útil y la energía que incide sobre el colector (energía disponible).

Tres factores principales influyen en la eficiencia del colector plano:

La razón a la cual se extrae el calor del colector.

Las pérdidas de calor en el colector.


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La cantidad de energía transmitida a través de la cubierta y absorbidapor la placa.

2.5 COMPRESORES

Los compresores se emplean para aumentar la presión de una gran variedad degases y vapores para un gran número de aplicaciones. La utilidad que estamosestudiando es la del compresor de refrigeración, empleado para comprimir el gasdel vaporizador. Otras aplicaciones abarcan procesos químicos, conducción degases, turbinas de gas y construcción.

2.5.1 Clasificación de los compresores

Existe una gran variedad de compresores como los alternativos, rotativos,centrífugos, scroll, inverter, herméticos, semiherméticos y abiertos sin embargo,los compresores con mayor aplicación son los siguientes:

Reciproco

Rotativo

Centrifugo

Inverter

2.5.2 Compresor reciproco

También denominado compresor alternativo o de desplazamiento positivo(Fig.2.6), es un tipo de compresor de gas que logra comprimir un volumen de gasen un cilindro cerrado, volumen que posteriormente es reducido mediante unaacción de desplazamiento mecánico del pistón dentro del cilindro. En estos

compresores la capacidad se ve afectada por la presión de trabajo. Esto significaque una menor presión de succión implica un menor caudal.


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Fig. 2.6 Compresor Reciproco.

2.5.3 Compresor rotativo

El compresor rotativo (Fig. 2.7), sustituye el movimiento alternativo de los pistonespor el movimiento. (2)

El carter es la parte que cubre el elemento recíprocante y por ende mantieneacumulado el aceite de lubricación al mismo. Este elemento solo lo posee loscompresores reciprocantes desde 1 etapa hasta 3 etapas; dependiendo lacapacidad.

En primer lugar hay que decir que el motor y el compresor quedan dentro delcarter de plancha de acero soldado, donde existen unas aletas de enfriamiento. Laparte de compresión y el rotor van fijados en columna vertical común. El gas quees aspirado entra en la cavidad cilíndrica empujado por una excéntricacomprimiendo y descargando por una perforación longitudinal (línea de descarga)que recorre el conjunto del compresor, por esta razón en estos compresoresobservaremos alta temperatura dentro del compresor.


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Siempre se montan acompañados de un pequeño depósito de aspiración oseparador de partículas.El compresor rotativo se utiliza en instalaciones domésticas de aire acondicionado.

2.5.4 Compresor centrifugo

El compresor centrífugo es un dispositivo de tipo dinámico. Está constituido porruedas impulsoras montadas sobre un eje y contenidas dentro de una carcasa.

Convierte la energía cinética en energía potencial (presión), por medio deimpulsores que giran a gran velocidad. (Fig. 2.8).

.

Fig. 2.7 Compresor rotativo.

Fig. 2.8 Compresor centrifugo.


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2.5.5 Compresor inverter

El Compresor de aire acondicionado inverter se compone de dos cámaras decompresión fijas. Consta de un rodillo excéntrico para comprimir el líquido en cadacámara. Los dos rodillos están montados sobre el mismo eje y estándiametralmente opuestos. Esta configuración permite un perfecto equilibrio de lastensiones aplicadas sobre los ejes, lo cual evita las vibraciones, que prácticamentedesaparecen (Fig. 2.9).

Fig. 2.9 Compresor inverter.

La reducción de las vibraciones disminuye el ruido y hace que la vida delcompresor aumente. Además, la fuerza de contacto entre el rodillo y la pared es

menor, reduciéndose la fricción, lo cual mejora automáticamente el rendimientode este compresor. Como consecuencia de lo anteriormente descrito, utilizancojinetes más pequeños y disminuye la necesidad de lubricación, asimismo seobtiene una reducción del peso y todo esto hace que este tipo de compresoressean particularmente adecuados para funcionamientos a baja velocidad.

Los rendimientos de un compresor inverter son excepcionales, por encima de lamedia del 50% en comparación con los compresores centrífugos. La diferencia esaún más importante si trabajan a carga parcial.

2.6 CONDENSADORES

Se utilizan 3 tipos básicos de condensadores:

Enfriados por aire


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Enfriados por agua

Evaporativo

2.6.1 Enfriados por aire

El condensador enfriado por aire típico es el tubo con aletas en su exterior, lascuales disipan el calor al medio ambiente.

