Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño”

Escuela de Mantenimiento Mecánico Extensión Maturín

TIPOS DE REFRIGERANTES Y CARGAS TÉRMICAS

AUTOR (ES): Fernández Daviannys 20.420.474 Mendeiros Yelimar 22.719.764 Aquino Manuel 24.124.492 Julieth Pérez 22.700.953

TUTOR: Luís Castillo

Maturín, Agosto de 2016

Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño”

Escuela de Mantenimiento Mecánico Extensión Maturín

TIPOS DE REFRIGERANTES Y CARGAS TÉRMICAS Caso: Trabajo en Grupo tercer corte

AUTOR (ES): Fernández Daviannys 20.420.474 Mendeiros Yelimar 22.719.764 Aquino Manuel 24.124.492 Julieth Pérez 22.700.953

TUTOR: Luís Castillo

Maturín, Agosto de 2016

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INDICE GENERAL

PP INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 1 Objetivo General ............................................................................................. 2 Objetivos Específicos ...................................................................................... 2 TIPOS DE REFRIGERANTES ........................................................................ 2 GAS REFRIGERANTE .................................................................................... 2 Identificación de Refrigerantes ........................................................................ 3 Clasificación de los refrigerantes. .................................................................... 3 Gases refrigerantes. ........................................................................................ 6 Cargas térmicas de refrigeración. ................................................................... 8 Clasificación de las cargas térmicas. .............................................................. 9 Métodos de cálculo de cargas térmicas .......................................................... 9 Componentes de la carga térmica ................................................................. 10 Cálculo de la carga térmica para refrigeración .............................................. 10 Cálculo de la carga térmica sensible ............................................................. 11 Carga por radiación solar a través de cristal "Qsr" ........................................ 11 Carga por transmisión y radiación a través de paredes y techos exteriores "Qstr" ............................................................................................................. 12 Carga por transmisión a través de paredes, techos, suelos y puertas interiores "Qst" .............................................................................................. 13 Carga transmitida por infiltraciones de aire exterior "Qsi" ............................. 13 Carga sensible por aportaciones internas "Qsai" .......................................... 14 Carga sensible total "Qs"............................................................................... 14 Cálculo de la carga térmica latente ............................................................... 14 Carga latente transmitida por infiltraciones de aire exterior "Qli" ................... 15 Carga latente por ocupación "Qlp" ................................................................ 15 Carga latente total "Ql" .................................................................................. 16 CONCLUSIONES .......................................................................................... 17 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................. 18

INTRODUCCIÓN En la búsqueda para encontrar el mejor refrigerante con el producto más

conveniente de propiedades químicas, físicas y termodinámicas, muchos

tipos de refrigerantes fueron experimentados en los primeros días de

refrigeración. Varios que tuvieron un buen desempeño fueron descartados

porque eran explosivos o venenosos y podrían plantear un riesgo para la

salud si se liberaban a la atmósfera.

La mayoría de los tipos de refrigerantes tienen cualidades tanto buenas

como malas. El aire fue utilizado en los primeros días, pero no eliminaba muy

bien el calor. El amoníaco es tóxico, pero se ha utilizado durante años en

aplicaciones industriales donde la toxicidad es una preocupación secundaria.

El dióxido de carbono no es tóxico ni inflamable, pero exige altas

temperaturas de funcionamiento que no siempre son prácticas.

El nombre freón es en realidad una marca comercial utilizada para una

variedad de hidrocarburos fluorados no inflamables gaseosos o líquidos. Su

composición ha cambiado en los últimos años debido a las preocupaciones

de los posibles daños al medio ambiente.

A través de años de trabajo, diversas compañías y organizaciones han

evaluado múltiples factores requeridos para determinar las cargas de

enfriamiento en diversas aplicaciones. Cuando se utilizan estos factores para

el cálculo de cargas en espacios y edificios, lo importante es aplicar un buen

criterio para desarrollar algún procedimiento definido.

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Objetivo General

Elaborar un trabajo en grupo sobre los diferentes tipos de refrigerantes y las

cargas de refrigeración.

Objetivos Específicos

Describir los diferentes tipos de refrigerante.

Definir las cargas térmicas de refrigeración.

TIPOS DE REFRIGERANTES

GAS REFRIGERANTE

Es el fluido frigorígeno que contiene una instalación frigorífica y cuya

misión es la de absorber calor en la fuente fría a baja presión y temperatura,

para cederlo a la fuente caliente a alta presión y temperatura. Todo ello con

cambio de estado de líquido a vapor y viceversa.

