Manual de Ahorro Energético en Refrigeración
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PROYECTO GAUREE II MANUAL DE AHORRO ENERGETICO EN REFRIGERACION y AIRE ACONDICIONADO Mayo de 2004
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PROYECTO GAUREE II
MANUAL DE AHORRO ENERGETICO EN
REFRIGERACION y AIRE ACONDICIONADO
Mayo de 2004
1
INDICE
Introducción 4
Capítulo 1: ESTUDIO ENERGETICO 5
1.1 Procedimiento de operación 5
1.2 Levantamiento de datos 5
1.2.1 Recursos con los que debe contar el personal 5
1.2.2 Actividades 6
1.3 Datos históricos de facturación eléctrica 6
1.4 Zonificación del inmueble 7
1.5 Zonificación de las áreas de trabajo 7
1.6 Censo de alumbrado 7
Capítulo 2: REFRIGERACION 8
2.1 Sistemas de refrigeración 8
2.1.1 Sistemas de compresión de vapor 8
2.1.2 Sistemas de la absorción 8
2.1.3 Sistemas de expansión del gas 9
2.2 Clasificación de los refrigerantes 9
2.2.1 Hidrofluorocarbonados (HFCs) 9
2.2.2 Azeotrópicos HFC 10
2.2.3 Semi azeotropico 10
2.2.4 Zeotrópico HFC 11
2.3 Unidad de la Refrigeración 12
2.4 Diagrama de presión y entalpía 13
2.4.1 Esquema de temperatura y entropía 14
2.5 CICLO DE REFRIGERACION DE CARNOT 15
2.6 Sistemas de refrigeración 17
2.7 Compresores 19
2.7.1 Distintos tipos de compresores 20
2.7.2 Compresor hermético 21
2.7.3 Compresor semi hermético 21
2
2.7.4 Compresor abierto 21
2.7.5 Desempeño de los compresores 22
2.7.6 Análisis Isentrópico y Politrópico 23
2.8 Requisitos de seguridad de la maquinaria 26
2.9 Evaporadores 27
2.9.1 Expansión directa (DX) 28
2.9.2 La zona de sobrecalentamiento 29
2.10 El proceso de condensación 32
2.10.1 Remoción total del Calor 33
2.10.2 Tipo de condensadores 34
2.10.3 Condensadores enfriados por aire 35
2.10.4 Procesos transferencia de calor y curvas de temperatura 35
2.11 Control de flujo de los dispositivos refrigerantes 37
2.11.1 Válvulas termostáticas de expansión 37
2.11.2 Características de operación 37
2.12 Clasificación de los sistemas de aire acondicionado 38
2.12.1 Sistemas individuales aire acondicionado 40
2.12.2 Ventajas y Desventajas 40
2.12.3 Sistemas de aire acondicionado de espacio 41
2.13 Desempeño de la energía e Intensidades del uso de energía 42
2.13.1 Los controles 43
2.13.2 Las características 44
2.13.3 Características del Sistema 45
2.14 Sistemas de aire acondicionado embalados 46
2.15 Requisitos mínimos de eficiencia 47
2.15.1 Características del sistema 47
2.16 Consideraciones para el Ahorro de Energía en Sistemas de
Refrigeración y Aire Acondicionado 47
APENDICES (formatos de auditorias energéticas)
a) Información del edificio (1) 51
b) Información del edificio (2) 52
3
c) Características del edificio 53
d) Diagrama de ubicación 54
e) Uso y costo anual de electricidad 55
f) Uso y costo anual de energía no eléctrica 56
g) Sistemas de distribución de aire acondicionado 57
4
Introducción
El presente Manual de auditorias energéticas en sistemas de iluminación y aire
acondicionado es una contribución del Proyecto GAUREE II (Generación
Autónoma y Uso Racional de la Energía Eléctrica) patrocinado por la Comunidad
Económica Europea con el objetivo de reducir el perfil de consumo de energía
eléctrica en el sector industrial de Honduras.
En la actualidad, una de las prioridades de la política energética de la mayoría de
las naciones del mundo es lograr el más alto grado posible de eficiencia en su
consumo de energía, acción que alivia en buena medida las presiones y los
riesgos tanto de tipo económico como ecológico. Respecto a lo económico, el
ahorro de energía permite, por ejemplo, desacelerar la demanda del consumo
eléctrico, con lo cual se desahoga la urgencia presupuestaria de destinar
crecientes recursos para construir más plantas generadoras. Respecto a lo
ecológico, el uso racional de la energía evita que se quemen innecesariamente
combustibles, cuyas emanaciones impactan negativamente sobre el medio
ambiente.
El objeto es detectar potenciales de ahorro de energía en las industrias e
instrumentar medidas para aprovecharlos. Los resultados en su conjunto han sido
muy exitosos. Se calcula que en promedio los ahorros potenciales de energía son
significativos en la facturación total de la industria, si se combinan las medidas
operacionales y las tecnológicas. Se estima, asimismo, que dejarían de emitirse a
la atmósfera varios miles de toneladas de contaminantes.
El objetivo del presente Manual es servir como una referencia para los operadores
en las industrias con el fin de llevar a cabo un diagnóstico energético en el sistema
de iluminación y refrigeración para determinar los potenciales de ahorro de
energía en sus sistemas. Además de orientar a los usuarios de este manual en los
conceptos básicos sobre terminología de iluminación, refrigeración / aire
acondicionado, recomendaciones para el ahorro inmediato, a mediano y largo
plazo.
5
Capitulo 1: ESTUDIO ENERGETICO 1.1 Procedimiento de operación
Las actividades necesarias para realizar en el estudio energético propuesto están
distribuidas conforme a las tareas a desarrollar por los involucrados. En un
principio, es la industria la que tiene a su cargo realizar el levantamiento de datos;
por su parte, la empresa proveedora de energía eléctrica debería analizar la
información y proponer las medidas de ahorro de energía.
1.2 Levantamiento de datos
En el proceso del diagnóstico energético, el levantamiento de datos es la etapa de
mayor importancia para el buen desarrollo del estudio, debido a que las
subsecuentes etapas están fundamentadas en ella (ver formato de recopilación de
datos en anexos).
1.2.1 Recursos con los que debe contar el personal
Se recomienda que el personal encargado cuente con los siguientes atributos:
Responsabilidad en la operación y mantenimiento del inmueble o apoyo de
quienes realizan estas funciones
Acceso a la información propia del inmueble, como son las facturaciones
eléctricas y planos arquitectónicos
Disponibilidad de tiempo completo. El tiempo de trabajo dependerá del
tamaño del inmueble, complejidad del sistema, disponibilidad de la
información, habilidad y tiempo (horas/día) dedicadas.
Autorización de acceso a todas las áreas del inmueble
Conocimientos básicos en equipos de alumbrado
Una o más personas que lo auxilien en el levantamiento de datos.
6
1.2.2 Actividades
En el desarrollo del levantamiento de datos se establece como tarea fundamental
se tienen que obtener los siguientes datos:
1. Datos básicos del inmueble
2. Datos de facturación de energía eléctrica
3. Zonificación de áreas
4. Equipos de alumbrado
Además comentarios y observaciones sobre la posible problemática existente en
el lugar, como ser bajos niveles de iluminación en distintas áreas, falta de
apagadores, falta de sensores de luz en áreas con aportación solar, etc., como
también hacer sugerencias para implantar medidas de ahorro de energía, con y
sin inversión, ya sea en el sistema de alumbrado o bien en otros sistemas
eléctricos.
1.3 Datos históricos de facturación eléctrica
Se recomienda tener a la mano 12 facturaciones eléctricas, de preferencia de todo
un año; es importante aclarar que el tipo de tarifa eléctrica a aplicar en los
inmuebles depende de la demanda eléctrica máxima registrada en los mismos.
La información que se debe anotar es la siguiente:
• Periodo: Para cada uno de los meses indicados, anotar el periodo
correspondiente a la factura eléctrica indicando día, mes y año para el inicio
y final del período.
• Parámetros eléctricos y costos: Anotar la demanda eléctrica máxima,
consumo eléctrico, factor de potencia y monto de facturación incluyendo
ajustes e impuestos. En el caso de las tarifas horarias se deberá anotar
adicionalmente las demandas y consumos de energía de los distintos periodos.
1.4 Zonificación del inmueble
Para realizar esta operación, se deberá obtener copia de los planos
arquitectónicos de los niveles del inmueble, actualizados. En caso de no contar
7
éstos, se deberán dibujar a mano alzada para cada uno de los niveles, con sus
respectivas dimensiones.
Es muy importante considerar que la suma total de las áreas debe concordar con
los metros cuadrados construidos que se tomaron en los “Datos básicos del
inmueble”.
