UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERIA TRABAJO DE GRADUACIÓN PARA OPTAR AL GRADO DE INGENIERO MECÁNICO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS UTILIZANDO R-134a PARA EL LABORATORIO DE REFRIGERACIÓN DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA DE LA UNIVERSIDAD DON BOSCO PRESENTADO POR: ROBERTO CARLOS BARAHONA CERÓN EDWIN SALVADOR MENDOZA LÓPEZ JOSÉ LUIS PONCE ZOTELO ASESOR: ING. MARIO ARNOLDO MOLINA ARGUETA JULIO 2008 EL SALVADOR, CENTROAMERICA UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERIA RECTOR ING. FEDERICO MIGUEL HUGUET SECRETARIO GENERAL ING. YESENIA XIOMARA MARTÍNEZ OVIEDO DECANO FACULTAD DE INGENIERÍA ING. ERNESTO GODOFREDO GIRÓN JULIO 2008 EL SALVADOR, CENTROAMERICA UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERIA TRABAJO DE GRADUACIÓN PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS UTILIZANDO R-134a PARA EL LABORATORIO DE REFRIGERACIÓN DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA DE LA UNIVERSIDAD DON BOSCO _____________ _____________ ASESOR LECTOR ADMINISTRADOR JULIO 2008 EL SALVADOR, CENTROAMERICA INDICE Prefacio ................................................................................................................1 1. Fundamentos de refrigeración 2. Marco teórico 3. Diseño – Procedimiento de cálculo 4. Proceso de fabricación del banco de pruebas 5. Guías de laboratorio 6. Conclusiones y recomendaciones 7. Glosario de términos........................................................................................ 8. Anexos............................................................................................................... PREFACIO Muchos de los procesos industriales que en los últimos años han marcado la pauta del desarrollo a nivel mundial, les encontramos también presentes en el ámbito industrial de nuestro país; situación que demanda la adecuación de equipo educativo a todas las instituciones que prestan los servicios de enseñanza académica superior, tal es el caso, de la Universidad Don Bosco y el Centro de Investigaciones y Transferencia de Tecnología (CITT). La importancia de re-orientar el equipo de laboratorio para las Prácticas relacionadas con el área de Aire Acondicionado y Refrigeración, radica en que ésta, es una de las áreas de la mecánica que forman un pilar importante en los procesos industriales. La falta de conocimientos sobre el funcionamiento de sistemas de refrigeración, no permite enfrentar adecuadamente los problemas que se presentan cotidianamente dentro del ámbito industrial. El presente documento parte de una necesidad en la institución educativa universitaria, y reúne cierta base teórica relacionada al área de refrigeración, la cual se complementa con una serie de cálculos que respaldan el diseño y fabricación de un banco de pruebas didáctico para tan importante área de la ingeniería mecánica. Complementariamente, se presentan una serie de guías de laboratorio propuestas para ser desarrolladas dentro de los programas educativos que la institución universitaria considere convenientes, y un manual de operaciones en el que se detallan el funcionamiento y el plan de mantenimiento a seguir con el equipo. i OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL: • Diseñar y construir como medio didáctico, un banco de pruebas de un sistema de refrigeración utilizando el refrigerante ecológico 134a, para comprobar el funcionamiento de los diferentes dispositivos que conforman un ciclo de refrigeración, permitiendo observar el comportamiento de las distintas variables termodinámicas que intervienen dentro del mismo. OBJETIVOS ESPECIFICOS • Ofrecer una herramienta de apoyo didáctico a la teoría recibida en la cátedra de Aire Acondicionado y Refrigeración. • Proponer un conjunto de guías de laboratorio • Diseñar la estructura física del equipo de laboratorio. • Documentar el proceso de diseño y selección de cada parte y componentes del Sistema de Refrigeración. • Construir un Banco de Pruebas de Refrigeración a partir de los resultados de diseño. • Elaborar un Manual de Operación y Mantenimiento del equipo propuesto. ii CAPÍTULO ı Fundamentos de Refrigeración ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������������������������������ 1.1. Introducción Toda investigación se fundamenta en cierta base histórica, por lo que en la primera parte del presente capítulo se hace una referencia de la refrigeración a través de los años desde su aparecimiento como un método para preservación de alimentos. Posteriormente se hace referencia sobre algunas definiciones básicas relacionadas con el área de refrigeración, y se presentan los tipos de aplicación que tiene esta rama de la mecánica. Se hará un repaso a la teoría básica relacionada con leyes de la termodinámica, los cambios de estado de la materia, y los métodos de transmisión de calor entre otros. El capítulo finaliza con la presentación de los accesorios básicos utilizados para la construcción de sistemas de refrigeración. 1.2. La refrigeración a través de los años Aun cuando los primeros antepasados del hombre, conocieron y observaron, los efectos del frío, hielo y nieve sobre sus cuerpos y sobre las cosas alrededor de ellos tales como carnes que traían de sus cacerías no es hasta la historia china que encontramos alguna referencia al uso de estos fenómenos naturales de refrigeración, para mejorar la vida de la gente y luego únicamente para el enfriamiento de bebidas. Posteriormente otros usos se desarrollaron; los chinos fueron los primeros en recolectar y almacenar hielo del invierno empacándolo en paja o hierba seca, para utilizarlo en los meses de verano. 1 El hielo natural y la nieve fueron los únicos medios de refrigeración por muchos siglos. Los antiguos egipcios descubrieron que la evaporación podía causar enfriamiento, así aprendieron a colocar su vino y otros líquidos dentro de recipientes de barro colocándolos en los techos durante las noches, de tal manera que las brisas frías causaban evaporación y enfriaban el contenido. Los griegos y romanos dispusieron de la nieve que bajaba desde la parte superior de las montañas hasta fosas de forma cónica que se forraron con paja y ramas, y se recubrieron con techumbre de paja. Mediante estudios científicos es evidente que los alimentos frescos pueden conservarse con seguridad a temperaturas de 10ºC o menores. Así es posible preservar los alimentos por medio del secado, ahumado, especiado, salado o enfriamiento. La industria de la refrigeración y del aire acondicionado cada día se extiende más y encuentra más aplicaciones. En los inicios de la refrigeración mecánica, el equipo disponible era voluminoso, caro y no muy eficiente. Además, era de tal naturaleza que requería continuamente los servicios de un mecánico o de un ingeniero de servicio. Esto limitaba el uso de la refrigeración mecánica a unas cuantas aplicaciones tales como plantas de hielo, plantas empacadoras de carne y a grandes bodegas de almacenamiento. Poca gente con excepción de aquellas que están relacionadas directamente con la industria, están enteradas de la parte tan importante que la refrigeración juega en el desarrollo de la sociedad que se tiene en América, ni se dan cuenta de la dependencia de la sociedad con respecto a la refrigeración mecánica para contribuir a su existencia; por ejemplo, en la conservación de alimentos en cantidades suficientes para la alimentación. 1.3. Generalidades 2 Usualmente los usuarios confunden la palabra refrigeración con frío y con enfriamiento; sin embargo, la práctica de ingeniería de refrigeración, trata casi enteramente con la transmisión de calor. En general se define la refrigeración como cualquier proceso de eliminación de calor. Más específicamente, se define a la refrigeración como la rama de la ciencia que trata con los procesos de reducción y mantenimiento de la temperatura de un espacio o material a temperatura inferior con respecto a los alrededores correspondientes. Para lograr lo anterior, debe sustraerse calor del cuerpo que va a ser refrigerado y ser transferido a otro cuerpo cuya temperatura es inferior a la del cuerpo refrigerado. Debido a que el calor eliminado del cuerpo refrigerado es transferido a otro cuerpo, es evidente que refrigeración y calefacción son en realidad los extremos opuestos del mismo proceso. A menudo, sólo el resultado deseado distingue o uno del otro. Se puede resumir diciendo que refrigerar consiste en conseguir una temperatura más baja que la del medio ambiente inmediato. 1.3.1. Necesidad de aislamiento térmico Debido a que el calor fluye de una región de temperatura alta a una región de temperatura baja, siempre se tendrá un flujo de calor hacia la región refrigerada de los alrededores calientes. Para limitar el flujo de calor hacia la región refrigerada de manera que sea mínimo, resulta necesario aislar la región de sus alrededores con un buen material aislante de calor. 1.3.2. La carga de refrigeración La velocidad a la cual deba ser el calor eliminado de un espacio o material refrigerado a fin de producir y mantener las condiciones deseadas de temperatura se le llama carga de refrigeración, la carga de enfriamiento o la carga térmica. La cual comprende la suma de las ganancias de calor debido a: � Calor transmitido por conducción a través de paredes aisladas � Calor debido a infiltraciones, o sea abrir y cerrar de puertas � Calor a eliminar del producto a refrigerar 3 � Calor cedido por la gente, motores, alumbrado y otros equipos que producen calor y que operan en el espacio a refrigerar. 1.3.3. El agente refrigerante En cualquier proceso de refrigeración, la sustancia empleada para absorber calor o agente de enfriamiento, se le llama refrigerante. Los procesos de enfriamiento se clasifican en sensibles y latentes. � Sensible: Cuando el calor absorbido causa un aumento en la temperatura del refrigerante. � Latente: Cuando el calor absorbido causa un cambio en el estado físico/del refrigerante (fusión o vaporización). Para cualquiera de ambos procesos, si el proceso refrigerante es secuencial, la temperatura del refrigerante debe mantenerse en forma continua por abajo del material o del espacio que está siendo refrigerado. 1.3.4. Clasificación de las aplicaciones Por convenir más a su estudio, las aplicaciones de la refrigeración se han agrupado en seis categorías generales: � Refrigeración doméstica � Refrigeración comercial � Refrigeración Industrial � Refrigeración marina y de transportación � Acondicionamiento de aire (para producir confort y/o aplicaciones industriales) � Conservación de alimentos No se tienen límites exactos que definan estas áreas, las cuales, precisamente no están bien definidas, produciéndose por consiguiente, traslape o coincidencia entre las mismas. 