REFRIGERACION TESIS

8/20/2019 REFRIGERACION TESIS

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UNIVERSIDAD VERACRUZANAFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

ZONA POZA RICA-TUXPAN

“ANÁLISIS TÉRMICO DE LA SUSTITUCIÓN DE REFRIGERANTES HALOGENADOS POR LOS HIDROFLUOROCARBONADOS

EN UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN”

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA

PRESENTAN:

NORIEGA CHÁVEZ MARTHA IRAÍSMARÍN CASTAÑEDA OTHONIEL

POZA RICA VER., 2005


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ÍNDICE

INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………………4

CAPÍTULO

JUSTIFICACIÓN………………………………………………………………………………………………..… 6

NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO…………………………………………………….. 7

ENUNCIACIÓN DEL TEMA……………………………………………………………………………………… 8

ESTRUCTURA DEL TRABAJO………………………………………………………………..……………….. 9

CAPÍTULO

PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN……………………………………………… ..…11MARCO CONTEXTUAL……………………………………………………………………………………….. .12

MARCO TEÓRICO:

1.- AGENTES REFRIGERANTES

1.1 Propiedades de los refrigerantes………………….……………………………..……13

1.2 Refrigerantes actuales…………………………………………………………….……22

1.3 Refrigerantes Hidrofluorocarbonados………………………………………………...28

2.- CICLOS DE REFRIGERACIÓN

2.1 Ciclo de Carnot………………………………………………………………………….34

2.2 Diagrama de Mollier …………………………………………………………………….44

2.3 Ciclo teórico de refrigeración por compresión de vapor ………...………………….53

2.4 Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor ………………………………..55

3.- DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES PRINCIPALES DEL SISTEMA DEREFRIGERACIÓN

3.1 Evaporador ……………………………………...……………………………………….57

3.2 Compresor ……………………………………………...………………………………..70

3.3 Condensador …………………………………………...…………………………...…..79

3.4 Controles de flujo refrigerante……………………...………………………………….84


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4.- COMPARACIÓN DE EFECTOS SOBRE LOS REFRIGERANTES HALOGENADOS

Y LOS HIDROFLUOROCARBONADOS

4.1 Cálculo de los efectos refrigerantes, trabajos mecánicos

y coeficientes de operación ……………………………………...……….…………..95

4.2 Comparación del refrigerante CFC-12 y el refrigerante

HFC-134a…………………………………………………………………………… ...156

4.3 Comparación del refrigerante HCFC-22 y el refrigerante HP-62…………….…..168

ANALISIS CRÍTICO DE LOS DIFERENTES ENFOQUES………………………………………………..184

CAPÍTULO

CONCLUSIONES……………………………………………………………………………………………....18 6

BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………………………………188

ANEXOS………………………………………………………………………………………………………...191

APÉNDICES

APÉNDICE A

Tabla de propiedades de saturación R-12….…………………………...……………………….196

Diagrama de Mollier para el refrigerante R-12……………………………….…………200

APÉNDICE B

Tabla de propiedades de saturación R-134a………………………………………… ..……….201

Diagrama de Mollier para el refrigerante R-134a………………………………………204

APÉNDICE CTabla de propiedades de saturación R-22………………………………………………………. 205

Diagrama de Mollier para el refrigerante R-22………………….………………………209

APÉNDICE D

Tabla de propiedades de saturación HP-62…….……………………… ..………….………….210

Diagrama de Mollier para el refrigerante HP-62……………..…………………………213


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INTRODUCCIÓN

La refrigeración por compresión de vapor se remonta a 1834 cuando el inglés Jacob Perkins

recibió una patente para una máquina de hielo de ciclo cerrado que usaba éter y otros fluidos volátilescomo refrigerantes. Al principio, los sistemas de refrigeración por compresión de vapor eran grandes y

su principal empleo era para producir hielo, preparar cerveza y almacenar frío. Carecían de control

automático y eran accionadas por una máquina de vapor. En la década de 1890 máquinas más

pequeñas activadas por motores eléctricos y equipadas con control automático empezaron a sustituir a

las unidades más viejas y los sistemas de refrigeración empezaron a tener más aplicaciones. En 1930

las mejoras continuas hicieron posible tener sistemas de refrigeración por compresión de vapor que

eran eficientes, confiables, pequeños y económicos.

Con respecto al ciclo de compresión de vapor, el refrigerante es el fluido de trabajo del ciclo, el

cual se evapora y condensa alternadamente, y se comprime en la fase de vapor. Para que un

refrigerante sea apropiado y se le pueda usar, debe poseer ciertas propiedades químicas, físicas y

termodinámicas que lo hagan seguro y económico durante su uso. El éter etílico fue el primer

refrigerante empleado para el comercio de sistemas por compresión de vapor en 1850 y le siguieron el

amoniaco, dióxido de carbono, cloruro metílico, dióxido de azufre, butano, etano, propano, isobutano,

gasolina y los clorofluorocarbonos, entre otros.

La producción comercial de R-11 y R-12 fue iniciada en 1931 por una compañía formada por

General Motors y Dupont. La versatilidad y bajo costo de los CFC hizo que fueran los preferidos. El R-

12 se usa en refrigeradores domésticos y congeladores, así como en acondicionadores de aire

automotrices. El R-22 se usa en acondicionadores de aire de tipo ventana, bombas de calor,

acondicionadores de aire de edificios comerciales y en grandes sistemas de refrigeración industrial y es

fuerte competente del amoniaco.

La crisis del ozono ha ocasionado una gran agitación en la industria de la refrigeración y el aire

acondicionado y ha generado un análisis crítico de los refrigerantes actuales. A la mitad de la década de

los 70’s se reconoció que los CFC permitían más radiación ultravioleta en la atmósfera de la tierra, en

tanto que evitaban que la radiación infrarroja escapara del planeta, lo que contribuye al efecto

invernadero que a su vez ocasiona el calentamiento global.


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En consecuencia, el uso de algunos CFC se ha prohibido y poco a poco se eliminan en muchos

países. Actualmente se están desarrollando nuevos refrigerantes libres de cloro que no dañen la capa

de ozono que protege a la tierra de los dañinos rayos ultravioleta y que no contribuyan al efecto

invernadero. Se espera que el R-134a libre de cloro sustituya por completo al R-12.

Es por eso, que en este trabajo se presenta una comparación entre los efectos de refrigeración,

los trabajos de compresión, el calor rechazado y los coeficientes de operación para los refrigerantes R-

12 y R-134a, así como también para el R-22 y el HP-62; para determinar si es o no necesario sustituir

los clorofluorocarbonos por hidrofluorocarbonados, dependiendo también del factor de agotamiento de

la capa de ozono (ODP) y del potencial de calentamiento global (GWP).


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CAPÍTULO


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JUSTIFICACIÓN

Uno de los factores de importancia en el desarrollo de la refrigeración ha sido la disponibilidad

de refrigerantes seguros. Esto quiere decir, refrigerantes no tóxicos, no explosivos, no corrosivos, noinflamables y estables.

Alrededor de 1970, los científicos expusieron que la capa de ozono de la atmósfera superior de

la tierra se estaba agotando, afectando nuestra protección contra los rayos ultravioleta del sol. En 1974

se descubrió que ciertos refrigerantes que contenían cloro, al ser liberados a la atmósfera, resultaban

ser un factor en este proceso de agotamiento del ozono.

En 1987 un grupo internacional de científicos y funcionarios gubernamentales representando a

las principales naciones industriales, se reunieron en Montreal e iniciaron controles mundiales sobre la

producción y uso de CFC, incluyendo refrigerantes de uso común como el R-12 y R-22. La desaparición

de la producción de CFC fue programada para que ocurriera en el año 2000. En 1992 esto fué

acelerado para que ocurriera el 31 de diciembre de 1995. Se estableció un programa de transición para

permitir el cambio a hidroclorodluorocarbonados (HCFC-22), con ciertas limitaciones, y a

hidrofluorocarbonos (HFC).

Actualmente, la respuesta de la industria al reemplazo de los refrigerantes esta lejos de haberse

terminado. El enfoque primario ha consistido en encontrar reemplazo a los refrigerantes CFC que ya no

se fabrican más (excepto lo que se pueda recuperar). Es por eso que en este trabajo se hace la

comparación de un refrigerante CFC contra uno HFC, y un HCFC contra una mezcla azeotrópica (HFC)

para que puedan observarse las ventajas y desventajas de reemplazar a los refrigerantes dañinos y se

pueda tomar una decisión acerca de seguir usándolos o descontinuar su uso por completo.


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NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO

Este trabajo ha sido elaborado con la finalidad de que el lector comprenda fácilmente elcomportamiento de los refrigerantes dentro del sistema de refrigeración, y las características que los

hacen deseables cuando se diseña un sistema.

La información que se presenta en esta tesina, será de utilidad para las personas interesadas

en la refrigeración y en la conservación del medio ambiente, ya que se presenta información acerca de

las propiedades de los refrigerantes y sus factores de riesgo, de los componentes del sistema de

refrigeración y también el cálculo para determinar que refrigerante es el más adecuado para un sistema

de refrigeración.

Esperando que este trabajo sirva para adquirir y ampliar los conceptos sobre refrigeración y

que ayude a conservar el medio ambiente.


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ENUNCIACIÓN DEL TEMA

Actualmente, científicos de todo el mundo están buscando soluciones para el problema de ladestrucción de la capa de ozono y para reducir el calentamiento global del planeta, debido a que están

provocando grandes desastres naturales y pérdidas humanas. Es por eso, que en este trabajo se

realizaron los cálculos para comparar los efectos de los refrigerantes, lo mas precisos posibles,

esperando que con ellos se pueda tomar una buena decisión, para la sustitución de los mismos.

En los cálculos, se utilizaron los conocimientos relativos a la refrigeración por compresión de

vapor, apoyándose con las tablas de las propiedades de líquido y vapor saturado de los refrigerantes y

los diagramas de Mollier correspondientes a cada uno.

Por último se muestra un ejemplo para un equipo de refrigeración con capacidad de 15

toneladas y el flujo másico correspondiente a cada refrigerante, para decidir cual es el más adecuado.


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ESTRUCTURA DEL TRABAJO

En esta tesina, el lector podrá comprender de manera clara y sencilla la refrigeración porcompresión de vapor y el funcionamiento de cada uno de sus componentes, asimismo se dará cuenta

de la importancia de elegir un refrigerante que sea adecuado para las condiciones del sistema en que

va a trabajar y que no cause daño a la vida del planeta.