Figura N° 1. Circuito frigorífico simple con expansión por capilar.

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Identificación de Refrigerantes

Los refrigerantes se identifican por números después de la letra R, que

significa "refrigerante". El sistema de identificación ha sido estandarizado por

la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning

Engineers). Es necesario estar familiarizado con los números, así como con

los nombres de los refrigerantes.

Clasificación de los refrigerantes.

A continuación se presentaran diferentes maneras de clasificar los

refrigerantes:

Los refrigerantes se clasifican atendiendo a diferentes propiedades que los

dividen en grupos.

Composición química

Inorgánicos

• Agua

• Amoníaco

Orgánicos

• Hidrocarburos y sus derivados.

Perjudiciales para la Capa de Ozono

• HCFC's.Hidrocloroflurocarbonados.

• HFC's.

• HC: Hidrocarburos (alcanos y alquenos).

• Mezclas, azeotrópicas o no azeotrópicas, de los anteriores.

Grado de seguridad

• Grupo 1: no son combustibles ni tóxicos.

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• Grupo 2: tóxicos, corrosivos o explosivos a concetraciones mayores

de 3,5% en volumen mezclados con el aire:El grupo incluye el

Amoníaco, Cloruro de etilo, Cloruro de metilo y Dióxido de azufre, pero

solo el Amoníaco (r-717) se utiliza aún en cierto grado.

• Grupo 3: tóxicos, corrosivos o explosivos a concentraciones menores

o iguales a 3,5% en volumen. Estos refrigerantes son muy inflamables

y explosivos. A causa de su bajo costo se utilizan donde el peligro

está siempre presente y su uso no agrega otro peligro, como por

ejemplo, en las plantas petroquímicas y en las refinerías de petróleo.

El grupo incluye el Butano, Propano, Isobutano, Etano, Etileno,

Propileno y Metano.

Estos refrigerantes deben trabajar a presiones mayores que la

atmosférica para evitar que aumente el peligro de explosión. Las presiones

mayores que la atmosféricas impiden la penetración de aire por pérdidas

porque es la mezcla aire-refrigerante la que resulta potencialmente peligrosa.

Presiones de trabajo

• Baja

• Media

• Alta

• Muy alta

Función

• Primario: si es el agente transmisor en el sistema frigorífico, y por lo

tanto realiza un intercambio térmico principalmente en forma de calor

latente.

• Secundario: realiza un papel de intercambio térmico intermedio entre

el refrigerante primario y el medio exterior. Realiza el intercambio

principalmente en forma de calor sensible.

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Perjuicios

• A la capa de ozono: Índice ODP

• Ayudar al efecto invernadero: Índice GWP

Los refrigerantes según la norma americana NRSC (National Refrigeration

Safety Code) se dividen en tres grupos:

• Agua.

• Amoníaco

• Freones. Entre ellos los R12, R22, R502, así como los nuevos gases

no perjudiciales para la capa de ozono.

Existen en la actualidad tres tipos de refrigerantes de la familia de los

hidrocarburos halogenados:

CFC: (Flúor, Carbono, Cloro), Clorofluorocarbono, no contiene hidrógeno en

su molécula química y por lo tanto es estable, esta estabilidad hace que

permanezca mucho tiempo en la atmósfera afectando seriamente la capa de

ozono y es una de las causas del efecto invernadero (R-11, R-12, R-115).

Está prohibida su fabricación desde 1995.

HCFC: (Hidrógeno, Carbono, Flúor, Cloro). Es similar al anterior pero con

átomos de hidrógeno en su molécula. Posee un potencial reducido de

destrucción de la capa de ozono (R-22).

HFC: (Hidrógeno, Flúor, Carbono). Es un Fluorocarbono sin cloro con átomos

de hidrógeno sin potencial destructor del ozono dado que no contiene cloro.

(R-134a, 141b).

Refrigerantes simples.

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Son sustancias químicas, que por sí solas, pueden utilizarse como

refrigerantes.

Entre los principales refrigerantes simples o puros se encuentra el R.12,

R-22. R134A, R-125.

Mezclas Azeotrópicas.

Son los refrigerantes compuestos de dos o tres sustancias, (binarias o

ternarias), pero que se comportan como o casi un refrigerante puro o simple.