4 Refrigeración doméstica El campo de la refrigeración doméstica está limitado principalmente a refrigeradores y congeladores caseros. Sin embargo, debido a que es muy grande el número de unidades en servicio, la refrigeración domestica representa una parte muy significativa en la refrigeración industrial. Las unidades domésticas generalmente son de tamaño pequeño teniéndose capacidades de potencia que fluctúan entre 1/20 y 1/2 HP y son del tipo de sellado hermético. Refrigeración comercial Esta se refiere al diseño, instalación y mantenimiento de unidades de refrigeración del tipo que se tienen en establecimientos comerciales para su venta, restaurantes, hoteles e instituciones que se dedican al almacenamiento. Refrigeración industrial La refrigeración industrial a menudo es confundida con la refrigeración comercial porque la división entre las dos áreas no está claramente definida. Como regla general, las aplicaciones industriales son más grandes en tamaño que las aplicaciones comerciales y, la característica que las distingue es que requieren tener un empleado para su servicio, que por lo general es un ingeniero. Algunas aplicaciones industriales típicas son plantas de hielo, grandes plantas empacadoras de alimentos (carne, pescado, pollos, alimentos congelados, etc.) cervecerías, lecherías y plantas industriales, tales como refinerías de petróleo, plantas químicas, plantas productoras de hule, etc. Refrigeración marítima y de transportación 5 La refrigeración marina se refiere a la que se tiene a bordo de barcos; por ejemplo, en barcos pequeños, barcos que transportan productos putrescibles y en depósitos que se tengan en toda clase de barcos. La refrigeración en transportación se refiere a la que se da en camiones, tanto para cuando se tenga que dar un servicio a largas distancias, como para entrega local, así como también en furgones refrigerados. Acondicionamiento de aire Como lo implica su nombre, el acondicionamiento de aire concierne con la condición del aire en alguna área o espacio designado. Por lo general, esto involucra no únicamente el control de la temperatura del espacio, sino también de la humedad del mismo y el movimiento del aire incluyéndose el filtrado y la limpieza de éste. De acuerdo a sus propósitos, existen dos tipos de aplicaciones � Para producir confort � Para uso industrial Conservación de alimentos Uno de los usos más comunes de la refrigeración mecánica es la conservación de artículos comerciales putrescibles particularmente comestibles. Es importante mencionar que la conservación de alimentos es simple cuestión de prevenir o retardar el deterioro y la descomposición, independientemente del método a utilizar, es conveniente conocer las causas que producen el deterioro y la descomposición como un prerrequisito al estudio de los métodos de conservación a fin de mantener su alta calidad en lo que respecta a apariencia, olor, sabor y contenido vitamínico, ya que su deterioro reduce el valor comercial del producto. Los productos animales (sustancias alimenticias sin vida) son afectados por la actividad natural de las enzimas. Las enzimas que causan la mayoría de los problemas son aquellas cuya hidrólisis catalizadora y oxidación se asocian con la 6 descomposición de las grasas del animal, esto se controla colocando el producto bajo refrigeración, lo que reduce la actividad de las enzimas. 1.3.5. Métodos de congelamiento Cuando a un producto se le desea conservar en su estado fresco original por períodos relativamente largos, por lo general se les congela y almacena a aproximadamente 0 ºF o menos. Los siguientes factores regulan la calidad última y tiempo de almacenaje para cualquier producto congelable: 1- Naturaleza y composición del producto a congelar 2- Los cuidados empleados en seleccionar, manejar y preparar el producto que vaya a congelarse. 3- El método de congelamiento 4- Las condiciones de almacenaje. Los productos alimenticios pueden ser congelados de forma lenta o rápida. En el congelamiento lento se coloca el producto en un cuarto de temperatura baja y se deja congelar lentamente, generalmente en aire tranquilo. La temperatura en los congeladores lentos se mantiene en el rango de 0 ºF y -40 ºF., ya que la circulación de aire es por lo general por convección natural, la transferencia de calor del producto puede ser desde 3 horas hasta 3 días, según el volumen del producto y de las condiciones del congelador. Algunos productos típicos que son congelados en forma lenta son carne de res y cerdo en canales, pollos en cajas, frutas en cajas y en otros depósitos más grandes, y huevos (claras, yemas o enteros) en cajas de 10 a 30 lb. El congelamiento rápido o por combinación de ellas se obtiene en cualquiera de las tres formas siguientes: � Inmersión � Contacto directo 7 � Corrientes de aire. El congelamiento por inmersión se obtiene introduciendo al producto en una solución de salmuera de baja temperatura. Entre las ventajas de esta aplicación se pueden mencionar que debido a que el líquido refrigerado es un buen conductor y hace muy buen contacto con todo el producto, la transferencia de calor es rápida y el producto es congelado totalmente en un período muy corto de tiempo. Otra ventaja es que el producto se congela en unidades individuales en lugar de hacerlo en forma masiva. La desventaja principal es que existe la tendencia de extracción por osmosis de los jugos del producto. Esto produce una contaminación y debilitamiento del líqui- do congelante. Además si la salmuera utilizada es cloruro de sodio, podrá algunas veces tenerse una penetración excesiva de sal en el producto. Por otra parte, cuando la fruta es congelada en una solución de azúcar, la penetración de azúcar en la fruta es muy benéfica. El pescado y el camarón son los productos más comúnmente congelados por inmersión. El congelamiento por contacto directo, por lo general se proporciona a través de congeladores de puertas en donde el producto es colocado encima de placas metálicas a través de las cuales se hace circular el refrigerante; la transferencia de calor que se efectúa es por conducción, de manera que la eficiencia del congelador dependerá de la cantidad de superficie de contacto. En algunos casos el producto es llevado hacia los túneles de congelamiento y para ello se utilizan bandas transportadoras de movimiento lento. 1.4. Base teórica 1.4.1. Calor 8 El calor es una forma de energía, creada principalmente por la transformación de otros tipos de energía en energía de Calor; por ejemplo, la energía Mecánica que opera una rueda causa fricción y crea calor. Calor es frecuentemente definido como energía en tránsito, porque nunca se mantiene estática, ya que siempre está transmitiéndose desde cuerpos cálidos a los cuerpos fríos. La mayor parte del calor en la tierra se deriva de las radiaciones del Sol. Una cuchara sumergida en agua helada pierde su calor y se enfría; una cuchara sumergida en café caliente absorbe el calor del café y se calienta. Sin embargo, las palabras “Más Caliente” y “Más Frío”, son solo términos comparativos. Existe calor a cualquier temperatura arriba del cero-absoluto, incluso en cantidades extremadamente pequeñas. Cero-absoluto es el término usado por los científicos para describir la temperatura más baja que teóricamente es posible lograr, en el cuál no existe calor, y que es de –273ºC. La temperatura más fría que podemos sentir en la tierra es mucho más alta en comparación con esta base. 1.4.2. Temperatura La temperatura es la escala usada para medir la densidad del calor y es el indicador que determina la dirección en que se moverá la energía de calor. También puede definirse como el grado de calor sensible que tiene un cuerpo en comparación con otro. En algunos países, la temperatura se mide en grados Fahrenheit (ºF), pero en nuestro país, y generalmente el resto del mundo, se usa la escala de Grados Centígrados, algunas veces llamadas Celsius. Ambas escalas tienen dos puntos básicos en común: el punto de congelación y el de ebullición del agua al nivel del mar. Al nivel del mar, el agua se congela a 0ºC o a 32ºF y hierve a 100ºC o a 212ºF. La relación existente entre las escalas Fahrenheit y Centígrados se establece con la siguiente fórmula: ( ) ( ) ( ) ( ) 328.1325/9 3255.0329/5 +°∗=+°∗=° −°∗=−°∗=° CCF FFC 9 Aunque sea muy común relacionar que tan caliente o frío esta algo con la temperatura, no es fácil definirla exactamente. De acuerdo con las sensaciones fisiológicas, el nivel de temperatura se expresa en un sentido cualitativo con palabras como congelado, frío, tibio, caliente y ardiente. Sin embargo, no es posible asignar valores numéricos a las temperaturas sólo con base en las sensaciones. Además, los sentidos pueden estar equivocados. Una silla metálica, por ejemplo, se percibirá mucho más fría que una de madera, aunque ambas estén a la misma temperatura. 1.4.3. Ley Cero de la Termodinámica Es común observar que una taza de café caliente que se deja sobre la mesa se enfría a la larga y que una bebida fría después de cierto tiempo adquiere cierta tibieza. Cuando un cuerpo entra en contacto con otro cuerpo que tiene diferente temperatura, el calor del cuerpo a temperatura más alta se transfiere al de temperatura inferior hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. En ese punto, la transferencia de calor se detiene y se dice que ambos cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico. La igualdad de temperatura es el único requerimiento para el equilibrio térmico. Dos cuerpos están en equilibrio térmico si indican la misma lectura de temperatura, incluso si no se encuentran en contacto 1.4.4. Proceso de cambio de fase de Sustancias Puras Hay varias situaciones prácticas en que dos fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. El agua existe como una mezcla de líquido y vapor en la caldera y en el condensador de una central termoeléctrica. El refrigerante pasa de líquido a vapor en el congelador de un refrigerador. En vista de que es una sustancia familiar, se empleará el agua para demostrar los principios básicos. Recuerde que en todas las sustancias puras se observa el mismo comportamiento general. Líquido Comprimido y Líquido Saturado 10 Considere un dispositivo de cilindro-émbolo que contiene agua líquida a 20 ºC y 1 atm de presión En estas condiciones el agua existe en fase líquida y se denomina líquido comprimido o líquido sub-enfriado, lo que significa que no está a punto de evaporarse. El calor se transfiere al agua hasta que su temperatura aumenta a, por ejemplo, 40 ºC. A medida que aumente la temperatura, el agua líquida tendrá cierta expansión y, por ello, aumentará su volumen específico. Como respuesta a esta expansión, el émbolo se moverá ligeramente hacia arriba. Durante este proceso la presión en el cilindro permanece constante en 1 atm, ya que depende de la presión barométrica exterior y del peso del émbolo, que son constantes. En este estado el agua sigue siendo un líquido comprimido, puesto que no ha comenzado a evaporarse. Vapor Saturado y Vapor Sobrecalentado Una vez que empieza la ebullición, el aumento de temperatura se detendrá hasta que el líquido se evapore por completo. La temperatura permanecerá cons- tante durante todo el proceso de cambio de fase, si la presión se mantiene constante. Es posible verificarlo con facilidad colocando un termómetro dentro de agua que hierve sobre un horno. A nivel del mar (P = 1 atm), el termómetro siempre leerá 100ºC, aun si la cacerola está descubierta o cubierta con un tapa ligera. Durante un proceso de evaporación (ebullición), el único cambio observable es un gran aumento en el volumen y una disminución estable en el nivel del líquido, como resultado de una mayor cantidad de líquido convertido en vapor. Temperatura de Saturación y Presión de Saturación Comúnmente el agua comienza a "hervir" a 100 ºC; sin embargo, en sentido estricto el enunciado "el agua hierve a 100 ºC" es incorrecto; el enunciado correcto es "el agua hierve a 100 ºC con 1 atm de presión". La razón por que el agua empieza a hervir a 100 ºC es porque se mantiene la presión constante a 1 atm (101.35 kPa). Si la presión dentro del cilindro se elevara a 500 kPa, añadiendo peso sobre la parte superior del émbolo, el agua empezaría a hervir a 151.9 ºC. La temperatura a la cual 11 el agua empieza a hervir depende de la presión; en consecuencia, si se fija la presión, lo mismo sucede con la temperatura de ebullición. Mezcla Saturada Líquido-Vapor Durante un proceso de evaporación, una sustancia existe como parte líquida y como parte vapor. Esto es, es una mezcla de líquido y vapor saturados. Para analizar esta mezcla de manera apropiada, es necesario conocer las proporciones de las fases líquida y de vapor en la mezcla. Esto se obtiene al definir una nueva propiedad llamada la calidad x como la razón entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla. X = mvapor/ mtotal Donde: mtotal = mliquido + mvapor La calidad tiene importancia sólo para mezclas saturadas. No tiene significado en las regiones