Este trabajo se divide en tres capítulos, que comprenden los siguientes temas:

CAPÍTULO .- Aquí se expone la justificación, naturaleza, sentido y alcance del tema. Así

como también se hace la enunciación del tema y la explicación de la estructura del trabajo.

CAPÍTULO .- En esta parte se presenta el planteamiento del tema de la investigación, el

marco contextual, seguido por el marco teórico el cual está dividido en cuatro temas que son: Agentes

refrigerantes, ciclos de refrigeración, descripción de los componentes principales del sistema de

refrigeración y comparación de efectos sobre los refrigerantes halogenados y los hidrofluorocarbonados

y también se incluye un análisis de los diferentes enfoques.

CAPÍTULO .- Por último se muestran las conclusiones a las que se llego, la bibliografía, los

anexos y apéndices que se utilizan en el desarrollo del trabajo.


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CAPÍTULO


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PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN

El principal motivo para la elaboración de este trabajo, es la preocupación que se vive hoy endía debido a los grandes cambios climáticos que esta sufriendo el planeta. Es por eso que se debe

sustituir por completo todos aquellos agentes refrigerantes que tengan factores de agotamiento de la

capa de ozono, así como también los que tengan un potencial de calentamiento global muy alto.

En las siguientes páginas se calcula de manera sencilla, con la ayuda de tablas y diagramas de

Mollier, los parámetros de los refrigerantes tales como su efecto refrigerante, su trabajo de compresión,

su calor rechazado y su coeficiente de operación, con los cuales se puede hacer una comparación entre

los refrigerantes clorofluorocarbonados y los hidrofluorocarbonados, con el fin de que después de haber

estudiado detalladamente su comportamiento se pueda determinar si se debe sustituir el refrigerante o

se debe continuar trabajando con el mismo.


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MARCO CONTEXTUAL

Este trabajo se desarrolló en su mayor parte en la ciudad de Poza Rica, Ver., considerando

para ello el lugar donde se ubicara dicha cámara de refrigeración. También se llevo a cabo unas visitas

al frigorífico de Tihuatlán para que sirviera de apoyo en los cálculos realizados en este trabajo.


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REFRIGERANTES

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1. AGENTES REFRIGERANTES

1.1 Propiedades de los refrigerantes

Refrigerante.- Es un fluido para la transferencia de calor, que se utiliza en sistemas derefrigeración para absorber calor al evaporarse a temperaturas y presiones bajas y ceder el calor alcondensarse a temperaturas y presiones altas. Este tipo se conoce como refrigerantes primarios.

Los refrigerantes secundarios son aquellos que transportan calor desde un punto lejano, alevaporador del sistema de refrigeración, como por ejemplo, el agua, las salmueras, y losanticongelantes.

Las características del refrigerante deben ser tales que la temperatura de ebullición en elevaporador quede por debajo de la temperatura interna a enfriar, y la temperatura de condensaciónquede por encima de la temperatura ambiente exterior. Estas condiciones son necesarias para que

ocurra una adecuada transferencia de calor y proporcionar enfriamiento.

Las mezclas azeotrópicas están formadas por varios componentes con distintos volúmenesque, cuando se utilizan en un ciclo de refrigeración, al evaporarse o condensarse a presión constanteno cambian su composición volumétrica ni su temperatura de saturación. Estos refrigerantes tienennúmeros de la serie de los 500.

Las mezclas zeotrópicas están formadas por varios componentes con distintos volúmenes que,cuando se utilizan en un ciclo de refrigeración, al evaporarse o condensarse a presión constantecambian su composición volumétrica y su temperatura de saturación. Estos refrigerantes tienennúmeros de la serie de los 400.

Designación por número

Los refrigerantes se identifican por número, antecedido por la letra “R” (Refrigerante). Estadesignación por número ha sido establecida por la American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) y se utiliza en toda la industria.

Se han dado ciertas designaciones para refrigerantes en forma abreviada para indicar sucomposición química, así como para relacionarlos con el factor de agotamiento del ozono (ODF) encuanto al refrigerante.

Los ODS Ozone Depleting Sustances son sustancias que disminuyen la capa de ozono, a estoscompuestos que relativamente tienen moléculas muy pequeñas, se les ha utilizado para la industria dela refrigeración. La utilización de la nomenclatura internacional para nombrarlos no es muy fácil y esconfusa, para el común de la gente. Por ejemplo 1,1-Dicloro, 1-Flúoro Etano (CFCl 2-- CH3). Es másmanejable el CFC-141b comparativamente. Es así que la empresa química fabricante de refrigerantes ASHRAE/ANSI desarrolla una nomenclatura llamada "NUMBER DESIGNATION AND SAFETYCLASSIFICATION OF REFRIGERANTS" que luego será adoptada por el mundo para nombrar CFCs,HCFCs, y halones.


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REFRIGERANTES

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La importancia de conocer estos compuestos que ecológicamente dañan la capa de ozono, nosayudará en el momento de elegir sistemas refrigerantes, aerosoles, y otros tipos de mecanismos queutilicen estas sustancias.

El sistema de numeración sigue la siguiente regla:

El primer dígito a partir de la derecha es el número de átomos de flúor en el compuesto.

El segundo dígito es uno más que el número de átomos de hidrógeno del compuesto.

El tercero es uno menos que el número de átomos de carbono del compuesto (si es cero seomite).

El resto de los enlaces se completará con átomos de cloro.

Si la molécula contiene átomos de bromo, se procederá de la manera indicada hasta aquí,añadiendo luego a la derecha una B mayúscula, seguida del número de dichos átomos.

En los compuestos isómeros, el más simétrico (en pesos atómicos) se indicará sin letra algunaa continuación de los números. Al aumentar la asimetría, se colocarán las letras a, b, c, etc.

Por ejemplo:

Formula química Nombre químico Designación numerica

CCI3F Tricloromonofluormetano 11

CCI2F2 Diclorodifluormetano 12

CHCIF2 Monoclorodifluormetano 22

En los casos donde se observa la presencia de una letra que acompaña al número, esta indicala existencia de isómeros (compuesto que contiene los mismos átomos pero con diferente distribuciónde los mismos alrededor de la cadena de carbonos).

Concluyendo que no existirán isómeros para compuestos de un solo carbono; para loscompuestos de dos carbonos pueden presentar tres isómeros los cuales llevarán las letras a, b; para elde tres carbonos se utilizarán las letras a, b, c, etc. dependiendo de las combinaciones que puedandarse. Las letras se asignan por la distribución de átomos en el carbono central de la cadena según:

Átomos del CarbonoCentral

Letra Código

Cl2 a

Cl, F b

F2 c

Cl, H dH, F e

H2 f

Las letras dependen también del peso molecular de los átomos en cada carbono.

Ejemplo: HFC-134: CHF2 - CHF2 (Pesos atómicos entre los 2 carbonos = 39 y 39)HFC-134a: CF3 - CH2F (Pesos atómicos entre los 2 carbonos = 21 y 57)


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REFRIGERANTES

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Prefijos

Los prefijos CFC, HCFC, HFC, PFC, y halones, implícitamente determinan la composiciónatómica de la sustancia. En los CFCs y HCFCs la primera "C" corresponde al Cloro; "F" se relacionacon el flúor; "H" es por el Hidrógeno; y la última "C" corresponde al Carbono. Estos compuestos son los

más depredadores de la capa de ozono por tener en su estructura molecular cloro. Sus substitutos sonlos HFC, PFC. Estos compuestos no tienen cloro por lo que el "H" corresponde al Hidrógeno, "F" alflúor, y "C" al carbono. En el caso del prefijo PFC, significa "perfluorocarbono", indicando que el carbonoesta enlazado totalmente con flúores. Los halones, término utilizado para designar compuestos quecontienen F, Cl, H, C y Br.

Prefijo Significado Átomos presentes en la molécula

CFC Clorofluorocarbono Cl, F, C

HCFC Hidroclorofluorocarbono H, Cl, F, C

HBFC Hidrobromofluorocarbono H, Br, F, C

HFC Hidrofluorocarbono H, F, C

HC Hidrocarbono H, C

PFC Perfluorocarbono F, C

Halon N/ABr, Cl (en algunos pero no en todos), F, H (en algunos

pero no en todos), y C

La nomenclatura para los halones es diferente por lo que se les separa en dos clases: la"Clase I" corresponde a los CFCs, HCFCs, HFCs, PFCs y la Clase II a los Halones.

El número precedido al prefijo Halon indica la cantidad de átomos de C, F, Cl y Br, directamente siendo:

Las unidades corresponden a los átomos de Br.

Las decenas indican el número de Cl.

Las centenas, el número de F.

La unidad de mil señala los átomos de C.

Los átomos de Hidrógeno se los calcula por diferencia de la misma forma que en los casosanteriores.

Ejemplo:

Halon 12111 2 1 1

#C #F #Cl # Br


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REFRIGERANTES

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Muchos factores deben tenerse en cuenta al elegir un refrigerante. Estos factores puedenagruparse en propiedades termodinámicas, químicas y físicas.

1.1.1 Propiedades termodinámicas

a) Presiones a las temperaturas de evaporación y condensación.- Las presiones de trabajo debenser lo suficientemente bajas para que el material que contiene al refrigerante sea de poco peso.Por otro lado las presiones han de ser, con preferencia, superiores a la atmosférica, para evitarque el aire entre en el sistema en el caso de fugas. El punto de ebullición debe ser losuficientemente bajo para que sea siempre inferior a la temperatura de los productos a enfriar.La tabla 1.1 da las presiones del evaporador a -15ºC y las presiones de condensación a 30ºCpara varios refrigerantes.

Amoniaco 2,41 11,9

Refrigerante 11 0,2 1,29Refrigerante 12 1,86 7,59

Refrigerante 22 3,02 12,27

Presion del evaporador a -

15 ºC, kg/cm2Refrigerante

Presion del condensador a 30

ºC, kg/cm2

Tabla 1.1 Presiones de ebullición y condensación

b)

Punto de congelación.- El refrigerante debe trabajar por encima de su temperatura decongelación, por lo que es deseable un punto de congelación bajo. La tabla 1.2 da lastemperaturas de congelación de varios refrigerantes.