Mezclas Zeotrópicas.

No tienen una evaporación ni condensación constante a una presión

determinada.

Gases refrigerantes.

Los fabricantes de gases refrigerantes los envasan en cilindros de

colores, respetando el código de colores de AHRI (Air conditioning, Heating &

Refrigeration Institute), que a su vez utiliza el PMS (Pantone Matching

System), un lenguaje internacional de impresión que se utiliza para los

colores. El AHRI asigna los colores de acuerdo con el Standard 34 de

ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning

Engineers) siguiendo la siguiente clasificación:

Clase I

Refrigerantes líquidos: estos tienen un punto de ebullición superior a los 20

°C. La presentación de estos gases normalmente se efectúa en un tambor

Ejemplos: R-11, R-113, R-123

Clase II

Refrigerantes de “baja presión”: Los envases de estos gases pueden

soportar una presión interior máxima de hasta 500 psig

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Ejemplos: R-12, R-134a y R-22

Clase III

Refrigerantes de “alta presión”: estos gases se envasan en cilindros que

tienen una presión mínima de trabajo de al menos 500 psig

Ejemplos: R-13, R-23 y R-503

Clase IV

Refrigerantes inflamables: estos refrigerantes, ya sean zeótropos o

azeótropos, que tienen la clasificación 2 o 3 de inflamabilidad otorgada por

ASHRAE en el Standard 34

Ejemplos: R-114B o R-411a

Figura N° 2. Código de colores ARI para los cilindros de gas refrigerante.

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Cargas térmicas de refrigeración.

La carga térmica se define como la cantidad de calor que debe ser retirada

del sitio por refrigerar para reducir o mantener la temperatura deseada. En un

área por acondicionar, la carga térmica se debe eliminar mediante

enfriamiento, el cual resulta de la suma de las cargas térmicas en las que

están involucradas diferentes fuentes.

Por su parte, para mantener fría una cámara y todo lo que esté contenido en

ella, es necesario extraer el calor inicial y, luego, el que pueda entrar en ella,

aunque se encuentre bien aislada.

Según la American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning

Engineers (ASHRAE), para el cálculo de la carga térmica en cámaras de

almacenamiento de alimentos son considerados los siguientes factores:

• Transmisión de calor por la superficie

• Calor que el alimento debe perder para alcanzar la temperatura

deseada

• Calor interno referente a personas

• Lámparas y equipamientos, infiltraciones de aire

• Calor de los moto-ventiladores y tiempo previsto de funcionamiento

• Coeficiente de seguridad

En el diseño de un sistema de aire acondicionado habrá que calcular las

cargas térmicas para las situaciones de diseño de verano y de invierno,

dimensionando la instalación para la situación más desfavorable.

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Clasificación de las cargas térmicas.

Cargas térmicas de transmisión: Es la carga SENSIBLE transmitida a través

de los cerramientos de un edificio.

• Cargas térmicas de ventilación: Es la debida a la renovación del aire del

interior del edificio. Sensible y latente.

• Carga térmica de infiltraciones: Es la debida al aire que entra a través de

los intersticios del edificio. Sensible y latente.

• Carga térmica de radiación: Es la carga sensible debida al paso de la

radiación solar a través de superficies acristaladas. Sensible.

• Carga térmica interna: Es la debida al uso del edificio, tanto por máquinas y

equipos que están en funcionamiento, como por la presencia de las personas

que hay en su interior. Sensible y latente.

Métodos de cálculo de cargas térmicas

La complejidad depende de si es calefacción o refrigeración:

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Componentes de la carga térmica

Según la procedencia se pueden distinguir dos grandes grupos de cargas

térmicas:

• Cargas térmicas procedentes del ambiente exterior del edificio:

A su vez, las cargas térmicas externas pueden ser de diversos tipos:

- Cargas a través de cerramientos;

- Cargas a través de superficies acristaladas, ventanas y claraboyas;

- Cargas introducidas a través de la ventilación;

- Cargas debidas a infiltración.

- Cargas térmicas generadas en el interior del edificio:

A su vez, las cargas térmicas internas pueden ser de diversos tipos:

- Cargas generadas por las personas;

- Cargas de iluminación;

- Cargas generadas por equipos eléctricos, informáticos...

- Otras cargas generadas en el interior.