1.5 Zonificación de las áreas de trabajo
En una copia de los planos arquitectónicos se lleva a cabo la zonificación de las
áreas por cada nivel del inmueble, identificando las principales actividades de
trabajo, tales como: oficinas, cubículos, planta industrial, pasillos, baños, etc.
Esta actividad servirá para localizar adecuadamente el equipo de alumbrado y
determinar la Densidad de Potencia Eléctrica del Alumbrado (DPEA) por tipo de
actividad.
Anotar si la zona cuenta con dispositivos ahorradores como: sensores de
presencia, atenuadores, temporizadores, etc.
1.6 Censo de alumbrado
Del censo de equipos de alumbrado, depende que las estimaciones de los
potenciales de ahorro de energía estén bien sustentadas.
Los datos necesarios para el censo son los siguientes.
• Localización de equipos (edificio, nivel y zona): Con base en la zonificación
realizada previamente en los planos arquitectónicos, se realizará la
localización de las luminarias. En caso de que exista más de un tipo de
lámpara en la misma zona, se deberá indicar, repitiendo la clave del
edificio, nivel y zona. De igual forma, cuando el mismo tipo de lámpara
opere distintas horas al día.
• Código de equipos: La codificación es la forma de identificar con claves el
equipo de alumbrado. Cada fabricante tiene sus propias claves para
designar sus equipos.
8
Capítulo 2: REFRIGERACION Se define como el proceso de extraer o bajar la temperatura de una fuente de
calor y lo transfiriere a un evaporador de calor. La refrigeración mantiene la
temperatura de la fuente caliente por debajo de la de sus alrededores mientras la
transferencia atrae el calor, y una entrada requerida de energía, a un evaporador
de calor, a aire atmosférico, o a agua de superficie. Un sistema de refrigeración
es una combinación de componentes y de equipos conectados en un orden
secuencial para producir el efecto de la refrigeración. El sistema de refrigeración
que se utilizan comúnmente es el aire acondicionado que puede ser clasificado
por el tipo de energía de entrada y el proceso de refrigeración.
2.1 Sistemas de refrigeración
2.1.1 Sistemas de compresión de vapor
En este sistema los compresores activan el refrigerante comprimiéndolo a una
presión más alta y el nivel más alto de la temperatura después que ha producido el
efecto de la refrigeración. Los refrigerantes comprimidos transfieren su calor al
disipador y es condensado pasando a forma líquida. Este líquido refrigerante es
estrangulado a una baja presión y baja temperatura para producir el efecto de
refrigeración durante la evaporación. Los sistemas de compresión de vapor son
los que adoptan la mayoría de los sistemas de refrigeración.
2.1.2 Sistemas de la absorción
El efecto de refrigeración es producido por la entrada térmica de energía. Después
que absorbe el calor del medio de refrigeración durante la evaporación, el vapor
refrigerante es captado por un medio absorbente. Esta solución es calentada por
una estufa directa, por el calor del desecho, por agua caliente, o por vapor. El
refrigerante es otra vez vaporizado y condensado pasando a líquido.
9
2.1.3 Sistemas de expansión del gas
Es un sistema en donde el aire o el gas son comprimidos por una energía
mecánica a una alta presión, se refresca y es descomprimido a una presión más
baja. La temperatura de las gotas de aire o gas durante la expansión, producen el
efecto de refrigeración.
2.2 Clasificación de los refrigerantes
Antes de la introducción de clorofluorocarbonos (CFCs) en la década de los 30, la
mayoría de los refrigerantes comúnmente utilizados era el aire; el amoniaco;
bióxido de azufre; bióxido de carbono, y cloruro de metilo. Hasta que 1986, los
hidrocarburos halogenados no tóxicos y no inflamables, con varios potenciales del
agotamiento de ozono se empezaron a utilizar en forma casi exclusiva en los
sistemas de refrigeración de compresión de vapor para aire acondicionado. El
impacto del agotamiento de ozono de cloroflourocarbonos y de
hidroclorofluorocarbonados (HCFCs) desde que la década de los 80 provocó una
decisión mundial para dejar de utilizar estos refrigerantes. Se realizó una nueva
clasificación de refrigerantes en seis grupos basados principalmente en el
agotamiento de ozono que sería útil para el reemplazo de los cloroflourocarbonos
por otro refrigerante alternativo.
2.2.1 Hidrofluorocarbonados (HFCs)
El HFCs contiene sólo hidrógeno, flúor, y átomos de carbón y no contienen átomos
de cloro, por lo tanto son ambientalmente seguros y no provocan el agotamiento
de ozono. Ellos son designados por el prefijo HFC; HFC-134a que es una
alternativa atractiva y a largo plazo para reemplazar Cloroflourocarbono-12 (CFC-
12) e intercambiar compresores a tornillos y centrífugos. Además es la alternativa
a largo plazo para HCFC-22. El HFC-134a no es inflamable, tiene una toxicidad
muy baja, en el estándar de ASHRAE 34-1997 se muestra la calificación de
seguridad.
10
El HFC-134a tiene una masa molecular de 102.3 en vez de CFC-12 que la masa
molecular de 120.93. En una temperatura de condensación de 100°F (37.8°C), el
HFC-134a’s se condensa a una presión de 138.83 psia (abs 957kPa.), mientras
que en el CFC-12’s es de 131.65 psia (908 abs de kPa.).
2.2.2 Azeotrópicos HFC Azeotrópico son mezclas de componentes de múltiple volatilidades que se
evaporan y condensan como una sustancia simple y no cambia su composición
volumétrica ó temperatura de saturación cuando se evaporan ó condensan a
presión constante.
El HFC-507 es una mezcla de refrigerantes de HFC-125/HFC-143a (45/55) de
agotamiento de ozono igual a cero. Es un refrigerante alternativo a largo plazo
para reemplazar al cloroflourocarbono-502 (CFC-502) y CFC-12 en sistemas de
refrigeración de baja temperatura cuya temperatura de evaporación es de 10°F
(12.2°C). y necesita un lubricante sintético de petróleo. Según el estándar ANSI
de ASHRAE 34- 1997, HFC-507 se permiten las designaciones alternativas para el
HFC-507A, que es una mezcla de refrigerantes de HFC-125/HFC-143a (50/50).
Los resultados de las pruebas que compararon el CFC-502, y, la capacidad de
refrigeración de HFC-507 estaban entre 0.95 y 1.05. El HFC-507 tuvo una
eficiencia de energía de 0.87 a 0.97 comparado al CFC-502.
2.2.3 Semi azeotropico
Son refrigerantes con características similares a los Azeotrópicos ,El HFC es una
mezcla refrigerante de agotamiento de ozono cero y tiene los cambios bastante
pequeños en la temperatura volumétrica de composición o la de saturación. El
semi azeotropico o HFC-404A y HFC-410A requieren un lubricante sintético en
vez del petróleo mineral y no son tóxicos ni inflamables con una clasificación de la
seguridad de A1/A1.
El HFC-404A es un refrigerante alternativo a largo plazo para el CFC-502 y el
CFC-12, ambos en sistemas de refrigeración de baja temperatura. El HFC-
11
404A tiene una temperatura de 0.9°F (0.5°C) durante la evaporación y una
temperatura de 0.6°F (0.33°C) durante la condensación.
En el año 1995 se comparó al HFC-404A con el CFC-502 y resultó que el
HFC-404A tuvo la misma evaporación levemente más alta la capacidad de
condensación y más baja la evaporación de las temperaturas. La eficiencia de la
energía es de 0.89 a 0.99 y se encontraron en la evaporación diferente
temperaturas Tev y, al bajar la Tev, baja la proporción de la eficiencia de energía, a
causa de la proporción más alta de la presión de compresor.
El HFC-410A es una mezcla de HFC-32/HFC-125 (50/50) con agotamiento de
ozono cero y un HGWP de 0.43. Es un refrigerante alternativo a largo plazo para
reemplazar HCFC-22 y el CFC-502. El HFC-410A tiene una temperatura de 0.2°F
(0.11°C) durante la evaporación y la condensación.
El desplazamiento de compresor, cfm/tonelada (L/kW de s), para el HFC-410A
está acerca del 50 por ciento menos que para el HCFC-22; y la presión de
descarga para 130°F (54.4°C) está acerca de 490 psia (3379 abs de kPa.), que es
mucho más alta que la del HCFC-22.
Para una eficiencia de energía más alta, los fabricantes de este refrigerante
recomiendan utilizar compresores rotativos.