Refrigerante Temperatura de

congelacion, ºC

Amoniaco -77,7Refrigerante 11 -111

Refrigerante 12 -158

Refrigerante 22 -160

Tabla 1.2 Temperaturas de congelación de refrigerantes a presión atmosférica

c)

Caudal en volumen por ton. El caudal en volumen de vapor del refrigerante que el compresor

debe comprimir da una indicación aproximada del tamaño del compresor. Con un compresoralternativo es normalmente deseable un pequeño valor del volumen comprimido por tonelada,lo que permite un desplazamiento pequeño. En compresores centrífugos esta permitido uncaudal en volumen por tonelada grande, porque las secciones de peso pueden ser grandes

para una dada capacidad. La tabla 1.3 da el caudal en metros cúbicos por minuto y portonelada para diversos refrigerantes.

Refrigerante Metros cubicos por

minuto por ton.

Amoniaco 0,098

Refrigerante 11 1,031



Tabla 1.3 Caudal en volumen por ton medio a la entrada del compresor.


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REFRIGERANTES

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d)

Coeficiente de funcionamiento y potencia por tonelada .- La tabla 1.4 da algunos valorescalculados de esta característica basados en la compresión isentrópica. El coeficiente defuncionamiento de los refrigerantes reales puede compararse con el valor máximo posiblecorrespondiente al ciclo de Carnot, que es 5.74. Con excepción del agua y del anhídridocarbónico, la mayoría de los refrigerantes trabajan casi con el mismo coeficiente de

funcionamiento, las ligeras diferencias que se observan no deben influir en la elección delrefrigerante.

RefrigeranteCoeficiente de

funcionamiento

Potencia por

ton

Ciclo de Carnot 5,74 0,82

Amoniaco 4,76 0,99


Refrigerante 12 4,7 1


Tabla 1.4 Coeficiente de funcionamiento y potencia por ton para ciclos con -15ºC de temperaturade evaporación y 30ºC de temperatura de condensación.

e)

Temperatura y presión crítica.- Todos los refrigerantes tienen un punto en que no condensan,por grande que sea la presión que se les aplique. Esta temperatura se llama punto crítico y lapresión correspondiente a dicha temperatura se llama presión crítica. Por tanto resultanecesario que dicho punto sea muy alto. En los refrigerantes donde el punto crítico se halla porencima de las temperaturas normales en refrigeración se llaman permanentes.

1.1.2 Propiedades químicas

a) Inflamabilidad .- El peligro de inflamación o explosión influirá ciertamente en la elección del

refrigerante. Los hidrocarburos tales como el propano, etano y butano son altamenteinflamables y explosivos, por lo que se usan únicamente en aquellas aplicaciones industrialesen las que se pueden disponer de métodos de seguridad para el empleo de gases explosivos.Los hidrocarburos halogenados se consideran no inflamables.

b) Toxicidad.- Un refrigerante tóxico es aquel que es perjudicial a los seres humanos cuando semezcla con el aire en pequeños porcentajes. Todos los refrigerantes comunes, excepto el airepueden causar sofocación, pero esto, generalmente, sólo ocurre en altas concentraciones. Enla tabla 1.5 se muestra la toxicidad de algunos refrigerantes. Los hidrocarburos halogenados noson tóxicos cuando se mezclan con el aire. Sin embargo, su descomposición en presencia deuna llama puede ser peligrosa, ya que como resultado de esta se obtiene fosgeno, que es un

gas venenoso. El olor acre de los productos de la descomposición sirve de aviso. El código deseguridad ASHRAE para refrigeración mecánica clasifica a los refrigerantes en función de sutoxicidad e inflamabilidad. Los refrigerantes se dividen en 2 grupos: A para los de baja toxicidady B para los de elevada toxicidad. El número que sigue a la letra indica la inflamabilidad delrefrigerante, mientras menor sea ese número, menor será la inflamabilidad.


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REFRIGERANTES

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Inflamabilidad mayor A3 B3

Inflamabilidad menor A2 B2

Sin propagación de flama A1 B1

Toxicidad menor Toxicidad mayor

GRUPO DE SEGURIDAD

Toxicidad creciente

I n f l a m a b i l i d a d

c r e c i e n t e

Tabla 1.5 Clasificación de seguridad para los refrigerantes

c) Reacción con los materiales de construcción.- La clase de material que debe emplearse paracontener al refrigerante que va a usar, viene generalmente dictada por este último. Ciertosmateriales pueden ser atacados por los refrigerantes. El amoniaco, por ejemplo, reacciona conel cobre, el latón u otras aleaciones de cobre en presencia de agua. Por lo tanto, el hierro y elacero son los metales comúnmente empleados en los sistemas de amoniaco. Loshidrocarburos halogenados pueden reaccionar con el zinc, pero no con el cobre, aluminio,hierro, o acero. En presencia de una cantidad de agua, los hidrocarburos halogenados forman

ácidos que atacan a la mayoría de los metales; también atacan al caucho natural, por lo quedebe usarse en las empaquetaduras y juntas de estanqueidad caucho sintético del tiponeopreno.

d) Daños a los productos refrigerados.- Cuando por una fuga en el sistema refrigerante es posibleque llegue el refrigerante a estar en contacto con los productos refrigerados, hay que tener encuenta los efectos de este contacto. El amoniaco se disuelve en agua, y la mayoría de losproductos refrigerados contienen agua. En pequeñas concentraciones, los efectos delamoniaco sobre los alimentos es insignificante, pero a altas concentraciones o con largosperiodos de exposición, los alimentos toman mal sabor, e incluso pueden ser tóxicos. Loshidrocarburos halogenados no tienen efecto perjudicial sobre los alimentos, pieles o telas.

1.1.3 Propiedades físicas

a) Tendencia a las fugas y detección.- La tendencia a las fugas debe ser pequeña y la detecciónde las fugas debe ser fácil, para disminuir el costo del refrigerante perdido y del trabajo dereparación de la fuga y sustitución del refrigerante. Cuando la presión del sistema es mayor quela atmosférica, el refrigerante se fugara del sistema al exterior. Por otra parte cuando la presiónsea menor que la atmosférica, no se fugará refrigerante hacia el exterior, sino que el aire yhumedad serán arrastrados hacia adentro del sistema. En este caso aumenta la presión ytemperatura en la descarga y aceleran la rapidez de la corrosión. La presencia de humedad enel sistema puede también causar congelamiento en la válvula de control del refrigerante. Además, después que la fuga ha sido localizada y reparada el sistema deberá sercompletamente evacuado y deshidratado antes que se ponga en operación. Se debe instalar unsecador en el sistema.


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REFRIGERANTES

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b) Viscosidad y conductividad térmica.- Para una buena transmisión de calor, la viscosidad debeser baja y la conductividad térmica alta. La viscosidad puede ser definida como una medida dela fricción a fluir o como una medida de la resistencia que el fluido ofrece para efectuar sumovimiento. La viscosidad de los refrigerantes están tabuladas en la tabla 1.6 y lasconductividades térmicas en la tabla 1.7.

R-11 R-12 R-22 NH3 R-11 R-12 R-22 NH3

-40 0,98 0,432 0,351 0,0088 0,0106 0,0105

-34 0,899 0,399 0,335 0,0089 0,0107 0,0106

-30 0,818 0,376 0,319 0,0091 0,0108 0,0108

-25 0,757 0,358 0,307 0,0093 0,011 0,011

-20 0,701 0,342 0,296 0,0095 0,0112 0,0112

-15 0,654 0,328 0,286 0,25 0,0096 0,0113 0,0114 0,0085

-10 0,613 0,316 0,277 0,0098 0,0115 0,0116

-5 0,575 0,304 0,268 0,238 0,0099 0,0116 0,0118 0,0089

0 0,54 0,294 0,262 0,0101 0,0117 0,012

5 0,514 0,285 0,255 0,23 0,0103 0,0119 0,0122 0,0093

10 0,489 0,277 0,249 0,0104 0,0121 0,0124

15 0,463 0,269 0,243 0,0105 0,0122 0,012520 0,443 0,263 0,2387 0,0107 0,0124 0,0127

25 0,423 0,257 0,233 0,212 0,0109 0,0125 0,0129

30 0,405 0,251 0,229 0,011 0,0126 0,013

35 0,389 0,245 0,225 0,203 0,0112 0,0128 0,0132 0,0104

40 0,373 0,24 0,221 0,0113 0,0129 0,0133

45 0,359 0,235 0,217 0,0114 0,013 0,0135

Temp. ºC Líquidos a p. saturación Vapores a 1 atmósfera

Tabla 1.6 Viscosidad de los refrigerantes. (En centipoises)

-17,8 ºC 10 ºC 37,8 ºC

Refrigerante 11 0,0062 0,0068 0,0073

Refrigerante 12 0,0064 0,0074 0,0086

Refrigerante 22 0,0083 0,0092 0,0103 Amoniaco 0,0171 0,0196 0,0225

Refrigerante 11 0,107 0,097 0,88

Refrigerante 12 0,089 0,079 0,07

Refrigerante 22 0,115 0,1 0,085

Amoniaco (-15ºC a 30ºC) 0,43

Líquidos

TemperaturaRefrigerantes

Vapores

Tabla 1.7 Conductividad térmica de refrigerantes. Cal/ (h) (m) (ºC)

c) Acción sobre el aceite.- No es de esperar reacción química alguna entre el refrigerante y elaceite de lubricación del compresor, pero la miscibilidad del aceite y el refrigerante esimportante. Un poco de aceite saldrá del compresor con el vapor refrigerante caliente paralubricar convenientemente los pistones y las válvulas de escape. Este aceite pasa a través del

condensador y llega al evaporador. En el evaporador el refrigerante se vaporiza y sale, dejandoel aceite, con lo que se reduce la efectividad de la transmisión del calor en el evaporador. Seutilizan varios procedimientos para evitar que el aceite llegue al evaporador, o para extraerlo sise acumula en este. Un separador de aceite situado en la conducción de escape separacontinuamente el aceite y lo devuelve al compresor.


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Con respecto a la miscibilidad los refrigerantes pueden ser divididos en tres grupos:

1.- Aquellos que son miscibles con el aceite en todas las proporciones bajo condiciones decarga que se encuentran en el sistema de refrigeración.