La transferencia se logra forzando grandes cantidades de aire fresco a través delserpentín mediante el uso de un ventilador, por lo general de tipo axial. El aire alser forzado a través del condensador absorbe calor y eleva su temperatura. Loscondensadores pueden fabricarse con una sola hilera de tubería y se construyen

con un área frontal relativamente pequeñas y varias hileras superpuestas a loancho.

Un diseño típico común usado por muchos fabricantes son como el que semuestra en la (Fig. 2.10), variando en forma, materiales, acabados, ycapacidades.)Tienen como característica su fácil instalación y bajos costos demantenimiento.

Fig.2.10 Condensador enfriado por aire.


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2.6.2 Condensadores enfriados por agua

El condensador enfriado por agua (Fig. 2.11) se utiliza por su bajo costo y pormanejar presiones de condensación bajas, además se puede tener mejor controlde la presión de descarga. Por lo general se utiliza una torre de enfriamiento parabajar la temperatura del agua hasta una temperatura cercana a la temperatura debulbo húmedo, permitiendo un flujo continuo y así disminuir costos en el consumode agua.

Estos condensadores tienen un diseño compacto por las excelentes condicionesde transferencia de calor que ofrece el agua. Se usan diseños de carcasa yserpentín, carcasa y tubo, tubo en tubo.

Debido a este tipo de diseño se debe tener en cuenta la velocidad del agua a

través del condensador, problemas de cavitación que se pueden generar por lascondiciones variables de presión y de temperatura y mantener una presión positivaen el condensador. La corrosión, la incrustación y la congelación son losprincipales problemas que se deben controlar en las actividades demantenimiento.

Fig.2.11 Condensador enfriado por agua.


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2.6.3 Condensador evaporativo

El condensador evaporativo es una combinación entre condensador y torre deenfriamiento, con los tubos mojados por una lluvia de agua.Los condensadores evaporativos se utilizan para eliminar el calor sobrante de unsistema de refrigeración en los casos en los que este calor no se pueda utilizarpara otros propósitos. El exceso de calor se elimina evaporando el agua. (3)

Los condensadores evaporativos disponen de un armario con un condensador conrociador de agua y, normalmente, disponen de uno o más ventiladores. El excesode calor se elimina evaporando el agua. En un condensador evaporativo se enfríael refrigerante principal del sistema de refrigeración, al contrario de lo que ocurrecon una torre de refrigeración.

Se utilizan principalmente en grandes sistemas de refrigeración o en sistemas en

los que la temperatura exterior es elevada. En numerosos lugares del mundo, lanormativa limita el tamaño físico de los sistemas de refrigeración y estos tamaños,a su vez, limitan el uso de los condensadores evaporativos.

Al rociar un condensador con agua se sabe que la temperatura del punto de rocíoes inferior a la temperatura del aire y al hecho de que las superficies húmedastransfieren calor de manera más eficaz. (Fig. 2.12).

Fig. 2.12 Condensador Evaporativo.


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2.7 VÁLVULAS

Las válvulas de expansión, son un dispositivo de expansión, donde estas puedenser reguladas manualmente o automáticamente y se clasifican de la siguientemanera:

Válvulas de expansión manual.

Válvulas de expansión electrónicas.

Tubo-capilar.

Válvula de expansión termostática.

Válvula de expansión automática.

Válvula de expansión automática de diafragmas.

2.7.1 Válvula de expansión manual

Son válvulas de aguja que constan

De una varilla metálica que acaba en una punta cónica. La varilla se regula con un

tornillo pudiendo aproximarse más o menos el conducto de circulación del fluidofrigorífico, (Fig. 2.13).

Fig. 2.13 Válvulas de Expansión.


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2.7.2 Válvulas de expansión electrónicas

Permiten el funcionamiento ideal del evaporador, manteniéndolo lleno de líquido ygas refrigerante y permitiendo que sólo salga del mismo, gas sobrecalentado parano dañar el compresor. Las válvulas de expansión electrónicas se muestran en la(fig. 2.14).

Fig. 2.14 Válvulas de Expansión Electrónicas.

2.7.3 Tubo Capilar

Los tubos capilares se utilizan habitualmente como elementos de expansión enpequeñas instalaciones normalmente comerciales, por la facilidad de instalación,el bajo costo y su fiabilidad.

Permiten la utilización de compresores de bajo par de arranque por el buenequilibrio de presiones.

Cuando el refrigerante líquido entra dentro del tubo capilar se produce unaestrangulación, (aumenta la velocidad y disminuye la presión) debido a esto partedel líquido se evapora al cambiar de presión, aproximadamente un 30%.Cuando

ponemos en marcha el compresor empezamos a regar el evaporador, se evaporay va avanzando hacia el compresor, se suele colocar un termostato en la línea deaspiración antes del compresor para pararlo cuando llegue el refrigerante enestado líquido.