de líquido comprimido o vapor sobrecalentado. Su valor se encuentra siempre entre 0 y 1. La calidad de un sistema compuesto por líquido saturado es 0 (o 0 por ciento) y la calidad de un sistema compuesto por vapor saturado es 1 (o 100 por ciento). Primera Ley de la Termodinámica La primera ley de la termodinámica establece que “la energía ni se puede crear ni destruir; solo se transforma de una forma a otra”. (Con el desarrollo de la energía nuclear, lo anterior ya no es correcto. Sin embargo para los fines didácticos, la primera ley de la termodinámica se aplica en su totalidad) 1.4.5. Segunda Ley de la Termodinámica Enunciado de Kelvin-Planck 12 Ninguna máquina térmica convierte todo el calor que recibe en trabajo útil. Esta limitación en la eficiencia térmica de las máquinas térmicas forma la base del enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica, el cual expresa: Es imposible para cualquier dispositivo que opera en un ciclo, recibir calor de un solo depósito y producir una cantidad neta de trabajo. Enunciado de Clausius Hay dos enunciados clásicos de la segunda ley: el enunciado de Kelvin- Planck, el cual se relaciona con las máquinas térmicas , y el enunciado de Clausius, el cual se relaciona con refrigeradores o bombas de calor. El enunciado de Clausius se expresa como: Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo y cuyo único efecto sea producir la transferencia de calor de un cuerpo de temperatura más baja a un cuerpo de temperatura más alta. 1.4.6. Comportamiento de la materia y el calor Cantidad de calor La cantidad de calor es distinta de la intensidad de calor, porque tiene en cuenta no solo la temperatura de la sustancia que se está midiendo, sino también su peso. La unidad de cantidad de calor es la unidad térmica británica (BTU). El agua se usa como norma para esta unidad; una BTU es la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura de 1 libra de agua 1 grado Fahrenheit al nivel del mar. Dos BTU provocaran un cambio de temperatura de 2 ºF en 1 lb. de agua; o bien causaran un cambio de temperatura de 1 ºF de 2 lb. de agua. Por lo tanto, cuando se examina el cambio de temperatura del agua, se puede utilizar la siguiente ecuación: Calor (en BTU) = W x ∆T = peso (en libras) X diferencia de temperaturas Calor específico 13 El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor en BTU necesaria para cambiar la temperatura de 1 libra de agua 1 grado Fahrenheit, o para cambiar la temperatura de la misma cantidad de agua la misma unidad de medida en un termómetro. Por lo tanto, el calor específico del agua es 1.0; y el agua es la base de la tabla de calores específicos de la tabla 1-1, donde se observa que las diferentes sustancias tienen diversas capacidades para absorber o ceder calor. Los valores de calor especifico de la mayor parte de las sustancias varían al cambiar la temperatura; algunos varían tan solo un poco, mientras que otros pueden cambiar en forma considerable. Tabla 1- : Calores específicos de sustancias comunes (en BTU/lb. ºF, o Cal/Kg. ºC) Agua 1.00 Hielo 0.50 Aire Seco 0.24 Vapor 0.48 Aluminio 0.22 Latón 0.09 Plomo 0.03 Hierro 0.10 Mercurio 0.03 Cobre 0.09 Alcohol 0.60 Petróleo 0.50 Aceite de Oliva 0.47 Vidrio 0.20 Pino 0.67 Mármol 0.21 Supongamos que dos recipientes se colocan frente a un elemento calefactor o quemador, lado a lado. Uno de ellos contiene agua y el otro un peso igual de aceite de oliva. Se apreciara pronto que la temperatura del aceite de oliva aumenta a mayor velocidad que la del agua, lo cual demuestra que el aceite de oliva absorbe calor con más rapidez que el agua. Si la rapidez del aumento de temperatura del aceite de oliva fuera aproximadamente el doble que la del agua, se podría decir que el aceite de oliva solo necesito la mitad de calor en comparación con el agua. 14 Si la rapidez del aumento de temperatura del aceite de oliva fuera aproximadamente el doble que la del agua, se podría decir que el aceite de oliva solo necesito la mitad de calor en comparación con el agua para aumentar su temperatura 1 grado Fahrenheit. En base al valor de 1.0 para el calor específico del aceite de oliva debe ser 0.5 en forma aproximada, o sea, la mitad del agua. (En la tabla de los calores específicos de diversas sustancias se observa que el aceite de oliva tiene un calor específico igual a 0.47) La ecuación anterior, se puede escribir ahora de la siguiente forma: BTU = W x c x ∆T Donde: c = Calor específico de la sustancia El calor específico de una sustancia también cambiara cuando cambia el estado de la misma. El agua es un muy buen ejemplo de esta variación de calor específico. Ya se documentó en los párrafos anteriores que en estado líquido su calor específico es 1.0; pero como sólido (hielo), su calor específico es de 0.5 y 0.48 es el valor del calor específico en el estado gaseoso (vapor de agua) En un circuito de refrigeración nos interesarán, en especial, sustancias en estado líquido o gaseoso, y su capacidad para absorber o ceder calor. También, en la distribución de aire para enfriamiento o calentamiento de determinada zona, nos interesaran los posibles cambios de valores de calor específico.1 Cambio de estado Los cinco cambios principales de estado son: • Solidificación: Es un cambio de estado liquido a solido • Licuefacción: Es un cambio de estado sólido a liquido • Vaporización: Es un cambio de estado liquido a vapor (gaseoso) 1 Como el calor específico es una relación de calor de determinada sustancia con respecto a la del agua, su valor es igual en los diversos sistemas de unidades. El calor específico del agua es 1 BTU/lb ºF, y también 1 Cal/kg ºC 15 • Condensación: Es un cambio de estado gaseoso a liquido • Sublimación: Es un cambio de estado sólido a vapor, sin pasar por el estado liquido Cuando se calienta una sustancia sólida, el movimiento molecular es principalmente de oscilación, y las moléculas no llegan muy lejos de su posición normal y original. Pero a determinada temperatura, diferente para las diversas sustancias, si se agrega más calor no necesariamente aumentara el movimiento molecular; en lugar de ello, el calor agregado hará que algo del sólido licue (que se vuelva liquido). Así, el calor adicional origina un cambio de estado del material. La temperatura a la cual se lleva a cabo este cambio de estado de la sustancia se llama su punto de fusión. Supongamos que se deja en el congelador un recipiente de agua al que se ha puesto un termómetro (figura 1-5). Cuando se le saca del congelador se ha transformado en un bloque de hielo; se ha llevado a cabo la solidificación. Supongamos también que el termómetro en el hielo, indica que la temperatura es 20 ºF. Si se deja estar a temperatura ambiente, el hielo absorberá calor del aire ambiente hasta que el termómetro indique una temperatura de 32 ºF, y entonces algo del hielo comenzara a cambiar y transformarse en agua. Figura 1- : Esquematización de la solidificación del agua Si el calor continua pasando del aire del recinto al hielo, más hielo se convertirá en agua, pero el termómetro continuara marcando 32 ºF hasta que se 16 haya fundido todo el hielo. Se ha llevado a cabo la licuefacción. Después se describirá este cambio de estado, sin cambio de temperatura. Como se dijo, cuando se ha fundido todo el hielo, el termómetro indicara una temperatura de 32 ºF, pero la temperatura del agua continuara subiendo hasta que alcance o iguale la temperatura del recinto. Figura 1- : Corrientes de convección originadas por una diferencia de temperaturas Si se agrega el calor suficiente al recipiente de agua mediante dispositivos adecuados (Figura 1-6) como un quemador o un soplete, la temperatura del agua aumentara hasta llegar a 212 ºF (100 ºC). A esta temperatura, y bajo presión atmosférica “normal”, le efectuara otro cambio de estado: la vaporización, o evaporación. Algo del agua se convertirá en vapor; sin embargo, la temperatura del agua no pasara de 212 ºF. Este cambio de estado, en el que no cambia la temperatura, se describirá también después. Si el vapor se pudiera confinar en un recipiente cerrado, y si se quitara la fuente de calor, el vapor cedería calor al aire que le rodea y se condensaría de nuevo formando agua líquida. Lo que se ha llevado a cabo es la condensación, que es el proceso inverso de la vaporización. El oxigeno es gaseoso a mas de -297 ºF; es liquido entre esa temperatura y -324 ºF, y sólido a menores temperaturas que la ultima citada. El hierro es sólido 17 hasta que su temperatura alcanza 2,800 ºF, y se evapora a una temperatura aproximadamente a 4,950 ºF. Lo que hemos aprendido hasta ahora, con algunos ejemplos, es que puede pasar un sólido a liquido, y como puede pasar un sólido a liquido, y como puede pasar un liquido a vapor. Pero es posible que una sustancia cambie su estado físico para pasar directamente de sólido a vapor, sin fundirse primero formar liquido. A esto se le llama sublimación. Es probable que todos nosotros hayamos visto este cambio físico, cuando se lleva a cabo, sin darnos cuenta completamente. Los trapos húmedos mojados, al colgar en el exterior a temperaturas inferiores a la congelación, se secan con rapidez debido a la sublimación; también hielo seco (dióxido carbono, CO2, sólido) se sublima y pasa a gas bajo presión y temperatura normales. Calor sensible El calor que se puede sentir o medir se llama calor sensible. Es el calor que provoca un cambio de la temperatura de una sustancia, pero no un cambio de su estado. Las sustancias, al estar en estado sólido, líquido o gaseoso, contienen calor sensible hasta cierto grado, siempre que sus temperaturas sean mayores que el cero absoluto. Las ecuaciones que se emplearon para calcular la cantidad de calor, al igual que las que se usaron para los calores específicos, se podrán clasificar como ecuaciones para calor sensible, ya que en ninguna de ellas interviene un cambio de estado. Como ya se menciono, una sustancia puede existir en forma sólida, líquida o gaseosa. La sustancia en estado sólido tendrá algo de calor de calor sensible, al igual que en los demás estados de la materia. La cantidad de calor necesaria para hacer cambiar una sustancia de estado sólido a vapor comprende el calor que se necesita para llevar a cabo los dos cambios de estado, y depende de: 1. Su temperatura inicial cuando era sólido. 18 2. La temperatura a la cual cambia del estado sólido al líquido. 3. La temperatura a la cual pasa del estado liquido al vapor. 4. Su temperatura final como vapor Calor latente En un cambio de estado la mayor parte de las sustancias tienen un punto de fusión al cual pasan de un estado sólido al líquido sin aumentar su temperatura. En este punto, si la sustancia esta en liquido y se le quita calor, se solidificara sin cambiar su temperatura. El calor que interviene en ambos procesos: pasar de sólido a liquido o de liquido a sólido, sin cambiar la temperatura, se llama calor latente de fusión. La figura 1-7 muestra la relación entre la temperatura en grado Fahrenheit y los calores tanto sensible como latente, ambos en BTU. Como se hizo notar antes, el calor específico del agua es 1.0 y el del hielo 0.5 y esta es la razón de la diferencia dependientes de las rectas que representan al sólido (hielo) y al líquido (agua). Para aumentar la temperatura de 1 libra de hielo 0 ºF a 32 ºF solo se necesitan 16 BTU de calor; la otra recta muestra que solo se necesitan 8 BTU para cambiar 8 ºF la temperatura de una libra de agua, de 60 ºF a 68 ºF, y el calor aumenta de 188 a 196 BTU/lb. 19 Figura 1- : Gráfica que muestra las relaciones de calor sensible y latente al fundirse el hielo, pasarlo a agua líquida, y ésta a vapor También la figura 1-7 muestra que intervienen un total de 52 BTU de calor sensible en las 196 BTU necesarias para convertir una libra de hielo a 0 ºF en una de agua a 68 ºF. Esto implica una diferencia de 144 BTU, que es el calor latente de fusión del hielo, o de congelación del agua, dependiendo de si se está quitando o agregando calor. La palabra latente se deriva del vocablo latino que significa escondido. Se trata de calor escondido que no lo registra un termómetro ni se puede sentir. No es necesario decir que no hay aumento o disminución de movimiento molecular en el interior de la sustancia porque se indicaría con una variación de temperatura que mostraría el termómetro. BTU = (W1 x c1 x ∆T1) + (W x Calor latente) + (W2 x c2 x ∆T2) Métodos de transmisión de calor La segunda Ley de la Termodinámica dice que el calor pasa sólo en una dirección, que es de la mayor temperatura (intensidad) a la menor temperatura 20 (intensidad). Este paso se lleva a cabo mediante uno o más de los siguientes métodos básicos: 1. Conducción. 