Refrigeracion Industrial Mont - Gonzalez Sierra, Carlos.pdf

Ref efR Rige igeR Ración Montaje

industR indust Rial

y Manteni anteniM Miento de

instalaciones fRigo igoR Ríficas

Carlos González sierra

e-mail: [email protected] www.canopina.com

Cano Pina, S.L. – Ediciones Ceysa © © Este producto está protegido por las leyes de propiedad intelectual. Está prohibida la reproducción o distribución de parte alguna de la presente edición, ya sea por medios electrónicos, mecánicos o cualquier otro, sin la previa autorización del editor. © de la presente edición: Cano Pina, S.L. – Ediciones Ceysa © © de la obra: el autor

Título: Refrigeración industrial. Montaje y mantenimiento de instalaciones frigoríficas Autor: Carlos González Sierra EditA: Cano Pina, S.L.- Ediciones Ceysa ISBN: 978-84-15884-08-8 Producción: Susana Encinas disEño

dE PortAdA:

Sara Martínez

Prólogo El objetivo de este libro es presentar de una forma clara y completa todos los conceptos, fundamentales y avanzados, de la refrigeración industrial. Se adapta prácticamente en todos los contenidos al Certificado de Profesionalidad en el área del Frío y climatización “Montaje y mantenimiento de instalaciones frigoríficas”. También es de gran utilidad para los estudiantes de ingeniería industrial mecánica (sistemas térmicos) y para los estudiantes del Postgrado de Refrigeración. Y finalmente, es un libro de referencia para cualquier profesional, ingeniero y apasionado de las instalaciones frigoríficas, pudiendo encontrar soluciones a algunos de los problemas que se le planteen. El libro incluye una gran cantidad de ejercicios y problemas prácticos totalmente resueltos y de forma detallada, que son de gran utilidad a la hora del diseñar las instalaciones frigoríficas. Casi todos los ejemplos se basan fundamentalmente en tres refrigerantes, que abarcan una parte importante de las aplicaciones del frío: R-410A para acondicionamiento de aire, R-134a para refrigeración a media temperatura y R-507 para refrigeración a baja temperatura (congelación). Las unidades utilizadas son las del SI (Sistema Internacional), aunque se hace referencia a otras unidades todavía en uso como el sistema anglosajón IP (pulgada-libra). El capítulo 1 proporciona una buena base de conocimientos para afrontar el resto de capítulos sin problema alguno. Se trata de los conocimientos mínimos que se deben conocer, aunque para muchos estudiantes servirá como repaso. Los capítulos 2, 3, 4 y 5 profundizan en esa materia tan imprescindible en la refrigeración como es la Termodinámica de refrigeración. Es la base fundamental para el entendimiento del circuito frigorífico. Se abarcan con gran detalle los sistemas de baja y múltiple temperatura. Y se analiza de una manera simple y fácil de entender el proceso de compresión y sus rendimientos. El capítulo 6 se dedica a los refrigerantes y aceites lubricantes. Es importante su conocimiento para poder aplicarlos correctamente. Los capítulos 7, 8, 9, 10 y 11 tratan de la Tecnología de la refrigeración. Se explica el funcionamiento de todos los equipos y elementos de la instalación frigorífica y el cálculo de los mismos. El capítulo 12 está dedicado al diseño de las tuberías y su asilamiento térmico. Se dan las claves a tener en cuenta en su diseño para conseguir un buen retorno del aceite al compresor. Los capítulos 13, 14 y 15 se dedican a la cámara frigorífica. Es importante conocer el tratamiento frigorífico que se le deben dar a los alimentos para retrasar su descomposición, para después pasar al diseño de la carga térmica de refrigeración. El capítulo 16 es un capítulo práctico, importante para los instaladores, donde se explican todas las etapas que se deben realizar para una buena ejecución de la instalación. La reglamentación europea y, por tanto, la española, cada vez es más rigurosa en cuanto a la protección del medio ambiente, por lo que en este capítulo se habla también en profundidad de dicha normativa, sobre todo en lo referente al control de fugas. El capítulo 17 es de gran utilidad para los reparadores de la instalación frigorífica. Se dan las claves para poder detectar y solucionar la mayor parte de las averías que se presentan en este tipo de instalaciones. El capítulo 18 está dedicado al ahorro energético y al mantenimiento de las instalaciones frigoríficas. El frigorista debe ser un gestor energético, y debe conocer con detalle cómo mantener o mejorar el rendimiento de la instalación a lo largo de su vida útil. Por último, en los anexos se proporcionan las tablas y diagramas que son de utilidad a la hora de resolver los problemas que se plantean a lo largo del libro. Espero que este trabajo ayude a los ingenieros, profesionales y estudiantes, para entender mejor, proyectar y solucionar problemas en este campo tan apasionante de la refrigeración. El autor