Al parar el compresor todo el refrigerante pasa al evaporador al no haber nada quelo impida y gracias a la diferencia de presiones. Por esta razón no se puede utilizar


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recipiente en instalaciones con tubo capilar y hay que tener cuidado aldimensionar el filtro ya que este podría hacer de recipiente.

Al estar las presiones igualadas el motor suele consumir menos energia electrica

Los equipos congeladores suelen llevar un separador de partículas para evitar losgolpes de líquido. (Fig. 2.15).

Fig.2.15 Tubo Capilar.

Las condiciones de trabajo de los equipos con tubo capilar, se ajustan con la cargade refrigerante. El exceso o la ausencia de la carga de refrigerante puede ser

determinante para el rendimiento del evaporador ya que la poca carga derefrigerante haría que la temperatura de evaporación sea demasiada baja y esoconlleve a un aprovechamiento parcial del evaporador. En cambio un exceso decarga es causa de una presión demasiado elevada y conduce a la sobrecarga delcompresor pudiéndole llegar golpes de líquido.

2.7.4 Válvula de expansión termostática

Una válvula termostática es una válvula de regulación accionada en función de unparámetro de temperatura. Funciona como un termostato de todo o nada y actúa

sobre el circuito hidráulico sobre el cual se instala. (Fig. 2.16). Permite unaregulación precisa de la temperatura. Es el elemento que asegura la alimentaciónautomática del fluido frigorífico a la evaporadora, para poder llenar ésta de líquidosegún las necesidades caloríficas.


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Fig.2.16 Válvula de expansión termostática

2.7.6 Válvula de expansión automática

Una válvula de expansión automática o de expansión de presión controlada esuna válvula operada por control de refrigerante mediante el lado de baja presión,(Fig. 2.18). La válvula de expansión abre únicamente cuando la presión delevaporador cae o baja. La caída de presión ocurre solo cuando el compresor seenciende. El control del motor (bulbo sensor) es colocado en la línea de succióncon el switch abierto. La presión del lado de baja será suficiente para cerrar laválvula de expansión.

Fig. 2.18 Válvulas de expansión automáticas.


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2.7.7 Válvula de expansión automática de diafragma

Las válvulas de expansión automáticas de diafragmas tienen topes para prevenirmovimientos exagerados del diafragma (Fig. 2.17), el diafragma tienecorrugaciones concéntricas para mejorar su flexibilidad. El diafragma separa lapresión atmosférica y la presión del sistema.

El control de operación es efectuado por tres fuerzas básicas. Primero la fuerza deun resorte ajustable, éste comprime el diafragma abriendo la válvula. La segundafuerza es un tornillo por debajo del diafragma, éste mueve el vástago y una bolacheque hacia arriba el cual cierra la válvula.

La tercera fuerza es la presión de salida debajo del diafragma. Hay varias formasde diseño de válvulas de diafragma. Las válvulas de expansión automática sellan

el orificio del refrigerante durante parte del ciclo de apagado. Para balancear lapresión se diseña un orificio por el cual pasa el refrigerante a través de la válvula.Típicamente es una ranura en forma de "V" en el asiento de la válvula, el by passo la apertura de flujo es muy pequeña y no interfiere en la operación de la válvulacuando el compresor está funcionando. Cuando se use este tipo de válvulas deexpansión debe usarse una carga correcta de refrigerante.

Fig. 2.17 Válvulas de expansión automática de diafragma.


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2.8 GASES REFRIGERANTES

Existe una enorme variedad de refrigerantes para los sistemas de refrigeración yaire acondicionado. Los tres más importantes o más demandados son:

R-22

R134a

R-410a

2.8.1 Hidrocarburos directos

Los hidrocarburos directos son un grupo de fluidos compuestos en varias

proporciones de los dos elementos hidrógeno y carbono. Algunos son el Metano,etano, butano, etileno e isobutano. Todos son extremadamente inflamables yexplosivos. Aunque ninguno de estos compuestos absorbe humedad en formaconsiderable, todos son extremadamente miscibles en aceite para todas lascondiciones. Su uso ordinariamente está limitado a aplicaciones especiales dondese requieren los servicios de personal especializado.

2.8.2 CLOROFLUOROCARBONOS (CFC)

Los clorofluorocarbonos (CFC) se deben principalmente a los gases fluorados, que

son gases refrigerantes cuyas moléculas contienen átomos de cloro, flúor ycarbono.

