Texto Refrigeración y Aire Acondicionado

0. Refrigeración y Aire Acondicionado

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA

INGENIERIA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA

Refrigeración y Aire Acondicionado 1.

CAPITULO 1

SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRIO OBJETIVOS

• Describir sistemas de producción de frio.

• Explicar aplicaciones del frio en industrias alimenticias.

• Describir la clasificación de los sistemas de producción de frio.

• Presentar leyes ambientales para el manejo de refrigerantes.

1.1 HISTORIA DE LA REFRIGERACIÓN

En el año 1755 ya se conocía el efecto de enfriamiento causado por el éter al evaporarse sobre la piel. En aquel tiempo el profesor de química William Cullen, demostró la formación del hielo en el agua en contacto con un recipiente conteniendo éter, al reducir la presión sobre el éter promovió su ebullición a una temperatura baja lo suficiente para proporcionar la formación de hielo.1

Informaciones sobre métodos de licuefacción de gases a través de compresión fueron reunidas en la segunda mitad del siglo XVIII. En 1780, dos hombres llamados J.F. Clouet y G. Monge hicieron proceso de licuefacción al dióxido de azufre. La idea de unir las técnicas de evaporación y condensación y crear un sistema cíclico parece que ha sido sugerida por la primera vez por Oliver Evans de Filadelfia, más la primera máquina cíclica de refrigeración fue hecha por Jacobo Perkins.

El sistema podría ser usado con cualquier fluido volátil, especialmente éter y consiste en cuatro componentes principales: evaporador, compresor, condensador y válvula de expansión.

El mayor responsable por colocar máquinas de refrigeración en uso fue el escocés James Harrison. Se inició en el asunto a partir de un breve entrenamiento técnico en las clases de química durante su curso de tipografía en la universidad. Al percibir el efecto de enfriamiento

1 Artículo de la revista Fic Frio, TECUMSEH, do Brasil Ltda. Agosto 2006

del éter inventó, alrededor de 1850, una maquina accionada manualmente para producción de hielo. En los años 1856 y 1857 solicitó patentes en Gran Bretaña, y dio continuidad al desarrollo construyendo máquinas todavía más adelantadas en Inglaterra.

El éter cuando es sometido a la presión de una atmósfera evapora a la temperatura de 34,5 ºC. Cuando el objetivo es producir hielo esta presión debe ser bien más baja para que la evaporación ocurra a temperaturas inferiores a 0ºc.

Hoy en día la producción de frío es esencial para la conservación de los alimentos inclusive para muchos procesos industriales.

Las aplicaciones del frío en la fabricación de helados en envasados de carne y volatería en conservación del pescado

¿Qué es la tecnología frigorífica?

“Tecnologías que permiten la evacuación de calor de una determinada sustancia para alcanzar y/o mantener una temperatura deseada inferior a la de los alrededores”

1.2 CAPA DE OZONO

El ozono es un gas de forma O3 y es venenoso para el ser humano. La capa de ozono es una especie de sombrilla protectora de la atmósfera que permite preservar la vida sobre la Tierra, se encuentra concentrado entre los 10 y 50 kilómetros sobre la superficie terrestre y actúa como escudo para absorber la radiación ultravioleta (UV) proveniente del sol, demasiada radiación ultravioleta puede producir efectos nocivos en plantas y animales incluido el hombre

2. Refrigeración y Aire Acondicionado ocasionando riesgos para la salud, como el cáncer de la piel, las cataratas oculares, la supresión del sistema inmunológico, etc.

El ozono se produce a partir del oxígeno molecular mediante una serie de reacciones catalizadas. Si los rayos ultravioleta provenientes del sol son absorbidos por el ozono, se da un proceso llamado fotólisis, por eso el nombre de ozono estratosférico.

Figura 1.1 Rayos ultravioletas provenientes del sol llegan a la Tierra.

Los rayos ultravioleta se clasifican en tres tipos: los rayos ultravioleta C (UV-C) que es absorbida plenamente en la atmósfera, los rayos ultravioleta B (UV-B) son de alta frecuencia produce cáncer de la piel por eso son malignos y los rayos ultravioleta A (UV-A) son los de baja frecuencia, y es beneficioso para los seres vivos del planeta.

La exposición a una mayor radiación UV-B podría suprimir la eficiencia del sistema inmunológico del cuerpo humano. El aumento de la radiación UVB además provocaría cambios en la composición química de varias especies de plantas, cuyo resultado sería una disminución de las cosechas y perjuicios a los bosques, y resultaría perjudicial para las pequeñas criaturas del planeta, las larvas de peces, etc.

Alrededor del 90% del ozono de la atmósfera está contenido en la estratosfera mientras que el 10% restante está localizado en la troposfera, la parte más baja de la atmósfera donde ocurren todos los fenómenos climáticos. Este ozono troposférico es peligroso ya que es nocivo para los seres vivos, al forma parte del denominado smog fotoquímico o contaminación del aire, principalmente en ciudades grandes.

1.2.1 AGOTAMIENTO DE LA CAPA DE OZONO

En este siglo XXI la atmósfera esta bajo la amenaza de elementos químicos generados por industrias resultado de la acción humana. El ozono se degenera continuamente en la atmósfera debido a la polución, que puede destruir la capa de ozono lo cual acabaría con el equilibrio en la atmósfera.

Los mayores culpables son las sustancias químicas llamadas CFC (clorofluorcarbono). Estos pueden mantenerse activos en la atmósfera por más de cientos de años con su acción de destruir lentamente a la capa de ozono.

Las SAO (sustancias agotadoras del ozono) en general son sustancias que tienen capacidad de liberar radicales cloro y bromo en la estratósfera, se encuentran en algunos equipos frigoríficos y de aire acondicionado, se utilizan como fluido refrigerante.

1.2.2 AGUJERO DE OZONO

El agujero del ozono es un fenómeno descubierto en la Antártida en 1985, pero también se presenta con menor intensidad en el polo Ártico y en otros sitios del planeta Tierra, ha crecido casi todos los años.


Figura 1.2 Imagen del agujero del ozono

(Foto NASA 24 de Septiembre,2005)

El tamaño del agujero de ozono presentó unos máximos históricos en los años 2000, 2003 y 2005, llegando a cubrir una extensión sobre la Antártica en torno a los 30 millones de kilómetros cuadrados, tres veces más que el territorio de Australia o Estados Unidos, incluida Alaska.

1.2.3 PROTECCIÓN DE LA CAPA DE OZONO

El programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) se preocupó de la capa de ozono desde su creación en 1972. En marzo de 1985 el Convenio para la protección de la capa de ozono fue firmado en Viena. El convenio preveía futuros protocolos para la enmienda. En septiembre de 1987 se firmó el protocolo de Montreal que fue el primer paso para proteger la capa de ozono, disponiéndose que para años mas tarde debía llegar a una reducción y eliminación de determinados CFCs.

Para ello la humanidad debe concientizar en:

− Evitando el consumo de productos de contengan CFC’s o SAOs.

− Evitando la liberación de estos gases, de los aerosoles, refrigeradores y limpiezas.

− Controlando los tiempos y horas de exposición a la radiación del sol.

− Usando protección adecuada en las actividades al aire libre (sombreros, bloqueadores, etc.).

− Difundiendo la información entre la población, orientando acciones para cuidar y preservar el Medio Ambiente.

1.2.4 LEYES AMBIENTALES Y RESOLUCIONES PARA EL SECTOR DE REFRIGERACIÓN

La primera reunión internacional donde se reconoció los efectos adversos de la Sustancias Agotadoras de Ozono (SAO) sobre el medio ambiente fue el Convenio de Viena, firmado en marzo de 1985 con la asistencia de 41 países, mas tarde se firmó el Protocolo de Montreal en septiembre de 1987, participando únicamente 24 naciones, al realizarse la reunión en Londres este número se había visto aumentado considerablemente, quienes identificaron las principales sustancias agotadoras del Ozono CFC completamente halogenados y halones.

El Fondo Multilateral es el mecanismo principal mediante el cual los países desarrollados ayudan a los países en desarrollo a implementar el Protocolo de Montreal. Las actividades aprobadas por el comité ejecutivo se ponen en ejecución a través de cuatro agencias de implementación;

• Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA)

• Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial (ONUDI)

• Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD)

• Banco Mundial (BM)

Los grupos de expertos consideran tanto los recursos científicos como los medios y tecnologías existentes para reemplazar y eliminar gradualmente las sustancias que van destruyendo el ozono. Las partes se reunieron por cuarta vez en Copenhague en noviembre de 1992 y acordaron que todos los CFC, al igual que el metilcloroformo quedasen eliminados a mas tardar hasta 1996, y que los halones quedasen eliminados en 1994 a más tardar. En cuanto a los HCFC estos quedarían eliminados el año 2030, debido a que son sustitutos de los CFC y tienen menor efecto agotador del ozono.

4. Refrigeración y Aire Acondicionado Bolivia se adhiere a los convenios internacionales sobre la capa de ozono, a partir de la aprobación de la ley Nº 1584 del 3 de agosto de 1994, el cual nos permite adherirnos al Convenio de Viena, Protocolo de Montreal y las enmiendas de Londres y Copenhague.

Se implantó un sistema de concesión de licencias de importación y exportación de sustancias controladas nuevas, recicladas y

regeneradas, el cual se encuentra establecido en nuestro país en el Decreto Supremo Nº 27421 del sistema de Licencias de Importación y Control de Sustancias Agotadoras de Ozono, regulado con el Reglamento de gestión ambiental de Sustancias agotadoras del Ozono aprobado por Decreto Supremo Nº 27562 en fecha 9 de junio de 2004.

Figura 1.3 Modificación realizada al Protocolo de Montreal en noviembre de 1992, para la

eliminación de los HCFC

1.3 MÉTODOS PARA LA PRODUCCIÓN DE FRIO

Existen tres métodos principales para la producción de frío.2

a) Mezclas refrigerantes La disolución de determinadas sales en ciertos líquidos requiere una absorción de calor. Esta disolución produce frío.

b) Expansión de un gas comprimido

Al comprimir un gas se eleva su temperatura, contrariamente la expansión de un gas comprimido reduce la temperatura del gas expansionado, bajo este principio trabajan los

2 “Formulario del Frio” , Pierre Rapin, pág. 63.

sistemas que permiten la licuefacción de los componentes del aire.

c) Evaporación de un líquido puro

En esta aplicación de este fenómeno da lugar a tres tipos de máquinas frigoríficas.

Máquinas de evaporación y compresión, en la práctica, son las únicas que se usan en refrigeración domestica y comercial.

Máquinas de absorción, se basa en el principio de que la solubilidad de un gas en un líquido sobre el cual no ejerce acción química alguna disminuye con el aumento de temperatura.

Máquinas de evaporación de agua, con el empleo de eyectores. Este sistema produce agua fría en una cámara flash. En la cámara se mantiene al vacío con el eyector de vapor, que

Refrigeración y Aire Acondicionado 5. retira el vapor generado mediante su arrastre por el chorro de baja presión y lo descarga al condensador.

1.4 CLASIFICACIÓN GENERAL DE LA APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE FRIO

Según el avance tecnológico se conoce la siguiente clasificación:

Figura 1.4 Clasificación de los sistemas de producción de frio.

1.5 SISTEMA DE COMPRESIÓN MECÁNICA

El sistema de refrigeración más simple está compuesto por una caja de paredes aisladas, donde se coloca interiormente el evaporador conteniendo fluido frigorígeno3. Dentro del refrigerador el aire está en contacto con el recipiente de fluido frigorígeno y provoca la ebullición del líquido que se evapora, el aire enfriado a su contacto dentro el recipiente 3 Fluido que hace bajar la temperatura de más a menos.

provoca el enfriamiento del género, muy aplicado en refrigeración doméstica.

Un sistema de refrigeración comercial comprende cuatro elementos importantes. El refrigerador, llamado comúnmente cámara fría mantiene una temperatura baja. El evaporador en cuyo interior se evapora el fluido frigorígeno absorbiendo en el refrigerador el calor que procede de los productos que se han de enfriar. El grupo compresor- condensador que es encargada de comprimir los vapores del fluido frigorígeno que procede del evaporador y por

6. Refrigeración y Aire Acondicionado acción de compresión, permite la condensación del fluido comprimido, y el dispositivo de expansión que regula la cantidad de fluido frigorígeno.

1.6 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN

Los sistemas de refrigeración por absorción difieren de los sistemas de compresión, puesto que usan la energía del calor en vez de la energía mecánica para realizar su trabajo. Estos sistemas poseen menos partes movibles que el sistema de compresión, como ser las válvulas y controles de la fuente de calor. Su aplicación está en instalaciones comerciales y domésticas en la forma de acondicionadores de aire.

Los sistemas de absorción se usan ampliamente en vehículos, remolques y embarcaciones. En estos sistemas se reconocen cinco partes básicas: El evaporador, el absorbedor, el generador, el condensador y las líneas de refrigerante.

Ahora analicemos cada parte y cómo se compara con el sistema de refrigeración por compresión. En el sistema de absorción el evaporador también se lo llama enfriador de agua. Su propósito es el mismo que el sistema de compresión es decir el refrigerante líquido se transforma en gas extrayendo calor de cualquier material que se desee enfriar. El absorbedor desempeñados funciones; primero, hace lo mismo que hace el lado de succión del compresor. En segundo lugar, comprime el gas refrigerante. El generador es el componente que aplica energía al ciclo que puede ser mediante gas natural, gas GLP, vapor, elemento calefactor eléctrico o agua caliente de colectores solares de alta temperatura. El gas refrigerante sale del generador y fluye hacia el condensador, que desempeña el mismo trabajo el de un sistema de compresión.

1.7 REFRIGERACIÓN TERMOELÉCTRICA

En el área comercial la refrigeración termoeléctrica está poco desarrollada y hay pocos países proveedores, es el motivo por el cual debemos dedicar algunas líneas al respecto. El efecto termoeléctrico fue descubierto en 1822 por Seebeck.

1.7.1 EFECTO SEEBECK4

Si se mantienen temperaturas diferentes en la soldadura de un circuito formado por dos cuerpos de naturaleza diferente se crea en este circuito una fuerza electromotriz. De este principio nace el pirómetro termodinámico para la medición de temperatura.

1.7.2 EXPERIENCIA DE PELTIER

En 1834 Jean Charles Peltier, experimentó en una pila termoeléctrica haciendo pasar corriente eléctrica. Si suprimimos de forma brusca la corriente e intercalamos la pila en el circuito de un galvanómetro, comprobaremos que en este la existencia de una corriente, debida a una fuerza electromotriz, en un sentido que se opone al paso de la corriente primitiva. Esta corriente calienta uno de los grupos de soldadura y enfría el otro.

Altenkirch, en 1911, fue el primero en encontrar una aplicación práctica al “efecto Peltier” para la producción de frío. Dio una explicación teórica al problema a resolver y definió las propiedades físicas que debían poseer los materiales utilizados en el termopar. a) Potencia termoeléctrica elevada, b) resistividad eléctrica tan pequeña, y c) conducción térmica poco elevada. Estos tres factores determinan a fin de cuentas la reducción de la temperatura y permiten prever la rentabilidad del sistema.

La General Electric Co.de Wembley realize un dispositivo termopar empleando bismuto como polo positivo y telurato de bismuto como polo negativo. Se obtuvieron en el lado caliente una temperatura de +12 ºC y en el lado frío – 14 ºC.