2. Convección. 3. Radiación. Conducción: Se define la conducción como el paso de calor entre las moléculas vecinas de una sustancia, o entre sustancias que se tocan y tienen buen contacto entre sí. Cuando se lleva a cabo el paso de calor dentro de una sola sustancia, como por ejemplo en una varilla metálica con un extremo en una flama el movimiento térmico continúa hasta que hay un equilibrio de temperatura a lo largo de la varilla. La rapidez a la cual se conduce el calor a través de una sustancia depende de factores tales como: 1. El espesor del materia 2. El área de sección transversal 3. La diferencia de temperaturas entre los dos lados del material 4. La conductividad térmica (factor k) del materia 5. La duración del flujo de calor En la Tabla 1-2 se presentan los valores de conductividades térmicas (factores k) de algunos materiales comunes. 21 Tabla 1- : Conductividad térmica de materiales comunes de construcción y aislamientos (en BTU/hr- pie2-°F/pulg.) Material Conductividad k Triplay 0.80 Fibra de vidrio, aglomerante orgánico 0.25 Aislamiento de poliestireno expandido 0.25 Aislamiento de poliuretano expandido 0.16 Mortero 5.00 Estuco 5.00 Ladrillo común 5.00 Maderas duras (arce, encino) 1.10 Maderas blandas (abeto, pino) 0.80 Yeso con agregado de arena 5.60 Los factores k están dados en BTU/hr-pie2-ºF/pulg. de espesor del material. Esos factores se usan en forma adecuada con la siguiente ecuación:2 X TkA BTU ∆×× = Siendo: A = área de la sección transversal en pie2 k = conductividad térmica en BTU/hr-pie2-ºF/pulg. Los metales que tienen alta conductividad se usan en el sistema de refrigeración porque se desea que la transferencia de calor sea rápida tanto en el evaporador como en el condensador. El evaporador es donde se elimina el vapor del espacio o sustancia acondicionada, y el condensador disipa ese calor a otro medio o ambiente. Convección: Otro método de transmisión de calor es por el movimiento del material mismo, y se limita a los líquidos o a los gases. Cuando se calienta un material, se establecen en su interior corrientes de convección y las partes más calientes suben, ya que el 2 Para convertir el calor latente del sistema inglés al métrico y viceversa, se usan las fórmulas siguientes: BTU/lb. = (Cal/Kg.) x 1.8; Cal/Kg. = (BTU/lb.)/1.8 22 calor provoca la disminución de la densidad de los fluidos, o lo que es lo mismo, aumentan su volumen específico. Los principales ejemplos del resultado de las corrientes de convección son el aire en el interior de un refrigerador, o el agua, cuando se calienta en una palangana. El aire en contacto con el serpentín de enfriamiento de un refrigerador se enfría y por lo tanto aumenta su densidad, y comienza a descender hacia el fondo del refrigerador. Al hacerlo, absorbe calor del alimento y las paredes del refrigerador, las cuales, mediante conducción, han recogido calor del recinto. Radiación: Un tercer método de transmisión de calor es mediante la radiación, por medio de ondas semejantes a las de la luz o del sonido. Los rayos de sol calientan la tierra por ser ondas caloríficas radiantes, que viajan en línea recta sin calentar el espacio o el aire intermedios. El calor de un foco eléctrico, o de una estufa caliente es de naturaleza radiante y lo sienten quienes están próximos, aunque no se caliente el aire entre la fuente y el objeto, a pesar de que los rayos pasen a través de él. 1.4.7. Máquinas térmicas El trabajo puede convertirse fácilmente en otras formas de energía, pero convertir otras formas de energía en trabajo no es así de sencillo. Por ejemplo, el trabajo mecánico efectuado por un eje se convierte primero en la energía interna del agua (figura 1-8). Después esta energía sale del agua como calor. De acuerdo con la experiencia, es obvio que fracasará cualquier intento para invertir este proceso. Esto es, transferir calor al agua no provocará el giro del eje. De ésta y otras observaciones se concluye que el trabajo es convertible en calor directa y completamente, pero que convertir el calor a trabajo requiere el uso de algunos dispositivos especiales. Estos dispositivos se llaman máquinas térmicas. 23 Figura 1- : El trabajo siempre puede convertirse directa y completamente en calor; pero no ocurre lo inverso Las máquinas térmicas difieren considerablemente unas de otras, aunque todas se caracterizan por lo siguiente (figura 1-9): • Operan en un ciclo. • Reciben calor de una fuente de alta temperatura (energía solar, hornos de petróleo, reactores nucleares, etc.) • Convierten parte de este calor en trabajo (normalmente en la forma de un eje en rotación). • Liberan el calor de desecho remanente en un sumidero de baja temperatura (la atmósfera, ríos, etc.). 24 Figura 1- : Parte del calor recibido por una máquina térmica se convierte en trabajo, en tanto que el resto se desecha en un sumidero Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos suelen incluir un fluido al y desde el cual el calor se transfiere mientras se somete a un ciclo. Este fluido recibe el nombre de fluido de trabajo. Refrigeradores y bombas de calor Es obvio, por la experiencia, que el calor fluye en la dirección de la temperatura decreciente; de medios de alta temperatura a medios de baja temperatura. Este proceso de transferencia sucede en la naturaleza sin requerir ningún dispositivo. Sin embargo, el proceso inverso, no puede ocurrir por sí solo. La transferencia de calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores. Los refrigeradores, como las máquinas térmicas, son dispositivos cíclicos. El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de refrigeración se llama refrigerante. El ciclo de refrigeración que se usa con mayor frecuencia es el ciclo de refrigeración por 25 compresión de vapor, que incluye cuatro componentes principales: un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador (figura 1-10). Figura 1- : Ciclo de refrigeración por compresión de vapor El refrigerante entra al compresor como un vapor y se comprime a la presión del condensador. Sale del compresor a una temperatura relativamente alta y se enfría y condensa conforme fluye por el serpentín del condensador liberando calor hacia el medio circundante. Luego entra a un tubo capilar donde su presión y su temperatura descienden drásticamente, debido al efecto de estrangulación. El refrigerante de baja temperatura entra luego al evaporador, donde se evapora absorbiendo calor del espacio refrigerado. El ciclo se completa cuando el refrigerante sale del evaporador y vuelve a entrar al compresor. 1.5. Accesorios básicos de refrigeración 1.5.1. Tubería de cobre Proceso de fabricación La fabricación de tubos de cobre inicia con la fundición en forma de lingotes (tochos) con la siguiente composición: Cobre (99.9%) y Fósforo (0.015 a 0.04%). Existen 2 métodos de fabricación para las diversas tuberías de cobre: 26 Extrusión: Este proceso consiste en calentar el lingote a temperaturas plásticas y empujarlo a presión mediante un émbolo a través de un dado con la forma de una barra hueca o tubo controlando a través del proceso continuo el espesor y las dimensiones externas e internas, mediante la combinación de presión y velocidad de extrusión. La fabricación de tubería de cobre por extrusión y estiramiento en frío permite tubos de una sola pieza, sin costura y de paredes lisas y tersas, lo cual asegura la resistencia a la presión de manera uniforme y un mínimo de pérdidas de presión por fricción en la conducción de fluidos. Perforación: La obtención del tubo en este método se logra mediante la perforación rotativa del centro o corazón del lingote o billet previamente calentado a altas temperaturas. Una vez extraído o perforado, el tubo pasa a cubos de decapado, punteado y después se lleva a las máquinas de estirado en frío o trefiladores. El estirado consiste en la reducción controlada (por agujeros cónicos sucesivos) del diámetro exterior y pared hasta la obtención de la medida requerida. Durante el proceso se alternan las reducciones o estiramientos con recocimiento para equilibrar las estructuras internas. Una vez obtenidos los productos terminados, se cortan a las longitudes especificadas y en el caso de tuberías flexibles se enrollan para pasar a un nuevo recocimiento (templado) en hornos de temperatura controlada y de ahí al almacén. A partir de 1960, se utiliza un tercer método para la fabricación de tubos, la soldadura continua eléctrica de tiras o flejes de lámina de cobre, soldadura eléctrica sin aporte de metal, con remoción de salientes por ambos lados de manera de obtener una superficie lisa antes del enfriado del tubo resultante. El tubo de cobre se fabrica también con recubrimiento de plástico, proporcionando mayor resistencia a la corrosión, cuando el tubo va enterrado en medios agresivos. El aire contenido entre el tubo de cobre y el revestimiento proporciona un aislamiento térmico y se usan cuando se desea que las pérdidas de calor a través del tubo sean mínimas. 27 Diseño de sistemas de tuberías En el diseño de un sistema de tuberías, se deben considerar los siguientes factores: • Presión inicial del fluido que se conducirá por la red. • Volumen de fluido • La longitud de la línea • Pérdidas de presión por rozamiento con la pared interior Cuando el líquido que se conduce es agua, los aditivos y las sales contenidas en la misma pueden causar adherencias e incrustaciones en las paredes interiores del tubo, ocasionando con esto la pérdida de capacidad de flujo por fricción. Las pérdidas por fricción dependen de la rugosidad, de acuerdo al material con que están fabricadas las distintas tuberías se han clasifican en rugosas, semirugosas y lisas. De acuerdo a la instalación de la tubería, se deben considerar los aspectos de corrosión y protección de las mismas. Las tuberías pueden ser instaladas en tres maneras: • Instalación subterránea (bajo tierra) • Empotradas en muros o pisos • Instalación interior o exterior visible La tendencia de un metal a la corrosión se debe a la presencia de oxígeno el cuál ataca a los metales por oxidación y por ácidos con desprendimiento de hidrógeno que afectan al metal. El cobre, dentro de los metales comúnmente usados en la fabricación de tuberías, es el que presenta menor tendencia a la corrosión y permanece sin ser afectado por las condiciones que hacen que otros metales se corroan. Cuando las tuberías de cobre conducen fluidos a temperaturas diferentes a las del medio ambiente sufren el fenómeno de expansión o contracción, por lo cual en la colocación y fijación de tuberías de cobre se deben tomar las medidas necesarias para la libre contracción y dilatación de los tubos, realizar uniones que sean perfectamente herméticas, sin remiendos de ninguna clase, así como, apoyar 28 las tuberías de modo que el peso de los tubos cargue sobre los soportes y no sobre las uniones. Especificaciones de la tubería Tuberías de temple rígido: Las tuberías de cobre rígido tienen las características de ser ideales en la conducción de fluidos en las instalaciones fijas, utilizándose en una amplia gama de servicios que van desde las redes de agua potable o ventilación, hasta redes de tipo industrial que conduzcan líquidos o gases a temperaturas y presiones considerablemente elevadas. Los tipos de tuberías rígidas son: Tubería de cobre rígido tipo "L": Es utilizada en tomas domiciliarias, instalaciones de gas, redes de agua fría y caliente, en líneas principales de edificios de gran altura o que requieran bastante presión. El rango de presión de trabajo va desde 21.0 kg/cm2 y hasta 62.43 kg/cm2. Se fabrica en diámetros comerciales que van de 3/8" hasta 6" y en tramos de 6.10m y 3.05 m. Tuberías de temple flexible: Las características de las tuberías de cobre flexible difieren de las tuberías rígidas precisamente en el temple dado en su proceso de fabricación, por lo tanto, las condiciones de uso serán diferentes aún cuando ambas sean parte de una misma instalación. Los usos para este tipo de tuberías son dados por la capacidad de movimiento de éstas, siendo muy utilizadas principalmente en instalaciones de gas, tomas domiciliarias, aparatos de refrigeración y aire acondicionado, sin embargo pueden emplearse en cualquier instalación que requiera de movilidad o en donde se requieren curvados especiales. 