2-. Aquellos que son miscibles bajo condiciones de carga que normalmente se encuentran en lasección del condensante, pero separado del aceite bajo las condiciones que normalmente setienen en el evaporador.

3.- Aquellos que no son miscibles con el aceite (o lo son muy ligeramente) para todas lascondiciones que se tienen en el sistema.

Debido a que la única razón de la presencia del aceite en el sistema refrigerante es la delubricar al compresor, es evidente que el aceite desempeñara mejor su función cuando se leconfina sólo al compresor y no se la permite circular con el refrigerante a través de otras partesdel sistema.

En la tabla 1.8 encontrará las relaciones de compatibilidad y miscibilidad de los refrigerantes ysus lubricantes:

Aceite Aceite Mineral + Aceite

alquibencénico alquibencénico Ester (Poliester)

R-11 SI SI SI SI

R-12 SI SI SI SI

R-22 SI SI SI SI

R-123 SI SI SI SI

R-134a ---- ---- ---- SI

R-401A ---- SI SI SI

R-401B ---- SI SI SI

R-502 SI SI SI SI

Aceite MineralRefrigerante

Tabla 1.8 Tabla de compatibilidad entre gases y lubricantes

d) Costo.- El costo de la carga inicial de refrigerante y el costo de las pérdidas debidas a fugasmerece considerarse. Sin embargo, el costo del refrigerante en la elección, el costo de la cargainicial representa un pequeño porcentaje del costo total de la instalación.

e) Preferencia personal .- Si la planta de refrigeración utiliza cierto refrigerante, al aumentar eltamaño se continuará usando el mismo. Si la persona que hace la elección del refrigerantetiene experiencia en el uso de cierto refrigerante, elegirá, probablemente ese mismorefrigerante en el nuevo sistema.


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1.1.4 ODS Y SU POTENCIAL DE DISMINUCIÓN DE OZONO.

Las substancias como los CFCs, y las otras que se citan, que disminuyen la capa de ozono nodestruyen el ozono ellas directamente. Primero sufren fotólisis, formando cloruro de hidrógeno (HCl) onitrato de cloro (ClONO2), moléculas que tampoco reaccionan con el ozono directamente, pero que se

descomponen lentamente dando, entre otras cosas, una pequeña cantidad de átomos de cloro (Cl) y demoléculas de monóxido de cloro (ClO) que son las que catalizan la destrucción del ozono.

Las reacciones envueltas en los procesos de destrucción son más de 100, pero se puedensimplificar en las siguientes:

Cl + O3 ClO + O2 ClO + O Cl + O2

Efecto neto: O3 + O 2 O2

El átomo de cloro actúa como catalizador, es decir, no es consumido en la reacción, por lo quedestruye miles de moléculas de ozono antes de desaparecer. El átomo de bromo es aún másdestructivo que el de cloro (unas 10 o 100 veces más). Compuestos formados por H, Cl, F y C. Se estánutilizando como sustitutos de los CFCs porque muchas de sus propiedades son similares y son menosdañinos para el ozono al tener una vida media más corta y liberar menos átomos de Cl. Sus potencialesde disminución del ozono están entre 0.01 y 0.1. Pero como siguen siendo dañinos para la capa deozono se consideran sólo una solución provisional y su uso ha sido prohibido en los paísesdesarrollados a partir del año 1930.

1.1.5 HALONES

Los halones son compuestos formados por Br, F y C. Por su capacidad para apagar incendiosse usan en los extintores, aunque su fabricación y uso está prohibido en muchos países por su accióndestructora del ozono. Su capacidad de dañar la capa de ozono es muy alta porque contienen Br que esun átomo muchos más efectivo destruyendo el ozono que el Cl. Así, el halon 1301 y el halon 1211tienen potenciales de destrucción del ozono de 13 y 4 respectivamente.

En la tabla 1.9 podemos apreciar algunos ODS y su capacidad de descomponer ozono.

Atributos R-11 R-123 R-12 R-134a R-22 R-717

Ambiente

Eficiencia (ideal,COP) 7,78 7,63 6,91 6,77 7,06 7,28

(ideal,KW/ton 40/100) 0,45 0,46 0,51 0,52 0,5 0,48

Vida en años1

45 1,3 100 12

GWP (WMO 20021) 4680 90 10720 1780

(GWP 100 años) 3500 85 7300 1200 1500 ≈ 0

Agotamiento de ozono (ODP) 1 0,02 1 0 0,05 0

Seguridad

Inflamabilidad (LFL %) ninguno ninguno ninguno ninguno ninguno 14,8

Toxicidad (TLV o ≈) 1000 5 - 10 1000 1000 1000 25

Grupo de seguridad A1 B1 A1 A1 A1 B2 Tabla 1.9 Atributos de refrigerantes (American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Inc.)


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1.2 Refrigerantes actuales

En años anteriores cuando la refrigeración mecánica estaba limitada a unas pocas aplicacionesde gran tamaño, los únicos refrigerantes prácticamente disponibles eran el amoniaco y el dióxido decarbono.

Después con el desarrollo de unidades automáticas pequeñas para uso comercial y doméstico,se empezaron a usar refrigerantes tales como el dióxido de azufre y el cloruro de metilo, junto con elcloruro de metileno el cual fue desarrollado para usarse en compresores centrífugos. El cloruro demetileno y el dióxido de carbono, debido a sus propiedades de seguridad fueron muy usados eninstalaciones grandes de aire acondicionado.

Con excepción del amoniaco, todos estos refrigerantes han dejado de usarse y se lesencuentra sólo en algunas de las antiguas instalaciones, estos refrigerantes han sido reemplazados porlos refrigerantes fluorocarburos que son más adecuados, mismos que fueron desarrollados en lossiguientes años. En la actualidad los refrigerantes fluorocarburos son los más usados.

Nuevamente, la única excepción es el amoniaco que debido a sus excelentes propiedadestérmicas, continúa usándose mucho en instalaciones tales como, fábricas de hielo, pistas de hielo, etc.

Los fluorocarburos (hidrocarburos fluoranatados) son un grupo de una familia de compuestosconocidos como hidrocarburos (hidrocarburos halogenados). La familia de compuestos halocarburosson sintetizados reemplazando uno o más de los átomos de hidrógeno en moléculas de metano (CH4) ode etano (C2H6), los cuales ambos son hidrocarburos puros con átomos de cloro, flúor y/o bromo,siendo el último grupo de la familia de los halógenos.

Los halocarburos desarrollados a partir de la molécula metano son conocidos como“halocarburos de la serie del metano” así mismo aquellos desarrollados de la molécula etano sonreferidos como “halocarburos de la serie del etano”.

1.2.1 Características de los refrigerantes actuales

Amoniaco.- Es el único refrigerante dentro del grupo de los fluorocarburos que se usabastante en la actualidad debido a que no destruye la capa de ozono, aunque es tóxico, algo inflamabley explosivo, bajo ciertas condiciones, sus excelentes propiedades térmicas lo hacen ser un refrigeranteideal para fábricas de hielo, plantas empacadoras, pistas de hielo, grandes almacenes de enfriamiento,etc., donde se cuenta con los servicios de personal experimentado y donde su naturaleza tóxica es depoca consecuencia.

Es el refrigerante que tiene más alto efecto refrigerante por libra, el cual, a pesar de su volumenespecifico alto en la condición de vapor, tiene una gran capacidad de refrigerante con relativamente undesplazamiento pequeño del pistón.

El punto de ebullición del amoniaco a la presión atmosférica estándar es de -28ºF (-2.22ºC).Las presiones en el evaporador y condensador a las condiciones de tonelada estándar de 5ºF (-15ºC) y86ºF (30ºC) son 34.27 psia, (2.37 bars) y 169.2 psia (11.67 bars) respectivamente, las cuales sonmoderadas de tal manera que pueden usarse materiales de peso ligero en la construcción del equipo


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refrigerante. Sin embargo, la temperatura adiabática en la descarga es relativamente alta siendo de210ºF (98.89ºC) para la condiciones de tonelada estándar, por lo cual es adecuado tener enfriamientocon agua tanto en el cabezal como en los cilindros del compresor. Debe también evitarse tenersobrecalentamiento alto en la succión para los sistemas de amoniaco.

Aunque el anhídrido de amoniaco puro no es corrosivo para todos lo metales normalmenteusados en los sistemas de refrigeración, en presencia de humedad, el amoniaco se vuelve corrosivopara los metales no ferrosos tales como el cobre y el latón. Requiere por lo tanto un sistema completode hierro, acero o aluminio incluyendo el compresor, evaporador, controles y tuberías.

No es miscible con el aceite y por lo tanto no se diluye en el aceite del compresor. Sin embargo,deben hacerse los arreglos necesarios para eliminar el aceite del evaporador y deberá usarse unseparador de aceite en el tubo de descarga de los sistemas de amoniaco.

Para detectar fugas, pueden usarse velas de azufre, con lo cual se produce un humo blancodenso en la presencia de vapor de amoniaco, otro método es el uso de papel tornasol mismo quecambia de calor en presencia del amoniaco o con una solución de jabón poniéndola alrededor de las juntas en la tubería, en cuyo caso la fuga se manifestaría mediante la aparición de burbujas en lasolución.

El amoniaco es fácil de conseguirse y es el más barato de los refrigerantes comúnmenteempleados. Estos dos hechos, junto con su estabilidad química, afinidad por el agua y no miscibilidadcon el aceite, hacen al amoniaco ser un refrigerante ideal para ser usado en sistemas muy grandesdonde la toxicidad no es un factor importante. Debido a su coeficiente de transferencia de calorrelativamente alto y al consecuente mejoramiento de la razón de transferencia de calor, es el amoniacoparticularmente adecuado para grandes instalaciones de enfriamiento de líquido. Al amoniaco se le usacon compresores reciprocantes tipo abierto, rotatorio y centrífugo.