2.2.4 Zeotrópico HFC
Zeotrópico son mezclas de componentes de múltiple volatilidades que se
evaporan y condensan como una sustancia simple y “si” cambia su composición
volumétrica ó temperatura de saturación cuando se evaporan ó condensan a
presión constante.El HFCs es las mezclas refrigerantes de agotamiento de ozono
de cero que tiene la temperatura más alta durante la evaporación y la
condensación. El zeotrópico HFC-407A y HFC-407C requieren también de un
lubricante sintético de petróleo, en vez del petróleo mineral; y son no tóxicos ni
inflamables con una clasificación de la seguridad de A1/A1.
El HFC-407A es una mezcla de HFC-32/HFC-125/HFC 134a (20/40/40) con
agotamiento de ozono de cero con un HGWP de 0.49. Es un refrigerante
alternativo a largo plazo para el CFC-502 y CFC-12 en sistemas de refrigeración
12
de baja temperatura. El HFC-407A mostró una reducción en la transferencia de
calor en el evaporador de un sistema de baja temperatura durante las pruebas. El
desempeño del sistema de HFC-407A era el más bajo comparado con el HFC-
404A y el HFC-507.
El HFC-407C es una mezcla de HFC-32/HFC-125/134a (23/25/52) de agotamiento
de ozono de cero con un HGWP de 0.38. Es un refrigerante alternativo a largo
plazo para reemplazar HCFC-22 y CFC-502.
Las comparaciones entre el HFC-407C y el HCFC-22 durante las pruebas dieron
como resultado que para enfriar y calentar, la proporción de la capacidad varió de
0.93 a 1.06, y la de energía de 0.94 a 0.97. Los coeficientes de calor de
transferencia en un tubo durante la evaporación y la condensación dieron valores
del 85 a 95 por ciento.
El HCFCs y su Zeotrópico HCFCs contienen hidrógeno, cloro, flúor, y átomos de
carbón y no son completamente halogenados. El HCFCs tiene una vida mucho
más corta que los cloroflourocarbonos y causa mucho menos agotamiento de
ozono (0.02 a 0.1 ODP) y son designados por el prefijo HCFC. Su consumo se
planifica para ser reducido empezando gradualmente desde el año 2004 y
descartarlo completamente en el 2030 en los países en vías de desarrollo.
El HCFC-22 tiene un ODP de 0.05 y un HGWP de 0.40, no es inflamable y tiene
una clasificación de seguridad A1. También es parcialmente miscible con el
petróleo mineral.
En 40°F (4.4°C), su evaporación es de 82.09 psia (566 abs de kPa.), y en 100°F
(37.8°C) la presión de condensación es de 201.5 psia (1389 abs de kPa.).
El HCFC-22 tiene un desplazamiento más pequeño de compresor entre el HCFCs
y cloroflourocarbonados. Todos estos factores lo hace una alternativa provisional
para reemplazar CFC-12. HCFC-22 que eran refrigerantes utilizados en unidades
pequeñas y de tamaño mediano en la década de los 90 en los Estados Unidos.
2.3 Unidad de la Refrigeración
Las unidades de la refrigeración se expresan en pulgada y libras (I-P); y en
unidades térmicas inglesas por hora, o simplemente Btu/H. Una unidad térmica
13
inglesa se define como la cantidad de energía de calor requerido para levantar la
temperatura de una libra de agua un grado Fahrenheit de 59°F a 60°F; y 1 Btu/H
0.293 vatio (W).
Otra unidad de refrigeración que se utiliza comúnmente en la industria HVAC&R
es la tonelada de refrigeración, o simplemente tonelada y se define como 1
tonelada = 12,000 Btu/H de calor extraído. Esto es igual al calor absorbido por 1
tonelada (2000 lb.) para fundir el hielo a una temperatura de 32°F sobre 24 H.
porque el calor de la fusión de hielo en 32°F es 144 Btu/lb.
También 1 tonelada = 3.516 kW
2.4 Diagrama de presión y entalpía
El diagrama de presión y entalpía es el instrumento gráfico más común para el
análisis y el cálculo de la transferencia del calor, el trabajo y el desempeño de un
ciclo de la refrigeración.
Gráfico de esquema de presión y entalpía para HCFC-22.
El ciclo consiste en dos regiones: la región de la alta presión, o el lado alto, y la
región de la baja presión, o lado bajo. El cambio en la presión se puede ilustrar
claramente en el esquema de p-h. Tanto la transferencia del calor como el trabajo
de varios procesos se pueden calcular como el cambio de entalpía y se muestra
14
fácilmente en el esquema de ph. La figura anterior que es un gráfico de p-h de
para HCFC refrigerante-22. Entalpía h (en Btu/lb.) es la abscisa, y la presión (psig)
es la ordenada; ambas están expresadas en escala logarítmica.
La línea líquida saturada separa el líquido de subenfriamiento de la zona de fase
dos en la que coexisten el vapor y el líquido refrigerante.
La línea saturada del vapor separa esta zona dos fases del vapor sobrecalentado.
Allí la mezcla de vapor y líquido es subdividida por la línea de calidad y la
constante de sequedad de. Las líneas de la constante de temperatura son casi
verticales en el subenfriamiento de la región líquida. En temperaturas más altas,
son curvas y van cerca de la línea de líquido saturado. En la zona de fase dos, las
líneas de temperatura constante están horizontales. En la región de
sobrecalentamiento, la curva de la constante de temperatura baja agudamente y
las líneas de presión constante en la zona de fase dos están horizontales; ellas
están estrechamente relacionadas.
La presión específica de un refrigerante en la zona de fase dos determina su
temperatura, y viceversa. También en la región de sobrecalentamiento, las líneas
de la constante de entropía se inclinan agudamente hacia arriba, y las líneas de la
constante de volumen son más planas y ambas se curvan levemente.
2.4.1 Esquema de temperatura y entropía:
El esquema de T-s de temperatura y entropía a menudo se utiliza para analizar las
irreversibilidades en un ciclo de la refrigeración, así como en el sistema, para
escoger los óptimos parámetros para operar y mejorar el desempeño del sistema.
En un esquema de temperatura y entropía (T-s), s, expresado en Btu/lb°R, es la
abscisa del esquema y la temperatura T, °R, es la ordenada. Un esquema de T-s
es más conveniente para evaluar la eficiencia de la expansión de un ciclo de
refrigeración de aire.
15
2.5 CICLO DE REFRIGERACION DE CARNOT
El ciclo de refrigeración de Carnot es un ciclo de motor inverso. Todo proceso en
un ciclo de refrigeración de Carnot es reversible, es así que es el ciclo de
refrigeración más eficiente. En la figura siguiente (a) muestra es un esquema de
un ciclo de refrigeración de Carnot, la figura (b) muestran también un ciclo de
refrigeración de Carnot que utiliza gas como la sustancia de trabajo. Este ciclo de
Carnot se compone de cuatro procesos reversibles:
1. Un proceso isotérmico 4-1 en que el calor Q#1 es extraído a temperatura
constante TR1 por lb (kg) de sustancia de trabajo
2. Se procesa una compresión isentrópica 1-2
3. Un proceso isotérmico 2-3 en cuál Q#2 son rechazados a temperatura constante
TR2 por lb (kg) de sustancia de trabajo
4. Una expansión isentrópica procesa 3-4
En la parte (c) de la figura siguiente, se muestra el ciclo de refrigeración de Carnot
que utiliza vapor como la sustancia de trabajo. El vapor húmedo es la única
sustancia de trabajo donde se calienta el suministro y los procesos de rechazo de
calor pueden ocurrir fácilmente en temperatura constante. Esto sucede porque las
temperaturas de vapor húmedo se quedan constantes cuando el calor latente es
rechazado. Como en el ciclo de gas, hay dos procesos isotérmicos 4-1 y 2-3 es el
calor que absorbe en la temperatura TR1 y rechazar el calor en TR2,
respectivamente, y dos procesos de isentropía, uno para compresión 1-2 y otro
para la expansión 3-4.
El desempeño del Ciclo de refrigeración de Carnot, según la primera ley de
termodinámica, que a menudo se llamó la ley de la conservación de energía,
cuando es que un sistema experimenta un ciclo termodinámico cuando el calor
neto suministrado al sistema es igual a la red.
16
(a) Esquema del ciclo de refrigeración de Carnot; (b) el ciclo de gas; (c) el ciclo de
vapor.
el trabajo hecho, o
El suministro del calor + el calor rechazado = trabajo de la red
Refiriéndose a la Figura anterior (a), del ciclo de refrigeración de Carnot
17
ó
donde
Q#1 = calor suministrado en lb (kg) de sustancia de trabajo en la temperatura T1; y
el signo de Q#1 es positivo
Q#2 = el calor necesario por lb (kg) de sustancia de trabajo en la temperatura T2; y
el signo de Q#2 es negativo.