El ODP (Ozono Depletion Potencial), mide la capacidad de un gas refrigerantepara destruir la capa de ozono.

Los CFC, desarrollados hace más de 60 años, reemplazaron al amoniaco y a otroshidrocarburos gracias a sus propiedades tales como la baja toxicidad, noflameabilidad, su no corrosividad y su excelente compatibilidad con otrosmateriales. Además, los CFC ofrecían y ofrecen propiedades termodinámicas yfísicas que los hacen ideales para muchos usos, como agentes espumantes en lamanufactura de aislantes, empaques, agentes limpiadores de metales ycomponentes electrónicos, por nombrar algunas aplicaciones.

Entre los CFC más utilizados podemos citar al R-11, R-12, R-502, R-500, R-13B1,R-13, R-113. Los CFC son los que tienen mayor capacidad de destrucción de la


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capa de ozono, mientras que los Hidrofluorcarbonos (HFC), no afectan a la capade ozono (ODP cero).

2.8.3 HIDROCLOROFLUOROCARBONOS (HCFC).

HCFC son gases refrigerantes cuyas moléculas contienen átomos de hidrógeno,cloro, flúor y carbono. Debido a su bajo contenido en cloro y la presencia deátomos de hidrógeno, los HCFC poseen un potencial reducido de destrucción delozono.

En este grupo se encuentra el R-22 y una serie de mezclas ternarias (incluidas enla ficha de cada gas) que con la base del R-22, sirven para la fabricación dealternativos de los CFC, a la par que manteniendo los equipos existentes.

Los HCFC más utilizados son el R-22, R-141b, DI36, DI44, R-403b, R-408a, R-401a, R-401b, R-402a, R-402b y el R-409a.

2.8.4 REFRIGERANTE R-22.

Conocido con el nombre de Freón 22, se emplea en sistemas de aireacondicionado domésticos y en sistemas de refrigeración comerciales eindustriales incluyendo cámaras de conservación e instalaciones para elprocesado de alimentos; refrigeración y aire acondicionado a bordo de diferentestransportes así como bombas de calor para calentar aire y agua.

El refrigerante R-22 tiene un punto de ebullición a la presión atmosférica de40,8°C. Las temperaturas en el evaporador son tan altas como 87°C. Resulta unagran ventaja el calor relativamente pequeño del desplazamiento del compresor.Acepta poco recalentamiento ya que de lo contrario aumentaría demasiado latemperatura de descarga. La temperatura en la descarga es alta, la temperaturasobrecalentada en la succión debe conservarse en su valor mínimo, sobre todocuando se usan unidades herméticas motor-compresor.

En aplicaciones de temperatura baja, donde las relaciones de compresión altas, serecomienda tener en enfriamiento con agua al cabezal y a los cilindros delcompresor. Los condensadores enfriados por aire empleados con el R-22, debenser de tamaño generoso.


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Debido a sus excelentes propiedades termodinámicas el R22 se utiliza comocomponente en mezclas de refrigerantes como el R-403B, el DI36, DI44, etc., paraaplicaciones de media y baja temperatura.

2.8.5 HIDROFLUOROCARBONOS (HFC)

Los HFC son gases cuyas moléculas contienen átomos de hidrogeno, flúor, ycarbono. Constituyen a los gases refrigerantes definitivos, sin cloro y con átomosde hidrógeno, sin potencial destructor del ozono (ODP) y muy bajo efectoinvernadero.

El Global Warning Potential (GWP) mide la capacidad de una sustancia paraproducir el efecto invernadero o de calentamiento global del planeta.

Los HFC más utilizados y considerados como gases definitivos son el R-134a, R-413a, R-404a, R-507, R-407C, R-417a y el R-410. Estos gases son ya los futurosrefrigerantes en aire acondicionado y refrigeración.

2.8.6 REFRIGERANTE R134a.

El refrigerante tipo R134a (CH2F/CF3), ha sido introducido, como reemplazo delos clorofluorocarbonos (CFC) en muchas aplicaciones. La producción de CFC esreemplazada por el hidrofluorucarbono.

Este refrigerante no contiene cloro y puede ser usado en muchas aplicaciones queactualmente usan CFC-R12. Sin embargo en algunas ocasiones se requierencambios en el diseño del equipo para optimizar el desempeño del R-134a en estasaplicaciones.