Refrigerante 11.- Es un fluorocarburo de la serie del metano, este es un refrigerantedesarrollado para enfriadores centrífugos, debido al pequeño valor de las presiones de funcionamiento yal desplazamiento de compresor relativamente alto, sobretodo en sistemas de aire acondicionado parapequeñas oficinas en edificios, tiendas departamentales, etc. El R-11 en condiciones saturadas a 5ºF(-15º) tiene una presión de evaporación de 2.931 psia (81.3 KPa). A 86ºF (30ºC) tiene una presión decondensación de 18.3 psia (126 KPa). El volumen de vapor a 5ºF (-15ºC) es 12.2 ft3/lb (0.763 m3/Kg). Elcalor latente de vaporización es de 84 Btu/lb (195 J/g). El R-11 es ampliamente usado como refrigerantesecundario y como solvente. Una característica del R-11 es que a presión atmosférica el refrigerante eslíquido. No es corrosivo ni tóxico y no es inflamable pero disuelve al hule natural. Se ha utilizado paraevacuar la humedad de los sistemas, también ha sido utilizado para evacuar ácidos y productos dedescomposición después de haberse quemado motores en sistemas semiherméticos. Esto ya no es

legal bajo los reglamentos de la EPA (Environmental Protection Agency). Para detectar sus fugas seusa un soplete de haluro. Desafortunadamente este es uno de los refrigerantes que debe serremplazado ya que al ser liberado destruye la capa de ozono.


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Refrigerante 12.- Es probable que haya sido el de más amplio uso, es un refrigerante bastanteseguro en el sentido de que no es tóxico, no es inflamable y no es explosivo. Además es un compuestoaltamente estable que es muy difícil que falle aún bajo condiciones extremas de operación. Sinembargo, al ponerlo en contacto con una flama abierta o con un elemento de calefacción eléctrica, sedescompone en productos que son altamente tóxicos.

Además de sus propiedades de seguridad, el hecho de que el R-12 tenga una temperatura deevaporación de 5ºF (-15ºC) el líquido saturado hierve a una presión de 11.9 psig (183 KPa) y a unatemperatura de condensación de 86ºF (30ºC), la presión de vapor saturado es de 93.3 psig (745 KPa).Estas características hacen que este refrigerante sea muy apropiado para usarse en aplicaciones dealta, media y baja temperatura y con los tres tipos de compresores.

Al R-12 se le ha usado para enfriar salmuera a temperaturas tan bajas, como de -110ºF (-80ºC)utilizando para ello compresores centrífugos de pasos múltiples.

El hecho de que el R-12 sea miscible con el aceite hasta -90ºF, lo que esta por encima de lastemperaturas de operación normales, no sólo simplifica el problema de retorno del aceite, sino quetambién tiende a aumentar la eficiencia y la capacidad del sistema, en tanto que la acción solvente delrefrigerante mantenga al evaporador y al condensador relativamente libre de películas de aceite, que deotra manera tendería a reducir la capacidad de transferencia de calor de esas dos unidades. Serecomiendan aceites con una viscosidad de 150 a 300 Saybolt (3.33 a 8.66 ºEngler).

El R-12 tiene un calor latente de evaporación a 5ºF de 68.2 Btu/lb (159 J/g); más bajo que otrosrefrigerantes, lo que significa que se necesita una cantidad ligeramente superior de R-12 para producirigual cantidad de refrigeración, debido a ello, en una instalación de R-12 todas las tuberías deconexionado deberán ser mayores a fin de obtener la máxima eficacia de funcionamiento. Debe evitarseque entre humedad en el sistema, ya que forman partículas de hielo en la válvula de expansión, estahumedad puede ser extraída por medio de un filtro secador colocado en el sistema.

Desafortunadamente, este refrigerante es uno de los que destruyen la capa de ozono al serliberados a la atmósfera, y por tanto deberá ser reemplazado. El mejor sustituto parece ser el R-134a.

Refrigerante 13.- Fue desarrollado para usarse en aplicaciones de temperatura ultra baja,generalmente en el paso inferior de dos o tres pasos de un sistema en cascada. Su temperatura deebullición es de -144.5ºF (-98ºC) a la presión atmosférica. La temperatura en el evaporador baja hasta-150ºF (-100ºC) la temperatura crítica es 83.9ºF (28.9ºC). Al refrigerante 13 se le puede usar con lostres tipos de compresores debido a que su presión de condensación y desplazamiento del compresorson de valor moderado.

El R-13 es un refrigerante seguro, no es miscible con el aceite, para detectar fugas puedeemplearse un soplete de haluro.

Refrigerante 22.- Este refrigerante ha sido popular para uso en congeladores domésticos, ensistemas comerciales e industriales de temperaturas tan bajas como -125ºF (-87ºC) y en unidades deaire acondicionado compactos. Afortunadamente sólo afecta ligeramente la capa de ozono encomparación con el R-11 o el R-12. A una temperatura de evaporación de 5ºF (-15ºC), la presión devapor saturado es de 28.19 psig (1190 KPa). El calor latente de vaporización a 5ºF (-15ºC) es de 93.2Btu/lb (217 J/g). Tiene una temperatura de ebullición a la presión atmosférica de -41.4ºF (-40.8ºC).


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Tanto las presiones de operación como la temperatura adiabática de la descarga son mayorespara el R-22 que para el R-12. Los requerimientos de potencia son aproximadamente iguales. Debido aque la temperatura en la descarga con el R-22 es alta, la temperatura sobrecalentada en la succióndebe conservarse en su valor mínimo, sobre todo cuando se usan unidades herméticas motor-compresor. En aplicaciones de temperatura baja, donde las relaciones de compresión son altas, se

recomienda tener en enfriamiento con agua al cabezal y a los cilindros del compresor a fin de evitarsobrecalentamiento en el compresor. Los condensadores enfriados con aire empleados con el R-22deben de ser de tamaño generoso.

El aceite lubricante se mezclará con el R-22 a la mayor parte de las temperaturas de operación;sin embargo, a temperaturas algo por debajo de -40ºF el aceite se separa, la temperatura exacta a lacual ocurre la separación varía considerablemente con el tipo de aceite y con la cantidad de aceitemezclado con el refrigerante. Sin embargo, no se han tenido dificultades en el retorno del aceitedespués del evaporador cuando se tiene el diseño adecuado del serpentín del evaporador y de latubería de succión. Se usan separadores de aceite cuando se utilizan evaporadores inundados ydeberán tomarse medidas especiales para asegurarse del retorno del aceite desde el evaporador. Losseparadores de aceite deberán usarse siempre en aplicaciones de temperatura baja.

Su principal ventaja sobre el R-12 es que requiere un menor desplazamiento del compresor,siendo aproximadamente de 60% del requerido por el R-12. Por lo tanto, para un desplazamientoespecífico del compresor, la capacidad refrigerante será aproximadamente 60% mayor con R-22 quecon R-12. Además, los tamaños de las tuberías por lo general son menores para el R-22 que para elR-12.

La habilidad del R-22 para absorber humedad es aproximadamente ocho veces mayor que ladel R-12 y, por lo tanto, se tiene más problema de congelamiento en la válvula de expansión en lossistemas que usan R-22. No obstante, conviene tener presente que la humedad contiene oxigeno, ycuando la instalación trabaja con una alta presión y gran temperatura se corre el peligro de que seproduzca la carbonización del aceite de las válvulas de compresión, debido al exceso de aire ohumedad en el sistema. El secado de la instalación se efectúa con filtros deshidratadores, al igual queen los sistemas de R-12.

Como este refrigerante tiene un porcentaje de deterioro de la capa de ozono inferior al del R-12ya suprimido, no será definitivamente considerado fuera de uso hasta el año 2014. De todos modos seesta trabajando en el desarrollo de un nuevo refrigerante HFC que pueda activar la sustitución total delR-22.

Temperatura de

evaporación en ºC R-12 R-22

-60 23 plg 18,8 plg-40 11 plg 0,6 psi

-25 3,2 psi 14,5 psi

-10 17 psi 36 psi

-5 23,6 psi 46,7 psi

0 30 psi 57,8 psi

5 38 psi 70,5 psi

Presion es de evapor ación

Tabla 1.10 Relación entre las presiones de trabajo del R-12 y R-22


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Refrigerante 113.- A la presión atmosférica hierve a 117.6ºF (47.5ºC), las presiones deoperación a condiciones de tonelada estándar son 0.9802 lb/plg2 abs. (0.068 bar) y 7.86 lb/plg2 abs.(0.204 bar) respectivamente. Aunque el desplazamiento del compresor por tonelada es algo alto(100.76 ft3/min/ton a condiciones de tonelada estándar), la potencia requerida por tonelada se comparafavorablemente con los demás refrigerantes comunes. Con este refrigerante se necesita usar

compresor centrífugo por sus bajas presiones de operación y por el desplazamiento grande requerido.

Aunque principalmente se le usa en acondicionamientos de aire de confort es tambiénempleado en procesos industriales para enfriamiento de agua y salmuera hasta para 0ºF (-18ºC).

Refrigerante 114.- A la presión atmosférica tiene un punto de ebullición de 38.4ºF (3.6ºC). Laspresiones de evaporación y condensación a condiciones de tonelada estándar son 6.75 lb/plg 2 abs.(0.89 bar) y 36.27 lb/plg2 abs. (2.5 bar) respectivamente. El desplazamiento requerido del compresor esrelativamente bajo para una presión refrigerante baja [19.59 ft 3/ (min) (ton) a condiciones estándar] y lapotencia requerida se compara favorablemente con la de los otros refrigerantes comunes.

Al R-114 se le usa en compresores centrífugos en instalaciones muy grandes deacondicionamiento de aire comercial e industrial y para procesos industriales para enfriamiento de aguade -70ºF (-57ºC). Se le usa con compresores rotatorios tipos aspa, en refrigeradores domésticos y enenfriadores pequeños de agua potable.

Es miscible en aceite a las condiciones que se tienen en la sección de condensación, pero sesepara del aceite en el evaporador. Sin embargo, debido al tipo de equipo usado con el R-114, y lascondiciones bajo las cuales se usa el retorno del aceite no presenta ningún problema.

Refrigerante 123.- Este refrigerante se diseño para reemplazar al R-11 en grandesinstalaciones como compresores centrífugos para acondicionamiento de aire y enfriadores de agua. Lascurvas de presión temperatura muestran características de rendimiento muy parecidas entre estos dosrefrigerantes.

Este refrigerante utiliza el mismo aceite mineral o sintético que el R-11, y debe prestarseatención en la hermeticidad de las juntas y uniones ya que es un disolvente más potente que el citadoR-11 al que sustituye, y aumenta por consiguiente el riesgo de fugas.