Índice 1

Fundamentos

2

Termodinámica

3

Análisis

4

Utilización

5

Sistemas

6

Refrigerantes

7

Compresores

8

Evaporadores

9

Condensadores

de refrigeración

de refrigeración

y rendimiento de compresores alternativos

del diagrama entálpico

de refrigeración de baja y múltiple temperatura

y aceites lubricantes

y torres de refrigeración

10

Dispositivos

11

Aparatos

12

Diseño

13

Tratamiento

14

Cámaras

frigoríficas.

15

Cálculo

de la carga de refrigeración

16

Ejecución

y puesta en servicio de instalaciones frigoríficas

17

Detección

y solución de averías en instalaciones frigoríficas

18

Ahorro

A

Anexos

de expansión

de regulación y accesorios

de tuberías de refrigerante

frigorífico de alimentos

Construcción

y aislamiento térmico

energético y mantenimiento de instalaciones frigoríficas

Fundamentos

de refrigeración

Contenidos 1.1 Sistemas de unidades. Masa y peso 1.2 Presión y temperatura 1.3 Energía y potencia 1.4 Conservación de la energía 1.5 Cambios de estado. Calor sensible y latente 1.6 Leyes del gas ideal 1.7 Máquina frigorífica y bomba de calor

Índice

1

1.1 SiStemaS

de unidadeS.

1.1.1 magnitudeS

maSa

volver

y PeSo

fundamentaleS y derivadaS.

SiStema internacional

De las diversas magnitudes existentes, escogemos unas magnitudes fundamentales con sus unidades fundamentales, de las cuales dependerán el resto de magnitudes (magnitudes derivadas) cuyas unidades serán las unidades derivadas. Este número de unidades fundamentales ha de ser el mínimo posible, aunque suficiente para poder definir todas las demás unidades derivadas. En el Sistema Internacional (SI) existen siete magnitudes fundamentales, y por tanto, siete unidades fundamentales: Magnitud

Unidad

Símbolo

Longitud

metro

m

Masa

kilogramo

kg

Tiempo

segundo

s

Intensidad de corriente eléctrica

ampere

A

Temperatura

kelvin

K

Intensidad luminosa

candela

cd

Cantidad de materia

mol

mol

Las unidades siguientes son unidades derivadas formadas por combinación de unidades fundamentales, que para facilitar su expresión se les han dado un nombre y símbolo. Unidades derivadas

Magnitud

Unidad

Símbolo

Frecuencia

hertz

Hz

s-1

Fuerza

newton

N

m·kg/s2

Presión, Tensión

pascal

Pa

N/m2

kg/m·s2

Energía, Trabajo, Calor

joule

J

N·m

kg·m2/s2

Potencia, Flujo de calor

watt

W

J/s

kg·m2/s3

Carga eléctrica

coulomb

C

Tensión eléctrica

volt

V

W/A

kg·m2/s3·A

Resistencia eléctrica

ohm

W

V/A

kg·m2/s3·A2

Capacidad eléctrica

farad

F

C/V

s4·A2/kg·m2

Otras unidades

Fundamentales

A·s

Otras unidades importantes en el campo de la refrigeración son las siguientes: Magnitud

Unidad

Magnitud

Unidad

Superficie

m

Volumen

m3

Velocidad lineal

m/s

Aceleración lineal

m/s2

Densidad

kg/m3

Volumen específico

m3/kg

Peso específico

N/m3

Momento de una fuerza

N·m

2

Magnitud

Unidad

Magnitud

Unidad

Caudal másico

kg/s

Caudal volumétrico

m3/s

Viscosidad cinemática

m2/s

Viscosidad dinámica

Pa·s

Entropía

J/K

Entropía másica

J/kg·K

Capacidad térmica

J/K

Calor específico

J/kg·K

Entalpía, Energía interna

J

Entalpía específica

J/kg

Conductividad térmica

W/m·K

Transferencia de calor

W/m2·K

Flujo de calor por superficie

W/m2

Flujo de calor por longitud

W/m

1.1.2 equivalenciaS

de unidadeS.