Las propiedades termodinámicas y físicas y su baja toxicidad lo convierten en unreemplazo seguro y muy eficiente del R-12 en muchos segmentos de larefrigeración industrial mas notablemente en el aire acondicionado automotriz,equipos domésticos, equipo estacionario pequeño, equipo de supermercado de

media temperatura y chillers, industriales y comerciales. El R-134a ha mostradoque es combustible a presiones tan bajas como 5,5 psig a 177°C cuando semezclan con aire a concentraciones generalmente mayores al 60% en volumen deaire. A bajas temperaturas se requieren mayores presiones para la combustión.No deben ser mezclados con el aire para pruebas de fuga. En general no se debepermitir que estén presentes con altas concentraciones de aire arriba de la presión


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atmosférica. Se comercializan en cilindros retornables, cilindros desechables,cajas y latas.No es miscible con los aceites tradicionales del R-12 (mineral y alquilbencénico);en cambio su miscibilidad con los aceites poliésteres (POE) es buena, por lo tantodebe de utilizarse siempre con este tipo de aceites.

Los HFC son muy higroscópicos y absorben gran cantidad de humedad. De losHFC el R-134a es el único definitivo los demás se emplean para mezclas (R-125,R-143a, R-152a).

Actualmente se comenta que los gases que pertenecen al grupo de los HFCagravan más el efecto invernadero y al recalentamiento del planeta que lasemisiones de CO2.

El R-134a es una sustancia con muy poca toxicidad. El índice por inhalación LCL0(inhalación de polvo y nieblas), de 4 horas en ratas es inferior a 500,000 ppm y elNOEL en relación a problemas cardíacos es aproximadamente 75,000 ppm. Enexposiciones durante 104 semanas a una concentración de 10,000 ppm no se haobservado efecto alguno. Los envases de R-134a deben ser almacenados enlugares frescos y ventilados lejos de focos de calor. Los vapores del R-134a sonmás pesados que el aire y suelen acumularse cerca del suelo.

2.8.7 REFRIGERANTE R-410a.

El R-410a es una mezcla no azeotrópica (una mezcla líquida de dos o máscomponentes que poseen un único punto de ebullición constante y fijo, y que al

pasar al estado vapor se comporta como un líquido puro, o sea como si fuese un

solo componente), compuesta de HFC 32 y HFC 125 (50/50), siendo amboshidrofluorcarbonos que no contienen cloro, por lo que su potencial de destrucciónde la capa de ozono es nulo. Además, para ofrecer una alternativa al R-22 mássegura medioambientalmente hablando, ofrece mayores eficiencias en unidadesoptimizadas para su uso.

Es el sustituto definitivo para el R-22 en nuevas instalaciones, en el sector del aireacondicionado comercial y doméstico. Es un producto químicamente estable, conun bajo deslizamiento, de menos de 0.3 ºC y además porque se comporta enforma similar a un refrigerante de un único componente. De esta forma el servicioy la recarga de las unidades no presenta ningún tipo de problemas.


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A pesar del carácter inflamable del R-32, la formulación global del producto haceque este no sea inflamable, incluso en caso de fugas.Sus propiedades termodinámicas ofrecen unas eficiencias de energía superiores,experiencias en laboratorio han mostrado que el R-410a puede alcanzarincrementos del coeficiente de eficiencia energética de hasta 7% por encima del

R-22 en equipos de aire acondicionado y, debido a que transfiere óptimamente elcalor mejor que el R-22, reduce los costos energéticos. Permite diseños máscompactos de unidades.

El R-410a no es miscible con los aceites minerales; los aceites que se debenutilizar con este gas refrigerante son los poliolésteres.

El R-410a puede ofrecer una importante ventaja en el desarrollo de unidadeseficientes, rentables y compactas que cumplan además con las regulaciones

actuales y futuras sobre eficiencia medioambiental.

El R-410a tiene muy baja toxicidad incluso después de repetidas exposiciones.Los envases que contengan R-410A deben almacenarse en áreas frías yventiladas lejos de fuentes de calor. En el caso de fugas los vapores seconcentrarán a nivel de suelo desplazando al oxígeno del aire ambiente; en talcaso hay que tomar precauciones a la hora de evacuar el área afectada.

En la siguiente tabla se muestra las propiedades físicas del refrigerante R410a.


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Tabla 2: Propiedades termodinámicas del refrigerante R410a.

Grafica 1. Comparativa temperaturas/presión R22-R410a.


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CAPÍTULO 3

INSTALACIÓN DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO

POR COMPRESIÓN ASISTIDO POR UN COLECTOR

En este capítulo se describe todo lo que se requirió para instalar el equipo de aireacondicionado asistido por un colector solar.