A una temperatura de evaporación de 5ºF (-15ºC) la presión de vapor saturado es de 2.03 psia(14 KPa) y a una temperatura de condensación de 86ºF (30ºC) la presión de vapor saturado es de 15.9psia (109.6 KPa). El calor latente de vaporización a 5ºF (-15ºC) es de 82.9 Btu/lb (192.8 J/g). Tiene unatemperatura de ebullición de 82.1ºF (27.8ºC) a la presión atmosférica.

El R-123 tiene una clasificación de grupo de seguridad B1, que lo hace objetable desde el puntode vista de su toxicidad. Como resultado, algunas empresas de servicio se niegan a usarlo. Por ahorano se ha desarrollado un refrigerante universalmente aceptable para reemplazar al R-11.

Refrigerante 500.- Es una mezcla azeotrópica de R-12 (73.8% en peso) y de R-152a (26.2%). A la presión atmosférica su punto de ebullición es -28ºF (-33ºC). Las presiones en el evaporador ycondensador a condiciones estándar son de 16.4 lb/plg2 man. y 113.4 lb/plg2 man, respectivamente. Aunque los requerimientos de potencia del R-500 son aproximadamente iguales a los del R-12 y R-22 eldesplazamiento requerido del compresor es mayor que el del R-22 pero algo menor que el del R-12.


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La principal ventaja esta en el hecho de que su sustitución por el R-12 representa un aumentoen la capacidad del compresor de aprox. 18%. Esto hace posible usar el mismo compresor conectadodirectamente (como en una unidad hermética motor-compresor) ya sea a 50 o 60 Hz de frecuencia conpoco o ningún cambio en la capacidad refrigerante o en los requerimientos de potencia.

Refrigerante 502- Es una mezcla azeotrópica de 48.8% de R-22 y 51.2% de R-115.Desarrollado originalmente como refrigerante de temperatura baja para reemplazar al R-22 en algunasaplicaciones de temperatura baja y relación de compresión alta, el R-502 ha sido ampliamente usado enun rango de temperaturas para almacenamiento congelado y frío y en algunas aplicaciones de aireacondicionado de confort, sobre todo donde se utilizan las bombas de calor. A una temperatura deevaporación de 5ºF (-15ºC) la presión de vapor saturado es 35.8 psig (348 KPa) y a una temperatura de86ºF (30ºC), la presión de vapor saturado es 177 psig (1320 KPa). El calor latente de evaporación a 5ºF(-15ºC) es 67.3 Btu/lb (157 J/g). Tiene una temperatura de ebullición de -50ºF (-46ºC) a la presiónatmosférica. Es ininflamable, anticorrosivo y no es tóxico.

Su miscibilidad con el aceite es similar a la del R-22, por lo que se recomienda en algunoscasos el empleo de un separador de aceite en la línea de descarga, así como la obtención de velocidadde aspiración lo suficientemente alta para un buen retorno de aceite, y el tendido de las líneas deaspiración con una inclinación adecuada que facilite dicho retorno. La utilización de aceites sintéticoscomo en el caso del R-22 es también recomendable con este refrigerante. La ventaja particular delR-502 sobre el R-22 es la temperatura adiabática baja que se tiene en la descarga, de 99ºF (37.2ºC)comparada con la de 128ºF (53.3ºC) a las condiciones de tonelada estándar. Sin embargo, tanto eldesplazamiento del compresor como la capacidad refrigerante son algo menores para el R-502 asícomo las presiones de operación, aunque estas últimas permanecen en un rango moderado.

El R-502 a la presión barométrica estándar tienen una temperatura de ebullición de -49.8ºF(-45.4ºC) y una temperatura crítica de 179.9ºF (91.78ºC). No es inflamable ni tampoco es tóxico y esbaja su miscibilidad con el aceite.

La relación de compresión es aproximadamente un 10% menor que la del R-12 y R-22 segúnse expresa en la Tabla 1.11, lo cual se traduce en un rendimiento volumétrico superior y la posibilidadde alcanzar temperaturas de evaporación más bajas. Bajo estas condiciones de trabajo optimas, sepuede obtener una capacidad del orden de 10 a 12% superior a la del R-22, especialmente enregimenes de temperatura de evaporación bajas.

-29ºC -18ºC -5ºC

R-12 9,9 6,3 2,9

R-22 9,7 6,3 2,9

R-502 8,6 5,7 2,7

Refrigerante Temperatur a de evaporac ión

Tabla 1.11 Relación de compresión(Temperatura de condensación: 43ºC)


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Refrigerante 503.- Es una mezcla azeotrópica de 40.1% en masa de R-23 y 59.9% de R-13. Ala presión barométrica estándar tiene una temperatura de ebullición de -127.6ºF (-88.7ºC) y unatemperatura crítica de 67.1ºF (19.5ºC).

El R-503 es un refrigerante que reemplaza al R-13 en el rango de temperatura de -100ºF

(-73.3ºC) hasta -150ºF (-101ºC). Con una temperatura del evaporador de -120ºF (-84.4ºC) y unatemperatura de condensación de 20ºF (6.67ºC), el desplazamiento requerido del compresor para elR-503 es aproximadamente el 64% del requerido por el R-13 para la misma capacidad refrigerante. Sinembargo, la presión es mayor para el R-503, siendo de 330.5 lb/plg2 abs. a 20ºF comparadas con240.4 lb/plg2 abs. para el R-13.

El R-503 se usa en compresores reciprocantes en el paso inferior de un sistema de cascada,empleándose R-12, R-22 o R-502 en el paso superior.

Hidrocarburos directos.- Son un grupo de fluidos compuestos en varias proporciones de losdos elementos hidrogeno y carbono. Los más importantes como refrigerantes son: El metano, etano,butano, propano, etileno e isobutano. Todos son extremadamente inflamables y explosivos además yaque todos en cierto grado actúan como anestésicos son considerados como muy poco tóxicos. Aunqueninguno de estos compuestos absorbe humedad en un grado apreciable, todos son extremadamentemiscibles con aceite para todas las condiciones.

Aunque unos pocos de estos refrigerantes han sido usados en cantidades pequeñas enrefrigeración domestica, su uso ordinariamente esta limitado a aplicaciones especiales donde serequieren los servicios de gente experimentada. El etano, metano y etileno, emplean con ciertaextensión, algunas aplicaciones de temperatura ultra baja, generalmente en el paso inferior de sistemasde cascada de dos y tres pasos.

1.3 Refrigerantes hidrofluorocarbonados

Tal como se ha indicado anteriormente, los países firmantes del protocolo de Montreal en 1987,relativo a los refrigerantes clorofluorados que empobrecían la protectora capa de ozono en nuestroplaneta se reunieron en Londres en Junio de 1990 y decidieron, dentro del programa de las nacionesunidas para el medio ambiente (PNUE), la supresión, en plazo más o menos breve, de los fluidosrefrigerantes total o parcialmente halogenados entre los que se encontraban los bien conocidos R-11,R-12, R-22 y R-502.

Como puede desprenderse se trataba de un problema de alcance mundial concerniente tanto alos países en desarrollo como a los más industrializados, cuya solución ha inducido a la industria del frío

al desarrollo y promoción de nuevos refrigerantes exentos de cloro, los llamados HFC(Hidrofluorocarbonados), que fuesen la debida alternativa a los clorofluorados existentes bajo la gamaCFC.

La primera consecuencia de dicha medida ha sido la producción de nuevos refrigerantes HFCR-134a totalmente exento de cloro como sustituto definitivo del R-12 bien conocido y extensamenteutilizado, suprimiendo su fabricación.


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En sustitución del R-502, empleado en la gama de bajas temperaturas, apareció también confluido definitivo el nuevo HFC-404A que es una mezcla azeotrópica de R-134a, R-125 y R-143a. Estenuevo fluido se produce bajo las denominaciones:

HP62 por Dupont,

FX70 por Atochem,M-55 por Meforex, etc.

Habiendo aparecido en el mercado fluidos para utilización similar bajo los nombres:

R-407A correspondiente al KLEA-60 de ICIR-507B correspondiente al KLEA-61 de ICI

R-507 correspondiente al ME-57 de Meforex

En el empleo de todos estos refrigerantes debe tenerse en cuenta la cuestión del agenteincongelable, ya que no son compatibles con los de tipo mineral o sintéticos utilizado con los CFC. Sehace imprescindible su empleo con los aceites derivados del éster conocido por POE (poliésteres).

Hoy día los fabricantes de compresores han adaptado sus equipos a los citados fluidos HFC, yen sus catálogos consta ya la correspondiente capacidad y producción frigorífica a base de los mismos.

En la reunión de Londres y respecto al R-22 que es un HCFC (Hidroclorofluorocarbono), sedecidió, asimismo, que no sería anulado hasta el año 2014 debido a que su participación en ladestrucción de la capa de ozono era inferior a la del R-12, para ser sustituido por un nuevo HFC sincloro cuando este aparezca y se tomo como definitivo. De todos modos, últimamente han aparecidonuevos fluidos HFC:

R407C (KLEA-66, 9000 SUVA y 95 Meforex)R410A (A2-20 y 98 Meforex)

No comercializados de forma extensiva que pueden ya considerarse como sustitutos del R-22en espera de que transcurra el plazo señalado para considerados como definitivo, ha expensa de queaparezcan otros. Debe tenerse en cuenta que estos dos nuevos HFC deben utilizarse con aceite éster,mientras que el R-22 sigue con los del tipo mineral o sintético.

1.3.1 Refrigerantes alternativos de transición

Como solución a la gran cantidad de instalaciones frigoríficas existentes empleando losconocidos refrigerantes CFC R-12 y R-502, han aparecido nuevos fluidos que pueden utilizarse para

recargar las instalaciones de este tipo que se encuentran escasas de carga, mezclándoseperfectamente con ellos y los aceites minerales o sintéticos empleados. La carga debe efectuarse enfase líquida como en todas las mezclas azeotrópicas.


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Estos fluidos, aunque no de forma exhaustiva, de momento son:

Para mezclar con R-12

R-401 A (MP-39 Dupont)

M-401 B (MP-66 Dupont)R-506 A (CHG-12)R-409 A (FX-50 Atochem)

Para mezclar con R-502

R-402 A (HP-80 Dupont)R-402 B (HP-81 Dupont)M-502 B (ISCEON 69L)

M-408 A (AFX10 Atochem)R-DI-44 (Meforex)

Naturalmente estas instalaciones siguen trabajando con los aceites minerales o sintéticosoriginalmente empleados con los CFC R-12 y R-502.