Cálculo de la carga térmica para refrigeración

El cálculo de la carga térmica de refrigeración (Qr) es necesario para

saber la capacidad de refrigeración de los aparatos de aire acondicionado

que se deben utilizar, y en última instancia de su potencia eléctrica de

consumo.

La carga térmica total de refrigeración (Qr) de un local se obtiene de la

siguiente expresión:

Qr = Qs + Ql

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donde,

Qs es la carga térmica sensible (W);

Ql es la carga térmica latente (W).

Cálculo de la carga térmica sensible

Expresión general

Para el cálculo de la carga térmica sensible (Qs) se emplea la siguiente

expresión:

Qs = Qsr + Qstr + Qst + Qsi + Qsai

donde,

Qsr es el valor de la carga sensible debida a la radiación solar a través de

las superficies acristaladas (W);

Qstr es la carga sensible por transmisión y radiación a través de paredes y

techos exteriores (W);

Qst es la carga sensible por transmisión a través de paredes, techos,

suelos y puertas interiores (W);

Qsi es la carga sensible transmitida por infiltraciones de aire exterior (W);

Qsai es la carga sensible debida a aportaciones internas (W).

Por lo tanto, el cálculo de la carga sensible se basa en calcular cada una de

las diferentes cargas anteriores y sumarlas, obteniéndose así el valor de la

carga sensible total.

Carga por radiación solar a través de cristal "Qsr"

La radiación solar atraviesa las superficies traslúcidas y transparentes e

incide sobre las superficies interiores del local, calentándolas, lo que a su vez

incrementa la temperatura del ambiente interior.

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La carga térmica por radiación a través de cristales y superficies traslúcidas

(Qsr) se calcula como sigue:

Qsr = S.R.F

donde,

Qsr es la carga térmica por radiación solar a través de cristal, en W.

S es la superficie traslúcida o acristalada expuesta a la radiación, en m2.

R es la radiación solar que atraviesa la superficie, en W/m2, correspondiente

a la orientación, mes y latitud del lugar considerado.

F es el factor de corrección de la radiación en función del tipo de vidrio

empleado en la ventana, efectos de sombras que pueda existir, etc. Este

valor se puede obtener de las tablas incluidas en el documento CTE-DB HE

Ahorro de energía.

Carga por transmisión y radiación a través de paredes y techos exteriores "Qstr"

La carga por transmisión y radiación que se transmite a través de las

paredes y techos opacos que limitan con el exterior (Qstr) se calcula como

sigue:

Qstr = K.S(Tec - Ti)

donde,

Qstr es la carga por transmisión a través de paredes y techos exteriores, en

W.

K es el coeficiente global de transmisión térmica del cerramiento, también

llamado transmitancia térmica, expresado en W/m2ºC.

S es la superficie del muro expuesta a la diferencia de temperaturas, en

m2.

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Ti es la temperatura interior de diseño del local (ºC)

Tec es la temperatura exterior de cálculo al otro lado del local (ºC)

Carga por transmisión a través de paredes, techos, suelos y puertas interiores "Qst"

La carga por transmisión a través de los cerramientos interiores del local que

lo limitan con otras estancias del edificio (Qst) se calcula aplicando la

expresión siguiente:

Qst = K S (Te-Ti)

donde,

Qst es la carga por transmisión a través de los cerramientos interiores, en

W.

K es el coeficiente global de transmisión térmica del cerramiento, también

llamado transmitancia térmica, expresado en W/m2ºC.

S es la superficie del cerramiento interior, en m2.

Te es la temperatura de diseño al otro lado del cerramiento (ºC)

Ti es la temperatura interior de diseño del local (ºC)

Carga transmitida por infiltraciones de aire exterior "Qsi"

La carga transmitida por infiltraciones y ventilación de aire exterior (Qsi) se

determina mediante la siguiente expresión:

Qsi = V.ρ.Ce,aire.ΔT

donde,

Qsi es la carga térmica por infiltración y ventilación de aire exterior (W);

V es el caudal de aire infiltrado y de ventilación (m3/s);

ρ es la densidad del aire, de valor 1,18 kg/m3;

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Ce,aire es el calor específico del aire, de valor 1012 J/kgºC;

ΔT es la diferencia de temperaturas entre el ambiente exterior e interior.