W = red de trabajo hecho por el sistema; el signo es positivo, o si es una entrada
del trabajo al sistema, el signo es negativo
El calor extraído de la fuente en la temperatura TR1 por la sustancia de trabajo, es
decir, el efecto de refrigeración por lb (kg) a la sustancia de trabajo, es
Donde
s1,s4 = entropía en el estado, 1 y 4 señalan respectivamente, Btu/lb°R (kJ/kgK). de
calor rechazado y la temperatura TR2 se puede calcular como
Donde
s2,s3 = entropía en el estado. 2 y 3, señala respectivamente, Btu/lb°R (kJ/kgK).
Porque en el isentropico se procesa 1-2, s1 = s2, y en el 3-4, s3 del proceso de
isentropia = s4,
2.6 Sistemas de refrigeración
Clasificaciones y desarrollo: Basado en el tipo de la entrada de energía y el
proceso de refrigeración, los sistemas de refrigeración se pueden clasificar como
compresiones de vapor, absorción y aire o sistemas de expansión de gas. En la
década de los 90, el sistema de la absorción tenía menos del 8 por ciento en
instalaciones nuevas comparadas con los chillers centrífugos en los Estados
18
Unidos. Las aplicaciones de aire o sistemas de refrigeración de expansión de gas
se limitan al uso de los aviones. En cambio los sistemas de compresión de vapor
dominan en los sistemas de aire acondicionado.
Los sistemas de refrigeración de compresión de vapor se pueden clasificar
también según
• El tipo de compresor utilizado, tal como reciprocante, rotativo, tornillo, o sistemas
centrífugos.
• El tipo de evaporador: la expansión directa (DX). En un sistema de expansión
directa (DX), el aire de transferencia se enfría directamente y es deshumedecido
por la expansión y el evaporado del refrigerante en una serie de tubos.
• El tamaño (toneladas de capacidad) del sistema de la refrigeración, es en los
más pequeños (2.5 tonelada, o 8.8 kW), y los más grandes (75 toneladas o 264
kW).
Para un sistema de la refrigeración, el tipo de compresor, el tamaño del sistema, o
si es se utiliza un chiller de agua, son a menudo correlativos. Un chiller centrífugo
es a menudo un sistema de refrigeración de gran tonelaje. Un sistema pequeño de
refrigeración con una capacidad de refrigeración de menos de 2.5 toneladas (8.8
kW) es a menudo un DX que utiliza aire fresco para el intercambio de la
temperatura. Los sistemas de refrigeración por lo tanto se han clasificado
principalmente de la siguiente manera:
• DX (Expansión dirigida), son sistemas reintercambio de frío.
• Chillers Intercambia Líquido y sobrealimenta los sistemas de absorción
El Estándar de ASHRAE 15-1994 clasifica a los sistemas de refrigeración como
sistemas dirigidos y sistemas indirectos basados en el método empleado para
extraer el calor.
Un sistema directo de refrigeración es uno en que el evaporador o condensador
del sistema de refrigeración están en contacto directo con el aire u otros medios
para ser refrescado o para ser calentado.
19
Un sistema indirecto de refrigeración utiliza un líquido refrigerante secundario para
refrescar el aire u otra sustancia después que el líquido refrigerante es enfriado
por el sistema de la refrigeración.
2.7 Compresores
Un compresor de refrigeración es el corazón del sistema, su función es la de
levantar la presión del refrigerante y proporcionar la fuerza primaria para que
circule el refrigerante en ese estado, produce el efecto de la refrigeración en el
evaporador, lo transforma a la forma líquida en el condensador, y en las válvulas
de admisión a una presión más baja por el dispositivo estrangulador.
Los compresores actualmente utilizados de refrigeración se pueden clasificar
como de desplazamiento positivo o compresores de desplazamiento no positivo.
20
(a) Compresor hermético, (b) semi hermético y (c) abierto
Un compresor de desplazamiento positivo aumenta la presión del vapor del
refrigerante reduciendo el volumen interno en la cámara de la compresión por la
fuerza mecánica aplicada.
El único tipo de compresor de refrigeración no positivo es el que se utilizó
extensamente en sistemas de refrigeración con compresores centrífugos.
En un compresor centrífugo, el aumento de la presión del vapor del refrigerante
depende principalmente en la conversión de la presión dinámica a la presión
constante.
2.7.1 Distintos tipos de compresores
2.7.2 Compresor hermético
En este compresor el motor y el compresor están sellados o soldados en la misma
carcasa, como el mostrado en la figura anterior (a).
Los compresores herméticos tienen dos ventajas:
Aminoran la fuga de refrigerante, y el motor puede ser refrigerado por el vapor de
la succión que fluye por el aire generado por el motor. Esto debe ser compatible
con el refrigerante y la lubricación a base de petróleo para resistir el efecto
abrasivo del vapor de la succión y tener una alta resistencia dieléctrica. Los
compresores soldados se utilizan generalmente para instalaciones pequeñas de 1
hp a 24 hp (0.7 kW a 18 kW).
21
Los compresores herméticos son conducidos directamente por el motor ó bien
movido por un conjunto de engranajes.
2.7.3 Compresor semi hermético:
La ventaja principal que tienen sobre los anteriores, es el acceso para la
reparación durante una rotura del compresor, figura (b), o para la conservación
regular. Las Otras características son semejantes a las de los compresores
herméticos. La mayor parte de los compresores de potencia media son semi
herméticos.
2.7.4 Compresor abierto
En este caso el compresor y el motor están completamente separados, como se
muestra en la figura (c). Un compresor abierto necesita sellos para evitar la
pérdida del refrigerante. En la mayoría de los casos tienen un ventilador que se
utiliza para refrigerarlo utilizando el aire de ambiente. Muchos compresores de los
grandes sistemas de refrigeración son compresores abiertos.
Los compresores semi herméticos y los abiertos pueden ser movidos
directamente, por engranajes ó por bandas tipo “V”. El propósito de un tren de
engranajes es aumentar la velocidad del compresor. El engranaje es compacto y
gira sin patinar como las bandas.
Tanto los engranajes como las bandas en “V”, requieren cerca de un tres por
ciento más de potencia del motor que la que necesita el compresor.
Algunos grandes compresores abiertos pueden ser también movidos por turbinas
de vapor, por turbina de gas, o por motor diesel en vez de un motor eléctrico.
22
2.7.5 Desempeño de los compresores
La eficiencia volumétrica (V) de un compresor de refrigeración se define como
donde
o Va, v = es el volumen inducido verdadero de vapor de succión en la presión
en ft3 ó (m 3)
o Vdis = es el desplazamiento teórico de compresor, en ft3 ó (m 3)
Los factores que influyen en el Volumen del compresor incluyen:
• El volumen del Espacio Libre y proporción de compresión Rcom. Ambos factores
afectan el volumen de gas de re expansión atrapado en el volumen del espacio
libre.
• El efecto de calentamiento: Cuándo el vapor refrigerante entra al compresor, el
calor absorbido por el vapor tiene como resultado un efecto que aumenta el
volumen específico del refrigerante Va, v.
• Merma. Los escapes refrigerantes por el espacio entre los anillos del émbolo y el
cilindro en un compresor alternativo.
La eficiencia del compresor y mecánica del motor se define como
donde
o Pcom, Pmo = es la entrada de potencia al compresor, hp (kW).
Eficiencia mecánica nmec se define como:
donde:
o Wv, Wcom = es el trabajo entregado al vapor refrigerante y compresor, Btu/lb
(kJ/el kg).
23
La eficiencia de compresión ncp se define como:
donde:
o Wisen = es el trabajo requerido para la compresión, Btu/lb (kJ/el kg).
o Wisen = h2 - h1, donde h1 y h2 representan la entalpía de vapor de admisión
del refrigerante y del gas caliente descargado, respectivamente, en un
proceso de compresión, en Btu/lb (kJ/el kg). La diferencia entre la entrada
del trabajo en el compresor y el trabajo entregado al vapor Wcom - Wv es
causado principalmente por la pérdida en la fricción y la pérdida por
turbulencia del flujo de refrigerante. La eficiencia del compresor ncom es el
producto de ncp y nmec, y eso es,
2.7.6 Análisis Isentrópico y Politrópico
La eficiencia isentrópica nisen de un compresor se define como
donde:
o h2 = es la entalpía del gas si el proceso de calor de compresión no es
isentrópico, Btu/lb (kJ/el kg). La diferencia entre h2 y h1 implica, primero, la
desviación de un proceso reversible politrópico y de un proceso de
isentropía, además de la desviación de un proceso reversible. La eficiencia
de Isentropía es igual a la eficiencia del compresor, o a nisen = ncom.