3.1 DESCRIPCIÓN DEL SITIO DONDE SE LLEVÓ A CABO LAINSTALACIÓN.

El equipo de aire acondicionado hibrido se instaló en el edificio correspondiente alárea de cubículos en la oficina número catorce de la Universidad Veracruzanacampus Coatzacoalcos.

El sitio donde se instaló el equipo de aire acondicionado es ideal ya que para unacorrecta instalación se debe de cumplir con los siguientes aspectos:

El equipo de aire acondicionado se instaló a una altura superior a 3 metrosdel suelo.

La ubicación para el desecho del agua drenada no afecta ningún área detrabajo.

La unidad se instaló en una ubicación utilizando el interior del techo comoruta de admisión de aire fresco.

En la zona de sur de Coatzacoalcos se reportan niveles altos de radiación solar.Por lo tanto, para aprovechar la mayor cantidad de radiación solar directa eindirecta, para obtener la eficiencia señalada por el fabricante el colector solar se

debe colocar con una inclinación de 45º hacia el este y 15° hacia el sureste,asegurándose que nada interfiera con su funcionamiento.


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Fig. 3.1 Edificio de cubículos de la Universidad Veracruzana campus Coatzacoalcos.

3.2 SELECCIÓN Y COTIZACIÓN DEL MATERIAL

Debido al sitio donde se instaló la unidad de aire acondicionado, se tomaron encuenta distintos factores como la corrosión y la humedad relativa del ambiente. Alser Coatzacoalcos una ciudad con alto nivel de corrosión, se seleccionaronmateriales que fueran resistentes a ésta. Se realizaron cotizaciones del materialrequerido para la construcción de los bastidores. Dicho material es el siguiente:

9 m de aluminio de 1/8” x 1 ½ “

50 remaches de 1/8” X 5/16”

1 remachadora

broca de alta velocidad para metal 5/16”

1 broca de alta velocidad para metal 3/8”

brocas para concreto 3/8”

1 taladro eléctrico

1 arco de segueta

seguetas bimetálicas de 24 dientes

20 taquetes de expansión de 3/8” de metal

10 tornillos galvanizados 3/8” x 2”


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10 tuercas 3/8”

20 arandelas galvanizadas 3/8”

1 llave ajustable

6m tubo de cobre flexible ½”

6m tubo de cobre flexible 3/8”

3.3 DISEÑO DE SOPORTES

Se elaboró el diseñó de los soportes del condensador y del colector solar haciendouso de la trigonometría para obtener los ángulos y las medidas adecuadas,además se consideró el peso de los equipos con la finalidad de que los marcos

fueran capaces de resistir dicha carga.

En el diseño del bastidor que soportara la carga del colector solar se tuvieron encuenta distintos aspectos como:

Diseño de soporte del colector solar. Un objetivo fundamental para colocar elcolector solar, es captar la mayor radiación solar posible durante las horas deinsolación, por lo tanto, se realizó el estudio de la orientación geográfica delrecinto donde se instaló el equipo y se obtuvieron datos climatológicos del sistemameteorológico nacional de la ciudad de Coatzacoalcos. Se observa que el mes de

mayo es donde se presenta una mayor incidencia de rayos solares sobre la tierra,por tanto, se determinó que para aprovechar la mayor cantidad de radiación solarel soporte tendrá una inclinación de 25° hacia el este y 15° hacia al sureste yaque la posición de la tierra-sol para los meses de marzo a junio tiene unadeclinación positiva como se puede apreciar en la (Fig. 3.2).

Fig.3.2 Movimiento de traslación de la tierra donde se aprecia la declinación en

cada época del año.


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Se analizó el movimiento de traslación de la tierra para determinar el grado deinclinación que debe tener el colector solar con respecto al sol, mas adelante sedescribe a detalle dicho movimiento y el ángulo de declinación (Ϭ).

Cuando la tierra está en A (21de junio) la declinación tiene su valor máximo

positivo 23° 27´disminuyendo hasta ser igual a 0 en B (23 de septiembre). En C(22 de diciembre) la declinación toma el valor de -23º 27` Y va aumentando hastaanularse en D (21 DE MARZO). (1).

Para cualquier día del año podemos determinar la declinación (Ϭ) con la siguienteformula.

Ϭ = 23.45º x sin [360º (284+n) /365]

Siendo

23.45º declinación máxima en grados, suponiendo que hay 360º de unacircunferencia

n=número del día que se está calculando (por ejemplo 20 de febrero n =51)

365= total de los días del año.