1.8 CONTROL Y REDUCCIÓN DEL RIESGO DE FRÍO

En los tiempos modernos la industria ha desarrollado técnicas y avances de incalculable valor. Casi podría asegurarse que existe un equipo, herramienta mecánica o una máquina perfecta para hacer cualquier tarea que se realice en la industria, pero siempre deben

4 Formulario del frio, Pierre Rapin, pág. 77.

Refrigeración y Aire Acondicionado 7. tomarse medidas de protección contra el frio, se pueden mencionar los siguientes:

• Utilizar equipos diseñados para condiciones frías.

• Deben permitir el uso de guantes.

• Conviene precalentar equipos y herramientas.

• Tener cuidado con la salpicaduras de líquidos criogénicos.

• Toda operación de recuperación del refrigerante deben hacer los profesionales cualificados.

1.9 ACTIVIDADES

1-1. ¿Qué es refrigeración?

Respuesta.- La refrigeración consiste solamente en sustracción de calor de donde es indeseable y transferirlo a allí donde no lo es. Por tanto cuando un cuerpo caliente se enfría y su temperatura disminuye inferior a la de los cuerpos circundantes o del espacio que lo rodea, es lo que se conoce por refrigeración.

1-2. ¿Qué diferencia existe entre calor y temperatura?

Respuesta.- El calor es una forma de energía, cuando esta energía es transferida a las partículas llamadas moléculas del cual está constituida la materia, estos se mueven más rápidamente, el resultado de la adición de esta energía es la elevación de su temperatura, manifestándose en un calentamiento de la sustancia.

1-3. ¿Cómo produce frío una máquina?

Respuesta.- Esto es posible gracias a que un líquido puede ser evaporado a diferentes temperaturas cambiando la presión sobre él. Para que ocurra un cambio del estado líquido al estado gaseoso, debe haber suficiente calor o extraerse de la atmósfera circundante con objeto de proporcionar al líquido el calor de evaporación. Muchos líquidos hierven a temperaturas por debajo de cero a presión atmosférica.

1-4. Explique el calor latente de fusión, de evaporación y de condensación.

Respuesta.- El calor latente de fusión es la cantidad de calor necesaria para hacer que una sustancia pase del estado sólido al estado líquido.

El calor latente de evaporación es la cantidad de calor necesaria para convertir una sustancia del estado líquido al estado de vapor o gas.

El calor latente de condensación es la cantidad de calor que debe quitarse a un vapor para convertirlo en líquido y es el mismo que el calor latente de evaporación.

1-5. ¿Cuál es el principio que hace posible la refrigeración mecánica?

Respuesta.- La refrigeración mecánica es posible debido a que un líquido volátil, llamado refrigerante hervirá bajo las condiciones apropiadas y al hacerlo absorberá calor de los objetos que lo rodean. El efecto real de refrigeración o enfriamiento es producido por el refrigerante en ebullición al convertirse en vapor, no por la máquina.

1-6. De qué manera puede ser peligroso un refrigerante

Respuesta.- Un refrigerante puede ser oloroso, irrítate, venenoso, asfixiante, cegador, nocivo para la piel, explosivo o inflamable. La seguridad no es igual en todas las instalaciones, pero no es demás tomar todas las precauciones por causas de sus propiedades peligrosas o insalubres.

8. Refrigeración y Aire Acondicionado 1-7. Qué organismo se preocupó de la protección de la capa de ozono.

Respuesta.- La institución que se preocupó de la protección de la capa de ozono fue el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), desde su creación en 1972.

1-8. ¿Cuál es la clasificación de los sistemas de producción de frio?

Respuesta.- En sistemas de compresión mecánica y sistemas de absorción, que a su vez pueden tener varias aplicaciones como: domestico, comercial, industrial, transporte y aire acondicionado.

1-9. Explique un sistema de refrigeración solar

Respuesta.- La refrigeración solar está basada en la utilización de placas solares térmicas para proveer parte de la energía necesaria que requiere el generador de una máquina frigorífica de absorción.

1-10. Explique en qué consiste la refrigeración termoeléctrica

Respuesta.- La refrigeración termoeléctrica es en honor a Jean charles Athanase Peltier, quien observó en sus experimentos que cuando una pequeña corriente pasaba por la unión de dos alambres distintos, la unión se enfriaba, este circuito eléctrico empleaba materiales semiconductores que absorbían calor del espacio refrigerado y la liberaban en un ambiente de mayor temperatura.

Refrigeración y Aire Acondicionado 9. CAPITULO 2

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Y BOMBA DE CALOR

POR COMPRESIÓN DE VAPOR

OBJETIVOS

• Introducir conceptos de refrigeración y bombas de calor, y evaluar su coeficiente de desempeño.

• Analizar el ciclo real de refrigeración por compresión de vapor.

• Analizar los factores involucrados para la elección del refrigerante adecuado en una aplicación.

• Estudiar los sistemas múltiples de refrigeración.

2.1 INTRODUCCIÓN

2.1.1 Propiedades termodinámicas

Una propiedad termodinámica es una característica medible de un estado en equilibrio, observable o calculable de una sustancia. Para estudiar un sistema de Refrigeración, es necesario primero definir el estado de la sustancia de trabajo en función de sus propiedades termodinámicas. La Termodinámica es la ciencia que estudia estos principios llamados: primera y segunda Ley de la Termodinámica.

2.1.2 Primera Ley de la termodinámica

Esta Ley establece; El trabajo que un sistema intercambia con el medio en una transformación adiabática, el total de la energía transformada no se destruye ni se crea. De acuerdo a la primera ley, calor y trabajo son transformados uno en otro.

2.1.3 Segunda ley de la Termodinámica

Es una realidad experimental que toda fuente de calor tiene una dirección, es decir fluye espontáneamente de mayor hacia otro de menor temperatura. Rudolf Clausius establece; que es imposible la existencia de una máquina que pueda transferir calor de un cuerpo frío hacia otro más caliente.5 Para transferir calor a un

5 Fundamentos de Termodinámica Técnica, Michael Moran, pág. 205.

sistema de mayor temperatura necesitamos una máquina de Refrigeración.

2.1.4 Energía interna

La primera ley de la termodinámica dice que es imposible crear o destruir energía de esta manera entendemos el concepto de propiedad de energía interna. La energía interna de una sustancia incluye todos los tipos de energía almacenados en sus moléculas ya sea en forma cinética o potencial.

2.1.5 Entalpía

La entalpía es una propiedad de una sustancia, es una energía compuesta y definida de la siguiente manera:

(2.1)

A la energía almacenada en forma de temperatura y presión se le llama entalpía. La importancia de la entalpía es la energía presente en todos los problemas de flujo estacionario.

2.1.6 Entropía

La entropía es una propiedad termodinámica que expresa el peso térmico, y se la formula matemáticamente por:

(2.2)

La entropía es muy útil para resolver problemas que incluyen problemas adiabáticos reversibles. La entropía nos señala el desorden de las moléculas de una sustancia.

10. Refrigeración y Aire Acondicionado 2.2 CICLO TERMODINÁMICO ESTÁNDAR

DE CARNOT INVERTIDO

El ciclo de Carnot es una máquina térmica conocido desde los estudios de la termodinámica y es el de mayor rendimiento que otro ciclo que trabaje entre las dos temperaturas extremas.

En refrigeración se aplica el ciclo invertido de Carnot, porque transporta energía desde una fuente fría a una fuente caliente. Para realizar el ciclo inverso de Carnot se necesita suministrar un trabajo externo. El diagrama de la instalación se muestra a continuación.

Figura 2.1 Máquina de Carnot invertido.

Hay dos razones para estudiar el ciclo de Carnot invertido, primero nos sirve como tipo de comparación, segundo nos proporciona un rango de temperaturas que debería mantenerse para conseguir el máximo rendimiento.

En el ciclo de refrigeración en lugar de gas, puede usarse un refrigerante que se condense durante el proceso de cesión de calor y hierva durante el proceso de adición de calor o refrigeración, este fluido de trabajo puede funcionar entre los estados de líquido y vapor, por lo que el ciclo de Carnot estaría comprendido entre las líneas de líquido saturado y vapor saturado como se muestra en la figura 2.1 (b).

2.3 COEFICIENTE DE FUNCIONAMIENTO (DESEMPEÑO)

Para saber el grado de eficiencia del sistema de refrigeración debe definirse un término que exprese su efectividad, y para evitar confusión con el rendimiento se utiliza la idea como coeficiente de funcionamiento o coeficiente de operación del ciclo, COP (Coefficient of Performance) y es una magnitud adimensional.

Partiendo del objetivo del sistema de refrigeración de absorber una cantidad determinada de calor de un foco frio mediante la aplicación de una cierta cantidad de trabajo, el coeficiente de operación está definido por la relación de la refrigeración útil entre el trabajo neto consumido, por supuesto que tienen que estar en las mismas unidades.

. . ó ú

(2.3)

En el diagrama T-s viene representado el concepto de coeficiente de funcionamiento.


Figura 2.2 Diagrama T-s, para mostrar el coeficiente de funcionamiento.

2.4 CICLO ESTÁNDAR DE COMPRESIÓN DE VAPOR

El ciclo estándar de compresión de vapor se muestra en la figura 2.3 (b)

Los procesos que comprende son:

Proceso 1-2. Compresión adiabática y reversible.

Proceso 2-3. Cesión de calor a presión constante para la condensación.

Proceso 3-4. Expansión irreversible a entalpía constante.

Proceso 4-1. Adición de calor a presión constante.

Figura 2.3 Gráfico de un sistema de refrigeración por compresión de vapor.

1-2 Proceso de compresión, donde trabaja el compresor Q=0, por ser compresión adiabática, haciendo el balance de energía, el trabajo de compresión es:

(2.4.a)

(2.4.b)

(2.4.c)

El signo negativo indica que debe suministrarse un trabajo exterior. Por tanto se debe asumir el valor absoluto para el cálculo de la potencia del compresor.

2-3 Proceso de condensación, no se realiza trabajo por tanto W=0, y se cede calor del condensador al entorno.

(2.5.a)

(2.5.b)

El calor Qcond es negativo, lo que expresa que el calor es cedido por el refrigerante. El valor del calor cedido se necesita para el cálculo de las dimensiones del condensador y del caudal necesario del líquido refrigerante en el condensador.

3-4 Proceso de expansión, este proceso se realiza en la válvula de expansión termostática a entalpía constante en un sistema comercial e industrial.

(2.6.a)

No hay trabajo, tampoco transferencia de energía, entonces Q=0 y W=0.

(2.6.b)

4-1 Proceso de evaporación, o ebullición del refrigerante en el evaporador. Un sistema cerrado sin trabajo, W=0.


(2.7.a)

(2.7.b)

El calor se llama efecto refrigerante.

2.5 EFECTO REFRIGERANTE

El efecto refrigerante es el calor puesto en juego en el proceso 4-1.

. . (2.7.c)

El flujo másico del refrigerante puede calcularse dividiendo la capacidad de refrigeración del sistema de refrigeración entre el efecto refrigerante.

ó (2.8)

La potencia mecánica del compresor, es el trabajo de compresión por el flujo másico del refrigerante.

· · (2.9) Donde: N; Potencia requerida por el compresor, en Hp. W = trabajo de compresión, en kJ/kg m = caudal en masa, en kg/min fe = factor de conversión

2.6 ESTUDIO DEL DIAGRAMA DE MOLLIER

El diagrama de Mollier proporciona datos de los puntos de estado mediante las cuales va evolucionando las transformaciones que ocurren en el sistema, es de gran ayuda para el técnico de Refrigeración. Cada refrigerante tiene su propio diagrama, y aparecen cinco propiedades básicas del refrigerante. A continuación se detallan las diferentes zonas y líneas que forman el mencionado diagrama.

Figura 2.4 Diagrama de Mollier.

La escala vertical del diagrama es la presión absoluta. Las líneas de presión son horizontales en todo el diagrama.

La escala horizontal representa la entalpía, estas líneas son verticales sus valores tienen importancia para los cálculos de trabajo y transferencia de calor.

Las líneas de temperatura constante corren en dirección vertical hasta interceptar la curva de líquido saturado, en la zona de mezclas sigue una trayectoria horizontal entre las curvas de saturación, y en la zona de vapor sobrecalentado van en dirección vertical.

2.7 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN CON INTERCAMBIADOR DE CALOR

En la práctica, los sistemas de refrigeración utilizan un intercambiador de calor, este intercambiador de calor subenfría al líquido refrigerante que sale del condensador utilizando vapor procedente del evaporador.

Figura 2.5 Esquema representativo de un sistema

de refrigeración que utiliza intercambiador.


Figura 2.6 Diagrama de un sistema con intercambiador de calor.

El subenfriamiento corresponde a la zona entre la salida del condensador y la entrada a la válvula de expansión. En el diagrama presión - entalpía esta es:

∆ (2.10)

El sobrecalentamiento corresponde a la zona entre la salida del evaporador y la entrada al compresor. En el diagrama presión entalpía esta es:

∆ (2.11)

El intercambiador de calor permite la mejora del rendimiento de una instalación frigorífica, debe montarse en el interior de la cámara fría inmediatamente después del bulbo de la válvula de expansión.

2.8 SISTEMAS DE PRESIONES MÚLTIPLES

El sistema de presiones múltiples se distingue de la presión única en que el sistema de refrigeración trabaja con dos o más “bajas presiones”. Por ejemplo, en una lechería donde el evaporador funciona a temperatura de - 35 ºC para endurecer el helado, mientras que otro evaporador trabaja a 1 ºC para enfriar la leche, este sistema de refrigeración es de presiones múltiples.

En este curso estudiaremos solamente sistemas de presiones múltiples con dos bajas presiones. Estos principios desarrollados se aplican a sistemas de refrigeración de dos o más de dos bajas presiones.

Figura 2.7 Diagrama de un sistema con dos evaporadores.

2.8.1 Separación de vapor saturado

Con esta técnica se obtiene un ahorro de la potencia necesaria en la refrigeración si el vapor saturado que se produce al expandir el líquido refrigerante se separa y se comprime antes de la expansión completa.

El proceso de expansión según se muestra la figura 2.8, en el diagrama presión - entalpía, el punto 2 al final de la expansión, puede alcanzarse interrumpiendo la expansión en 3 y separando las fase de líquido y vapor que son los puntos 4 y 6 respectivamente, de tal manera

expandiéndose el líquido en el estado 4 y el vapor en el estado 6 hasta la presión final llegando a los puntos 5 y 7 respectivamente.

La separación ocurre cuando la velocidad ascendente del vapor es lo suficientemente baja para que las partículas de líquido caigan dentro del depósito o cámara flash.

El balance térmico y de masas es:

(2.12)


Figura 2.8 Diagrama de un sistema con un depósito de separación de vapor.

2.8.2 Enfriamiento intermedio con refrigerante líquido

En este sistema de dos etapas de compresión se efectúa el economizado en trabajo porque reduce el trabajo de compresión.

La presión intermedia es:

· (2.13)

Donde:

Ps; es la presión de succión, en el compresor de baja.

Pd; es la presión de descarga en el compresor de alta.

Figura 2.9 Diagrama de un sistema con dos etapas de compresión.