La verdadera entrada de potencia al compresor Pcom, hp, se puede calcular como:
ecuación (a)
24
En la ecuación, mr representa la cantidad de flujo del refrigerante, en lb/min ó
(kg/min). Para el intercambio en compresores, mr puede ser calculado como
Aunque la compresión verdadera para la mayoría de los compresores son los
procesos irrevocables de politropía. En otras palabras, nisen es un índice
extensamente utilizado para la eficiencia de los compresores de refrigeración, y
para la entrada verdadera de la potencia al compresor Pcom es calculada
generalmente por la ecuación (a).
La proporción (EER) de eficiencia de Energía se define como la proporción de la
red que refrigera la capacidad de un compresor de una unidad u otro dispositivo,
en Btu/H, a la entrada de la energía eléctrica a ese dispositivo, en W, bajo
designado operando las condiciones.
• SEER indica la proporción estacional de la eficiencia de energía. Esto es la
suma de la capacidad de refrigerar de un dispositivo durante su período
anual normal del uso, en Btu, dividido por la entrada eléctrica total de
energía durante el mismo período, en vatios por horas.
• IPLV indica el valor integrado de carga. Esto es un solo índice que expresa
la carga y la eficiencia para compresores de refrigeración.
• HSPF indica el factor del desempeño del tiempo de calefacción. Esto es la
suma del calentamiento de un compresor durante su período anual normal
del uso, en Btu, dividido por la entrada eléctrica total de energía al equipo
durante el mismo período, en vatios por horas.
• KW/tonelada indica el consumo de energía eléctrica de un compresor por
tonelada de producción de refrigeración. Es un índice claro y extensamente
utilizado de energía.
El valor de kW/tonelada para un compresor hermético de refrigeración se puede
calcular como
25
donde
o Win = es la entrada de trabajo al compresor en lb de refrigerante al
condensador en Btu/Lb (el kJ/kG)
o qrf = es el efecto de la refrigeración por lb de refrigerante en el
condensador en Btu/Lb (el kJ/kG)
o nisen = es la eficiencia isentrópica del compresor
o nmo = es la eficiencia del motor
Los factores primarios que afectan el uso de energía del kW/ton para un
compresor de refrigeración son:
• La diferencia de la temperatura entre el condensador y el evaporador
Tcon - Tev
• La eficiencia de isentropía nisen ó eficiencia del compresor, ncom.
• El efecto específico del refrigerante.
El siguiente es el EER que indica el uso de energía entre un compresor hermético
de refrigeración y el motor, y los valores de kW/ton equivalentes:
EER se utiliza extensamente para compresores de intercambio, en aire
acondicionado y sistemas de refrigeración de expansión. El coeficiente del
desempeño y kW/tonelada es usualmente utilizado para los chillers centrífugos de
agua fría.
26
2.8 Requisitos de seguridad de la maquinaria
Los peligros del refrigerante provienen de escapes en las uniones de los tubos o
de la rotura de algún componente del sistema.
Los refrigerantes pueden ser clasificados en seis grupos de seguridad que
recorren de la toxicidad más baja y ninguna propagación de la llama (el grupo de
seguridad A1); a la toxicidad más alta y el inflamable más alto (el grupo de
seguridad B3). El tipo de la ocupación puede ser en una de las siguientes cinco
categorías:
• Institucional o en la asistencia médica, tal como los hospitales y hogares o
asilos.
• En el uso público, salas y almacenes.
• Residencial, inclusive hoteles y apartamentos.
• El comercio, oficinas, restaurantes y mercados.
• Industrial, fábricas y bodegas.
El sistema de refrigeración debe estar siempre bien sellado y es necesario reducir
los escapes que puedan producir peligros. Además, limitando la cantidad de
refrigerante en un sistema de refrigeración por el espacio ocupado, con lo cual
reduciendo los escapes en las posibles uniones y sellos en un sistema, existe una
alta probabilidad de reducir los peligros para la seguridad de las personas y la
propiedad.
El estándar de ASHRAE 15-1994 especifica varias reglas y los requisitos para
varios refrigerantes en sistemas de refrigeración. Estas reglas se describen en los
párrafos siguientes.
a) Cualquier sistema de la refrigeración en un cuarto el acondicionador de
aire (PTAC), terminal y embalado y si la carga refrigerante no excede 6.6 lb
(3 kg), es considerado para la aplicación de seguridad.
b) El refrigerante que pertenece al grupo de seguridad A1 (grupo de HCFC-
22, HFC-134a, etc.), son utilizados en sistemas de refrigeración de alta
probabilidad y tiene restricciones para instituciones o uso en asistencia
27
médica (menos en las cocinas, laboratorios, o en las morgues) y se aplican
las siguientes condiciones: La cantidad de refrigerante HCFC-22 en los más
grandes sistemas de refrigeración son limitados a 4.7 lb/1000 ft3 (2.13
kg/28.3m3). La cantidad de refrigerante HFC-134a, o de mHFC-134a, es
limitado a 8 lb/1000 ft3 (3.6 kg/28.3m3). Para el uso residencial y
comercial, se aplica lo siguiente: El valor de mHCFH-22 en un sistema de la
refrigeración son limitados a 9.4 lb/1000 ft3 (4.3 kg/28.3m3). El valor de
mHFC-134a en un sistema de refrigeración es limitado a 16 lb/1000 ft3 (el kg de
7.3/28.3m3).
c) El refrigerante del grupo de la seguridad B1, tal como HCFC-123, que se
utiliza en sistemas de refrigeración, la cantidad de refrigerante es limitada a
0.4 lb/1000 ft3 (0.18 kg/28.3 m3) para el uso comercial y para el uso
institucional es de 0.2 lb/1000 ft3 (0.09 kg/28.3m3).
d) El refrigerante del grupo de la seguridad B2, tal como el amoniaco R-
717, se utiliza en sistemas de refrigeración pero no se permite su uso para
aire acondicionado tanto en instituciones como en hogares. Cuando el R-
717 es utilizado en sistemas de refrigeración, en aire acondicionado de
procesos (inclusive almacenamiento de alimento), mr-717, en lb (kg), y la
cantidad permisible máxima, es limitada a los valores siguientes:
Institucional Público Residencial Comercial Sistema de absorción sellado Público y también hoteles 0 0 3.3 (1.5) 3.3 (1.5) Zonas cercanas al aire libre 0 0 22 (10) 22 (10) Otros, también hoteles 0 6.6 (3) 6.6 (3) 22 (10) Sistema individual Otros, también hoteles 0 0 6.6 (3) 22 (10)
2.9 Evaporadores
El evaporador es uno de los componentes principales de un sistema de
refrigeración, en cuál el refrigerante se evapora con el propósito de extraer el calor
del aire circundante o de otras sustancias. En los sistemas de refrigeración de
28
compresión de vapor, el evaporador es también un intercambiador de calor de
contacto indirecto.
Los evaporadores se pueden clasificar en tres categorías, dependiendo del medio
o la sustancia enfriada:
• Un evaporador aéreo es el que enfría el aire directamente en un espacio del
equipo. El aire condicionado entonces se distribuye por sistemas aéreos.
• En un evaporador de agua, esta es enfriada y es bombeada a unidades
remotas a ventiladores de manejo de aire, o a otras terminales de aire
acondicionado u otras aplicaciones.
• Un evaporador se puede utilizar también para producir hielo directamente,
tal como en un frigorífico.
2.9.1 Expansión directa (DX)
En un sistema de aire acondicionado de expansión directa, la temperatura de
evaporación Tev, °F (°C), del refrigerante HCFC -22, HFC-134a, HFC-404A, HFC-
410A, HFC-407A, o HFC 407C, dentro de los tubos del serpentín son
generalmente 37º a 52°F (2.8 a 11.1°C). La temperatura Tev de la superficie
generalmente baja al punto de rocío del aire de entrada. La condensación ocurre
por fuera de la superficie del serpentín de DX.
Los serpentines se construyen generalmente con tubos de cobre y aletas de
aluminio y se utilizan extensamente en equipos con refrigerante halocarbonado. El
diámetro de los tubos de cobre es generalmente 3/8” a 5/8” (10 a 16 mm), las
aletas del aluminio se separan una de otra de 12 a 18 aletas por pulgada, (1.4 a 2
aletas por mm) y son generalmente de 0.006” (0.15 mm) de espesor. Las aletas
onduladas se utilizan para evitar turbulencias y un aumento adicional en la
transferencia de calor. En la superficie interior de los tubos de cobre, son utilizadas
micro aletas en cantidad de 60 aletas por pulgada (0.42 aletas/mm) y una altura de
0.008” (0.2 mm) para aumentar la transferencia de calor.