29 Ventajas de la tubería Tuberías de cobre de temple rígido Esta tubería presenta una excelente resistencia a la corrosión tanto interna, generada por el fluido que transporta; como externa, provocada por el material utilizado en la construcción. Facilidad de unión dada por el sistema de soldadura capilar que permite efectuar con rapidez y seguridad las uniones de la tubería. La tubería de cobre se fabrica sin costura, por lo cual resiste sin dificultad las presiones internas de trabajo, permitiendo el uso de tubos de pared delgada e instalándose en espacios reducidos. La tubería de cobre tiene paredes lisas, lo que permite ofrecer continuidad en el flujo, disminuyendo la pérdida de carga. El proceso de cortado y unión de los tubos es sencillo, aunado a la ligereza del material, permiten la prefabricación de gran parte de las instalaciones, repercutiendo en rapidez y calidad de la instalación, además de mayor control de los materiales, pudiendo reducir los costos. Tuberías de cobre de temple flexible Su principal ventaja está dada por su flexibilidad, pues facilita notablemente la instalación y manejo, adaptándose a cualquier trayectoria sin detrimento de ninguna de sus características técnicas. La longitud de los rollos elimina, en la mayoría de las instalaciones, las uniones de acoplamiento, creando así una instalación continua y de una sola pieza. El sistema de unión da flexibilidad a la tubería, sin restar hermeticidad y resistencia a la presión. 30 Las propiedades físicas del cobre con que se fabrican las tuberías proporcionan ventajas tales como: paredes interiores completamente lisas, mínimo de pérdidas de presión, flujo uniforme. Características generales Las siguientes son características comunes aplicables a tuberías de Cobre Rígido tipo "M", "L", "K" y tuberías de Cobre Flexible tipo "L" y "UG". Maleabilidad. Permite gran variedad de hechuras y formas que dan como resultado menores pérdidas de eficiencia y energía. Capacidad de flujo. La sección del tubo es perfectamente circular y su pared interior completamente lisa, lo que permite un mejor flujo de agua y menos pérdidas de carga. Resistencia. A pesar de la delgadez de la pared, resiste grandes presiones de agua. Facilidad de Instalación. El tubo de cobre es unido por soldadura capilar mediante uniones del mismo material, proceso que requiere menor tiempo de montaje y ahorro en mano de obra. La unión es hermética y tan o más fuerte que el propio tubo, en efecto las uniones soldadas presentan una gran resistencia a los esfuerzos térmicos y vibración. Ligereza. El peso reducido comparado con otros materiales que facilita el transporte a menor costo y el manejo en obra, con el ahorro subsecuente en mano de obra. Este 31 ahorro se refuerza en el caso de viviendas de tipo popular en las que es factible la pre–fabricación en el taller. Resistencia. El cobre resiste la corrosión producida por el agua circulante tanto en instalaciones interiores como en medios externos (intemperie). Por otra parte, el cobre no es atacado por el cemento, concreto, cal o yeso, las tuberías de cobre son completamente impermeables. Higiénico. El cobre es un material con propiedades fungicidas y bactericidas, lo que lo hace un medio de conducción y almacenaje de agua en que no proliferan los gérmenes patógenos. Térmico. El cobre es muy buen conductor de calor lo que lo convierte en el material ideal para la conducción de agua fría o caliente. Reciclable. Los tubos de cobre y aleaciones tienen alto valor residual. El material rescatado se convierte en chatarra que puede ser reciclada y tiene casi el mismo valor y calidad que el cobre primario. 1.5.2. Herramientas para refrigeración Es natural que la caja de herramientas dependa de las necesidades, las cuales varían algo, según si interviene en instalaciones o reparaciones, o en ambas cosas; también del tipo de trabajo: refrigeración, aire acondicionado, calefacción, o los tres. Independientemente de las necesidades del trabajo, lo importante es la cuidadosa selección, conservación y conocimiento del empleo de las herramientas. 32 La mano de obra deficiente o hasta los accidentes se pueden achacar, con frecuencia, a una falta de herramientas de mano, o su empleo inadecuado. A continuación se presenta una lista parcial de las herramientas de mano que necesita un técnico en refrigeración. Algunas de ellas no necesitan explicación; otras, ameritan la mención de sus propósitos o sus usos. • Llaves, de diversos tipos • Pinzas, de varios tipos • Nivel de burbuja • Cizalla de hojalatero • Destornilladores, de diversos tipos • Mazos con cabezas no metálicas: de plástico, madera y hule • Arco con seguetas de 14, 18 y 32 dientes por pulgada • Escobillones, de diversos tipos • Limas, de diversos tipos • Cintas métricas y reglas de mano • Micrómetros y calibradores • Puntos, para marcar lugares de barrenación • Cincel, cortafrío plano de ¾” • Brocas, de diversos tipos • Tornillos de banco, de mecánico y prensa de tubo • Cable eléctrico de extensión de 15 metros • Cronómetro 33 CAPÍTULO ���� Marco teórico ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������������������������������ 2.1. Introducción El campo de la refrigeración es muy extenso, consecuentemente existen muchas formas de aplicación, entre las que destacan los equipos de aire acondicionado, ya sea para edificios, o para la producción, transportación y preservación de alimentos y bebidas; también tiene grandes aplicaciones en la industria como la producción de hielo y la deshumidificación de gases. El presente capítulo, da inicio con la descripción de los diferentes ciclos típicos de refrigeración; posteriormente, el punto de estudio se enfoca hacia los ciclos de refrigeración por compresión de vapor, analizando cada uno de sus componentes principales. Seguidamente se realiza un análisis sobre el rendimiento de los sistemas de refrigeración, finalizando el capítulo con la teoría correspondiente a los refrigerantes, desde su evolución a través de la historia, hasta la sustitución de algunos por acuerdos internacionales tomados en reuniones de carácter ambiental. 2.2. Ciclos típicos de refrigeración La palabra refrigeración implica el mantenimiento de una temperatura menor que la de los alrededores, esto requiere de una continua absorción de calor a un nivel de temperatura bajo, lo cual se logra por la evaporación de un líquido bajo un proceso continuo a régimen permanente. De acuerdo a la formulación del segundo principio de la Termodinámica en que: “el calor no se transmite nunca espontáneamente de un cuerpo hacia otro cuya temperatura sea más elevada”, se 34 deduce que para la refrigeración o técnica de frío de absorber calor a temperaturas inferiores a la ambiental, será necesario emplear cierta cantidad de energía adicional. 2.2.1. Ciclo de Carnot invertido El ciclo de Carnot Inverso es considerado como el estándar de comparación dentro de los ciclos de refrigeración existentes, en este caso, el ciclo Carnot debe ser recorrido en sentido opuesto a como se sigue en la máquina térmica. La figura 2-1 indica el esquema de una instalación frigorífica, trabajando según el ciclo de Carnot, el cual está compuesto por cuatro procesos reversibles. Figura 2- Ciclo de Carnot invertido • 1→2 Compresión isoentrópica o adiabática: donde el vapor húmedo que sale del evaporador a la temperatura T0 y a la presión correspondiente a la de saturación a esta temperatura, es comprimido hasta la presión P del condensador, pasando de una temperatura T1 a una T2 (donde T2 > T1) al realizar un trabajo sobre el gas. • 2→3 Condensación isobárica e isotérmica: donde el vapor saturado (estado 2) condensa, cediendo calor QA a la zona de alta temperatura o receptor. • 3→4 Expansión isoentrópica o adiabática: donde el líquido se expande hasta alcanzar la presión del evaporador P0, pasando de una temperatura T3 a una T4 (donde T3 > T4) • 4→1 Evaporación isobárica e isotérmica: donde el vapor húmedo formado absorbe calor QB de la zona de baja temperatura y se vaporiza al estado 1. 35 Nótese que para lograr el funcionamiento del ciclo de Carnot reversible, se requiere una entrada de trabajo Wneto, en. En la figura 2-2 se muestra el cambio de estado del refrigerante, que tiene lugar en la zona de vapor húmedo. Figura 2- Diagrama T-s del Ciclo de Carnot invertido Aplicando la primera ley de la Termodinámica para un proceso cíclico cerrado, el principio de la conservación de la energía requiere que: Wneto, en = QA - QB Entonces: QA = QB + Wneto, en Wneto, en se obtiene de la diferencia entre el trabajo de compresión W12 y el trabajo de expansión W34. De la figura también puede observarse que el coeficiente de eficiencia del ciclo es: Eficiencia = BA B TT T − 2.2.2. Ciclo de refrigeración por compresión de vapor 36 El ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor (figura 2-3) se representa mediante la trayectoria 1-2-3-4-1. Entra vapor saturado a baja presión al compresor y sufre una compresión reversible y adiabática, 1-2. El calor es cedido a presión constante en el proceso 2-3, y la sustancia de trabajo sale del condensador como líquido saturado; sigue un proceso adiabático de estrangulamiento durante 3-4, luego, la sustancia de trabajo se evapora a presión constante durante 4-1, lo cual completa el ciclo. Figura 2- Ciclo de refrigeración por Compresión de Vapor La similitud entre este ciclo y el ciclo de Rankine es evidente, ya que se trata del mismo ciclo, pero invertido. Este proceso de estrangulamiento es irreversible, mientras que el proceso de bombeo del ciclo Rankine es reversible. La divergencia de este ciclo ideal, con el ciclo de Carnot 1’-2’-3-4’-1’ es notoria en el diagrama T-s presentado en la figura 2-4. 37 Figura 2- Diagrama T-s del ciclo La razón de la divergencia se debe a que es mucho más conveniente tener un compresor que opere solo vapor y no una mezcla de líquido y de vapor, como sería necesario durante el proceso 1’-2’ del ciclo del Carnot. Es virtualmente imposible comprimir (en una relación razonable) una mezcla tal, como la representada por el estado 1’, y mantener el equilibrio entre el líquido y el vapor, ya que ahí debe haber un calor y una masa transferida a través de los límites de fase; es mucho más sencillo que el proceso de expansión tenga lugar irreversiblemente en una válvula de expansión, a que lo haga en un dispositivo de expansión que reciba líquido saturado, y descargue una mezcla de líquido y de vapor, como se necesitaría en el proceso 3-4’. 