2.8.3 Sistema en cascada

Algunas aplicaciones de refrigeración industriales requieren temperaturas moderadamente bajas, y el intervalo de temperatura que trabaja es demasiado grande

para que un ciclo simple de refrigeración por compresión de vapor resulte práctico. La manera de realizar el proceso de refrigeración es por etapas, es decir, tener dos o más ciclos de

Refrigeración y Aire Acondicionado 15. refrigeración que operen en serie. En la figura 2.10 se muestra un ciclo en doble cascada en el que dos ciclos de refrigeración por compresión de vapor colocados en serie comparten un intercambiador de calor en contracorriente.

Los flujos másicos de cada ciclo se puede escribir por:

(2.14)

Además:

(2.15)

Figura 2.10 Diagrama de un sistema en cascada.

2.9 CICLO REAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR

Un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor difiere de un ciclo ideal en varios aspectos, principalmente debido a las irreversibilidades que ocurren en los componentes del sistema, y se requiere de un estudio intenso no sólo de los procesos particulares que constituyen el ciclo, sino también de las relaciones que existen entre los diferentes procesos, un cambio tendría modificación en los demás procesos del mismo.

Figura 2.11 Representación del ciclo de refrigeración real.

Las diferencias esenciales entre el ciclo real y el estándar son:

a) En el ciclo estándar, se supone que el refrigerante llega hasta la entrada en la succión del compresor como vapor saturado seco. En el ciclo real el vapor saturado continúa absorbiendo calor convirtiéndose por tanto en sobrecalentado, y está recomendado como precaución contra gotitas de líquido refrigerante que podrían llegar al compresor.

b) Cuando el líquido es sub-enfriado antes de que ingrese a la válvula de expansión es garantizando que el cien por cien llegue líquido, se ha demostrado que se incrementa el efecto refrigerante por unidad de masa.

c) El refrigerante experimenta caídas de presión en el condensador y en el evaporador para vencer la fricción, también representa caída de presión en la succión a la entrada del compresor. El ciclo estándar supone que no existe ninguna caída de presión en el condensador ni en el evaporador.

d) El ciclo real respecto del estándar no es isentrópica, porque existe una pérdida de rendimiento debida a la fricción y caída de presión necesaria para forzar la apertura de las válvulas de descarga.

16. Refrigeración y Aire Acondicionado 2.10 REFRIGERANTE

Un refrigerante es una sustancia que sirve como medio de transmisión del calor. Esta absorbe calor al evaporarse a baja temperatura y lo cede al condensarse a alta presión y temperatura.

Los refrigerantes se clasifican en 5 grupos fundamentales:

• Hidrocarburos halogenados

• Mezclas (azeotrópicas, no azeotrópicas)

• Hidrocarburos

• Compuestos inorgánicos

• Sustancias orgánicas no saturadas

Los Hidrocarburos halogenados, son refrigerantes que contienen uno o más de los

tres halógenos: cloro, flúor, bromo. Son obtenidos a partir de una molécula de hidrocarburo y se cambian los átomos de hidrógeno por cloro y flúor.

Las mezclas azeotrópicas, están formada por dos o tres sustancias las cuales no se pueden separar en sus componentes por destilación. Estas mezclas se evaporan y condensan como una sustancia simple con propiedades diferentes a las de sus constituyentes.

Las mezclas zeotrópicas, están formadas por dos más sustancias. Estas mezclas tienen la característica de evaporarse y condensarse a una misma presión pero a diferentes temperaturas.

Hidrocarburos, algunos de ellos se utilizan como refrigerantes de forma simple o mezclas de ellos. Los más usados son isobutano, propano, etano.

Presentan baja viscosidad y alta conductividad térmica, lo cual garantiza el buen funcionamiento del sistema. Ebullen a bajas temperaturas con presiones cercanas a la atmosférica y se condensan a presiones no muy altas, influyendo positivamente en el tamaño, costo y funcionamiento del sistema. Son miscibles con el aceite garantizando su retorno al compresor. Tienen alta estabilidad química, evitando cambios futuros en su composición que alteren el funcionamiento del equipo. Son compatibles con los materiales empleados en los sistemas tradicionales, con el cobre y los aceites minerales, facilitando su aplicación y disminuyendo el costo de sustitución. Presentan un alto calor latente en el proceso de ebullición. Su densidad es baja comparada con los CFCs, lo cual favorece su empleo a pesar de su inflamabilidad ya que la carga a emplear es menor.

Son sustancias ecológicas: Su potencial agotador de ozono (ODP) es nulo. No son tóxicos. Presentan un potencial de calentamiento global (GWP) despreciable. Buena capacidad frigorífica.

Son inflamables.

Compuestos inorgánicos muchos de estos refrigerantes se usaron en los inicios de la refrigeración, algunos de ellos siguen todavía en uso. Los más usados son amoníaco, agua, aire, dióxido de carbono, dióxido de azufre.

El amoníaco es un refrigerante eficaz usado en la conservación de alimentos y muchos otros procesos. Es corrosivo y arriesgado cuando se liberan grandes cantidades, debido a su olor irritante.

ASHRAE6 considera que el uso continuado de amoníaco es necesario para la conservación de alimentos y el aire acondicionado. ASHRAE promueve una variedad de programas para conservar los beneficios económicos del amoníaco como refrigerante controlando las direcciones de riesgos.

Sustancias orgánicas no saturadas generalmente se usan solo dos de estos compuestos el etileno y el propileno.

2.10.1 Clasificación de los refrigerantes

Hoy se comercializan una gran variedad de refrigerantes con nombres comerciales que están en dependencia del fabricante. La ASHRAE ha establecido una clasificación para todos los refrigerantes de manera que rápidamente se pueda identificar el producto y

6 American Society Hait Refrigeration Acondioning Enginere.

Refrigeración y Aire Acondicionado 17. conocer algunas de sus características, independientemente del nombre con el cual se comercialice.

Esta clasificación consta de tres números antecedidos de la letra R que indica que es un refrigerante.

R-XYZ

Z este dígito indica el número de átomos de Flúor en el compuesto.

Y este dígito es 1+ que el número de átomos de Hidrógeno del compuesto.

X este dígito es 1- que el número de átomos de Carbono del compuesto. Cuando este dígito es cero se omite.

X=0 significa que es un refrigerante logrado a partir de la molécula de metano CH4. Ejemplo, R-11, R-12, R-13, R-22

X=1 logrado a partir de la molécula de etano CH3CH3. Ej. R-134a, R-125, R-143a.

X=2 logrado a partir de la molécula de propano CH3CH2CH3. Ej. R-218, R-290.

X=3 Refrigerante logrado a partir de Butano.

X= 4 Combinación de diferentes refrigerantes, deslizamiento de la temperatura del proceso de Evaporación y Condensación. Ej. R-404A, R-407C, etc.

X=5 Combinaciones de diferentes refrigerantes, Temperatura Constante de Evaporación y Condensación. Ejemplo, R-507.

X=6 Otros refrigerantes orgánicos;, e.g. Isobutano R-600ª

X=7 Refrigerantes Inorgánicos, e.g. Amoniaco R-717, Dióxido de Carbono R-744, Agua R-718

Refrigerante R-12 nombre químico – diclorodifluormetano. X= 0 la base es metano CH4 tiene 1 átomo de Carbono. Los 4 átomos de Hidrógeno se sustituyen por átomos de Cloro y Flúor. CCl2F2 finalmente esta es la fórmula química del R-12.

Refrigerante R- 134a nombre químico – tetrafluoretano. X=1 la base es etano CH3CH3

tiene 2 átomos de carbono. Se sustituye 4 átomos de Hidrógeno por átomos de Flúor. CF3CH2F que es la fórmula química del R-134a.

Si un sistema de refrigeración tradicional se avería, lo recomendable es valorar la posibilidad de cambiar el sistema hacía las nuevas tecnologías con un refrigerante sustituto, y un nuevo motocompresor, si la avería no de gran envergadura se puede usar un refrigerante de reemplazo el cual sólo requiere cambios en el filtro y el aceite y la inversión a realizar es mínima.

La refrigeración cumple un papel importante en la preservación del medio ambiente. Por esta razón las empresas productoras de refrigerantes y equipos de refrigeración, desde que se comprobó el efecto negativo de los refrigerantes que tradicionalmente se empleaban, realizan estudios sobre el empleo de sustancias ecológicas así como nuevos diseños de equipos. La siguiente tabla muestra los refrigerantes tradicionales que no deben usarse en los sistemas frigoríficos, estos deben ser reemplazados por sustancias ecológicas.


Tabla 2.1 Nuevos refrigerantes

Refrigerante tradicional Sustituto Reemplazo

R-11 R-123 R-123

R-12 R-134 a

R-600 a

R- 401a SUVA MP- 39

R- 401b SUVA MP- 6

R-290 / R- 600 a CARE 30

R-22 R- 407 c SUVA 9000

R- 502 R- 404 a SUVA HP- 62 R- 402 a SUVA HP- 80

R- 402 b SUVA HP- 81

Cuando dos o más mezclas zeotrópicas están compuestas por los mismos componentes en diferentes proporciones, se utilizan las letras A,B,C etc. para distinguirlas entre ellas.

Refrigerante R- 401 a

Sistemas de mediana temperatura –12 ºC vitrinas refrigeradas, neveras domésticas, fuentes de agua.

Refrigerante R- 401 b

Sistemas con temperatura de evaporación por debajo de –10 ºF trasportes refrigerados, congeladores domésticos y comerciales.

Características R- 401 a y R- 401 b.

Mezclas ternarias R-22 / R-152 a / R- 124

No azeotrópica (zeotrópica), se utilizan con lubricantes alkilbenzenos, con viscosidad 150 SSU (32 cSt), en sistemas pequeños puede trabajar con aceite mineral. Carga de refrigerante 75 – 90 % de la carga R-12 presión de succión similar, presión de descarga 10 – 20 psig más alta. Se requieren cambios mínimos en el sistema: filtro y aceite.

Refrigerante R 134 a

Sistemas de mediana y baja temperatura de evaporación. Es un refrigerante de un solo componente, no contiene cloro pero contiene flúor que contribuye a la formación de lluvias ácidas, además tiene un alto impacto en el

calentamiento global. Se requieren algunos cambios en el sistema: compresor, utiliza aceite polyolester. Capacidad frigorífica específica ligeramente menor que R-12, la carga aproximada 90 %. No es compatible con los materiales de los sellos y empaquetaduras usados para R-12. Presiones de succión y descarga similares al R-12 en ocasiones, la presión de succión es ligeramente más baja y la descarga ligeramente más alta. En sistemas pequeños se puede emplear en el mismo equipo de R-12 cambiando el aceite.

Refrigerante R-600 a

Sistemas de mediana y baja temperatura de evaporación. Es un refrigerante natural de un solo componente, es un hidrocarburo y nombre químico es isobutano. Se requieren algunos cambios en el sistema: compresor. Su capacidad frigorífica es prácticamente la mitad que la del R-12. Es compatible con los materiales que tradicionalmente se usan con R-12. Tiene buena miscibilidad con los aceites minerales y otros. La presión de succión es de 10-15 mm de Hg. La presión de descarga es de 85-90 psig.


Se utiliza en aplicaciones de mediana y baja temperatura en equipos de refrigeración de supermercados y vehículos de transporte

Refrigeración y Aire Acondicionado 19. refrigerado, dispensadores de alimentos, cámaras frías, maquinas de hacer hielo.

Características; es una mezcla ternaria de R- 125 / R- 143 a / R- 134 a. No contiene cloro; es una mezcla casi-azeotrópica. La desviación de temperatura es de 1.5 ºC. Se requiere el uso de aceites polylester. La temperatura de descarga es 10 ºC mayor que con R- 502. Las presiones de succión y descarga son ligeramente mayores. Carga aproximada 80-85 % de la carga de R-502. En la mayoría de los casos puede usarse el mismo dispositivo de expansión que con R-502. Capacidad frigorífica ligeramente mayor.


Para equipos con temperatura de evaporación de – 40 ºC. Ideal para máquinas de helados y refrescos, neveras y congeladores, dispensadores de alimentos congelados

Características: es un mezcla ternaria de R- 22 / R- 125 / R- 290, la temperatura de descarga es similar al R-502, pero la presión de descarga es 30-65 psig más alta, la presión de succión para sistemas de baja temperatura – 40 ºC 1 psig más alta y para sistemas de mediana temperatura – 10 ºF a 5 psig más alta.

Refrigerante R- 409 A

Aplicaciones de mediana y baja temperatura, almacenaje de alimentos, máquinas de bebidas, hielo y transportes refrigerados.

Características; es una mezcla ternaria de R- 22 / R- 124 / R- 142 b de bajo potencial de destrucción de ozono. Está formulado para asemejarse a las propiedades del R-12, en aplicaciones de baja temperatura su capacidad es levemente más alta que R- 12 y R- 134a, puede utilizar aceites MO, AB, POE. en la mayoría de las aplicaciones la carga es de 80-90 % de la carga de R- 12. La presión de succión es de 7-10 % más alta y la presión de descarga 15-25 psig más alta.

2.10.2 Selección del refrigerante adecuado

Cuando se diseña un sistema de refrigeración, existen varios refrigerantes que pueden elegirse, como amoniaco, hidrocarburos (propano, etano,

etileno, etc) dióxido de carbono, aire (en acondicionamiento de aire de aviones).

Una adecuada elección del refrigerante depende de la vida futura del hombre en el planeta, se indica los siguientes.

No debe tener efectos perjudiciales sobre el medio ambiente.

Las personas que trabajan con los refrigerantes deben ser conocedoras en primer lugar de los efectos que estos pueden tener sobre ellas mismas.

Se debe tener en cuenta la compatibilidad de los materiales que componen la instalación con el refrigerante y el aceite, con el fin de tomar las medidas necesarias para la recuperación del aceite.

Para la industria alimentaria no deben ser tóxicos o inflamables porque presentan riesgos para la salud humana.

Se tendrá en cuenta la facilidad de obtención y el precio del costo del refrigerante.

Para elegir un refrigerante se debe considerar las siguientes propiedades:

a) Propiedades termodinámicas

Presiones de evaporación y condensación, temperaturas de congelación, coeficientes de funcionamiento, de fugas.

b) Propiedades de seguridad

Toxicidad, inflamabilidad detección

c) Propiedades físicas y químicas

Conductividad térmica, miscibilidad, estanqueidad química, comportamiento en presencia del agua, acción sobre los metales y los plásticos.

d) Factor económico

Costos y disponibilidad.

2.11 SISTEMAS DE BOMBAS DE CALOR

Las bombas de calor se instalan para calefacción. La fuente de energía más común para las bombas de calor es el aire atmosférico (sistemas aire- aire), aunque también se usan el agua. El principal problema con los sistemas que

20. Refrigeración y Aire Acondicionado utilizan aire como fuente es la formación de escarcha, que se muestra en los climas húmedos cuando la temperatura desciende debajo de 2 y 5 ºC.

El objetivo de una bomba de calor es mantener la temperatura dentro de una vivienda u otro

edificio por encima de la temperatura ambiente, o proporcionar calor a ciertos procesos industriales que tienen lugar a temperatura elevada.

Figura 2.12 Representación de un sistema de bomba de calor.

Los sistemas utilizados actualmente son del tipo de compresión de vapor. En una bomba de calor, Qe procede del ambiente y Qs se dirige a la vivienda como efecto deseado. El coeficiente de operación de una bomba de calor por compresión de vapor simple con los estados designados en la figura 2.11 es,

(2.16)

El valor de nunca puede ser menor que la unidad.