Para una distribución de líquido refrigerante, los DX siempre son divididos en
varios circuitos refrigerantes. El refrigerante es suministrado generalmente por una
29
válvula de la expansión de termostática y fluye por un distribuidor, que distribuye el
refrigerante uniformemente, como se muestra en la siguiente figura. El distribuidor
es conectado a varios circuitos por tubos de distribución de cobre de un diámetro
entre 1/4” y 5/16” (6.5 y 16 mm). La longitud del tubo distribuidor es
aproximadamente igual a las longitudes de circuito y aseguran una adecuada
distribución del refrigerante.
2.9.2 La zona de sobrecalentamiento
En esta zona, la calidad del refrigerante xr = 1, el coeficiente calor de la
transferencia del refrigerante es en el lado bajo. A causa de la temperatura de
superficie, exterior y relativamente alta causada por el sobrecalentamiento del
refrigerante.
30
Para la simplificación, la tasa de la transferencia del calor (inclusive ambos calor
sensible y latente), a menudo es multiplicado por un factor Fsuper que justifica la
existencia de la región de sobrecalentamiento.
La transferencia simultánea entre el calor y la masa en un sistema de expansión
directa, los potenciales que manejan para la transferencia simultánea del calor y la
masa durante la refrigeración son la diferencia entre la entalpía del aire del
ambiente y el aire saturado.
Esta transferencia del calor y la masa Qc, Btu/H (W), es calculada
convenientemente como
donde
hae = entalpía de aire entrante, Btu/lb (J/el kg)
hsr = entalpía de la película saturada de aire en la temperatura de la evaporación
del refrigerante en la superficie de los tubos interiores refrigeran, Btu/lb (J/el kg)
31
Va = Es el flujo del volumen de aire, cfm [m3/ (60 s)]
pa = Es la densidad del aire, lb/ft3 (el kg/m3)
La eficiencia de un intercambiador del calor se define como la proporción de la
tasa verdadera de la transferencia del calor entre los líquidos calientes y fríos a la
tasa posible máxima de la transferencia del calor. La energía calórica del
condensador es pequeña y se puede ignorar. La eficiencia se puede calcular como
ó
Donde
hal = entalpía de aire de salida, Btu/lb (kJ/el kg).
Para la conveniencia, el refrigerante en un rollo de DX es asumido para evaporar
en una temperatura constante, así que Cmin/Cmax = 0. Aquí Cmin y Cmax indican
el valor más pequeño y más grande de capacidades de calor entre aire y agua,
Btu/H°F (W/ °C). La eficacia mojada del rollo se calcula como
El número de unidades de transferencia NTU se puede calcular también como
donde
Uo = coeficiente general de calor de transferencia basado en la superficie exterior,
Btu/h.ft2. °F (W/m2 °C)
Ao = Area total de la superficie exterior, ft2 (m2)
Ca = Es la capacidad del calor del aire húmedo, Btu/H.°F (W/ °C)
y
donde
32
Cpa = Es el calor específico del aire húmedo, Btu/H.°F (J/kg.°C)
pa = Es la densidad de aire húmedo, la lb/ft3 (el kg/m3)
También
donde
ho, hi = Es el coeficiente del calor de transferencia de la superficie exterior
(inclusive aletas y tubos) y de la superficie interior de tubos, Btu/h.ft2 °F (W/M2
.°C)
Ai = Es el área de la superficie interior, ft2 (m22)
En la ecuación anterior, N representa la eficiencia de la superficie y se da como
Donde
Af = Es el área de las aletas, ft2 (m2). El nf de la eficiencia de la aleta se puede
calcular como
Los circuitos refrigerantes en equipos de expansión directa con más de 15
toneladas de capacidad se dividen generalmente en dos o más secciones, cada
una con su propia válvula de la expansión, con el distribuidor, y con
encabezamiento de succión. Los circuitos refrigerantes se controlan en tres
maneras, como se muestra en la siguiente figura.
2.10 El proceso de condensación
Cuando el vapor saturado está en contacto con una superficie que tiene una
temperatura más baja que la temperatura de la saturación, ocurre la condensación
en la superficie; existen dos tipos de la condensación:
33
1. El líquido condensado, a menudo llamado condensado, moja la superficie y
forma una película que cubre toda la superficie
2. La superficie no es mojada totalmente por el vapor saturado, y el
condensador forma las gotitas líquidas que caen de la superficie.
Comparado las dos condensaciones, la última tiene un coeficiente de superficie
más grande de la transferencia de calor porque tiene una superficie más grande
expuesta al vapor de la saturación. En la práctica, sin embargo, la superficie
entera de los tubos de condensador llega a ser humedecida durante la
condensación.
El proceso de la transferencia de calor en un condensador ocurre en tres etapas:
1. Sobrecalentamiento del gas.
2. Condensación del gas al estado líquido y de liberación del calor latente
3. Sub enfriamiento del líquido refrigerante
Aunque el coeficiente de superficie de la transferencia de calor sea más bajo en el
lado caliente de gas durante el sobrecalentamiento, hay una diferencia más
grande de la temperatura entre el gas refrigerante caliente y el medio de
refrigeración. El sub enfriamiento sólo ocupa una porción pequeña del área del
condensador. Por lo tanto, para la simplificación, un coeficiente medio de la
transferencia de calor se utiliza para la superficie total del condensador.
2.10.1 Remoción total del Calor
La capacidad de un condensador se valora según su remoción total del calor Qrej,
Btu/H (W). El rechazo total del calor Qrej se define como el calor total quitado del
condensador durante el sobrecalentamiento, la condensación y el sub enfriamiento
del refrigerante en el condensador, y se expresa como
dónde
o mr = la masa del flujo de refrigerante en el condensador, en lb/min [kg/(60s)]
o h2, h3 = es la entalpía del gas caliente que entra en el condensador y la
entalpía de partida del líquido de sub enfriado en Btu/Lb (J/KG)
34
En sistemas que utilizan compresores herméticos, el calor liberado por el motor es
absorbido por el refrigerante.
donde
o Qrl = es la carga de la refrigeración en el evaporador, en Btu/h.
o Pcom = es la entrada de potencia al compresor, en hp.
o nmot = es la eficiencia del motor hermético del compresor.
Para un sistema de refrigeración equipado con compresores abiertos, mmot = 1.
Para los condensadores o enfriadores de agua utilizados en los sistemas de
refrigeración que utilizan agua fría como medio de refrigeración, la ganancia del
calor y la potencia de la bomba de agua se deben añadir a la carga de la
refrigeración multiplicando por un factor de la ganancia del calor de agua Fw, h.
El factor del rechazo del calor Frej se define como la proporción del rechazo total
del calor a la carga de la refrigeración del evaporador, y se puede calcular como
Aquí la entrada de poder al compresor Pcom = mr Win, y Win representa la entrada
de trabajo. Frej depende principalmente en la diferencia entre las presiones de
condensación y evaporación, de ahí que Frej es siempre >1.
2.10.2 Tipo de condensadores
El condensador es el componente mayor de un sistema de refrigeración. Es
también un intercambiador de calor de contacto indirecto en el que el calor total
rechazado del refrigerante es quitado por un medio de refrigeración, generalmente
aire o agua. Como resultado, el gas refrigerante es enfriado y condensado.
35
El líquido refrigerante es a menudo sub enfriado hasta una temperatura de 15°F
(8.3°C) por debajo de la temperatura saturada de condensación. Basado en el
medio de refrigeración y los condensadores utilizados, los sistemas de
refrigeración pueden ser clasificados en las siguientes tres categorías:
1. Condensadores húmedos
2. Condensadores ventilados
3. Condensadores evaporadores
2.10.3 Condensadores enfriados por aire
El uso de condensadores ventilados por aire es para extraer el calor latente de la
condensación liberada por el refrigerante. El gas caliente del compresor entra los
circuitos refrigerantes por la parte superior. Esto proporciona la flexibilidad entre el
condensador y áreas de sub enfriamiento. El aire de refrigeración es forzado
generalmente por un ventilador propulsor.
Un ventilador propulsor tiene un ventilador de presión baja y un volumen elevado
de flujo, que lo hacen más conveniente para los condensadores ventilados por
aire. Los ventiladores se localizan generalmente por abajo para proporcionar una
corriente de aire constante. Se puede instalar el ventilador después o antes del
difusor para modular el flujo del aire. En un condensador pequeño de aire, el
ventilador propulsor, y el difusor se pueden instalar en una línea horizontal. En los
equipos grandes los condensadores se localizan generalmente en dos lados, el
ventilador y los difusores están por encima de la unidad.