Procedimiento

Para n=51 que corresponde al 20 de febrero:

Ϭ = 23,45º x sin [360º (284+51) /365]

Ϭ = 23,45º x sin [360º (335) /365]

Ϭ = 23,45º x sin (120600) /365

Finalmente obtenemos un resultado

Ϭ = 0°

Obtenemos como grado de inclinación de 0°, esto nos indica que la tierra estaperfectamente vertical con respecto al sol.


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Diseño de bastidor

En el diseño del bastidor que soporta la carga del condensador se consideraronlos siguientes aspectos:

Reforzar la estructura, para obtener un margen de confiabilidad.

Material adecuado para soportar peso.

3.4 INSTALACIÓN DE LA UNIDAD INTERIOR

Para la instalación de la unidad evaporadora se consideraron las propiedades delaire, sabemos que el aire caliente tiene menor densidad que el aire frio, por lo que

el aire caliente sube y el aire frio desciende. Gracias a este fundamento sedeterminó que la unidad evaporadora se debería instalar en la parte superior delcubículo.

Para la instalación de la unidad interior (unidad evaporadora) se llevaron a cabolos siguientes pasos:

Montaje de la placa de instalación.- La placa de instalación donde seempotró la unidad evaporadora se colocó en una posición horizontal enpartes estructurales del muro.

Instalación del equipo evaporador.- Después de montar la placa deinstalación se empotró la unidad evaporadora estimando una inclinación de10º con respecto a la horizontal, para que el agua del desagüe pueda teneruna salida debido a la gravedad y ser retirada al exterior (Fig. 3.2).

La conexión de la tubería se realizó levantando la unidad interior con unmaterial acojinado entre la unidad interior y el muro. Inmediatamente elmaterial acojinado se retiró después de realizar la conexión de la tubería


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Fig. 3.2 Evaporador empotrado.

3.5 INSTALACIÓN DE LA UNIDAD EXTERIOR

La instalación de la unidad condensadora se realizó en la parte exterior del recinto,donde ésta pudiese estar protegida por los vientos y lluvias extremas.

Pasos de la instalación:

Se instaló el condensador sobre una base rígida, firme, estable y confiablepara evitar vibraciones y reducir el nivel de ruido (Fig. 3.4). Además, sedeterminó la dirección de la salida del aire con la finalidad de no obstruir ladescarga de aire.


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Fig. 3.4 Se muestra el colector solar montado y el soporte del condensador.

En la instalación de la conexión del desagüe se colocó el sello en el codode drenaje, entonces se insertó la junta de drenaje en el orificio de la basede la charola de la unidad exterior (Figura 3.5), girándola 90º paraensamblarla firmemente. Se conectó la junta de drenaje a una manguera deextensión de drenaje.

Fig. 3.5 Junta de drenaje.


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3.6 CONEXIONES DE TUBERÍA

Se obtuvo un máximo cuidado en el ensamblado de la tubería, ya que éstaconduce refrigerante a alta presión. Además, se tuvo que realizar un trabajo conmayor precisión, para lo cual las uniones y conexiones se ensamblaron con todocuidado.

Para el ensamblado de la tubería se juntaron los tubos, el cable conector y lamanguera de drenaje firmemente con cinta (Fig. 3.6).

Fig. 3.6 Conexión de tubería y envoltura

3.6.1 Abocinado

La causa principal de fuga de refrigerante es un defecto en el abocinado. Porconsiguiente, se realizó un abocinado usando el siguiente procedimiento:

Corte de los tubos y el cable:

Se utilizó el juego de accesorios de tubería.

Se midió la distancia entre la unidad interior y la exterior.

Se cortaron los tubos ligeramente más largos que la distancia que se midió.

Se cortó el cable 1.5m más largo que la longitud del tubo.Eliminación de las rebabas del tubo:


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Se eliminaron completamente todas las rebabas del corte del tubo.

Se lijaron los tubos.

Se colocó el extremo del tubo de cobre hacia abajo mientras se eliminaronlas rebabas, esto con el fin de evitar que las rebabas caigan dentro deltubo, (Fig. 3.7).

Fig.3.7 Eliminación de rebabas.

Colocación de la tuerca:

Se retiraron las tuercas abocinadas que están colocadas en las unidadesinterior y exterior, inmediatamente se colocaron en el tubo al que se leelimino totalmente la rebaba (Fig. 3.8). Después de abocinar el tubo no esposible colocar las tuercas.

Finalmente, se sujetó firmemente el tubo de cobre en el abocinador.

Fig.3.8 Tuercas abocinadas.