Los tipos más comunes de bombas de calor por compresión de vapor para calefacción, el evaporador está comunicado térmicamente con la atmósfera. Se puede hacer un cambio en la bomba de calor con el fin de proporcionar refrigeración en verano adicionando una válvula reversible, como se ve en la figura 2.13. Cuando funciona para refrigeración, el intercambiador de calor exterior es el condensador, y el intercambiador de calor interior es el evaporador, es decir son de doble uso.

Figura 2.13 Diagrama de una bomba de calor reversible aire-aire.


PROBLEMA 2.1

SOLUCIÓN

2.12 PROBLEMAS

Un ciclo ideal de un Sistema de Refrigeración por compresión de vapor utiliza refrigerante 134a (CH2FCF3) y funciona entre 1,85 bar y 9 bar, que tiene una capacidad de refrigeración de 7 [ton]. Al entrar al compresor el fluido es vapor saturado. Dibuje el diagrama presión-entalpía y Temperatura - entropía del ciclo y determínese:

a) La temperatura del fluido al salir del compresor, en grados Centígrados.

b) El coeficiente de operación.

c) El desplazamiento efectivo del compresor, en L /min.

d) La potencia de entrada al compresor, en kilovatios. Dibujando los procesos del ciclo de refrigeración en el diagrama de Mollier P-v y T-s.

Conocido los puntos de estado, se puede determinar las propiedades termodinámicas.

Tabla 1. Valores de las propiedades del refrigerante R - 134a.

Estado T[°C] P[MPa] h[kJ/kg] s[kJ/kg°K] 1 -12 0.185 240.15 0.9267 2 41.6 0.9 273.01 0.9267 3 36 0.9 100.25 0.3678 4 -12 0.185 100.25 0.3678

a) La temperatura se halla interpolando en la tabla de vapor sobrecalentado a 9 bar de presión, resulta.

T[°C] s[kJ/kg°K] 0.9267 0.92170.9566 0.9217

50 40 40 40 0.9217

T2 0.9267 41.6 ° 50 0.9566


4.26

1160

5.78

b) El coeficiente de operación COP se calcula por:

ó ú

240.15 100.25273.01 240.15

c) Para el cáculo del desplazamiento efectivo del compresor, primero se calcula el flujo de refrigerante.

·

7

240.15 100.25

2111

10.557

Siendo el volumen específico de tabla.

0.1098

El desplazamiento efectivo del compresor es:

10.557 0.10983 1000

1 3

d) La potencia del compresor se determina por:

·

10.557 273.01 240.151 60 /


PROBLEMA 2.2

DATOS:

SOLUCIÓN:

Un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, incluye un intercambiador de calor a contracorriente como se muestra en la figura. Trabaja con refrigerante R-134a que deja el evaporador como vapor saturadoa 1,4 bar y se calienta a presión constante hasta 20 ºC antes de entrar en el compresor. Después de una compresión isentrópica hasta 12 bar, el refrigerante pasa a traves del condensador, saliendo a 44 ºC y 12 bar. A continuación, el líquido pasa a través del intercambiador de calor, entranto en la válvula de expansión a 12 bar. Si el flujo másico de refrigerante es 6 kg/min, determínese:

a) La capacidad de enfriamiento, en Tn-refrigeración. b) La potencia necesaria del compresor,en kW. c) El coeficiente de operación.

134

Pe= 1,4 bar

Tc= 44 ºC

Pc= 12 bar

Dibujando el ciclo idela de refrigeración en el diagrama

de Mollier, puntualizando los puntos de estado.

De tablas derefrigerante R-134a

1,4 ,se tiene 18,80 y 236,04

Con temperatura del condensador 44 se tiene 112,22

24. Refrigeración y Aire Acondicionado Se sobrecalienta el refrigerante al pasar por el intercambiador a presión constante de 1,4 bar y llega hasta

20 ºC. Luego de tablas de vapor sobrecalentado con 1,4 y 1 20 se halla; 269,13 ;

su entropia es: 1,0532°

La variación de entalpia en el sobrecalentamiento es:

∆ 269,13 236,04 33,09

También en el subenfriamiento se tiene; ∆

De donde despejamos; ∆ 112,22 33,09

79,13

Para el proceso de expansión:

79,13

El estado 2 se encuentra a 12 bar y 1,0532°

Detablas de vapor sobrecalentado se encuentra

322,45

a) La capacidad de refrigeración es:

. . ·

. . 6 236,04 79,13 941,461

211

. . 4,462 .

b) La potencia requerida por el compresor es:

6 322,45 269,13160 ·

5,33

c) El coeficiente de operación es:

2,94


DATOS:

SOLUCIÓN:

PROBLEMA 2.3

Un sistema de refrigeración de dos etapas, dos compresores y un depósito separador de líquido vapor, trabaja con refrigerante R-134a (figura a). Debe pasar por el evaporador a -32 ºC y a la temperatura de condensación de 40 ºC, si la capacidad de refrigeración tiende a 25 Toneladas de refrigeración . Dibuje el diagrama P – h del ciclo y Calcule.

a) La presión intermedia y la potencia de cada compresor.

b) El coeficiente de operación.

134

Te= - 32 ºC

Tc= 40 ºC

C.R.= 25 Ton.

El diagrama de Mollier P-h del ciclo de refrigeración es:

Las presiones de admisión y de descarga se obtienen de tablas de refrigerante R-134a.

Te= - 32 ºC PS=0.7704 [bar] (presión de saturación en la admisión del compresor)

Tc= 40 ºC Pd= 10.164 [bar] (Presión de descarga del compresor de alta)

26. Refrigeración y Aire Acondicionado La presión en el enfriador se calcula por.

2.7983

Las entalpías en todos los puntos de estado pueden hallarse de tablas.

227.90 0.9456 °

253.5043 con Pi =2.7983 bar, después de la compresión isentrópica. S1=S2

246.4748 0.91974 °

273.1249 Después de la compresión isentrópica S4=S3

106.19 Estado líquido saturado.

48.31198 Estado de líquido saturado.

38.31198 Proceso de expansión a entalpia constante.

El flujo másico de refrigerante que entra al compresor de baja es:

25 227.90 48.3119 ·

2111

29.3728

La potencia del compresor de baja es:

. .

. . 29.3728 253.5043 227.90 ·1 60

. . 12.5345

El flujo másico que entra al compresor de alta se determina haciendo un balance de energía en el depósito

separador, considerando como situación estacionaria.


∑ ∑ ( para un sistema estacionario)

42.9331

La potencia del compresor de alta es:

. .

. . 42.9631 273.1249 246.4748 ·1 60

. . 19.0828

El coeficiente de operación se determina por.

2.78


DATOS:

PROBLEMA 2.4

SOLUCIÓN

Una máquina frigorífica consiste en utilizar dos evaporadores, como se muestra la figura. El refrigerante es R-134a. El evaporador 1 mantiene el comportamiento de la comida fresca a la temperatura deseada y el evaporador 2 se ocupa de la carga de enfriamiento del congelador. Considérese que el evaporador de baja temperatura funciona a 1,4 bar y maneja una carga de refrigeración de 3 Ton. El evaporador de alta temperatura produce vapor saturado a 3,2 bar y tiene una capacidad de refrigeración de 2 Ton. Supóngase que el rendimiento adiabático del compresor es 79 %, la presión del condensador es de 10 bar y que del condensador sale líquido saturado. Despreciando otras perdidas, Dibuje los diagramas P-h y T-s del ciclo frigorífico y determine:

a) Los flujos másicos de R-134a que pasa por cada evaporador, en kg/min.

b) La potencia de entrada al compresor, en kW.

c) El calor cedido en el condensador, en kJ/min.

Refrigerante 134

1,4

3,2

10

De tablas de R -134a con 1,4 , el estado 8 es vapor saturado.


236.04 0.9322 °

El estado 3 es líquido saturado a 10

105.29

Los puntos 3, 4 y 7 están sobre la recta isoentálpica.

Por tanto; 105.29

El estado 5 es vapor saturado a la presión 3.2

248.66 También;

El flujo másico del evaporador 1 es:

2

248.66 105.29

211 /1

El flujo másico del evaporador 2 es:

3

236.04 105.29

211 /1

El flujo másico total que ingresa al compresor es:

7.78 0.12967

Por conservación de la energía, para situación estacionaria.

2.94

4.84

30. Refrigeración y Aire Acondicionado Siendo: y

240.81

0.95060°

El proceso de compresión se realiza a entropía constante por tanto

El estado 2 es a la presión de 10 bar y , interpolando se obtiene.

282.752

La potencia de entrada al compresor es:

0.12967 282.752 240.81

5.438 ·

Considerando el rendimiento adiabático del compresor 0.79

El calor cedido por el condensador se calcula haciendo balance de energía al sistema.

6.883 ·60 /

5 211 /

1

6.883 ·

1467.98


PROBLEMA 2.5

SOLUCIÓN:

Un sistema frigorífico tiene una capacidad frigorífica de 90 Ton-refrigeración, opera con refrigerante R-134a, la temperatura de condensación es 40ºC con un subenfriamiento y pérdida de presión de 1ºC en la tubería del líquido. La temperatura de evaporación es -8ºC con un recalentamiento en el evaporador de 5ºC y en la línea de aspiración de 11ºC con una pérdida de presión equivalente a 2ºC. En la descarga del compresor existe un subenfriamiento de 10ºC y una pérdida de presión a la entrada del condensador equivale a 1ºC, suponiendo un rendimiento mecánico 90%.

Calcular: a) El flujo másico de refrigeración en kg/min b) La potencia del compresor en Hp. c) El coeficiente de funcionamiento.

El diagrama presión - entalpia es:

Encontramos las isobaras con las temperaturas.

32. Refrigeración y Aire Acondicionado Te = - 8[ºC] --------> Pe=217.04 [kPa]

Tc = 40[ºC] --------> Pc=1016.4 [kPa]

El estado 1 es líquido saturado h1=hf=106.19[kJ/kg]

El estado 2 estará muy cerca del estado 1 tanto que casi que casi se confunden a una temperatura de 40-1=39[ºC] y una presión 1000[kPa] ; h2=105.27 [kJ/kg] El estado 3 corresponde a la misma entalpia h3=h2 El estado 4 con recalentamiento de 5 [ºC] entonces: t5=- 8+5= - 3[ºC] y Pe = 217.04 [kPa], entonces h4 es entalpía de vapor sobrecalentado.

Para Pe=2 [bar] es decir (0.2[MPa])

T[ºC] h[kJ/kg] -10 241.38 -3 h 0 250.10

Interpolando se tiene;

h4=247.484[KJ/kg]

En el estado 5 localizamos: t5=-3+11=8[ºC] con descenso de 2[ºC], P5=200[kPa] P5=217.04-15.82 = 201.22 [kPa]; interpolando se tiene:

h5=257.13[kJ/kg] ------ s5=0.98348[kJ/kgºk]

El estado 6r localizamos: P6 = Pc+∆P = 1016.4 + 27.8 =1044.2 [kPa] El estado 6t con intersección de la isentrópica: s5=s6t h6t=293.6168[kJ/kg]

h[kJ/kg] s[kJ/kg ºk] 291.36 0.9768

h 0.98348 302.34 1.0093

Por tanto h6t=293.6168 [kJ/kg]

Por la definición de rendimiento isentrópica:

(1)

Siendo;

(2)

El rendimiento volumétrico es:

1 0.02 1 0.021044.2201.22 0.896

0.896 0.90 0.81

Despejando de la ecuación (1) se tiene:

257.13293.6168 257.13

0.81 302.17

a) El flujo másico de refrigeración es.


133.53

74.78

3.1575

90

247.484 105.27

211

1

b) La potencia del compresor es.

133.53 302.17 257.13160

100.23

100.230.746 1

c) El coeficiente de funcionamiento

.

90

133.53 302.17 57.13


CAPITULO 3

ELEMENTOS DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

POR COMPRESIÓN DE VAPOR

OBJETIVOS

• Estudio de los componentes y accesorios de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor.

• Realizar un balance global de los componentes del sistema. • Elección mediante catálogos los elementos del sistema de refrigeración.

3.1 COMPONENTES PARA SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

El ciclo de refrigeración por compresión de vapor, es el ciclo más importante desde el punto de vista comercial. Los cuatro componentes de un sistema de refrigeración por compresión de vapor son: compresor, condensador, dispositivo de expansión, y evaporador que tienen su peculiar forma de funcionamiento.

La figura 3.1 muestra los componentes de un sistema de refrigeración domestico.

Figura 3.1 Sistema de refrigeración domestico

El compresor es el primer componente que se analiza, es el elemento de la instalación que se encarga de realizar la función de proporcionar la presión elevada. Existen distintos tipos de compresores, con aplicaciones variadas según el fluido frigorífico que utilice, las necesidades de desplazamiento volumétrico y en función de las características constructivas.

3.2 COMPRESORES FRIGORÍFICOS

Existen varias formas de clasificar los diferentes tipos de compresores aplicados en sistemas de refrigeración y que actualmente se pueden encontrar en el mercado, aptos para su utilización en instalaciones frigoríficas. Los más utilizados en la refrigeración son de tres tipos principales:

a) Compresores alternativos (en sistemas industriales, comerciales y domésticos)

b) Compresores rotatorios (en sistemas comerciales e industriales).

c) Compresores Centrífugos (en sistemas industriales).

El compresor recíproco o alternativo es el más usado.

Las pequeñas instalaciones comerciales están dotadas de un compresor hermético, pero algunos sistemas comerciales tienen compresores semiherméticos. Los compresores de motor enfriado con refrigerante tienen un sistema de aceite lubricante a presión. Este sistema está dotado de una bomba de aceite de desplazamiento positivo que se mueve en ambas direcciones.


Los compresores modernos son de simple efecto, y pueden ser de cilindro único o de cilindros múltiples.

Durante la carrera de admisión el gas refrigerante a baja presión es aspirado a través de la válvula de admisión.

Durante la carrera de escape, el pistón comprime el refrigerante, y después lo empuja a través de la válvula de escape que usualmente forma parte de la culata.

Figura 3.2 Compresor alternativo

Durante los procesos reales de expansión y compresión de los gases, se gana o pierde calor, esto indica que la compresión no es adiabática. Por otra parte el compresor debe ser capaz de aspirar el refrigerante en completo estado gaseoso, lo que permitirá calcular el volumen que deberá desplazar la máquina. El volumen teórico depende solamente de las características de diseño del compresor. El cociente entre el volumen aspirado y el denominado desplazamiento geométrico es lo que se llama eficiencia volumétrica o más comúnmente rendimiento volumétrico real y está definido por la fórmula.

(3.1)

Siendo el caudal de volumen en m3/min y el desplazamiento por unidad de tiempo el volumen barrido por el pistón en sus carreras de

admisión, en m3/min. La siguiente expresión se utiliza para calcular el rendimiento volumétrico.

1/

1 (3.2)

Donde : ; es la presión de descarga.

, es la presión de succión.

Por causas de rozamiento de los mecanismos del compresor se debe tomar en cuenta el rendimiento mecánico que dará la potencia necesaria en el extremo del eje del compresor.