2.10.4 Procesos transferencia de calor y curvas de temperatura
Los procesos de Transferencia de calor y las Curvas de Temperatura en un
condensador típico de aire que utiliza HCFC-22 como refrigerante son divididos en
tres etapas, como se muestra en la siguiente figura:
36
37
2.11 Control de flujo de los dispositivos refrigerantes
Los dispositivos para el control de flujo del refrigerante incluyen válvulas de
expansión, válvulas eléctricas de expansión, válvulas de flote, tubos capilares, y
múltiples orificios. En un sistema de la refrigeración, la válvula de expansión es un
dispositivo ajustable por lo cual la presión del refrigerante a condensar es
estrangulada en la etapa de evaporación. Al mismo tiempo, la válvula de
expansión regula su apertura para alimentar la cantidad requerida de refrigerante
al evaporador para encontrar la carga de refrigeración.
2.11.1 Válvulas termostáticas de expansión
Las válvulas de expansión termostáticas (TXVs) son extensamente utilizadas en
su mayoría para estrangular los dispositivos de expansión en sistemas de
refrigeración de expansión directa ó sistemas DX´s.
2.11.2 Características de operación
Una válvula de expansión termostática regula el flujo de refrigerante al evaporador
de acuerdo al vapor sobre calentado saliendo del evaporador. En la figura
siguiente se muestra una válvula de expansión de termostática conectada a un
evaporador. Una válvula de expansión de termostática consiste en un cuerpo de
válvula, un diafragma, y un bulbo en la salida del evaporador. El bulbo está
conectado a la parte superior del diafragma por medio de un tubo capilar. La salida
de la válvula de expansión de termostática es conectada a varios circuitos
refrigerantes por las bocas y tubos de un distribuidor refrigerante. Cuándo los
líquidos refrigerantes pasan por la pequeña apertura del émbolo de la válvula; su
presión es reducida a la presión de la evaporación.
El flujo del líquido refrigerante circula por los tubos de cobre y se vaporiza
gradualmente. En la posición X, todo el líquido se ha vaporizado. Cuando el vapor
del refrigerante alcance la salida O del evaporador, será sobrecalentado a unos
pocos grados más que su temperatura saturada. Esto causa un aumento en el
grado de sobrecalentamiento en la salida O así como un aumento en la
temperatura del bulbo, porque puede ser llenado parcialmente por el mismo tipo
38
de líquido refrigerante como que en el evaporador, la temperatura más alta ejerce
una presión más alta por encima del diafragma. Esto baja la aguja y ensancha la
apertura de válvula y así se permite el ingreso de más líquido refrigerante al
evaporador para emparejar el aumento en la carga de refrigeración
Válvula de expansión termostática con ecualizador externo.
El grado de vapor refrigerante sobrecalentado en la salida puede ser ajustado
variando la tensión en la válvula de la expansión termostática.
2.12 Clasificación de los sistemas de aire acondicionado
Enfoque Básico
Los sistemas de aire acondicionado o HVAC& R, generalmente se diseñan, son
instalados, y operados en tipos y configuraciones diferentes. El propósito de
clasificar los sistemas de aire acondicionado es que deberá distinguirse un tipo de
otro y proporcionar una base para la selección de un sistema óptimo de aire
acondicionado.
Cada sistema del aire acondicionado puede ser de aire, de agua para calefacción
y sistemas de refrigeración. La clasificación de sistemas de aire acondicionado, a
menudo se mezclan con la clasificación de sistemas aéreos y sistemas de
refrigeración por agua. Si un diseñador no puede clasificar apropiadamente un
sistema del aire acondicionado y no lo distingue de otros, le será difícil para él
39
escoger un sistema apropiado para el cliente. Durante la clasificación de sistemas
de aire acondicionado, se deben considerar los puntos siguientes:
• La clasificación de sistemas de aire acondicionado, o de HVAC&R, deben
incluir los aspectos primarios de sistemas aéreos tanto como en calefacción
y en sistemas de refrigeración.
• El sistema y el equipo primario utilizados deben ser compatibles uno con el
otro. Por ejemplo, el equipo primario en un sistema sellado unitario es la
unidad embalada.
• La clasificación del sistema se debe basar principalmente en aplicaciones
prácticas. Por ejemplo, como la calidad del aire interior llega a ser uno de
los criterios primarios utilizados para escoger un sistema del aire
acondicionado.
• La clasificación del sistema debe ser sencilla, y cada uno de los sistemas
del aire acondicionado deben ser claramente diferentes de los otros.
Los sistemas de aire acondicionado se pueden clasificar actualmente en seis
categorías según sus configuraciones y características operativas:
• Sistemas Individuales de aire acondicionado de espacio o simplemente
individuales.
• Sistemas de refrigeración por evaporación.
• Sistemas de aire acondicionado de base seca o simplemente sistemas de
disecación.
• Sistemas térmicos de aire acondicionado.
• Sistemas embalados o sistemas unitarios de aire acondicionado.
• Sistemas Centrales de aire acondicionado.
Un sistema embalado siempre tiene un sistema de refrigeración que utiliza un
serpentín para enfriar el aire directamente. Un sistema de disecación utiliza
generalmente el serpentín de refrigeración como suplementario.
Un sistema central tiene un sistema de refrigeración que utiliza líquido enfriado
como un medio de refrigeración para refrescar el aire indirectamente. Un sistema
40
térmico del almacenamiento es siempre un sistema central que utiliza agua o
salmuera enfriadas como medio de refrigeración.
2.12.1 Sistemas individuales aire acondicionado
Un sistema individual del aire acondicionado es lo que la fábrica ensambló para
servir en un espacio individual. Este tipo de aparatos están listos para ser
utilizados después que se conectan el cable eléctrico y el drenaje necesario. Los
sistemas individuales se pueden subdividir en los siguientes dos sistemas de aire
acondicionado:
• Sistemas de aire acondicionado (RAC) de espacio
• Sistemas terminales Embalados de aire acondicionado (PTAC).
2.12.2 Ventajas y Desventajas
Los sistemas individuales de aire acondicionado tienen las siguientes ventajas:
• No existe el regreso de suministros ni conductos de escape.
• Los sistemas Individuales de aire acondicionado son muy compactos y de
costo más bajo inicial que los otros.
• No necesita construir túneles ni espacios para conductos.
• Son más rápidos de instalar.
Los sistemas individuales de aire acondicionado tienen las siguientes desventajas:
• El control de la temperatura se regula generalmente encendiendo y
apagando el sistema para mantener la temperatura.
• Los filtros de aire son limitados y de baja eficiencia.
• La toma aérea a menudo es afectada por la velocidad y la dirección del
viento.
• El nivel del Ruido no es conveniente para aplicaciones críticas.
• Se requiere una conservación más regular que para los sistemas
embalados y centrales.
41
2.12.3 Sistemas de aire acondicionado de espacio
Los sistemas de aire acondicionado de espacio utilizados en los Estados Unidos
son en su mayoría del sistema individual. Los equipos de montaje ventana o los
del tipo de pared utilizan compresores (RHPs) para proporcionar calefacción en el
invierno y frío en el verano. La capacidad de refrigeración de los equipos de
espacio actualmente disponible están entre las gamas de 5,000 y 34,000 Btu/H
(1.5 y 10 kW). Con HCFC-22, HFC-407C y HFC-410ª.
Acondicionador de aire de ventana.
42
El gabinete del equipo se divide en compartimientos interiores y son separados
por una pared aislada para reducir la transferencia del calor. El serpentín y el
ventilador interno están en el compartimiento interior. El compartimiento que
queda al aire libre contiene el compresor, el condensador, el ventilador, el tubo
capilar, y el motor de ventilador. El motor del ventilador a menudo tiene un túnel
doble que maneja ambas ventilas. El aire que regresa del ambiente acondicionado
pasa por un filtro de aire grueso, se refresca y es deshumedecido y entra al
ventilador interior. El aire acondicionado se presuriza en el impulsor que lo envía
con fuerza a la rejilla del suministro y es suministrado al espacio para compensar
la carga de refrigeración. El aire libre es extraído por el ventilador del propulsor
(ventilador de aire libre) y forzado por el condensador, en cuál el refrigerante
gaseoso y caliente es condensado a líquido refrigerante nuevamente. Durante la
condensación, el calor condensado es liberado al exterior por el aire de
refrigeración. Una porción de aire libre de ventilación es extraída por el ventilador
interior y mezclado con el aire del regreso. La apertura de la ventilación al aire
libre y la toma aérea es ajustable. Según Guía de ASHRAE 1996, Sistemas de
HVAC y Equipo, RAC se valora abajo el estándar siguiente condiciona:
• Temperatura de evaporación 45°F (7.2°C)
• Temperatura de succión del compresor 55°F (12.8°C)
• Temperatura del condensador 130°F (54.4°C)
• Temperatura del líquido 115°F (46.1°C)
• Temperatura ambiente 95°F (35°C)
2.13 Desempeño de la energía e Intensidades del uso de energía
Los acondicionadores de aire de cuartos se construyeron en principios de la
década de los 80 y a menudo tuvo un EER de 7.3 y más grande. En 1999, la
eficiencia máxima de un compresor rotativo ronda de 10.7 a 11.1 EER. Muchos
fabricantes de RAC utilizan aletas de aluminio y cobre con un tipo de abertura
acanaladas y cerca de la tubería de intercambio de calor del refrigerante. También
incorporan una superficie grande a la proporción de la capacidad y es capaz de
43
rendir eficiencia en un compresor rotativo de 11.1 a 11.3 EER (3.25 a 3.31 W/W).