Refrigerante 134a.- Es un gas exento de cloro, químicamente estable e inerte. No es tóxico niinflamable, y su principal cualidad es que no degrada la atmósfera.

Sus presiones de aspiración son más bajas que las del R-12 al que sustituye, así como tambiénlas temperaturas de descarga, que son un 10% menor. En cambio, las presiones de condensación sonligeramente más altas. De baja capacidad térmica y alta conductividad térmica, sus temperaturas detrabajo son apropiadas para las instalaciones de frío y acondicionamiento.

Hasta temperaturas de evaporación de -10ºC, su rendimiento es igual al del R-12. No serecomienda para trabajar en temperaturas de evaporación inferiores a -20ºC. En consecuencia, losintercambiadores de calor (evaporadores y condensadores) pueden tener básicamente la mismasuperficie que para R-12.

De mala miscibilidad con los aceites minerales y sintéticos tradicionales. Los aceites PAG(polialquiglicol) son miscibles con el R-134a, aunque su comportamiento es muy higroscópico y no sonaceptables. Se recomiendan los aceites POE (poliéster) a base de éster autorizado por los fabricantesde compresores y que, desde luego, no pueden mezclarse con otros. Como ocurre con el R-22, estenuevo refrigerante R-134a es parcialmente miscible con el aceite, por lo que debe preverse un tendidoy dimensionado de las tuberías que asegure el retorno completo del aceite de éster al compresor.

Se recomienda colocar de un filtro en la succión, ya que los aceites de éster tienen la tendenciade limpiar y arrastrar impurezas.

Este refrigerante es compatible con el cobre, latón, hierro fundido y aluminio con susaleaciones. En cambio, es incompatible con el zinc, magnesio, plomo y las aleaciones de aluminio conmás de un 5% de magnesio. Resulta, asimismo, incompatible con la parafina, ceras y aceites mineralesde alta viscosidad.


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Presenta mayor riesgo de fuga que el R-12, por lo que debe extremarse la hermeticidad desoldaduras y juntas, así como el mayor cuidado en la comprobación de fugas. No pueden emplearsedetectores de fugas tradicionales de tipo haloideo, siendo únicamente utilizables los detectores iónicos-electrónicos que existen especialmente para este refrigerante.

Su punto de ebullición a la presión atmosférica (1.013 bar) es de -26.5ºC. El punto crítico es de100.5ºC y la máxima temperatura de descarga de 125ºC.

Se requieren válvulas de expansión adecuadas, que ya existen en el mercado. En cuanto a lostubos capilares deben ser de un 30 a 40% más largos para igual capacidad frigorífica que con R-12. Serecomienda la instalación de válvulas del tipo de soldadura, puesto que en la unión abocardada de lasmismas puede existir peligro de fugas.

Asimismo, los filtros secadores han de ser de tipo recomendados por los fabricantes de estoselementos, o sea, con una superficie un 10% mayor que los empleados para R-12.

Y finalmente, se recomienda una limpieza absoluta en las tuberías de conexionado y en todoslos elementos empleados en la instalación.

Refrigerante 404A.- Es un azeótropo compuesto de R-143a/R-125 y R-134a (44,52 y 4%),todos ellos componentes básicos del grupo HFC, hallándose absolutamente exento de cloro.

Corresponde al SUVA HP-62 producido por Dupont y al FX70 de Atochem. El R-143a empleadoen la mezcla es inflamable, pero debido a la combinación en una proporción relativamente alta, de R-125, el punto de inflamabilidad queda totalmente contrarrestado, aún en el caso de fugas.

Una característica destacada es la tendencia del R-404a a trabajar a temperaturas de descargamás bajas que el R-502 (8ºC menos) permitiendo así la instalación de sistemas de un solo escalón parala obtención de bajas temperaturas. Su presión de descarga es 2.1 bar (30 lb/plg2), más alta que la delR-502. La presión de aspiración es muy similar a la del R-502.

Al igual que con el R-134a, deben emplearse aceites POE a base de éster, ateniéndose a lasrecomendaciones de los fabricantes de compresores, teniendo en cuenta el tendido y dimensionado delas tuberías para asegurar el debido retorno del aceite al compresor.

Pueden utilizarse los mismos elementos intercambiadores de calor (evaporadores ycondensadores) que los empleados en instalaciones de R-502, habiéndose obtenido muy buenosresultados en el intercambio térmico. Su capacidad frigorífica apenas presenta diferencia con el R-502,

lo que justifica su empleo como refrigerante alternativo.

Como en el caso del R-134a, se requieren válvulas de expansión especialmente adecuadaspara el R-404A. Debido a la tendencia de los aceites poliéster de limpiar el circuito, y la consiguienteposibilidad de arrastrar impurezas, se recomienda la instalación de un filtro en la aspiración.

La compatibilidad e incompatibilidad con los materiales son las mismas que con el R-134a. Sutemperatura de ebullición es de -46.45ºC, la temperatura de condensación a la presión absoluta de 35bar (507 lb/plg2) es de 55ºC. Su temperatura crítica es de 72.07ºC.


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Para la detección de fugas no pueden emplearse las lámparas halógenas que se usan con losrefrigerantes CFC, ya que el R-404A no contiene cloro, utilizándose al efecto detectores iónico-electrónicos para la detección del flúor.

Bar psig Bar ps ig

-45 - - 0,15 2-40 - - 0,3 4

-35 - - 0,65 10

-30 - - 1 15

-25 0,1 1,5 1,5 22

-20 0,3 4 2 29

-15 0,6 9 2,6 33

-10 1 14,5 3,3 47

-5 1,5 21 4,2 60

0 1,9 28 5 73

5 2,5 36 6 87

10 3,2 46 7,2 104

15 3,9 57 8,5 123

20 4,8 69 9,9 143

25 5,6 81 11,5 16730 6,8 98 13,2 191

35 7,9 115 15 218

40 9,2 133 17,3 251

45 10,6 153 19,5 283

Temp. en ºC

R-134a R-404A

Tabla 1.12 Presiones manométricas de evaporación y

condensación de los nuevos Refrigerantes HFC.

1.3.2 Aplicaciones de los nuevos refrigerantes

Todo lo últimamente expresado implica una profunda transformación tecnológica que afecta a

los fabricantes de compresores y componentes, así como también de forma directa a los técnicos ymontadores frigoristas que precisan conocer y adaptarse a las nuevas condiciones que se han creado. A continuación se ofrece una relación de la forma en que queda establecida actualmente la gama deaplicaciones:

Refr igerante Alternativo : Ap licaciones

A/C Automotriz nuevo y de reacondicionamiento

Refrigeración residencial y comercial

Equipo de desplazmiento positivo

Equipo de supermercado (temperatura media)

R-404A Refrigeración comercial y de transportesEquipo de desplazmiento positivo A/C

Refrigeración residencial y comercial

R-410A Equipo de desplazmiento positivo A/C residencial

R-507 Equipo de refrigeración comercial

R-134a

R-401A/R-409A

R-12

R-22 R-407C

Tabla 1.13 Aplicaciones comunes de nuevos refrigerantes


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REFRIGERANTES

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Debe tenerse en cuenta que siguen realizándose profundas investigaciones que, lógicamente,contribuirán con la aparición de nuevos fluidos que obliguen a establecer variantes en la anteriorclasificación, de forma muy particular, repetimos, en sustitución del R-22 aceptado de momento. En lastablas A1 del anexo se muestra la clasificación por grupo de seguridad de algunos refrigerantes.


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CICLOS DE REFRIGERACIÓN

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2.- CICLOS DE REFRIGERACIÓN

2.1 CICLO DE CARNOT

Es probable que el ciclo reversible más conocido sea el Ciclo de Carnot, propuesto por primeravez en 1824 por el ingeniero francés Sadi Carnot. La máquina térmica teórica que opera en el ciclo deCarnot se llama máquina teórica de Carnot. El ciclo de Carnot se compone de cuatro procesosreversibles (2 isotérmicos y 2 adiabáticos) y puede ejecutarse ya sea en un sistema cerrado o en uno deflujo permanente.

Considere un sistema cerrado compuesto por un gas contenido en un dispositivo de cilindro-embolo adiabático, como indica en la figura 2.1.

Figura 2.1 Ejecución de un ciclo de Carnot en un sistema cerrado.

El aislamiento de la cabeza del cilindro es tal que puede quitarse para poner al cilindro encontacto con depósitos que permitan la transferencia de calor. Los cuatro procesos reversibles quecomponen el ciclo de Carnot son los siguientes:

1.- Expansión isotérmica reversible (proceso 1-2 TH=Cte).- En un inicio (Estado 1) la

temperatura del gas es TH y la cabeza del cilindro esta en estrecho contacto con una fuente detemperatura TH. Se permite que el gas se expanda lentamente y que realice trabajo sobre losalrededores. Cuando el gas se expande, su temperatura tiende a disminuir. Pero tan pronto como latemperatura disminuya en una cantidad infinitesimal dT , un poco de calor fluye del depósito al gas, locual eleva la temperatura de este a TH. En consecuencia la temperatura del gas se mantiene constanteen TH. Como la diferencia de temperatura entre el gas y el depósito nunca excede una cantidaddiferencial dT , este es un proceso de transferencia de calor reversible. El cual continua hasta que elembolo alcanza la posición 2. La cantidad de calor total transferida al gas durante este proceso es QH.


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2.- Expansión adiabática reversible (Proceso 2-3, la temperatura disminuye de TH a TL).- En elestado 2, el depósito que estaba en contacto con la cabeza del cilindro se quita y se reemplaza por unaislamiento, de manera que, el sistema se vuelva adiabático. El gas continúa su expansión lenta yefectúa trabajo sobre los alrededores hasta que su temperatura desciende de TH a TL (Estado 3). Sesupone que no hay fricción entre el embolo y que el proceso será de cuasiequilibrio, por lo que el

proceso es tanto reversible como adiabático.3.- Compresión isotérmica reversible (Proceso 3-4 TL=Cte).- En el estado 3 se quita el

aislamiento en la cabeza del cilindro y este entra en contacto con un sumidero a temperatura T L.Después el émbolo se empuja hacia adentro mediante una fuerza externa, y efectúa trabajo sobre elgas. A medida que se comprime el gas su temperatura tiende a aumentar. Pero tan pronto como seincrementa en una cantidad infinitesimal dT , fluye calor del gas al sumidero, lo cual provoca que latemperatura del gas disminuya a TL. De esta manera la temperatura del gas se mantiene constante enTL. Como la diferencia de la temperatura entre el gas y el sumidero nunca excede una cantidaddiferencial dT , este es un proceso de transferencia de calor reversible. El proceso continua hasta que elembolo alcanza la posición 4. La cantidad de calor desechada por el gas en este proceso es QL.