Como la compresión no es isentrópica se aplica el rendimiento isentrópico y está definido por:

ó

(3.3)

La eficiencia de la transmisión , será igual a 1 para el acoplamiento directo y 0,97 para el accionamiento por correas.

3.3 SEPARADORES DE ACEITE

Hay que evitar que el aceite mezclado con el fluido refrigerante que viene de la impulsión del compresor sea arrastrado a otras partes de la instalación. Para ello se instala un separador de aceite al lado del compresor, ya que de lo contrario, disminuiría el coeficiente de intercambio de calor en el condensador posteriormente en el evaporador.

En la Figura 3.3 puede verse un esquema de un separador colocado en una instalación tipo, y un detalle de sus principales elementos.

Figura 3.3 Separadores de aceite.

36. Refrigeración y Aire Acondicionado 3.4 CONDENSADOR

La tarea del condensador es extraer el calor del refrigerante en forma de gas, este calor, en principio, es la suma del calor que se absorbe en el evaporador y el calor equivalente al trabajo de compresión. Para ello la instalación deberá disponer de un elemento que realice esta función, llamado condensador o disipador de calor. Los medios que se disponen frecuentemente son el aire y el agua.

3.4.1Capacidad del condensador

El calor total que debe evacuar el condensador será:

(3.4)

El cálculo de la potencia calorífica evacuada en el condensador puede calcularse por:

∆ (3.5)

Si aplicamos ecuación de transferencia de calor tendremos que la capacidad de evacuación del condensador es:

∆ (3.6)

Siendo:

K; el coeficiente global de transmisión de calor.

A; la superficie del condensador.

∆ diferencia de temperatura media logarítmica y se calcula por:

∆ (3.7)

Donde:

tc; es la temperatura de condensación del fluido frigorífico.

te; es la temperatura de entrada del fluido que refrigera el condensador

3.4.2 Clasificación de los condensadores

Pueden ser enfriados por aire o enfriados por agua.

Condensadores de aire. El calor específico del aire seco o con ciertos valores de humedad relativa, que se encuentra disponible para enfriar el refrigerante, es relativamente bajo.

En su construcción deben considerarse tres parámetros.

a) La superficie de intercambio

b) La naturaleza del metal que constituye las superficies primaria y secundaria.

c) El coeficiente de transmisión global del condensador, que se halla en función de la velocidad del aire a través del haz de condensación.

Debido a la escasez cada vez mayor del consumo de agua, han proliferado las máquinas frigoríficas que utilizan aire en la condensación.

Figura 3.4 Condensador enfriado por aire.

Los refrigeradores de tipo domestico, equipados con grupos moto-compresores herméticos, tienen condensadores con tubos en forma de ida y vuelta instalado en la parte posterior del equipo, como se muestra en la figura siguiente.

Figura 3.4 Condensador enfriado por aire domestico.


Condensadores por Agua. En las máquinas frigoríficas de tipo comercial se utilizan los tipos de condensadores de agua.

- Condensadores de inmersión

- Condensadores de doble tubo

El coeficiente global de transmisión de calor relativamente altos, del orden de 600-700 W/[m2ºC].

Condensadores evaporativos. Un condensador de tipo evaporativo es del tipo enfriado por aire y por una lluvia de agua. Su consumo oscila alrededor del 10 % o menos de agua de condensación de la que sería necesaria en un condensador multitubular del tipo horizontal.

La figura siguiente muestra las partes de un condensador evaporativo.

1. Moto-bomba 2. Depósito de agua 3. Entrada de aire 4. Serpentín 5. Pulverizadores 6. Separadores de gotas 7. Salida de aire

Figura 3.5 Esquema de un condensador evaporativo.

3.5 INTERCAMBIADOR DE CALOR

Estos aparatos están constituidos por una serie de tubos, generalmente lisos y provisto de unas aletas que permiten un mejor intercambio con un mínimo de dimensiones y tubos suficientemente delgados, para aplicar el criterio de que la transmisión se realiza entre las dos capas del tubo como si se tratara de una superficie plana, aunque ello supone un error despreciable, pues en la mayoría de los casos que se cometería al determinar los valores de coeficientes de convección.

El intercambiador de calor permite la mejora del rendimiento de una instalación frigorífica al subenfriar el líquido que admite la válvula de expansión. Por otra parte implica que el sobrecalentamiento de los vapores que llega al compresor sea más importante.

3.6 EVAPORADORES

El evaporador, al igual que el condensador, es un intercambiador de calor cuyo cometido consiste en absorber el flujo térmico que proviene del medio a enfriar.

El refrigerante entra en el serpentín del evaporador como una mezcla de aproximadamente, un 75 % líquido y un 25 % de vapor. La mezcla esta ebullendo y evaporándose en el serpentín con el líquido transformándose en vapor, debido a que está absorbiendo calor del medio que le rodea. El propósito del evaporador consiste en evaporar todo el líquido antes de alcanzar el final del serpentín, desapareciendo todo el líquido y quedando solo vapor saturado.

El paso del flujo térmico del fluido frigorígeno el medio exterior se rige por las mismas leyes físicas cualquiera que sea el tipo de evaporador y que depende:

- Del coeficiente global de transmisión de calor.

- De la superficie del evaporador. - De la diferencia existente entre la

temperatura del evaporador y la del medio a enfriar.


Figura 3.6 Evaporador de placa con trampa de líquido.

Siempre es posible controlar la pérdida de carga existente mediante el siguiente procedimiento7.

a) Mediante un termómetro se tomará la temperatura de entrada al evaporador, como tenemos líquido saturado podremos leer en tablas la presión de saturación correspondiente, la cual vendrá en valor absoluto.

b) Con un manómetro leeremos la presión a la salida del evaporador, la presión medida será en este caso relativa.

c) La diferencia entre la presión de saturación a la salida nos dará la pérdida de carga del evaporador. Hay que tener en cuenta que la diferencia se deberá llevar a cabo entre presiones relativas o entre presiones absolutas.

En la práctica se dan la capacidad frigorífica de los evaporadores en base a la temperatura de saturación a la entrada del evaporador y al recalentamiento previsto a la salida del evaporador. Este tipo de verificación solo se hace cuando se sospecha un defecto en el rendimiento del evaporador, por ello hay que tener en cuenta la acumulación de aceite debida a un diseño inadecuado del evaporador que producirá incrustaciones en la tubería y obstruyendo la transferencia de calor.

7 Frio Industrial (vol‐1),Ricard Gimenez López

Figura 3.7 Serpentín de un evaporador.

Los evaporadores empleados en las instalaciones que se conocen por “comerciales”, cuya potencia nominal no excede los 11600 W, pueden ser:

- Evaporadores enfriadores de aire.

- Evaporadores enfriadores de líquidos.

- Evaporadores congeladores (para producir hielo y con solución eutéctica).

3.7 SELECCIÓN DE EVAPORADOR SOBRE CATÁLOGO

El evaporador se selecciona según la capacidad de refrigerar, fue diseñada para ser un producto de alto desempeño con un dimensionamiento lo más compacto, que garantiza mejor aprovechamiento del espacio interno de las cámaras de almacenaje de productos enfriados y congelados. Por ejemplo si se da la temperatura de conservación de 5 ºC y la capacidad de refrigerar 4500 [Kcal/h], de catálogos (ver tabla 3.1) el Modelo FBA – 4 Aletas por pulg. y Temperatura de evaporación 0 ºC se elige el evaporador Modelo : FBA 4210 D capacidad 5280 x 0.87 = 4593,6 [kcal/h].

Cargado de Refrigerante para este modelo es 3,4 kg.


Tabla 3.1 Catálogo de evaporador

MODELOS FBA’s (para 50 hz, multiplicar por 0,87)

Modelo

Capacidad en kcal/h – Dt = 6ºC Datos de los ventiladores

Temperatura de evaporación Fuga

De

Aire

(m3/h)

Qt

Diam

(mm)

Flujo

De

Aire

(m)

10ºc

5ºC 0ºC -5ºC

-10ºC

-15ºC

-20ºC

-25ºC

-30ºC

-35ºC

-40ºC

Modelos FBA`s – 4 aletas por pulgada

FBA4180D 5140

4890

4640

4350

4150

4060

3950

3830

3710

3570

3430

3,324

4 254 13

FBA4210D 5880

5580

5280

4970

4740

4630

4510

4370

4230

4080

3920

4.328

5 254 13

Fuente: FLEXCOLD de Heatcraft do Brasil LTDA.

3.8 VÁLVULA DE EXPANSIÓN

La misión fundamental de la válvula de expansión es la de proporcionar una diferencia de presión establecida entre los lados de alta y de baja presión del sistema de refrigeración.

En la figura 3.8 muestra una válvula de expansión instalada a la entrada del evaporador, este se encarga de dosificar la cantidad correcta de refrigerante que alimenta al evaporador.

El dispositivo de expansión siempre va instalado en la línea que va del condensador al evaporador.

Figura 3.8 Instalación de un dispositivo de expansión.

Un tipo de dispositivo más común es la válvula termostática de expansión, que se usa mucho en los sistemas de expansión seca. La pequeña abertura entre el asiento de la válvula y el disco origina la caída de presión necesaria. También efectúa un excelente trabajo de regulación de flujo, de acuerdo con las necesidades. Este dispositivo tiene un sensor térmico que controla el sobrecalor y realiza una acción de abre o cierra para garantizar que no salga nada de líquido refrigerante del evaporador.


Figura 3.9 Válvula termostática de expansión.

Figura 3.10 Partes de una válvula termostática.

3.9 MANTENIMIENTO

Es pertinente realizar una verificación al sistema, cambiando y ajustando las poleas, limpiar el recipiente, verificar las fugas en los ejes. Observe que la tubería de succión al compresor no esté escarchada, esto significaría que entra

gotitas de líquido refrigerante a la cámara del compresor, observe las temperaturas en el lado de descarga y la temperatura del aceite para controlar y evitar una gran carga innecesaria en el funcionamiento del compresor. Para un compresor semi hermético, una carga excesiva puede dar lugar a que el compresor se queme.

3.10 PROBLEMAS


El flujo másico de refrigerante R- 134a que circula por un sistema de refrigeración es de 0,15 [kg/s] de vapor saturado a 40 ºC en un tubo de 2 pulgadas de diámetro. Se desea diseñar un condensador enfriado con agua que entra al intercambiador de calor a 10 ºC a 1 [litro/s]. Determinar la superficie de intercambio de calor, despreciando el espesor del tubo. El diámetro de la tubería exterior es 3 pulgadas. Asumir propiedades del refrigerante a 40 ºC es:

0,075°

; 49,23 ;

1147 ; 1,268 10· ; 1,612 10

·

Las propiedades del agua a 20 ºC

0,597 °

; 1000 ; 1,006 10 ; 7

Para el refrigerante R – 134a con T= 40 ºC

0.15

163.7

2 0.0508

Para el agua de refrigeración a T=20 ºC

1

4.186 °

Análisis de balance de energía en el condensador enfriado por agua

134

.

……………………..(1)

El flujo de calor del refrigerante es:

· 0.15 268.24 106.19/

Problema 3.1

DATOS

S O L U C I Ó N


24.3

Calculando la temperatura de salida del agua de refrigeración, siendo:

·

15.8

El cambio de temperatura ∆ es:

∆

∆40 15.8 40 10

40 15.840 10

∆ 27

El calor transferido se calcula por:

· · ∆

Donde.

…………………….(2)

Para el refrigerante hr se calcula por la siguiente expresión:

0.555· ·

· ·

.

Siedo:

1147 ; es la densidad del refrigerante R-134a a 40 ºC

40 313° ; es la temperatura del refrigerante.

2

12.9 es la temperatura media del agua.

Sustituyendo en la ecuación se tiene:

782.55· °


1.73

El coeficiente de convección se calcula por:

0.023 . .

La velocidad con la que circula el agua es 0.395

El diámetro equivalente es.

0.0762 0.05080.0508

0.0635

Sustituyendo en la ecuación

. .

.24932.9 es flujo Turbulento

0.023 24932.9 . 7 . 164.88

Luego el coeficiente de convección del agua será

164.88 0.597 °0.0635

1550.13 °

Sustituyendo en la ecuación del coeficiente global

520.03 °

Despejando de ecuación (2) el área de transferencia de calor es.

∆

.

°°


CAPITULO 4

DISEÑO Y DIMENSIONADO DE

UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

OBJETIVOS

• Realizar el diseño de cámaras frigoríficas comerciales.

• Dimensionar las cámaras de los sistemas de refrigeración.

• Realizar el cálculo del balance térmico del sistema de refrigeración.

4.1 INTRODUCCIÓN

El cálculo del balance Térmico de una instalación frigorífica pretende determinar la potencia frigorífica necesaria para cubrir las necesidades de la instalación, y en consecuencia, realizar la elección de los equipos frigoríficos de acuerdo con este cálculo.

Este capítulo fundamentalmente estudia el cálculo de la carga térmica de la cámara frigorífica, es decir, el calor que hay que extraer de la misma, por diferentes causas que se explican posteriormente, y en realidad se trata de potencias, bien sea caloríficas o frigoríficas, que se medirán en Kcal/h, o en kW. La costumbre hace que ha estos términos los llamemos calores.

Las necesidades de la instalación será función de:

- Régimen de trabajo

- Clima

- Tipo, cantidad y estado del producto a su entrada a la cámara.

- Temperatura del producto a su entrada en la cámara.

- Calor específico del producto (antes y después de su congelación, si esta fuese precisa).

- Renovación de aire precisas, tiempo de funcionamiento.

- Calor de respiración del producto.

- Calor desprendido por la iluminación y otros elementos instalados en la cámara.

- Calor debido a los des escarches, apertura de puertas, existencia de puentes térmicos, etc.

El cálculo del balance térmico de la instalación frigorífica es el objeto de estudio en este capítulo, que con frecuencia se realiza en los proyectos de instalaciones frigoríficas, para posteriormente con el dato de carga de enfriamiento total es posible elegir los equipos comerciales requeridos y que mejor se adaptan a las necesidades del proyecto. Este cálculo se lo realiza en condiciones donde la instalación tiene que funcionar.

4.2 ALMACENAJE DE PRODUCTOS

Los principales factores que alteran la calidad del producto durante el almacenamiento son:

- Tiempo de almacenamiento. - Humedad relativa. - Circulación de aire en torno al producto. - Embalaje.

Para determinados productos, el agua es el componente que llega al porcentaje de humedad más alto alcanzado entre 97% a 98%, como en el caso de los vegetales.

4.3 CÁLCULO DEL BALANCE TÉRMICO

Para mantener fría una cámara y todo lo que está contenido en ella, es necesario extraer el calor inicial y después el que pueda ir entrando en la cámara, por bien aislada que esté.


Él requerimiento total de refrigeración, puede establecerse como sigue:

(4.1)

El calor de los productos representa la suma de la carga térmica a eliminar procedente del calor sensible, del calor latente de solidificación, de las reacciones químicas, del embalaje y del calor absorbido para la congelación del agua de los productos que se desean refrigerar.

El calor de otras fuentes se considera los flujos de calor por transmisión de paredes, suelo y techo, la refrigeración para el aire exterior que se introduce, la ventilación, las cargas térmicas debidas a los ventiladores, bombas, iluminación eléctrica, personas que manipulan los productos, etc.