Los motores permanentes separados del condensador (PSC) son los motores
predominantes utilizados en RACs. Los motores de PSC tienen una eficiencia
entre 55 y el 70 por ciento.
Un informe de ASHRAE/IESNA 90.1-1999 especifica el requisito mínimo de la
eficiencia para el espacio los acondicionadores aire de la siguiente manera:
Los sistemas individuales de acondicionadores de aire en edificios comerciales en
1995 en los Estados Unidos tuvieron un consumo anual de energía de 43.2
kBtu/ft2 al año o (12.7 kWh/ ft2 al año o 137 kWh/M2 al año). El uso más alto de la
energía en sistemas de RAC es principalmente debido a la eficiencia más baja del
compresor y el ventilador del motor.
2.13.1 Los controles
Los RACs generalmente utilizan un termostato de dos etapas para separar el
modo de refrigeración y las operaciones de calefacción. Uno de los controles de
RAC escoge el modo de la operación, el otro control ajusta el punto y los ciclos
fijos el compresor para mantener el punto requerido del conjunto. El tercero
cambia la velocidad de ventilador si fuera requerido. Hay otra alternativa como el
termostato que reduce la velocidad interior de ventilador cuando la temperatura del
espacio se acerca el punto fijado. Si la temperatura del espacio deja caer aún
más. Para un sistema de compresor de cuarto, se escoge a menudo un termostato
de dos etapas para la operación de calefacción o de refrigeración de modo
manual. Generalmente, hay de 2º a 5°F (1.1 a 2.8°C) de diferencia entre los
puntos de calefacción y refrigeración para los sistemas de aire acondicionado de
44
espacio. En los acondicionadores de aire se utilizan para el ventilador interior dos
velocidades (alta y baja) o tres velocidades (alta, media y baja) y, si la velocidad
de ventilador se regula sólo unas pocas veces al día manualmente, se conseguirá
un suministro de volumen de flujo constante de ese RAC en menos de una hora.
Si el termostato en un RAC reduce la velocidad de ventilador cuando la
temperatura del espacio se acerca su punto automáticamente, el sistema aéreo es
verdaderamente un sistema de VAV.
2.13.2 Las características
Muchos RACs tienen las siguientes características:
• La mayoría de los RACs se diseñan para extraer aire libre de ventilación y
mezclarlo con el aire que recircula.
• Muchos RACs puede agotar también una porción del aire del regreso por el
ventilador del condensador.
• Muchos ventiladores del condensador de un RAC tienen un anillo que
salpica el condensador. Las gotas de agua golpean la superficie exterior del
condensador de aire fresco, se evaporan y aumentan el coeficiente de la
transferencia de calor del condensador. Sin embargo, en áreas costeras, se
debe considerar el efecto corrosivo del agua salada.
• La velocidad del suministro de la mayoría de LOS RACs recorre de 300 a
1000 fpm (1.5 a 5 M/s). Los RACs tienen las ventilas ajustables montadas
en la salida del suministro para alterar la dirección del caudal de aire.
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2.13.3 Características del Sistema
Las Características de sistema de sistemas de aire acondicionado de espacio se
listan en la tabla siguiente
RAC, RHP,SAC PTAC, PTHP Control térmico y de sonido Control Simple Simple Método de control Eléctrico, termostato, Eléctrico, termostato, Directo, Alta Baja o Directo Alta-Media-baja Modo de control Encendido - apagado Encendido - apagado Cambio a frío o calor Manual Manual - automático Control de sonido 45 a 50 dBA 45 a 50 dBA Calidad de aire interior Control de aire de Volumen constante afectada Volumen constante afectada
mínima ventilación por la dirección y velocidad del aire
por la dirección y velocidad del aire
Filtro Filtro de bajo rendimiento Filtro de bajo rendimiento Sistema de aire Tipo Volumen constante o VAV Volumen constante o variable Ventilador interior Centrífugo, directo Centrífugo, directo Presión del ventilador interior 0.6".WC 0.6".WC Eficiencia combinada 25% 25% Control de volumen de flujo Velocidad del ventilador alta-baja Velocidad del ventilador alta-baja alta - media - baja alta - media - baja Ventilador de aire libre Propulsor Propulsor Sistema de refrigeración Compresor Rotativo Rotativo o alternativo
Refrigerante HCFC-22, HCFC-407C, HFC-410A
HCFC-22, HCFC-407C, HFC-410A
Evaporador Expansión directa Expansión directa Condensador Enfriado por aire Enfriado por aire Control de flujo de refrigerante Tubo capilar y válvula Tubo capilar y válvula Energía utilizada en refrigeración 8.0 a 10 EER 8.5 a 10 EER
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2.14 Sistemas de aire acondicionado embalados
En la Figura siguiente se muestra un acondicionador de aire embalado. El chasis
principal contiene el acondicionador de aire para proporcionar calefacción y
refrigeración. Una manga del gabinete se utiliza para deslizar el chasis por la
pared. Un entrepaño anterior con la rejilla de regreso del aire proporciona una
apariencia ordenada. Hay también una persiana exterior para presentar una
apariencia más atractiva en la fachada exterior. Los PTACs para refrigeración son
disponibles en la capacidad de 6,000 a 18,000 Btu/H (1.8 a 5.3 kW).
La operación típica de refrigeración en un PTHP es que el aire de regreso entra de
por rejilla y pasa al entrepaño anterior, después fluye por el filtro, es enfriado y
deshumedecido durante esta operación. El aire condicionado entonces es
mezclado con el aire al aire libre de la ventilación extraído por el ventilador interior
y descargado por las rejillas ajustables del suministro hacia arriba. El termostato
registra la temperatura de la zona y controla el refrigerante suministrado para
mantener una temperatura fija en la zona.
Terminal de aire acondicionado embalado.
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2.15 Requisitos mínimos de eficiencia
El informe ASHRAE/IESNA 90.1-1999 especifica que los requisitos mínimos de
eficiencia para acondicionadores de aire, terminales, embalados, instalados y de
los compresores terminales embalados en la operación de refrigeración se puede
calcular como:
La eficiencia al 29 de octubre de 2001 para acondicionadores aéreos, terminales y
embalados:
La eficiencia al 29 de octubre de 2001 para el calor terminal embalado bombea:
2.15.1 Características del sistema
Comparando las características de los sistemas de RACs con PTACs, también
RHPs con PTHPs; ellos son bastante semejantes, aparte de las diferencias
siguientes:
• RACs y RHPs son a menudo montados en ventana, mientras que PTACs y
PTHPs se montan por la pared.
• PTACs y PTHPs tienen una mejor apariencia en la fachada de edificio fuera
así como en el entrepaño anterior.
2.16 Consideraciones para el Ahorro de Energía en Sistemas de Refrigeración y
Aire Acondicionado
1.- Optimizar la presión de las etapas intermedias de los compresores de múltiples
etapas.
2.- Instalar variadores de velocidad ó controles de dos velocidades en los
ventiladores de evaporadores y condensadores, para controlar su velocidad
cuando no se necesite su flujo máximo.
3.- Asegurarse de un adecuado plan de mantenimiento y seguimiento de las
lecturas operativas del compresor.
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4.- Instalar sistemas de termosifón para enfriar el aceite del compresor.
5.- Incrementar la capacidad de enfriamiento para reducir las presiones de
descarga.
6.- Optimizar el sistema de descongelado del evaporador reduciendo los ciclos de
encendido. Utilice sistemas de gas caliente en vez de resistencias eléctricas.
7.- Elaborar un plan de limpieza de filtros en sistemas de aire acondicionado.
8.- Utilizar bandas dentadas en vez de bandas tipo “v”.
9.- Utilizar motores de alta eficiencia.
10.- Evaluar el desempeño de los sistemas de aislamiento y fugas en el sistema.
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APENDICES
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