2.2.3. Ciclo de refrigeración por absorción de amoníaco El ciclo de refrigeración por absorción de amoníaco difiere del ciclo por compresión de vapor en la manera como se lleva a cabo la compresión. En el ciclo de absorción, los vapores del refrigerante (vapor saturado de baja presión) que salen del evaporador son absorbidos en otro fluido (líquido subenfriado) formando una disolución débil de amoníaco; este proceso tiene lugar a una temperatura ligeramente superior que la del medio circundante, y debe transmitirse el calor al medio exterior durante este proceso. La solución líquida fuerte de amoníaco se 38 bombea elevando su presión por medio de una bomba de líquido haciéndola circular a través de un intercambiador hacia el generador, donde se mantiene una temperatura y una presión alta; bajo estas condiciones, los vapores de amoníaco son expulsados de la solución como resultado de la transmisión de calor de una fuente de temperatura alta, liberándose el refrigerante como vapor sobrecalentado que continua hacia el condensador. Los vapores van a un condensador donde se condensan, como en un sistema de compresión de vapor, y luego a la válvula de expansión y al evaporador. La solución débil de amoníaco proveniente del generador retorna al absorbedor a través del intercambiador de calor. La figura 2-5 muestra una distribución esquemática de los elementos esenciales del sistema. Figura 2- Ciclo de refrigeración por absorción de amoníaco 2.2.4. Ciclo de refrigeración de aire normal Su principal uso en la práctica es en la licuefacción del aire y de otros gases y en ciertos casos especiales donde se requiere refrigeración. La forma simple del ciclo de refrigeración de aire normal, que en esencia es el ciclo de Bryton invertido (figura 2-6). El compresor y el expansor puede ser de émbolos o rotatorios. Después de la compresión de 1 a 2, el aire se enfría como resultado de la transmisión de calor del medio circundante a la temperatura T0; después se expande el aire en el proceso 3-4 hasta la presión de entrada al compresor, y la temperatura desciende a T4 en el expansor; entonces puede transmitirse calor al aire hasta que se alcanza la temperatura TL. El trabajo de este 39 ciclo está representado por el área 1-2-3-4-1, y el efecto de refrigeración por el área 4-1-b-a-4. El coeficiente de realización es la relación entre estas dos áreas. Figura 2- Ciclo de Bryton invertido En la práctica se ha usado para el enfriamiento de aviones en un ciclo abierto, cuya forma simplificada se en la figura 2-7. A medida que sale el aire frío del expansor, se circula directamente dentro de la cabina proporcionando así el enfriamiento donde se necesita. Figura 2- Ciclo de refrigeración de aire que puede utilizarse para el enfriamiento de aviones Cuando se incorpora un cambiador de calor de flujos opuestos, pueden observarse temperaturas muy bajas. Este es, esencialmente, el ciclo utilizado en plantas de licuefacción de baja presión y en otros aparatos de licuefacción como el hielo. El ciclo ideal en este caso es el que se muestra en la figura 2-8. Es evidente 40 que el expansor opera a muy baja temperatura y que los únicos problemas que presenta al proyectista, es el de la lubricación y el de los materiales. Figura 2- Ciclo de refrigeración de aire que utiliza un cambiador de calor 2.3. Rendimiento de los sistemas de refrigeración Los sistemas de compresión mecánica que utilizan vapores refrigerantes predominan dentro de los diferentes métodos de refrigeración. Un sistema mecánico de refrigeración es un ciclo termodinámico cerrado. Para expresar el rendimiento de los sistemas de refrigeración se utilizan varios términos arbitrarios. La unidad común de capacidad, excepto en sistemas pequeños, es la Tonelada de Refrigeración, que se define como la extracción de calor a razón de 200 BTU por minuto. La palabra “tonelada” es un anacronismo, que viene de los días en que el principal medio de refrigeración era el hielo; es la cantidad de calor absorbido cuando se funde una tonelada (2000 lbm) de hielo durante un periodo de 24 horas; la tonelada de refrigeración se calcula multiplicando el peso del hielo que se funde en un día (2000 lb/día) por el calor latente de fusión del hielo (144 BTU/lb), entonces: ( )( ) BTU/día 000,288horas 24BTU/ 000,288BTU/lb 144horas 24lb/ 2000 == 41 Al aplicar el factor de conversión correspondiente dividiendo 288,000 BTU/día entre 24 horas, se obtiene el valor de 12,000 BTU/hora, que nos da la equivalencia ya conocida de: BTU/hr 000,12iónrefrigerac de ton 1 = 2.3.1. Coeficiente de funcionamiento (C.O.P.) El Coefficinet Of Performance (C.O.P.) ó Coeficiente de Funcionamiento, expresa la efectividad de un sistema de refrigeración. Es una relación adimensional definida por la expresión: externas fuentespor dasuministra neta Energía útil terefrigeran Efecto ... =POC En un sistema de compresión mecánica la fuente externa suministra trabajo; o sea: W Q POC =.. Es práctica común expresar el rendimiento de un sistema de compresión mecánica en función de la potencia requerida para producir una tonelada de refrigeración, es decir: ... POC Q W = Y si Q es igual a una tonelada de refrigeración, entonces: ( )( ) ... 72.4 ...545,2 000,12 / POCPOC TonHP == 2.3.2. Rendimiento de refrigeración (ηηηηR) 42 El rendimiento de refrigeración ηR expresa la aproximación del ciclo o sistema a un ciclo ideal reversible de refrigeración. Por definición: ( ) ( )rev R POC POC ... ... =η El ciclo de Carnot sirve como ciclo ideal reversible. Hay dos conceptos sobre ciclos reversibles: 1) Un ciclo de refrigeración no puede tener mayor coeficiente de funcionamiento que un ciclo reversible cuando opera entre las mismas temperaturas. 2) Todos los ciclos de refrigeración reversibles que operan entre las mismas temperaturas, tienen el mismo coeficiente de funcionamiento. Figura 2- Procesos del Ciclo de Refrigeración de Carnot Las energías transferidas se expresan: ( ) ( ) 21 min2 max1 QQW SSTQ SSTQ cb cb −= −= −= Es decir que por la ecuación del C.O.P.: minmax min... TT T POC − = Para el caso de la siguiente figura, al aplicar la ecuación de energía sobre la base de una libra, se obtiene: 43 Figura 2- Ciclo de compresión de vapor de Carnot ( ) ( ) 5-1 -7-6-5 área 51 5151 3232223 1212 5445 = −= −−−= −= −= Q hhQ hhSSTW hhW hhW El trabajo neto para el ciclo es: 5-4-3-215 área 452312 −−= −+= W WWWW Y: minmax min51... TT T W Q POC − == 2.4. Ciclo de refrigeración, componentes y funcionamiento Para estudiar un sistema de refrigeración o de producción de frío, es preciso fijarse en el comportamiento del refrigerante y mediante qué elementos se produce la variación de las características físicas para llevar a cabo tal proceso. 44 Inicialmente y de forma muy esquemática los elementos principales que intervienen en un ciclo de refrigeración por comprensión de vapor pueden resumirse en: compresor, condensador, colector, válvula de expansión y evaporador, como se muestra en el siguiente esquema. Figura 2- Componentes del ciclo de refrigeración por compresión de vapor La función básica de un sistema de refrigeración es extraer calor del elemento a refrigerar. En el proceso tienen lugar dos fenómenos con balance de calor: • La evaporación de un refrigerante en estado líquido produce la absorción de calor o, lo que es lo mismo, baja la temperatura en el recinto o cámara donde se encuentra, produciendo sensación de frío. • La condensación del Vapor de un refrigerante se produce mediante una cesión de calor al ambiente, lo cual se traduce en una elevación de temperatura del mismo. Situémonos en el punto antes de la válvula de expansión, previa al evaporador, en que el refrigerante se encuentra en estado líquido a una cierta presión; su paso al evaporador se controla mediante una válvula automática denominada EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA cuyo funcionamiento está regulado por la temperatura y por la presión. 45 Dicha válvula produce una estrangulación brusca que hace que la presión descienda desde la que tenía en el punto a la salida del condensador hasta la existente a la entrada del evaporador. La válvula es el regulador automático de los límites entre los que se denomina parte de alta presión y parte de baja presión, presiones entre las cuales la válvula se ve forzada a trabajar. Esta bajada de presión en el evaporador hace que el refrigerante hierva y se produzca su evaporación, auxiliado por la cantidad de calor que absorbe del recinto en que se encuentra, a través del aire del mismo y transfiriéndolo al líquido, que se va transformando en vapor en el interior de los tubos del serpentín hasta que se evapora completamente. El refrigerante, en forma de gas, entra en el compresor por la tubería denominada de aspiración o succión, a través de la válvula de aspiración (semejante a los cilindros de un automóvil). Aquí el refrigerante es comprimido aumentando por ello su presión y su temperatura hasta llegar al punto en cuyas condiciones fluye hasta la entrada del condensador. La válvula de salida del cilindro del compresor actuará de retención, impidiendo que el gas regrese hacia el mismo. En el condensador, mediante la acción de un fluido exterior (aire, agua o ambas a la vez), se extrae el calor al gas refrigerante, lo cual produce un enfriamiento del mismo favoreciendo su condensación hasta alcanzar el estado líquido; a partir de aquí es impulsado de nuevo por la tubería hacia la válvula de expansión, donde se repite el ciclo explicado. Este proceso es continuo y depende de las condiciones que los elementos que configuran la instalación impongan al refrigerante. Como puede observarse, en el proceso existen varias temperaturas diferentes, lo cual hace que el estado del refrigerante sea distinto en varios puntos; no obstante, en principio sólo hay dos presiones perfectamente diferenciadas, que son las que corresponden a la evaporación y a la condensación. Es por ello que puede hablarse del Lado de Alta Presión y del Lado de Baja Presión de una planta o instalación frigorífica. 46 2.4.1. Compresores Un compresor de refrigeración es el corazón del sistema, su función es la de elevar la presión del refrigerante y proporcionar la fuerza primaria para que circule el refrigerante, produce el efecto de la refrigeración en el evaporador, lo transforma a la forma líquida en el condensador, y en las válvulas de admisión a una presión más baja por el dispositivo estrangulador. Existen varios tipos básicos de compresores y marcas los cuales pueden clasificarse según: Su aplicación: • Refrigeración doméstica. • Refrigeración comercial. • Refrigeración Semi-industrial • Refrigeración industrial. Su desplazamiento: • De desplazamiento positivo. • De desplazamiento no positivo Su sistema: • Compresor Alternativo Hermético. • Compresor Alternativo Semi- Hermético. • Compresor Alternativo Semi- Abierto. • Compresor Alternativo Abierto o Alternativo. • Compresor Tornillo. 