4.3.1 Cálculo de la temperatura exterior base o de proyecto

La temperatura exterior base para el proyecto8, es la temperatura del medio ambiente que rodea la cámara frigorífica, para su determinación se han desarrollado formulas empíricas que tratan de evitar que se sobredimensione la instalación frigorífica cuando se considera la temperatura máxima exterior, ya que la misma debe estar preparada para funcionar en condiciones extremas, para este propósito se usa la siguiente expresión:

0.6 á 0.4 (4.2)

Donde:

; Temperatura exterior base del proyecto, en ºC.

á ; Temperatura máxima de la localidad, en ºC.

; Temperatura media de la localidad, en ºC.

Para determinar las temperaturas de techo y suelo existen distintos métodos, de los que citaremos:

15 (4.3)

8 Refrigeración comercias, Luis Villegas Gonzales

La temperatura en el suelo, en caso de existir un vacio sanitario, esta temperatura se toma como la semisuma entre la temperatura exterior base (de diseño) y +15 ºC, es decir:

(4.4)

4.3.2 Cálculo de carga por transmisión de calor a través de paredes

El flujo de calor que penetra en la cámara por las paredes techo y piso se calculan por la ley de Fourier.

· · (4.5)

Donde:

; Carga total por transmisión, en Kcal/h o kW.

A; Área de intercabio de calor, en m2.

U; Coeficiente global de transferencia de calor,

TEB, Ti ; Temperaturas exterior base y temperatura interna respectivamente, en ºC.

Figura 4.1 Efecto de la temperatura por radiación solar.

El suplemento de temperatura por la radiación solar, permite tener en cuenta el efecto que produce la radiación solar sobre las paredes orientadas al sol o por el color de la pared. Los muros claros reflejan mejor la radiación que los muros oscuros. Para tomar valores de suplemento de temperatura por radiación solar se tiene la siguiente tabla.


Tabla 4.1 Suplemento de temperaturas por radiación solar en ºC.

Color de muro Este Sur Oeste Techo

Colores claros 2.2 1.0 2.2 5.0

Colores medios 3.3 2.2 3.3 8.3

Colores oscuros 4.4 2.8 4.4 11.0

Fuente: Juan Antonio Ramirez Refrigeración.

Para determinar el coeficiente global de transmisión de calor, U, se emplea la siguiente expresión:

(4.6)

Siendo:

; los coeficientes de convección exterior e interior.

; los espesores de los diferentes elementos que constituyen la pared o el techo.

; las conductividades térmicas de los materiales que se puede obtener de tablas.

4.3.3 Cálculo de cargas por enfriamiento y/o congelación del producto

La carga debida al producto, es la cantidad que hay que extraerle al producto para bajar su temperatura de la cámara refrigerado, esta carga puede deberse a:

- Colocar un producto a mayor temperatura que la del recinto.

- Un proceso de congelación(que implica carga latente)

- Calor de transmisión de algunos productos alimenticios.

La carga del producto será la suma de los diversos tipos de carga que existan para el caso particular, se usa la siguiente relación:

· · (4.7)

Donde:

; masa total del producto que se debe enfriar, en kg/día.

c; calor específico del producto antes de la congelación (su valor puede ver en tablas),en kJ/kg ºK.

Tp; Temperatura de ingreso del producto a la cámara.

Treg; Temperatura del producto al final del enfriamiento (esta temperatura será superior a la de la congelación.

El calor específico, se puede definir como la cantidad de energía necesaria para elevar una unidad de temperatura la unidad de masa, lo que también se puede expresar como la capacidad que tiene un cuerpo para absorber calor.

Para el caso de congelamiento del producto, se tendrá en cuenta el calor latente para cambiar el estado de un cuerpo sin alterar su temperatura. Sin embargo, los cambios de calor sensible son los cambios que pueden ser detectados por la disminución de temperatura.

En el proceso de congelación de los alimentos se distinguen tres etapas:

a) Enfriamiento del producto hasta alcanzar la temperatura de congelación.

b) Congelación del producto. c) Enfriamiento del producto por debajo de

la temperatura de congelación.

Por tanto la expresión para el cálculo de la carga por enfriamiento, congelación y después de la congelación, se realiza así:

(4.8)

El la figura siguiente de temperatura- calor se puede observar las situaciones de cambio de estado.


Figura 4.2 Diagrama de temperatura-calor de un producto que se enfría, congela.

a) Enfriamiento del producto hasta alcanzar la temperatura de congelación.

En esta etapa el producto se enfría desde la temperatura de entrada hasta la de congelación, y el calor generado es:

· · (4.9)

Donde:

; masa total del producto que se debe enfriar, en kg/h.

; calor específico del producto antes de la congelación, en kJ/(kg ºK)

Te; Temperatura del producto al entrar en la cámara, en ºC.

Tc; Temperatura de congelación del producto, en ºC.

b) Congelación del producto.

En esta fase del proceso, el producto se congela y realiza un cambio de estado a temperatura constante. La expresión para este cálculo es el siguiente:

· (4.10)

Donde:

; masa del producto, en kg/h

; calor latente de congelación, en kJ/kg

c) Enfriamiento del producto por debajo de la temperatura de congelación

El calor generado en la última etapa del proceso se calcula por la siguiente relación.

· · (4.11)

Donde:

; masa total del producto que se debe enfriar, en kg/h.

c; Calor específico del producto después de la congelación, en kJ/(kg K)

; Temperatura de congelación del producto, en ºC

; Temperatura final del producto en la cámara, en ºC, (esta temperatura es la de régimen).

La temperatura de congelación de los distintos productos es variable, pudiendo obtener estos valores de tablas o consultar bibliografía de mayor precisión.

Tabla 4.2 Temperaturas de congelación de distintos productos.

Producto Temperatura de congelación (ºC)

Carnes de aves -2.7

Carne de conejo -2.7

Carne de ovino -2

Carne de porcino -2

Carne de vacuno -2

Frutas frescas De -0.3 a -3

Hortalizas De -0.5 a -1.5

Huevos -2.2

Leche -0.6

Mantequilla -5.6

Pescados -2.2

Queso -1.7

Fuente: Refrigeración comercial del Ing. Luis Villegas Gonzales.

48. Refrigeración y Aire Acondicionado 4.3.4 Cálculo por las necesidades de

conservación

Durante la conservación algunos productos continúan desprendiendo cierta cantidad de calor que debe extraerse para garantizar la temperatura de régimen de la cámara función del producto a conservar.

En las frutas y las verduras, el género continúa madurando en el interior de la cámara frigorífica, liberando calor por respiración que puede determinarse, mediante la siguiente expresión.

· (4.12)

Donde: ; masa de género, en kg.

; Calor de respiración en kJ/(kg dia)

En el caso de que se trate de un producto en fermentación, representará el calor de fermentación, y en caso de que ambos fenómenos se den simultáneamente en el producto conservado, será la suma del calor de respiración y del calor de fermentación.

Tabla 4.3.Calor de respiración y desprendimiento de CO2 de frutas y verduras

Producto Temperatura ºC Cantidad de CO2 producida

mg/kg h

Cantidad de calor producido en

Kcal/Tn 24 h

Manzanas 4.4 5 – 8 275 – 440

Naranjas 1.7 2 110

Plátanos 12.2 15 825

Peras 0 3 – 4 165 – 220

Judías cortadas 4.4 -- 680

Fresas 0 15 – 17 825 – 935

Fuente: Garcia Vaquero, tomado de Pohlmann, (1979)

4.3.5 Calor del embalaje

En las mercaderías embaladas, no debe despreciarse el calor generado por el emboltorio del producto. El calor debido al embalaje puede obtenerse a partir de:

· · (4.13)

Donde:

; calor específico del material del embalaje, en kJ/(kg K)

; masa del embalaje, en kg/h.

Te y Tf ; temperatura de entrada y final del género, en ºC.

En el caso de la conservación de frutas, este calor por embalaje puede asumirse un 10 %, en cámaras grandes, y hasta, un 20 %, en cámaras pequeñas, del valor obtenido para el enfriamiento de la mercadería.

4.3.6 Cálculo de las necesidades por renovación de aire

El aire de las cámaras frigoríficas con temperatura de trabajo superior al punto de congelación, debe renovarse por aire fresco que dependerá del producto almacenado. La expresión utilizada para su cálculo es:

∆ (4.14)

Donde;

V ; es el volumen de la cámara o recinto frigorífico, en m3

(∆h); Diferencia de entalpía entre el aire exterior y el aire de la cámara, en kJ/kg

ρmed: Densidad media del aire entre las condiciones y exteriores, en kg/m3

n; número de renovaciones de aire por día.


El número de renovaciones de aire por día (n/d) normalmente evaluados en cámaras negativas y cámaras por encima de 0ºC en función del volumen de las mismas se pueden obtener de tablas.

Tabla 4.4 Renovación de aire diario por las aperturas de las puertas para condiciones normales de operación.

4.3.7 Cálculo del calor desprendido por los ventiladores

Este cálculo pretende obtener el equivalente calorífico del trabajo realizado por los motores instalados en el evaporador y otros que eventualmente pudieran utilizarse.

En la práctica se opta por realizar una estimación función del volumen de la cámara. La expresión que se utiliza es.

· (4.15)

Donde:

V; volumen de la cámara o recinto frigorífico, en m3.

; Calor desprendido por los ventiladores, en kJ/(m3 dia).

4.3.8 Cálculo del calor liberado por las personas

También las personas que entran en la cámara liberan calor a razón de:

· · (4.16)

Donde:

, calor por persona en kcal/h o en [W]. ; número de personas en la cámara. ; tiempo de permanencia en h/dia.

4.3.9 Cálculo del calor liberador por la

iluminación interior

Toda energía eléctrica disipada directamente en el espacio refrigerado, como luces, calefactores, etc. Se convierte en calor y debe incluirse en la carga térmica.

· · · (4.17)

Donde:

;es la suma de todos las potencias de los focos.

; coeficiente de utilización, que es la relación de potencia demandada sobre la potencia instalada.

; coeficiente de tolerancia,

N; es el Nº de horas de funcionamiento diario.

Según norma el área a iluminar se considera 8 [W/m2]

Para tubo fluorescente se puede usar el 1,2

4.3.10 Calor total de refrigeración

La carga Térmica total se obtienen sumando todas las cargas parciales enunciados.

(4.18)

Esta carga total están referidas a un periodo de 24 horas, por lo que debemos fijar el número de horas de funcionamiento del compresor, en el caso de instalaciones comerciales es de 14 a16 hrs/día.

‐ +2.5 52 703.0 47 634.0 40 535.0 35 477.5 28 3810.0 24 3215.0 19 2620 16.5 2225 14.5 19.530 13 17.540 11.5 15.050 10 1360 9 1280 7.7 10100 6.8 9

Renovación de aire diario n/dVolumen de la

cámara (m3)

50. Refrigeración y Aire Acondicionado 4.4 Tablas de interés para el cálculo del

balance térmico

Las tablas que se presentan a continuación, son datos útiles para realizar el cálculo del

balance Térmico de una instalación frigorífica, tiene valores del calor específico de cada uno de los productos más conocidos en nuestro medio.

Tabla 4.5. Calor específico de alimentos y sus componentes.

Calor específico

Alimentos Agua

% Componentes sólidos %

antes de la solidificación en Kcal/kg ºC

después de la solidificación en Kcal/kg ºC

Calor de solidificación

o de fusión en Kcal/kg

Aceite 0,40 0,35

Anguilas 62 38 0,7 0,39 50

Apio 88 - 95 12 a 5 0,94 0,47 70 - 76

Aves 74 26 0,70 - 0,76

Azúcar 0,1 99,9 0,3

Bayas 84,88 16 0,91 0,4 - 0,5 67 - 70

Bulbos, flores 91 9 0,93 0,48 73

Carne de carnero magra 67 33 0,73 0,41 53

Carne de carnero grasa 50 50 0,6 0,35 40

Carne de cerdo grasa 39,46 61- 54 0,51 0,32 31 - 36,6

Carne de ternera 63 37 0,704 0,4 50

Carne vacuna grasa 51 49 0,608 0,355 41

Cebollas comestibles 80 - 89 20 -11 0,91 0,46 64 -71

Cereza 2 18 0,87 0,44 66

cerveza 89,91 0,9 72

Ciruelas 87 13 0,92 0,41 70

Col 91 9 0,93 0,48 73

Crema helada (helados) 60 - 65 40 - 35 0,78 0,45 52

Chocolate 1,6 98,4 0,76 20 - 30

Espárragos 94 6 0,93 0,47 75

Fresas 90 10 0,92 0,47 71,6

Grasas Vegetales 0,47 -0,50 0,35

Grosella 90 10 0,92 0,46 72

Fuente: Garcia Vaquero. Tomado de W Pholman.(1979)


4.5 CRITERIOS DE DISEÑO DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

Para el diseño se requieren los siguientes datos:

− Carga de enfriamiento o llamada potencia frigorífica.

− Temperatura de la cámara frigorífica. − Humedad relativa de la cámara frigorífica.

4.4.1 Cálculo y diseño de una instalación de refrigeración comercial

Para el cálculo de una instalación de refrigeración se estudia las características del producto a enfriar o almacenar, cuyos datos son: La capacidad de refrigeración, temperatura del interior de la cámara, humedad relativa, y el refrigerante a utilizar.

El cálculo de la temperatura de evaporación y presión de evaporación depende de la humedad relativa de la cámara frigorífica, y se usa la grafica siguiente:

Figura 4.3 Diagrama humedad relativa- salto de temperatura

El salto térmico es la siguiente expresión:

∆ (4.19)

Donde:

∆ ; salto de temperatura

Ti ; Temperatura interior de la cámara.

Tev ;Temperatura de evaporación del refrigerante.

Para el cálculo de la temperatura y presión de condensación se adopta de acuerdo al refrigerante a utilizar, por ejemplo si el refrigerante es R-22 se tiene ∆ 15 , luego aplicamos la siguiente relación:

∆ (4.20)

Donde:

∆ ; salto de temperatura

; Temperatura del condensador.

; Temperatura del aire

Con las presiones del evaporador y el condensador trazamos el diagrama presión-entalpía las líneas de evaporación y condensación, teniendo cuidado que exista sub-enfriamiento a la salida del condensador, recomendable en 10 ºC, también se recomienda un sobrecalentamiento a la salida del evaporador, esto para que no ingrese gotitas de líquido refrigerante al compresor, debido a que un líquido es considerado como un fluido incompresible.

A continuación en la figura 4.4 se ve el ciclo frigorífico del sistema.

Figura 4.4 Diagrama del ciclo de refrigeración.

52. Refrigeración y Aire Acondicionado La solución del ciclo se realiza en la ciencia de la termodinámica, donde se deben calcular los siguientes parámetros.

- Capacidad de refrigeración - Flujo másico de refrigerante. - Volumen real aspirado. - Flujo volumétrico teórico barrido por el

pistón. - Rendimiento volumétrico. - Potencia del compresor. - Potencia del motor eléctrico

- Coeficiente de operación (COP). - Potencia del condensador

4.6 SELECCIÓN DE ACCESORIOS A PARTIR DE CATÁLOGOS DEL FABRICANTE

A partir de catálogos de constructores de filtros deshidratadores, válvulas termostáticas, visor, intercambiador de calor, separador de líquido, etc. Se selecciona cada uno de los accesorios de manera simple y rápida.