4.- Compresión adiabática reversible (Proceso 4-1, la temperatura aumenta de TL a TH).-Elestado 4 es tal que cuando el depósito de baja temperatura se quita y se vuelve a poner el aislamientosobre la cabeza del cilindro y el gas se comprime de manera reversible, este regresa a su estado inicial(Estado 1). La temperatura aumenta de TL a TH durante este proceso, el cual completa el ciclo.

Figura 2.2 Diagrama P-v Del Ciclo de Carnot.

El área bajo la curva del proceso representa el trabajo de frontera en procesos decuasiequilibrio (internamente reversibles), observe que el área bajo la curva 1-2-3 es el trabajoefectuado por el gas durante la parte de expansión del ciclo, y el área bajo la curva 3-4-1 es el trabajorealizado sobre el gas durante la parte de compresión del ciclo. El área encerrada por la trayectoria delciclo (área 1-2-3-4-1) es la diferencia entre estas dos y representa el trabajo neto efectuado durante elciclo.


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El ciclo de Carnot también puede ejecutarse en un sistema de flujo permanente. Al ser un cicloreversible, es un ciclo más eficiente que opera entre dos límites de temperaturas especificados. Aúncuando el ciclo de Carnot no es posible en la realidad, la eficiencia de los ciclos reales puede mejorarsesi se aproxima lo más posible al ciclo de Carnot.

2.1.1 Los principios de carnot

La segunda ley de la termodinámica impone limitaciones en la operación de dispositivoscíclicos, según lo expresan los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius. Una máquina térmica no operasi intercambia calor con un solo depósito, y un refrigerador no puede operar sin una entrada de trabajoneto de una fuente externa.

Figura 2.3 Los principios de Carnot

Es posible extraer conclusiones valiosas de estos enunciados. Dos de ellos se refieren a laeficiencia de máquinas térmicas reversibles e irreversibles (esto es, reales), y se conocen como losprincipios de Carnot. Se expresan del modo siguiente:

1.- La eficiencia de una máquina térmica irreversible, siempre es menor que la eficiencia de unareversible que opera entre los mismos dos depósitos.

2.- La eficiencia de todas las máquinas térmicas reversibles que operan entre los dos mismos depósitosson iguales.

Estos dos enunciados pueden probarse demostrando que la violación de cualquiera de ellosviola la segunda ley de la termodinámica.

Para probar el primer enunciado considere dos máquinas térmicas que operen entre losmismos depósitos, como en la figura 2.4. Una máquina irreversible y la otra reversible. A cada máquinase le suministra la misma cantidad de calor QH. La cantidad de trabajo producida por la máquina térmicareversible es Wrev y la cantidad producida por la máquina irreversible Wirrev.


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Figura 2.4 Prueba del primer principio de Carnot.

En violación del primer principio de Carnot, suponga que la máquina térmica irreversible es máseficiente que la reversible (esto es t,irrev> t,rev) y por ello entrega más trabajo que esta. Deje ahora quela máquina térmica reversible se invierta y opere como un refrigerador. Este refrigerador recibirá unaentrada de trabajo de Wrev y desechara calor en el depósito de alta temperatura. Como el refrigeradorrechaza calor en la cantidad de QH en el depósito de alta temperatura y la máquina térmica irreversiblerecibe la misma cantidad de calor de este depósito, el intercambio de calor neto para este depósito escero. De modo que podría eliminarse al tener la descarga del refrigerador QH directamente en lamáquina térmica irreversible.

Ahora considere el refrigerador y la máquina irreversible en conjunto; tiene una máquina queproduce una cantidad de trabajo neto igual a Wirrev-Wrev mientras intercambia calor con un solo depósito(una violación del enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley). Por tanto la suposición inicial de que

t,irrev> t,revn es incorrecta. Así, ninguna máquina térmica puede ser más eficiente que una máquinatérmica reversible que opera entre los mismos dos depósitos.

El segundo principio de Carnot también puede formarse de manera similar. En este caso,sustituye a la máquina irreversible por otra máquina reversible que sea más eficiente y que por lo tantoentregue más trabajo que la primera máquina reversible. Con el mismo razonamiento anterior, tendríauna máquina que produce una cantidad neta de trabajo mientras intercambia calor con un solo depósito,lo que constituye una violación de la segunda ley. Por ello, ninguna máquina térmica reversible puede

ser más eficiente que otra máquina térmica que opera entre los dos mismos depósitos,independientemente de cómo se termina el ciclo o del tipo de fluido de trabajo utilizado.


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2.1.2 LA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT.

La hipotética máquina térmica que opera en el ciclo reversible de Carnot se llama máquinatérmica de Carnot. La eficiencia térmica de cualquier máquina térmica, reversible o irreversible, estadada por la siguiente ecuación:

H

Lt

QQ1 (2-1)

Donde:QH es el calor transferido a la máquina térmica desde un depósito de alta temperatura a TH.QL es el calor desechado en un depósito de baja temperatura a TL.

En máquinas térmicas reversibles, el cociente de transferencia de calor en la relación de calorpuede ser sustituido por el cociente de temperatura absoluta de los depósitos, de acuerdo con lasiguiente ecuación:

L

H

rev L

H

T

T

Q

Q (2-2)

En ese caso la eficiencia de una máquina de Carnot, o de cualquier máquina térmica reversible,se vuelve:

H

Lrevt

T

T 1, (2-3)

Con frecuencia esta relación se le conoce como la eficiencia de Carnot ya que la máquinatérmica de Carnot es la máquina reversible más conocida. Esta es la eficiencia más alta que puedetener una máquina térmica que opere entre los dos depósitos de energía térmica a temperaturas TL y TH(Fig. 2.5).

Figura 2.5 La máquina térmica de Carnot es la más eficiente de todas las máquinastérmicas que operan entre los mismos depósitos de alta y baja temperatura.


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Todas las máquinas térmicas irreversibles (reales) que operen entre estos límites detemperatura (TL y TH) tendrán eficiencias más bajas. Una máquina térmica real no puede alcanzar estevalor de eficiencia teórica máxima porque es imposible eliminar por completo todas las irreversibilidadesasociadas al ciclo real.

Como TL y TH son temperaturas absolutas, utilizar ºC o ºF en la relación anterior produciríaresultados con un error muy grande. Las eficiencias térmicas de máquinas térmicas reales y reversiblesque operan entre los mismos límites de temperatura se comparan de la manera siguiente:

t t, rev máquina térmica imposible

Figura 2.6 Ninguna máquina térmica pueda tener una eficiencia más alta queuna máquina térmica reversible que opere entre los mismosdepósitos de alta y baja temperatura.

Casi todos los dispositivos que producen trabajo (máquinas térmicas) en operación, tieneneficiencias por abajo del 40%, lo cual parece bajo en relación con el 100%. Sin embargo, cuando seevalúa el rendimiento de máquinas térmicas reales, las eficiencias no deben compararse con 100% envez de eso deben compararse con la eficiencia de una máquina térmica reversible que opere entre losmismos límites de temperatura (debido a que este es el verdadero límite superior teórico para laeficiencia, no el 100%).

Por la ecuación 2-3, la eficiencia de una máquina térmica de Carnot aumenta cuando TH seincrementa o cuando TL se reduce. Esto era de esperarse pues conforme TL disminuye, lo mismo ocurrecon la cantidad de calor desechada, y a medida que TL se aproxima a cero, la eficiencia de Carnot seacerca a la unidad. Esto también es cierto para las máquinas térmicas reales. La eficiencia térmica delas máquinas térmicas reales puede maximizarse al suministrar calor a la máquina a la temperatura másalta posible (limitada por la resistencia del material) y desechando calor de la máquina a la temperaturamás baja posible (limitada por la temperatura del medio de enfriamiento como ríos, lagos o laatmósfera.


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2.1.3 El refrigerador y la bomba de calor de Carnot

Sabemos que el calor fluye en la dirección de las temperaturas decrecientes; de la región dealta temperaturas a las de baja. Dicho proceso de transferencia de calor sucede en la naturaleza sinque se requiera algún dispositivo. El proceso inverso, sin embargo, no sucede por si sólo. La

transferencia de calor de una región de baja temperatura a una de alta temperatura requieredispositivos especiales llamados refrigeradores.

Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo empleados en los ciclos derefrigeración se llaman refrigerantes. En la figura 2.7 se muestra de manera esquemática unrefrigerador. En este caso QL es la magnitud del calor extraído del espacio refrigerado a la temperaturaTL, QH es la magnitud del calor liberado hacia el espacio caliente a temperatura TH, y Wneto,en es laentrada neta de trabajo al refrigerador. Siendo QL y QH cantidades positivas.

Otro dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperaturaes la bomba de calor. Los refrigeradores y las bombas de calor son, en esencia, los mismosdispositivos; sólo difieren en sus objetivos. El objetivo de un refrigerador es mantener el espaciorefrigerado en una temperatura baja y extraer el calor de él. La descarga de este calor en un medio detemperatura mayor es una parte necesaria de la operación, no el propósito. El objetivo de una bombade calor, sin embargo es mantener un espacio calentado a alta temperatura, esto se logra al absorbercalor de una fuente de baja temperatura como el agua de un pozo o el aire exterior frío en el invierno, yal suministrar este calor a un medio más caliente, como una casa.

Figura 2.7 El objetivo de un refrigerador es extraer calor (Q L) del medio frío; el objetivode una bomba de calor es suministrar calor (Q H) a un medio caliente.


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El rendimiento de refrigeradores y de bombas de calor se expresa en términos del coeficientede operación (COP), el cual se define como:

COPR= Salida deseada = Efecto de enfriamiento = QL

Entrada requerida Entrada de trabajo Wneto, en COPBC= Salida deseada = Efecto de calentamiento = QH

Entrada requerida Entrada de trabajo Wneto, en

Advierta que tanto COPR y COPBC pueden ser mayores que uno. Una comparación de estasdos ecuaciones revela que:

CO

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