47 La base de funcionamiento es la misma en donde se busca la transformación de energía eléctrica en energía mecánica. Un compresor de desplazamiento positivo aumenta la presión del vapor del refrigerante reduciendo el volumen interno en la cámara de la compresión por la fuerza mecánica aplicada. El único tipo de compresor de refrigeración no positivo (figura 2-12) es el que se utilizó extensamente en sistemas de refrigeración con compresores centrífugos. En un compresor centrífugo, el aumento de la presión del vapor del refrigerante depende principalmente en la conversión de la presión dinámica a la presión constante. Figura 2- Compresor centrífugo de un paso, de desplazamiento no positivo Resulta muy extenso desarrollar un apartado sobre compresores para refrigeración, ya que para cada variante deben considerarse sus principales características físicas, constructivas y funcionales; por lo tanto, considerando la finalidad didáctica del presente documento, en el mismo solo se presenta la información relacionada a los compresores aplicados en los sistemas de refrigeración domésticos hasta los semi-industriales. Distintos tipos de compresores Compresor hermético 48 En este compresor el motor y el compresor están sellados o soldados en la misma carcasa, como el mostrado en la figura: Figura 2- Compresor hermético Los compresores herméticos tienen dos ventajas: � Aminoran la fuga de refrigerante. � El motor puede ser refrigerado por el vapor de la succión que fluye por el aire generado por el motor. Este debe ser compatible con el refrigerante y la lubricación a base de petróleo para resistir el efecto abrasivo del vapor de la succión y tener una alta resistencia dieléctrica. Los compresores soldados se utilizan generalmente para instalaciones pequeñas de 1 hp a 24 hp (0.7 kW a 18 kW). Los compresores herméticos son conducidos directamente por el motor ó bien movido por un conjunto de engranajes. La siguiente figura muestra la construcción interna de un compresor hermético de la marca Copeland: 49 Figura 2- Construcción interna de un compresor hermético Compresor semi-hermético La ventaja principal que tienen sobre los anteriores, es el acceso para la reparación durante una rotura del compresor, o para la conservación regular. Las otras características son semejantes a las de los compresores herméticos. La mayor parte de los compresores de potencia media son semi herméticos. Figura 2- Representación esquemática de un Compresor Semi-hermético Compresor abierto En este caso el compresor y el motor están completamente separados, como se muestra en la figura 2-16. Un compresor abierto necesita sellos para evitar la pérdida del refrigerante. En la mayoría de los casos tienen un ventilador que se 50 utiliza para refrigerarlo utilizando el aire de ambiente. Muchos compresores de los grandes sistemas de refrigeración son compresores abiertos. Figura 2- Representación esquemática de un Compresor abierto Los compresores semi herméticos y los abiertos pueden ser movidos directamente, por engranajes ó por bandas tipo “V”. El propósito de un tren de engranajes es aumentar la velocidad del compresor. El engranaje es compacto y gira sin patinar como las bandas. Tanto los engranajes como las bandas en “V”, requieren cerca de un tres por ciento más de potencia del motor que la que necesita el compresor. Algunos grandes compresores abiertos pueden ser también movidos por turbinas de vapor, por turbina de gas, o por motor diesel en vez de un motor eléctrico. Desempeño de los compresores La eficiencia volumétrica (ηv) de un compresor de refrigeración se define como dis va V V V , η = donde � Va, v = volumen inducido real de vapor de succión en la presión en ft3 ó (m3) � Vdis = desplazamiento teórico de compresor, en ft3 ó (m3). 51 El Volumen del compresor se ve influenciado por: � El volumen del Espacio Libre y proporción de compresión: Factores que afectan el volumen de gas de re-expansión atrapado en el volumen del espacio libre. � El efecto de calentamiento: Cuándo el vapor refrigerante entra al compresor, el calor absorbido por el vapor tiene como resultado un efecto que aumenta el volumen específico del refrigerante Va, v. � Espacio libre entre anillos y émbolo: Disminuyen los escapes de refrigerante por el espacio entre los anillos del émbolo y el cilindro en un compresor alternativo. La eficiencia del motor se define como: mo com mo P P =η donde � Pcom = salida de potencia del motor ó entrada de potencia al compresor, Hp (Kw.). � Pmo = entrada de potencia al motor, en Hp (Kw) La eficiencia mecánica ηmec se define como: com V mec W W =η donde: � Wv = trabajo entregado al vapor refrigerante, Btu/lb (kJ/kg) � Wcom = entrada de trabajo en el compresor, en BTU/lb (KJ/kg) La eficiencia de compresión ηcp se define como: V isen cp W W =η 52 donde: � Wisen = es el trabajo requerido para la compresión, en Btu/lb (kJ/kg). � Wv = h2 - h1, donde h1 y h2 representan la entalpía de vapor de admisión del refrigerante y del gas caliente descargado, respectivamente, en un proceso de compresión, en Btu/lb (kJ/kg). La diferencia entre la entrada del trabajo en el compresor y el trabajo entregado al vapor Wcom - Wv es causado principalmente por la pérdida en la fricción y la pérdida por turbulencia del flujo de refrigerante. La eficiencia del compresor ηcom es el producto de ηcp y ηmec, y eso es: meccpcom ηηη = Nueva tecnología de compresores En los últimos años, se han realizado muchos esfuerzos para lograr equipos más eficientes, dentro de estos esfuerzos surgen los compresores herméticos para refrigeración tipo Scroll, los cuales presentan menor peso y tamaño que cualquier otro equipo de capacidad equivalente. Los compresores Scroll (de 2 a 15 Caballos de Fuerza) son diseñados y construidos exclusivamente para aplicaciones de refrigeración. Los compresores Scroll contienen 70% menos de cantidad de partes móviles y son altamente confiables, sólo dos partes están involucradas en el trabajo de la compresión, versus al menos 9 por cilindro que requiere una tecnología a pistón convencional. El diseño de compresores Scroll se basa en el movimiento de dos espirales que pueden separarse tanto radial como axialmente. 53 Figura 2- Movimientos para la compresión en los equipos tipo Scroll Los equipos Scroll poseen bujes impregnados con una resina sintética especial que mejora su confiabilidad en condiciones de lubricación exigida. Este tipo de compresores son de bajo nivel sonoro, hasta tres veces más silenciosos y exentos de vibraciones que cualquier otra tecnología a pistón; se necesita hacer funcionar tres compresores Scroll al mismo tiempo para alcanzar el nivel de ruido de un compresor a pistón de capacidad equivalente. Figura 2- Comparativo en decibelios entre un equipo Scroll Vrs. uno de pistón Finalmente, a diferencia de cualquier tecnología a pistón, en un compresor Scroll no existe re-expansión, con lo cual se logra el 100% de su eficiencia volumétrica. 54 Figura 2- Diferencia entre los compresores Scroll y de pistón Existen modelos para aplicaciones en un amplio rango, incluyendo bajas temperaturas de hasta –40° F. Figura 2- Seccionado de un compresor hermético tipo Scroll Adicionalmente, muchas aplicaciones han sido aprobadas para temperaturas de baja condensación de hasta 15° F. 2.4.2. Condensadores El condensador de un circuito frigorífico es un intercambiador de calor situado a la salida del compresor, que recibe el gas comprimido por este, a alta temperatura. El proceso de condensación 55 Cuando el vapor saturado está en contacto con una superficie que tiene una temperatura más baja que la temperatura de la saturación, ocurre la condensación en la superficie; la condensación de un vapor puede producirse en varias formas: 1. Extrayendo calor 2. Aumentando la presión y manteniendo la temperatura constante 3. Combinando ambos métodos Extrayendo calor Un vapor saturado es aquel en una condición tal que cualquier enfriamiento posterior causará la condensación de parte del vapor; cuando se enfría el vapor, las moléculas no pueden mantener la suficiente energía y velocidad para vencer las fuerzas atractivas mutuas y permanecer como moléculas de vapor. Algunas moléculas, sujetas a las fuerzas de atracción recuperan la estructura molecular del estado líquido, si se sigue extrayendo calor más moléculas licuarán, hasta convertirse todas en líquido El proceso de la transferencia de calor en un condensador ocurre en tres etapas: 1. Sobrecalentamiento del gas. 2. Condensación del gas al estado líquido y de liberación del calor latente 3. Sub enfriamiento del líquido refrigerante Aunque el coeficiente de superficie de la transferencia de calor sea más bajo en el lado caliente de gas durante el sobrecalentamiento, hay una diferencia más grande de la temperatura entre el gas refrigerante caliente y el medio de refrigeración. El sub-enfriamiento sólo ocupa una porción pequeña del área del condensador. Por lo tanto, para la simplificación, un coeficiente medio de la transferencia de calor se utiliza para la superficie total del condensador. La rapidez con la que fluya el calor a través de las paredes del condensador al medio condensante es una función de tres factores: 56 1. Área de superficie condensante. 2. Coeficiente de conductancia de las paredes del condensador 3. Diferencia de temperaturas entre el refrigerante y el medio condensante Si consideramos los antiguos condensadores de tubo de cobre y aletas de aluminio, con tubo de unos 10 mm de diámetro, la separación entre tubos era de unos 20 mm con lo que cabían pocos en un espacio fijo; si en vez de tubo de 10 mm se utilizaran tubos de 5 mm de diámetro cabrían más tubos en el mismo espacio. Pero esta operación no es tan simple, porque al reducir el paso aumenta la pérdida de carga y pasa menos gas. La sección de un tubo de 10 mm es de 78,54 mm²; la sección de un tubo de 5 mm es de 19,63 mm², por lo cual, para simplemente tener la misma sección habría que colocar 4 tubos de 5 por cada uno de 10, sin tener en cuenta las perdidas de carga. Para lograr una mejor condensación se han construido tubos de aluminio extrusionados y reticulados. De esta forma se acerca la totalidad del gas a las paredes del tubo, con lo cual se aumenta la conductibilidad del calor y con menos longitud se mejora la condensación Se ha mejorado aún este sistema con los condensadores de flujo paralelo, que también usan tubos de aluminio extrusionado y reticulado, pero de menor grosor tanto el tubo como las paredes y para obviar el problema de las perdidas de carga se montan tubos entre los colectores con lo que se aumenta mucho el paso de gas. Tipos de condensadores El condensador es el componente mayor de un sistema de refrigeración. Es también un intercambiador de calor de contacto indirecto en el que el calor total rechazado del refrigerante es quitado por un medio de refrigeración, generalmente aire o agua. Como resultado, el gas refrigerante es enfriado y condensado. Existen varios tipos de condensador: Serpentín de tubos de cobre y aletas de aluminio 57 Normalmente estos condensadores están formados por dos circuitos paralelos de tubo de cobre. Igual que en los evaporadores, están formados por tiras de aletas embutidas y dobladas. A través de las mismas se colocan las horquillas de tubo de cobre. Figura 2- Serpentín de tubos de cobre y aletas de aluminio Formado el paquete, los tubos son expansionados haciéndose el total contacto con las aletas. Finalmente se sueldan las curvas a los tubos en horquilla formando los circuitos y los tubos de entrada y salida. Serpentín de tubo extrusionado plano, reticulado de aluminio y aletas de aluminio Este modelo tiene la ventaja sobre otros modelos que su rendimiento es muy elevado y de precio menos caros que los otros. Figura 2- Serpentín de tubo reticulado 58 Entre los tubos planos va una aleta de aluminio embutida, y soldada al horno. Serpentín de flujo paralelo y multiflujo Este tipo es el de mayor rendimiento existente; su construcción es parecida a los radiadores. Formado por dos colectores laterales unidos por tubo reticulado extrusionado de sección muy delgada (unos 2 mm) de grosor en aluminio. Entre los tubos, se ubican unas aletas embutidas, rasgadas y dobladas en zigzag. Todo el conjunto es soldado al horno. EL paquete de tubos es cambiado en sentidos direccionales de paso por medio de placas insertadas en los colectores. Este tipo de condensador fue proyectado para trabajar con el nuevo refrigerante ecológico R-134a. Serpentín de flujo paralelo y aletas Este modelo, también de un alto rendimiento, es de fabricación similar al modelo anterior. Pero los tubos en vez de ser tramos rectos forman serpentines en forma de S con lo cual permite que las dilataciones y contracciones producidas al calentarse y enfriarse tiene un cierto nivel de elasticidad mejorando el rendimiento por fatiga. Figura 2- Serpentín de flujo paralelo y aletas Independientemente del tipo de condensador utilizado, el líquido refrigerante es a menudo sub-enfriado hasta una temperatura de 15°F (8.3°C) por debajo de la 59 temperatura saturada de condensación. Basado en el medio