4.7 EJEMPLO DE CÁLCULO

La propuesta es realizar un proyecto del cálculo y dimensionado de un sistema de refrigeración para la conservación de productos lácteos (principalmente la Leche), que tenga una capacidad de 4000 litros, ubicada en la ciudad de Oruro - Bolivia. Aplicando todos los conocimientos adquiridos en el curso de capacitación de refrigeración comercial.

Condiciones para conservar la calidad de la leche en la granja:

• Aportación de leche no contaminada. • Refrigerador de leche conforme con las normas en vigor. • Refrigeración rápida a 4°C. • No formación de hielo en la leche. • Eficacia del lavado.

A) UBICACIÓN DEL PROYECTO La cámara frigorífica de productos lácteos y sus derivados será para el mercado de la ciudad de Oruro.

Producto: Lácteos

Capacidad requerida: 4000 Lt.

Ubicación: Oruro capital de departamento

B) CONDICIONES DEL PROYECTO

Oruro se encuentra a una altura de 3706 m.s.n.m.

Temperaturas máximas por mes en ºC en la ciudad de Oruro.

Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Sept. Octu. Novi. Dic.

Temp.ºC 23,5 22,0 19,6 19,4 19,4 18,0 21,0 18,6 21,0 22,5 23,4 23,8

Humedad relativa media por mes, según capital de departamento en %

mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Sept. Oct. Nov. Dic.

humedad 58 69 73 63 46 40 46 46 50 54 40 50


C) OBJETIVO GENERAL Cálculo y dimensionado de un sistema de refrigeración para la conservación de productos lácteos

que opere en la ciudad de Oruro-Bolivia.

D) OBJETIVOS ESPECÍFICOS Los objetivos específicos que se persigue son:

- Realizar el cálculo de la carga de enfriamiento.

- Definir el Refrigerante a utilizar en el Sistema de Refrigeración.

- Dimensionar la cámara frigorífica.

- Seleccionar los elementos componentes del Sistema de Refrigeración

E) JUSTIFICACION DEL PROYECTO Un hecho que no puede dejarse de lado es la realidad que vive nuestra región, en cuanto a la conservación de productos lácteos, tiene una importancia vital para la alimentación de las personas. La descomposición de las bacterias da a ofrecer productos de mala calidad para su comercialización. Por eso la importancia de ofrecer a los consumidores alimentos y productos lácteos de mejor calidad, es el propósito para el desarrollo del presente proyecto.

F) DATOS DEL PROYECTO Cálculo de la temperatura base del proyecto. La temperatura de se debe tomar de los tres meses más críticos.

Noviembre ................ 23.4 ºC

Diciembre ................ 23.8 ºC

Enero ..................... 23.5 ºC

23.4 23.8 23.53

23.57

Usando la expresión para el cálculo de la temperatura base del proyecto.

0.6 · 0.4 ·

0.6 · 23.8 0.4 · 23.57

23.708

Datos de humedad relativa exterior.

Enero 58%

Febrero 69 %

Marzo 73 %

Asumimos un promedio H.R.= 67 %

54. Refrigeración y Aire Acondicionado Cálculo del cubicaje

Si cada caja tiene capacidad de 20 litros

Peso de la caja de plástico P=0,5 kg

El volumen de la caja será.

0.33 · 0.4 ·

0.27 ·

0.03564 ·

La capacidad requerida es de 400 litros de leche.

El número de cajas será:

4000 ·20 ·

200

El volumen que ocupa las 200 cajas es:

7.128 ·

Cálculo del área de estocamiento

Consideramos una cámara de mediana capacidad, con una altura de 2,5 metros.

2.05 · 3.3 · 2.5 ·

El volumen de la cámara es.

16.91 ·


G) CALCULO DE LA CARGA DE ENFRIAMIENTO a) Transmisión a través de paredes, techo, suelo, puertas.

Tomando la hipótesis de flujo permanente, el siguiente paso consiste en hallar el coeficiente total

de transmisión de calor U, que puede calcularse por:

1 1 1

Donde:

= Coeficiente total de transmisión de calor [kCal/h m2 ºC]

= Coeficiente pelicular sobre la cara exterior de la pared [KCal/ h m2 ºC]

= coeficiente pelicular de la cara interna de la pared [kCal/ h m2 ºC]

= espesor del material en [m]

= conductividad del material [kCal/ h m ºC]

Asumimos datos según normas ASHRAE

0.00079375 · , es el espesor del acero inoxidable.

0.00079375 · , es el espesor de la lámina de aluminio

13.8·

, conductividad del acero inoxidable

0.02·

, conductividad del poliuretano

180.3·

, conductividad del aluminio

Para el cálculo del espesor de aislante se realiza el siguiente cálculo.

Para material poliuretano

∆ [cm]

Donde ∆ , tiene que expresarse en ºF.

0.07095 ·

Los coeficientes peliculares del aire para superficies muy lisas se calculan por:

6.8 0.85

La velocidad del viento en Oruro es 13


17.85 ·

Mismo análisis para el coeficiente pelicular de la superficie interior

6.8 0.85

Considerando de 3 a 6 m/s la velocidad interior, asumiendo 4 m/s 14,4

6.8 0.85 14.4

19.04 ·

El coeficiente total de transferencia de calor es:

0.277 ·

Por tanto el calor que atraviesa las paredes son.

∆

0.277 8.25 23.708 4

45.038

La pared del fondo es.

∆

0.277 5.125 23.708 4

27.978

Transmisión de calor por el techo.

∆

Considerando fuera de la influencia solar.

0.277 6.765 23.708 4

36.931

Transmisión de calor por el suelo.


152

19.35

∆

Donde

6.765

∆T = 19,35 - 4 = 15,35 ºC

28.764

El flujo de calor por transmisión a través de paredes, techo, suelo, es:

211.727

b) CARGA DEBIDA AL PRODUCTO

La carga debida al producto, es la cantidad que hay que extraerle al producto para bajar su

temperatura del recinto refrigerado. Esta carga puede deberse a:

Colocar un producto a una mayor temperatura mayor que la del recinto. Un proceso de congelación (que implica carga latente) Calor de transpiración de algunos productos alimenticios.

La carga total del producto será la suma de los diversos tipos de carga que existan para el caso particular. Para el proyecto el producto es lácteos principalmente la leche, para una cantidad de 4000 litros.

∆

Donde: mleche=4000 kg, si aproximadamente la densidad de la leche es 1kg/L

cp= 0.94 [kcal/kg ºC] calor específico de la leche.

∆T= 19,71 ºC

24 , el tiempo que tarda en enfriarse la leche.

3087.9

c) CARGA POR EMBALAJE

Existen para cada producto condiciones óptimas de material utilizado para trasladar, conservar mejor

sus cualidades y condiciones de almacenamiento recomendadas para diversos productos

alimenticios. En Tablas se indican datos sobre diversos tipos de recipientes para el almacenamiento.


∆

Donde:

0.5 200cajas 100 kg masa de embalaje.

Cp= 0.4 [kcal/kg ºC] calor específico del material de embalaje.

∆T= 19,71 ºC diferencia de temperaturas externa e interna.

24

32.85

Para las bolsas de plástico no es necesario el cálculo debido al embalaje, por que la cantidad

estimada del material utilizado en el embalaje del producto no llega al 10 % del peso bruto que entra

en la cámara.

d) CARGA DE ILUMINACIÓN

Toda energía eléctrica disipada directamente en el espacio refrigerado, como luces, calefactores, etc. Se

convierte en calor y debe incluirse en la carga térmica.

hWkcalCtCuPQ instilum ⋅⋅⋅⋅= 860.0

Según norma, el área a iluminar se considera 8 [W/m2] por tanto, nuestra cámara tiene 6,765 m2 de área.

][12,54765,68 22 Wm

mW

=×⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

Número de lámparas fluorescentes que se requieren es 3 de 20 [W] cada una.

Luego:

Pinst= 3*20 =60 [W]

Cu =1 coeficiente de utilización

Ct = 1,2 coeficiente de tolerancia.

60 1 1,2 0,860

61,92

e) CARGA POR MOTORES ELECTRICOS

El primer principio de la termodinámica señala que la energía no puede destruirse, sino sólo

transformarse, cualquier energía eléctrica transmitida a motores ubicados en el interior de un


espacio refrigerado sufrirá una transformación. Cualquier pérdida del motor motivada por fricción o

ineficiencia se traducirá inmediatamente en energía calorífica.

KWhkcalNQmotor ⋅

⋅= 860

Donde: N ; Potencia de los motores en [kW]

Según manual de COPELAND el calor disipado por los motores eléctricos es:

Para 1/8 [Hp] da un calor de 4250 [BTU/HP h] cuando el motor y ventilador están dentro de la cámara.

hkcalQmotor 87,133=

f) CARGA POR OCUPANTES

El cuerpo humano disipa constantemente calor y humedad. La cantidad de calor depende del tipo de

actividad, temperatura, tiempo de permanencia dentro del cuarto refrigerado, etc. Existe tablas que

nos indica el calor promedio debida a las personas que se encuentran dentro del espacio refrigerado

aclarando que para permanencias de corta duración la ganancia de calor será algo superior.

TABLA 1.- CALOR DISCIPADO POR LAS PERSONAS

DENTRO DEL ESPACIO REFRIGERADO.

Temperatura del

Refrigerador en ºF

Calor disipado/persona

BTU/ hora

50

40

30

20

10

0

-10

720

840

950

1.050

1.200

1.300

1.400

Fuente: Tomado del manual de fundamentos ASHRAE, 1967

Para 2 ocupantes según el manual de COPELAND, asumimos 840 [BTUl/h]

hkcal

hBTU 69,211840 =

2 211,69·


424,38

g) INFILTRACIÓN DE AIRE

Toda cantidad de aire que penetra en el espacio refrigerado debe reducir su temperatura de almacenamiento, aumentando de este modo la carga de refrigeración. Además en caso de que el contenido de humedad del aire que va entrando, sea superior que el existente en el espacio refrigerado, el exceso de humedad se condensará y el calor latente de la condensación se sumará a la carga de refrigeración.

La entrada y salida de personas a las cámaras de refrigeración, normalmente varía con su tamaño o volumen. Por consiguiente, el número de veces que las puertas se abren dependerá del volumen y no del número de puertas. Para el cálculo se utiliza la siguiente relación.

ó 24 .

á

á

La tabla 8 del manual de COPELAND indica el promedio de cambios de aire en 24 horas debido a la apertura de puertas e infiltración.

El volumen interior de la cámara es:

2,05 3,3 2,5 16,92

16,92 597,17

Elegimos según criterio de redondeo el valor de 600 [pies3]

Temperatura del aire exterior es 23,71 ºC convertido 74,678 ºF

Temperatura de la cámara de almacenamiento 4 ºC convertido 39,2 ºF

De la siguiente Tabla asumimos 23 renovaciones.

Volumen [ft3]

Cambios de aire en 24 horas

Arriba de

32 ºF

Debajo de

32 ºF

200

300

400

500

600

800

44.0

34.5

29.5

26.0

23.0

20.0

33.5

26.2

22.5

20.0

18..0

15.3

Fuente: Del manual de fundamentos ASHRAE, 1981.


De tabla 9 del manual de COPELAND con temperatura de almacenamiento 40 ºF y

humedad relativa de 60 % se tiene:

Calor a eliminar= 1.55

Por la formula de carga por infiltraciones.

23 597,17 1,55 21289,11

223,53

TABLA 9.- CALOR REMOVIDO EN AIRE DE ENFRIAMIENTO A LAS

CONDICIONES DE CÁMARAS DE ALMACENAMIENTO

Temperatura de la cámara De almacenamiento

ºF

65 60 55 50 45 40 35 30

Temperatura del aire exterior en ºF

85 90 95 100

50 60 50 60 50 60 50 60

0.45 0.66 0.85 1.03 1.19 1.35 1.50 1.64

62. Refrigeración y Aire Acondicionado H) CALCULO DE LA CARGA TÉRMICA TOTAL

Es la suma de todas las cargas parciales. Recomendamos para simplificar el cálculo de las

cargas térmicas utilizar un software para auxiliar este trabajo.

Tabla 2.- Resumen de las cargas Térmicas

Carga térmica Q = [kcal/h]

Transmisión paredes,

techo y suelo

211,73

Producto 3.087,90

Embalaje 32,85

Iluminación 61,92

Motores 133,87

Ocupantes 424,38

Infiltraciones 223,53

TOTAL 4.176,18

Tomando el criterio de margen de seguridad el 10 % de la carga obtenida, la carga total es:

CARGA TERMICA TOTAL= 4176,18 + 417,62 = 4593,8 [kcal/h]


H) SELECCIÓN DE EQUIPOS

1. POTENCIA FRIGORIFICA

Una vez determinada la carga total de refrigeración, junto con la temperatura de evaporación requerida,

puede seleccionarse inteligentemente los componentes del sistema de refrigeración.

4593,8 1,52

La potencia frigorífica es 1,52 [Ton] de refrigeración.

2. ELECCIÓN DEL REFRIGERANTE En general un Refrigerante es cualquier cuerpo o sustancia que actúa como agente de enfriamiento absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia. Con respecto al ciclo de compresión el refrigerante es un fluido de trabajo el cual alternativamente se vaporiza y condensa absorbiendo y cediendo calor respectivamente.

Para elegir un refrigerante se debe considerar las siguientes propiedades:

a) Propiedades termodinámicas

− Presiones de evaporación y condensación, temperaturas de congelación,

coeficientes de funcionamiento, de fugas, ect.

b) Propiedades de seguridad

− Toxicidad, inflamabilidad detección

c) Propiedades físicas y químicas

− Conductividad térmica, miscibilidad, estanqueidad química, comportamiento en

presencia del agua, acción sobre los metales y los plásticos.

d) Factor económico

− Costos y disponibilidad.

El refrigerante a utilizar en el proyecto es R-22 por ser el más comercializado en nuestro medio y

recomendado para cámaras frigoríficas que almacenan alimentos.

3. SELECCIÓN DE LA UNIDAD CONDENSADORA

Las unidades condensadores FLEXCOLD mantienen un optimo desempeño en sus funciones básicas,

con temperatura de evaporación 0 ºC, temperatura interna de 4 ºC y temperatura externa 23,71 ºC.

La potencia frigorífica de catálogos se calcula tomando en cuenta un factor de corrección, que supone

un salto térmico. La potencia frigorífica será:

4593,80.90 5104,2

64. Refrigeración y Aire Acondicionado Con el dato de la potencia frigorífica 5104,2 kcal/h, y aproximando el valor superior se elige del catálogo el modelo de la unidad condensadora.

DATOS DE CAPACIDAD

MODELO TEMPERATURA

EXTERNA

TEMPERATURA DE EVAPORACIÓN

5 ºC 0 ºC -5 ºC -10 ºC -15 ºC -17.5

ºC

FLEX225H2

32 ºC Q 6220 5220 4240 3320 2530 2190

P 2,18 1,96 1,78 1,64 1,15 1,44

35 ºC Q 5920 4970 4040 3180 2410 2090

P 2,18 2,00 1,82 1,66 1,51 1,45

FLES250H2

32 ºc Q 6950 5840 4740 3710 2830 2440

P 2,58 2,32 2,10 1,94 1,77 1,70

35 ºC Q 6620 5560 4510 3530 2700 2320

P 2,62 2,36 2,15 1,97 1,79 1,72


Q; Potencia frigorífica [Kcal/h]

P; Potencia consumida [kW]

ESPECIFICACIONES TECNICAS

Unidades Condensadoras Modelos R22/HP81

Modelo

Dimensiones

externas

Datos Mecánicos

Pes

o

Net

o

(kg)

Pes

o

Brut

o

(kg)

Ventiladores

Niv

el

de

ruid

o

A 5

m

Conexiones Recipi

-

ente

de

Liquid

o

90%

lleno

(kg)

Diámet

ro

(mm)

Can

t.