Carga sensible por aportaciones internas "Qsai"

La ganancia de carga sensible debida a las aportaciones internas del local

(Qsai) se determina a su vez como suma de las siguientes tipos de cargas

que se generan dentro del mismo:

Qsai = Qsil + Qsp + Qse

donde,

Qsil es el valor de la ganancia interna de carga sensible debida a la

iluminación interior del local (W);

Qsp es la ganancia interna de carga sensible debida a los ocupantes del

local (W);

Qse es la ganancia interna de carga sensible debida a los diversos

aparatos existentes en el local, como aparatos eléctricos, ordenadores, etc.

(W).

Carga sensible total "Qs"

La carga sensible total (Qs) aportada al local es la suma de todas las

anteriores:

Qs = Qsr + Qstr + Qst + Qsi + Qsil + Qsp + Qse

Cálculo de la carga térmica latente

Expresión general

Para el cálculo de la carga térmica latente (Ql) se emplea la siguiente

expresión:

Ql = Qli + Qlp

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donde,

Qli es la carga latente transmitida por infiltraciones de aire exterior (W);

Qlp es la carga latente debida a la ocupación del local (W).

Por lo tanto, el cálculo de la carga latente se basa en calcular cada una de

las diferentes cargas anteriores y sumarlas, obteniéndose así el valor de la

carga latente total.

Carga latente transmitida por infiltraciones de aire exterior "Qli"

La carga latente transmitida por infiltraciones y ventilación de aire exterior

(Qli) se determina mediante la siguiente expresión:

Qli = V.ρ.Cl,agua.Δw

donde,

Qli es la carga térmica latente por ventilación de aire exterior (W)

V es el caudal de aire infiltrado y ventilación (m3/s);

ρ es la densidad del aire, de valor 1,18 kg/m3;

Cl,agua es el calor específico del agua, de valor 2257 kJ/kg;

Δw es la diferencia de humedad absoluta entre el ambiente exterior e

interior.

Carga latente por ocupación "Qlp"

La carga latente por ocupación del local (Qlp) se determina multiplicando la

valoración del calor latente emitido por la persona-tipo y por el número de

ocupantes previstos para el local.

La expresión para obtener el calor latente de aporte por la ocupación del

local sería la siguiente:

Qlp = n · Clatente,persona

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siendo,

n es el número de personas que se espera que ocupen el local;

Clatente,persona es el calor latente por persona y actividad que realice

Carga latente total "Ql"

La carga latente total (Ql) aportada al local es la suma de todas las

anteriores:

Ql = Qli + Qlp

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CONCLUSIONES

Los refrigerantes son vitales en el desarrollo de la vida del ser humano, ya

que nos permiten tener el control sobre la temperatura en diversos aspectos

necesarios, desde el hogar hasta procesos industriales.

Los refrigerantes a pesar de que son de gran importancia tanto en el

hogar como en la industria no siempre son recomendables debido a que se

ha llegado a la conclusión que muchos de ellos tienen efectos nocivos en la

capa de ozono, ya que se ha comprobado que las altas emisiones de gases

como los CFC han degradado considerablemente la capa de ozono

provocando como consecuencia inmediata el calentamiento global.

El conocimiento de las cargas térmicas es imprescindible, como paso

previo para acometer la tarea de diseñar el sistema de acondicionamiento del

aire interior de un edificio, dependencia o local.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Villanueva, R. (2004). Refrigerantes para aire acondicionado y refrigeración.

Editorial: club Universitario.

Cero Grados Celcius (2014). Revista digital. Código para la identificación de

refrigerantes. [On-Line]. Disponile: https://www.0grados.com/codigo-para-la-

identificacion-de-refrigerantes/

eHOW en español. Tipos de refrigerantes. [On-Line]. Disponible:

http://www.ehowenespanol.com/tipos-refrigerantes-sobre_48720/

EcuRed. Revista digital. [On-Line]. Disponible:

http://www.ecured.cu/Refrigerante

MUNDO HVA&R. Revista digital. Los Refrigerantes y sus Propiedades. [On-

Line]. Disponible: https://www.mundohvacr.com.mx/mundo/2007/02/los-

refrigerantes-y-sus-propiedades/

MUNDO HVA&R. Revista digital. Carga térmica. [On-Line]. Disponible:

https://www.mundohvacr.com.mx/mundo/2012/06/carga-termica/

INGEMECANICA. Guía para el cálculo de cargas térmicas en los edificios.

Revista digital. Carga térmica. [On-Line]. Disponible:

http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn255.html