de refrigeración y los condensadores utilizados, los sistemas de refrigeración pueden ser clasificados en las siguientes tres categorías: 1. Condensadores húmedos 2. Condensadores ventilados 3. Condensadores evaporadores Condensadores enfriados por aire Los condensadores enfriados por aire son fáciles de instalar, baratos de mantener, no requieren agua y no tienen peligro de congelación en tiempo de mucho frío, sin embargo, es necesario un suministro de aire fresco y el ventilador puede crear problemas de ruido en grandes instalaciones. Figura 2- Representación esquemática de un condensador enfriado por aire El ventilador propulsor tiene una presión baja y un volumen elevado de flujo, que lo hacen más conveniente para los condensadores ventilados por aire. Las aspas de succión que arrastran el aire a través del condensador, resultan más 60 apropiadas por establecer un flujo de aire uniforme que las aspas del tipo de descarga. El tipo de aspas de succión se prefiere normalmente puesto que una distribución uniforme del aire aumenta la eficacia del condensador. Condensadores enfriados por agua Cuando se encuentra disponible de agua de condensación adecuada a bajo costo, son preferibles los condensadores enfriados por agua dado que tienen presiones de condensación más bajas y es posible un mejor control de la presión de descarga. El agua, especialmente de manantiales, es generalmente mas fría que la temperatura del aire durante el día. Si se utilizan torres de enfriamiento, la temperatura del agua de condensación puede ser bajada a un punto muy cercano a la temperatura del bulbo húmedo. Esto permite la continua recirculación de agua de condensación y reduce el consumo de ésta al mínimo. Condensadores evaporativos Los Condensadores de Evaporación se utilizan frecuentemente cuando se desean temperaturas de condensación inferiores a las que pueden obtenerse con condensadores enfriados por aire y en donde el suministro de agua no es adecuado para una intensa utilización. El vapor de refrigerante caliente fluye a través de tuberías dentro de una cámara con rociadores de agua, en donde es enfriado mediante la evaporación del agua que entra en contacto con los tubos de refrigerante. 2.4.3. Dispositivos de expansión Un componente fundamental e indispensable de cualquier sistema de refrigeración es el control de flujo o dispositivo de expansión. Sus principales propósitos son: 61 � Permitir el flujo de refrigerante al evaporador a la razón necesaria para remover el calor de la carga. � Mantener el diferencial de presión apropiado entre los lados de alta y baja en el sistema de refrigeración. Los cinco tipos principales de dispositivos de expansión son: 1. Válvula de expansión automática. 2. Válvula de expansión termostática. 3. Tubo capilar. 4. Flotador de baja. 5. Flotador de alta 2.4.3.1. Válvula de expansión termostática Las válvulas de expansión termostáticas (VET) son extensamente utilizadas en su mayoría para estrangular los dispositivos de expansión en sistemas de refrigeración de expansión directa. Características de operación Una válvula de expansión termostática regula el flujo de refrigerante al evaporador de acuerdo al vapor sobre calentado saliendo del evaporador. En las figuras siguientes se muestran unas válvulas de expansión termostáticas conectadas a un evaporador. A la válvula de la figura 2-27, conocida como VET de compensación interna, el gas licuado llega procedente del condensador, por lo que tiene un acoplamiento para entrada 9 y otro de salida 19. Su construcción podemos considerarla como en forma de cruz. Entre la entrada y la salida hay un cierre, normalmente una bola de acero 15, que empujada por un resorte 14 efectúa el cierre; este resorte es regulable por un tornillo inferior 13. En la parte superior se encuentra una membrana de acero redonda cerrada por dos tapas, una inferior 20 que va soldada al cuerpo de la válvula 12 y otra superior 6 soldadas entre sí. 62 Figura 2- Válvula de expansión termostática con ecualización interna A la tapa superior lleva soldado un tubo capilar 2 al final del cual se efectúa un arrollamiento que actuará como sensor, este arrollamiento se hace para ganar superficie de sensor, pero también se utiliza un tramo de tubo más grueso cerrado por un extremo y con el tubo capilar soldado al otro extremo. En la parte inferior de la membrana hay un platillo de apoyo y el eje 17 que se apoya en el otro extremo de la bola de cierre. Esta válvula, aunque es regulable, hay que preseleccionarla cuando se diseña el evaporador según el caudal que será necesario para su buen funcionamiento. La parte superior de la membrana, tubo capilar y arrollamiento o bulbo, va rellena de gas en fase líquida que se mantiene a presión. El bulbo va fijado firmemente sobre el tubo de salida del evaporador y aislado con el fin de que el gas contenido en su interior pueda detectar cualquier cambio de temperatura en el tubo 63 de salida del evaporador. Cuando el gas que sale del evaporador, sale mas caliente o frío, esta temperatura se transmite al gas del bulbo. .. Figura 2- Válvula de expansión termostática con ecualización externa Este tipo de válvula de expansión termostática consiste en un cuerpo de válvula, un diafragma, y un bulbo en la salida del evaporador. El bulbo está conectado a la parte superior del diafragma por medio de un tubo capilar. La salida de la válvula de expansión termostática es conectada a varios circuitos refrigerantes por las bocas y tubos de un distribuidor refrigerante. Cuándo los líquidos refrigerantes pasan por la pequeña apertura del émbolo de la válvula; su presión es reducida a la presión de la evaporación. El flujo del líquido refrigerante circula por los tubos de cobre y se vaporiza gradualmente; en la posición X (figura 2-28), todo el líquido se ha vaporizado. Cuando el vapor del refrigerante alcanza la salida O del evaporador, es sobrecalentado a unos pocos grados más que su temperatura saturada, esto causa un aumento en el grado de sobrecalentamiento en la salida O, así como un aumento en la temperatura del bulbo, porque puede ser llenado parcialmente por el mismo tipo de líquido refrigerante del evaporador, la temperatura más alta ejerce una presión más alta por encima del diafragma. Esto baja la aguja y ensancha la apertura de la 64 válvula y así se permite el ingreso de más líquido refrigerante al evaporador para emparejar el aumento en la carga de refrigeración El grado de vapor refrigerante sobrecalentado en la salida puede ser ajustado variando la tensión en la válvula de la expansión termostática. 2.4.3.2. Tubo capilar El tubo capilar, algunas veces también llamado tubo restrictor, es simplemente una tubería de pequeño diámetro, sin elemento móvil alguno, y se encuentra situado normalmente entre la salida del condensador y la entrada del evaporador. La función que realiza es la de reducir la presión del refrigerante desde la zona de alta presión (condensador) a la zona de baja presión del sistema (evaporador) y controlar el flujo de refrigerante a través del evaporador. Un tubo capilar cuenta además con la ventaja de tener cierta capacidad para balancear el flujo de refrigerante cuando las potencias frigoríficas cambian. Los dispositivos de expansión de tipo capilar son de uso muy extendido en equipos de refrigeración, especialmente en unidades pequeñas y medianas como refrigeradores y congeladores domésticos, deshumidificadores y aparatos de aire acondicionado. La figura 2-29 muestra la distribución de presiones típicas en un tubo capilar. Figura 2- Distribución de presiones típicas a lo largo de un tubo capilar 2.4.4. Evaporadores 65 El evaporador es otro de los componentes principales de un sistema de refrigeración, en cuál el refrigerante se evapora con el propósito de extraer el calor del aire circundante o de otras sustancias. En los sistemas de refrigeración de compresión de vapor, el evaporador es también un intercambiador de calor de contacto indirecto. El evaporador es el elemento que proporciona finalmente la temperatura necesaria para la conservación de los productos, mediante el cambio de estado en su interior de un determinado líquido o refrigerante, a una presión y temperaturas dadas. Los tubos lisos son de acero cuando se utiliza R-717 (Amoniaco) y se suelen encontrar en evaporadores de grandes capacidades. Para los refrigerantes fluorados se utiliza el cobre y suelen emplearse de forma unitaria en instalaciones de menores dimensiones, o bien de varios evaporadores. Si a los tubos lisos se les coloca unas aletas o placas metálicas, soldadas o expandidas, a presión sobre los tubos, se consigue aumentar considerablemente la superficie de intercambio de calor. Los tubos forman un serpentín y las distancias de separación entre ellos o de las aletas es variables, siendo en general mayor la densidad cuanto menor es la temperatura y viceversa, debido a la exigencia de circulación de aire; si las aletas están muy juntas se llenan de escarcha e impiden la circulación de aire. Para temperaturas bajas la separación de aletas puede oscilar de 2 a 3 aletas por pulgada y para temperaturas cercanas a los 0º C puede llegara ser de 14 aletas por pulgada. Expansión directa (DX): En un sistema de aire acondicionado de expansión directa, la temperatura de evaporación Tev del refrigerante HCFC -22, HFC-134a, HFC-404A, HFC- 410A, HFC- 407A, o HFC 407C, dentro de los tubos del serpentín generalmente se encuentra entre 37 ºF y 52 °F (2.8 ºC - 11.1 °C). La temperatura Tev de la superficie generalmente baja al punto de rocío del aire de entrada. La condensación ocurre por fuera de la superficie del serpentín de DX. 66 En la figura 2-30 puede observarse como el refrigerante es suministrado generalmente por una válvula de la expansión termostática y fluye hacia un tubo distribuidor, el cual se conecta uniformemente a varios circuitos de tubos de distribución de cobre con un diámetro entre 1/4” y 5/16” (6.5 y 16 mm). La longitud del tubo distribuidor es aproximadamente igual a las longitudes de circuito y aseguran una adecuada distribución del refrigerante. Figura 2- Esquema de funcionamiento del evaporador Zona de sobrecalentamiento: Para la simplificación, la tasa de la transferencia del calor (inclusive ambos calor sensible y latente), a menudo es multiplicada por un factor Fsuper que justifica la existencia de la región de sobrecalentamiento. La transferencia simultánea entre el calor y la masa en un sistema de expansión directa, los potenciales que manejan para la transferencia simultánea del calor y la masa durante la refrigeración son la diferencia entre la entalpía del aire del ambiente y el aire saturado. Esta transferencia del calor y la masa es calculada convenientemente como: ( )sraeaawetwetc hhVQ −= ρε ο 60, 67 Donde: � hae = entalpía de aire entrante, Btu/lb (J/kg) � hsr = entalpía de la película saturada de aire en la temperatura de la evaporación del refrigerante en la superficie de los tubos interiores Btu/lb (J/kg) � Va = flujo del volumen de aire, cfm [m3/(60 s)] � pa = densidad del aire, lb/ft3 (kg/m3) La eficiencia de un intercambiador del calor se define como la proporción de la tasa verdadera de la transferencia del calor entre los líquidos calientes y fríos a la tasa posible máxima de la transferencia del calor. La energía calorífica del condensador es pequeña y se puede ignorar. La eficiencia se puede calcular como rsae alae wet hh hh ,− − =ε ó ( )rsaeaeal hhhh ,−−= ε Donde � hal = entalpía de aire de salida, Btu/lb (kJ/kg). Para la conveniencia, el refrigerante en el evaporador es asumido para evaporar en una temperatura constante, así que Cmin/Cmax = 0. Aquí Cmin y Cmax indican el valor más pequeño y más grande de capacidades de calor entre aire y agua, Btu/H°F (W/ °C). La eficacia mojada del rollo se calcula como: ( )NTUwet −−= exp1ε El número de unidades de transferencia NTU se puede calcular también co