Fuga

De

Aire

(m3/

h)

Lar

go

(m

m)

A

Anc

ho

(m

m)

B

Altur

a

(mm

)

C

Liquid

o

Flare

Pol.

Succió

n

SWT

(Ext)

Pol.

FLEX225H2 750 500 548 3/8 5/8 3.5 52 66 457 1 3300 68



DATOS ELECTRICOS

MODELO NUEVO COMPRESOR COMPRESOR

VOLTS FASES HZ RLA LRA

FLEX225H2B CR24KQ-PFV 220 1 50/60* 13,5 71


De catálogos FLEXCOLD elegimos el que cumple con la potencia frigorífica de 5220 [kca/h] la Potencia

consumida es 1,96 [kW] MODELO: FLEX225 H2, Cargado de Refrigerante R-22 para este modelo es

3,5 kg un solo ventilador y compresor CR24KQ – PFV con tensión de alimentación 220 [V] 50 hz.

4. SELECCIÓN DEL EVAPORADOR

El evaporador FBA BOHN fue diseñado para ser un producto de alto desempeño con un dimensional mas

compacto que garantiza mejor aprovechamiento del espacio interno de las cámaras de almacenaje de

productos enfriados y congelados.

De catálogos con T=5 ºC Modelos FBA – 4 Aletas por pulg.

Temperatura evaporación 0 ºC se elige el evaporador

Modelo : FBA 4210 D capacidad 5280x 0.87 = 4593,6 [kcal/h]

Cargado de Refrigerante para este modelo es 3,4 kg.

DATOS DE CAPACIDAD

MODELOS FBA’s (para 50 hz, multiplicar por 0,87)

Modelo

Capacidad en kcal/h – Dt = 6ºC Datos de los

ventiladores

Temperatura de evaporación Fug

a

De

Aire

(m3/

h)

Q

t

Dia

m

(mm

)

Fluj

o

De

Aire

(m)

10º

c 5ºC 0ºC

-

5ºC

-

10º

C

-

15º

C

-

20º

C

-

25º

C

-

30º

C

-

35º

C

-

40º

C

Modelos FBA`s – 4 aletas por pulgada

FBA4180D 514

0

489

0

464

0

435

0

415

0

406

0

395

0

383

0

371

0

357

0

343

0

3,32

4 4 254 13


FBA4210D 588

0

558

0

528

0

497

0

474

0

463

0

451

0

437

0

423

0

408

0

392

0

4.32

8 5 254 13

FBA4240D 665

0

632

0

599

0

556

0

518

0

506

0

493

0

478

0

462

0

446

0

429

0

4.15

9 5 254 13

Se selecciona el modelo FBA4210D que tiene capacidad de 5580 kcal/h y tiene un salto térmico de 6 ºC.

con 4 aletas por pulgada.


CAPÍTULO 5

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN

OBJETIVOS

• Describir el sistema de absoción amoniaco agua. • Describir las máquinas con sistemas bromuro de litio y agua. • Realizar problemas de los sistemas de absorción.

5.1 INTRODUCCIÓN

El sistema de refrigeración por absorción fue desarrollado por Sir John Leslie, quien utilizó el ácido sulfúrico como absorbente y el agua como refrigerante. Más tarde, en 1859, Ferdinand Carre inventa la primera máquina de absorción, la cual trabaja con el par amoníaco-agua.

Los ciclos de absorción funcionan con un par de refrigerantes químicos. Son sistemas de dos componentes, donde una de las sustancias es disuelta en la otra y el enfriamiento se produce secando una de las dos sustancias de la solución por medio de la aplicación de calor y luego reabsorbiéndola hacia la solución.

Esta forma de producir frio, tiene un atractivo económico cuando se tiene una fuente de energía térmica barata a una temperatura de 100 a 200 ºC. Como su nombre lo indica, los sistemas de refrigeración por absorción implican la absorción de un refrigerante por un medio de transporte. El sistema de refrigeración por absorción más utilizado es el sistema amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH3) sirve como el refrigerante y el agua (H2O) es el medio de transporte. Otros sistemas de refrigeración por absorción son los de agua - bromuro de litio y el de agua – cloruro de litio, en los que el agua sirve como refrigerante. Los últimos dos sistemas están limitados a aplicaciones como el acondicionamiento de aire, en las que la temperatura mínima queda por arriba del punto de congelación del agua.

En los ciclos Agua- Bromuro de Litio el refrigerante que se utiliza R- 718 (agua

destilada), ya el absorbente es una solución de Bromuro de Litio.

En los ciclos Amoniaco- agua se utiliza R-717 (Amoniaco) como refrigerante y agua destilada como absorbente. Las tres sustancias tienen un comportamiento muy favorable con el medio ambiente, se deben precisar precauciones especiales para la manipulación y mantenimiento de los equipos que trabajan con amoniaco, dada la peligrosidad de esta sustancia para el ser humano.

5.2 SISTEMA DE ABSORCIÓN AMONIACO-AGUA

La máquina de refrigeración de amoniaco-agua fue patentada por el francés Ferdinand Carre en 1859, en este sistema de refrigeración por absorción sustituye al compresor por un mecanismo de absorción compuesto por un absorbedor, una bomba, un generador, un regenerador, una válvula y un rectificador.


Figura 5.1 Sistema de refrigeración por absorción.

El vapor amoniaco sale del evaporador y entra al absorbedor, donde se disuelve y tiene una reacción química con el agua para formar NH3 + H2O. Ésta es una reacción exotérmica; por ello el calor se libera durante este proceso. La cantidad de amoniaco que puede disolverse en H2O es inversamente proporcional a la temperatura. Por consiguiente es necesario enfriar el absorbedor para mantener su temperatura lo más baja posible, y por ende, para maximizar la cantidad de NH3 disuelto en el agua. La solución líquida NH3 + H2O, que es rica en NH3, se bombea luego al generador. El calor se transfiere a la solución de una fuente para evaporar algo de la solución. El vapor que rico en NH3 pasa por un rectificador, que separa el agua y la regresa al generador. El vapor de NH3 puro de alta presión continúa luego su trayecto por el resto del ciclo. La solución caliente NH3 + H2O, pobre en NH3, pasa después por un regenerador, donde transfiere algo de calor a la solución enriquecida que sale de la bomba, y se estrangula hasta la presión del absorbedor.

Comparados con los sistemas por compresión de vapor, los sistemas de refrigeración por absorción presentan una ventaja importante, se comprime un líquido en vez de un vapor. El trabajo del flujo permanente es proporcional al

volumen específico, es la razón por lo que es trabajo de entrada se ignora en el análisis del ciclo.

Los sistemas de refrigeración por absorción son mucho más costosos que los sistemas de refrigeración por compresión de vapor. Son más complejos y ocupan más espacio, son mucho menos eficientes, por lo tanto requieren torres de enfriamiento mucho más grandes para liberar el calor residual y son más difíciles de mantener dado que son poco comunes. Los sistemas de refrigeración por absorción se utilizan principalmente en grandes instalaciones comerciales e industriales.

El COP de sistemas de refrigeración por absorción se define como:

ó

(5.1)

ó (5.2)

Donde:

; es la capacidad de producción de enfriamiento.

; es la energía transferida desde la fuente de calor.

; es la potencia de la bomba.

A continuación presentamos una tabla de refrigerantes y absorbentes que usan estos sistemas.


Tabla 5.1 Refrigerantes y absorbentes que usan los sistemas de refrigeración por absorción.

5.3 MÁQUINAS DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN SOLARES9 El Área de Energías Renovables del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial ofrece know-how en la tecnología de refrigeración por absorción. La principal aplicación del know-how en máquinas de refrigeración por absorción asistidas por energía solar está en usos industriales o residenciales de este tipo de máquinas de refrigeración. Las principales ventajas que ofrecen estas máquinas son alto rendimiento a baja carga (se pierde poco rendimiento a carga parcial), menor necesidad de potencia eléctrica, bajo mantenimiento y fiabilidad.

Figura 5.2. Refrigeración por absorción solar. Las principales ventajas que ofrece son:

9 Subdirección de Investigación y programas (Madrid‐España)

- Puede usar energía solar térmica como fuente calorífica.

- Protección del medio ambiente (uso de refrigerantes inocuos).

- Aprovechamiento del espacio (mismo equipo para frío y calor).

- Alto rendimiento a baja carga (se pierde poco rendimiento a carga parcial).

- Menor necesidad de potencia eléctrica. - Bajo Mantenimiento. - Fiabilidad.

5.4 SISTEMA DE ABSORCIÓN BROMURO DE LITIO Y AGUA

En los sistemas de absorción Bromuro de litio – agua el refrigerante que se utiliza R -718 (agua destilada), y el absorbente es una solución de Bromuro de Litio. Como el refrigerante es agua su estado físico es líquido, por tanto la temperatura del evaporador debe estar por encima de 0 ºC, esto demuestra que se usa en aplicaciones de acondicionamiento de aire.

Para determinar las propiedades de la solución del bromuro de litio se usa los diagramas representados por porcentaje de bromuro de litio versus entalpía, ver figura 5.4. Para las propiedades del vapor hay que usar las tablas del vapor de agua con presión y temperaturas existentes.

REFRIGERANTES Y ABSORBENTES R-717

Amoniaco R-718 Agua

BrLi Sal Diluida

Estabilidad química Media Alta Alta Toxicidad Alta Nula Baja Disponibilidad Alta Alta Alta Efectos contaminantes Bajos Nulos Nulos ODP 0 0 0 GWP 0 0 0 TEWI Bajo Nulo Bajo Calor latente vaporización 1,25 MJ/kg 2,5 MJ/kg N/A Coste Medio Bajo Medio

70. Refrigeración y Aire Acondicionado El ciclo de las unidades de refrigeración del tipo bromuro de litio-agua tienen similitud con el ciclo de los sistemas de amoniaco – agua. En el generador de añade calor para que se libere vapor de agua, luego pasa al condensador donde se realiza la licuación, continuando la caída de presión que se logra mediante una tobera, luego en la evaporación, la vaporización del agua reduce la temperatura del agua que permanece en estado líquido, a continuación el vapor de agua pasa al absorbedor y es absorbido por la solución de bromuro de litio, este abandona el absorbedor con una concentración baja de bromuro de litio.

La sustancia bromuro de litio su estado es sólido pero cuando absorbe agua en un 30% pasa al estado líquido.

Las siguientes figuras muestran diagramas de propiedades termodinámicas para la solución bromuro de litio- agua.

Figura 5.3. Diagrama de p, x, T, de la solución bromuro de Litio –agua.


Figura 5.4. Diagrama de h, x,T de la solución bromuro de Litio –agua.

5.5 PROBLEMAS

Un sistema de refrigeración por Absorción tipo amoniaco – agua (NH3 + H2O) como se muestra en la figura -1, funciona con un flujo de calor al generador de 28400 [kJ/h]. Este generador opera a 90 ºC, un condensador a presión de 10 kg/cm2, presión de admisión en la bomba es de 2 kg/cm2, la temperatura en el absorbedor de 20 ºC, temperatura en el evaporador y de la purga del líquido de -10 ºC. Este sistema viene equipado con un intercambiador de calor entre el generador y el absorbedor de tal forma que la solución fuerte procedente del absorbedor es calentada a 69 ºC, para luego entrar al generador y el vapor que sale del generador pasa por un rectificador donde se enfría a 50 ºC. Calcular:

a) La capacidad de refrigeración del sistema, en toneladas de refrigeración y el coeficiente de funcionamiento.

Problema 5.1


DATOS:

SOLUCIÓN:

Tgener =90[ºC]

Tevap =-10[ºC]

Pcond =10[kg/cm²]

Padm =2 [kg/cm²]

Cálculo de las propiedades Termodinámicas en los diferentes puntos de estado:

Punto 1

P1= 2 [kg/cm²] x’1=0.44 [kgNH3/kgmezcla]

T1= 20[ºC] hL=- 40 [kcal/kg]

Punto 2

P2= 9 [kg/cm² x’2=0.44 [kgNH3/kgmezcla]

T2= 69[ºC] hL=17.2[kcal/kg]

Punto3


P3= 10 [kg/cm²] x”3=0.952 [kgNH3/kgmezcla]

T3= 90[ºC] h3=360 [kcal/kg]

Punto 4


T4= 50[ºC] h4=-1.5 [kcal/kg]

Punto 5


T5= 90[ºC] h5=44.5 [kcal/kg]

Punto 6

P6= 2.4 [kg/cm²] x’6=x’5=0.36 [kgNH3/kgmezcla]

T6= 90-49=41[ºC] h6=- 14.7 [kcal/kg]

Punto 7

P7= 10 [kg/cm²] x’’7=0.9967 [kgNH3/kgmezcla]

T7= 50 [ºC] h7=324.81 [kcal/kg]

Punto 8


T8= 25[ºC] h8=27 [kcal/kg]

Punto 9

h9= h8= 27[kcal/kg]

T9= -10[ºC]

Punto 10

P10= 2 [kg/cm²] x10= 0.9967 [kgNH3/kgmezcla]

T10= -10[ºC] hL10=-58 [kcal/kg] entalpia en líquido

hV10=303 [kcal/kg] entalpía en vapor

Para determinar h10 se realiza el balance de amoniaco asumiendo que 1[kg] total de líquido de purga sale del evaporador.

x’10= 0.7 [kgNH3/kgmezcla]

hL10= -58[kcal/kg]

y para el vapor:

x’’10= 0.999 [kgNH3/kgmezcla]

hv10= 303[kcal/kg]


Aplicando la ecuación según Stoecker (pag. 184)

1 1 (1)

Donde:

wpl: es el peso en liquido de purga 0.9967 0.9990.7 0.999

0.00769

Luego la entalpia en el punto 10 es:

1 (2)

300.22

Determinación de los flujos de masa en cada punto.

(3)

Análisis del rectificador.

(4)

(5)

Análisis del generador.


Balance de energía en el generador:

(6)

Balance de masas en el generador:

(7)

(8)

Análisis del Absorbedor.

Balance de masa en el absorbedor.

(9)

(10)

Se tiene las siguientes igualdades.

Resolviendo el sistema lineal de ecuaciones.

Ecuación (5) en (4).

0.127 (11)

Ecuación (5) en (8)

(12)

Ecuación (12) en (7)

Factorizando y despejando m5 se tiene:


0.08 0.512 0.127 · 0.352 0.08 0.5567 ·

6.95879 · (13)

Ecuaciones (11) (12) y (13) en (6).

0.127 · 6.95879 ·

Despejando el flujo de masa m7

6.95879 · 0.127 · ·

0.1953

Por la ecuación (3)

0.1953

a) La capacidad de refrigeración del sistema es.

. .

. . 0.1953 300.22 27

. . 53.359

El coeficiente de funcionamiento del sistema de Absorción es: . .

Siendo: 28400 113.0483

53.359113.0483

La figura A-6 se utilizó para la solución del problema.

. . 1.06

0.472

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