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3.6.2 Cómo apretar la conexión

Para asegurar una correcta conexión se llevaron a cabo los siguientes pasos:

Se alinearon el centro de los tubos. Se instaló la tuerca abocinada con los dedos, y luego se apretó usando

una combinación de llave española y llave de torque como se muestra en lafigura 3.9.

Fig.3.9 Herramientas de abocinado.

3.7 INSTRUMENTACIÓN

En la instalación de la instrumentación se utilizó material ensamblado. Con el finde una alternativa fácil y rápida.

Los instrumentos de medición que se emplearon son los siguientes:

Manómetro de baja presión.

Manómetro de alta presión.

Válvula de compuerta.


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A continuación se detalla la instalación de cada uno de los instrumentos demedición utilizados.

3.7.1 Instalación de manómetros

Se realizó la instalación de cada uno de los manómetros, con el objetivo deconocer la presión del fluido.

El primer manómetro de baja presión fue colocado a la salida del condensador.

Fig. 3.10 Manómetro de baja presión instalado a la salida del condensador.

El segundo manómetro de alta presión se colocó entre el compresor y elcondensador.

Fig. 3.11 Manómetro de alta presión colocado a la salida del

com resor


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3.7.2 Instalación de válvula de compuerta

Se instaló una válvula de compuerta, ésta válvula al estar cerrada tiene la finalidadde evitar que el gas refrigerante circule dentro del colector solar.

La válvula de compuerta de alta presión fue instalada entre el evaporador y elcolector solar como se muestra en la (fig. 3.12).

Finalmente, el equipo de aire acondicionado quedo ensamblado e instalado comose muestra en la figura 3.13.

Fig. 3.12 Válvula de compuerta instalada entre el

eva orador el colector solar

Fig. 3.13 Aire acondicionado asistido con colector solar ya instalado


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3.8 INSTALACIÓN ELÉCTRICA

El equipo de aire acondicionado trabaja con una toma de corriente de 220 V. Porlo tanto, se utilizó un receptáculo y un contacto del mismo modelo paradiferenciarlo de las tomas de corriente de 127 V comúnmente utilizadas.Además, es importante cuidar los siguientes aspectos:

El voltaje debe estar dentro del rango de 90 a 110% del voltajeespecificado.

Se debe asegurar que la unidad de aire acondicionado esté conectada atierra para no tener problemas eléctricos.

El equipo de aire acondicionado debe tener solo una fuente independiente

de energía eléctrica, para no tener problemas de sobrecarga o caída detensión.

3.8.1Conexión del cable de la unidad exterior

Para realizar una correcta conexión del cable de la unidad exterior se realizaronlos siguientes pasos:

Se retiró la cubierta de la unidad exterior donde se encuentra el diagrama

de conexiones y las especificaciones.

Se identificó el cableado y la simbología del equipo.

Se conectaron los cables que vienen del evaporador y el condensador.

Se aislaron los cables de manera que no toquen ninguna parte eléctrica ometálica.

Se apretaron bien los tornillos con el fin de evitar algún accidente.


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Fig. 3.14 Conexión Eléctrica.

3.9 PRUEBAS DE FUGAS

Uno de los principales problemas que se presentan en los sistemas derefrigeración son las fugas del refrigerante. Para estar seguros que el equipo seencuentra totalmente hermético se deben de realizar pruebas contundentes paraconfirmar una correcta instalación denominadas pruebas de fugas.

Se utilizó nitrógeno para verificar si había fugas en el sistema con una presión de110 psi. Se mantuvo con esa presión constante durante 30 minutos.

Se utilizó el método del agua jabonosa:

Se aplicó agua jabonosa en la conexión de la unidad interior y en las conexionesde la unidad exterior para verificar si había fugas en los puntos de conexión de latubería o en accesorios soldables.

Se hicieron las pruebas necesarias y se encontraron fugas en las conexiones delsistema y en la tubería.

Fuga en las conexiones.- Se hizo el reapretado de las tuercas.

Fuga en la tubería. Hubo una fuga a la salida del compresor, se corrigióutilizando soldadura con plata.


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Después de verificar que el sistema esté libre de fugas, se liberó la presión denitrógeno aflojando el conector de la manguera de carga en el cilindro denitrógeno. Cuando la presión del sistema bajó a un nivel normal, se desconectó lamanguera del cilindro.

3.15 Pruebas de fugas

3.10 PURGA DE AIRE

Debemos tener el mínimo cuidado para no tener problemas de funcionamiento,donde se enumeran algunos puntos a seguir.

El aire y la humedad en el sistema refrigerante producen los efectos indeseables

siguientes:

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