SiStema

angloSajón

En la tabla siguiente se indican los factores de conversión para las unidades más comúnmente empleadas en el sector de la refrigeración y el acondicionamiento de aire, en el sistema internacional SI y en el sistema anglosajón IP (Inch-Pound o pulgada-libra). Longitud 1 in (inch)

= 0,254 m

1 ft (foot) = 12 in

= 0,3048 m

1 yd (yard) = 3 ft

= 0,9144 m

1 mile (milla terrestre)

= 1.609,344 m

1 in2 (square inch)

= 6,4516 cm2

1 ft2 (square foot) = 144 in2

= 0,0929 m2

1 yd2 = 9 ft2

= 0,8361 m2

1 acre = 43.560 ft2

= 4.046,86 m2

1 in3 (cubic inch)

= 16,387 cm3

1 ft3 (cubic foot) = 1.728 in3

= 28,3168 dm3

1 US gal (gallon)

= 3,785 dm3

1 UK gal (imperial gallon)

= 4,546 dm3

1 oz (ounce)

= 28,3495 g

1 gr (grain) (grano)

= 0,0648 g

1 lb (pound) = 16 oz

= 0,4536 kg

1 slug (= 32,174 lb)

= 14,5939 kg

1 US ton (short ton)

= 907,185 kg

1 UK ton (long ton)

= 1.016,05 kg

= 16,018 kg/m3

1 slug/ft3 (slug square foot)

= 515,379 kg/m3

1 ft/s (FPS)

= 0,3048 m/s

1 MPH (milla por hora)

= 1,6093 km/h

1 ft/min (FPM)

= 0,0508 m/s

1 knot (nudo)

= 1,8532 km/h

= 1,6990 m3/h

1 US gal/min (GPM)

= 0,2271 m3/h

= 4,4482 N

1 kip (1.000 lb)

= 4,4482 kN

1 lbf/in2 (psi)

= 6.894,757 Pa

1 in Hg

= 3.386,388 Pa

1 lbf/ft

= 47,8803 Pa

1 in H2O

= 249,0889 Pa

Superficie

Volumen (capacidad)

Masa

Densidad 1 lb/ft3 (pound square foot) Velocidad

Caudal (flujo volumétrico) 1 ft3/min (CFM) Fuerza, peso 1 lbf (libra-fuerza) Presión

2

Energía, trabajo, calor = 1.055 J

1 lbf·ft

= 1,3558 J

1 BTU/h

= 0,29307 W

1 ton = 12.000 BTU/h

= 3.516,87 W

1 HP = 550 lbf·ft/s

= 745,701 W

1 lbf·ft/s

= 1,35582 W

1 BTU (British Termal Unit) Potencia

Calor específico / Coeficiente U de transferencia de calor 1 BTU/lb·ºF

= 4,18 kJ/kg·K

1 BTU/h·ft2·ºF

= 5,678 W/m2·K

EjEmplo 1 En un catálogo técnico de un determinado filtro de aire, se especifica que la velocidad máxima del aire a través del filtro no debe sobrepasar los 1.200 ft/min. ¿Cuál será la velocidad máxima en metros por segundo (m/s)? 1.200

ft 1 min 0, 30 m m $ $ = 6,0 s min 60 s 1 ft

1.1.3 maSa, fuerza

y

PeSo

Se llama masa (m) a la cantidad de materia que tiene un cuerpo. La unidad de masa en el SI es el kilogramo (kg), y en el IP es la libra-masa (lbm o lb). Una fuerza (F) es el empuje o la atracción que puede ejercer un cuerpo sobre otro. La unidad de fuerza en el SI es el newton (N), y en el IP es la libra-fuerza (lbf o lbf). Cuando hacemos actuar sobre un cuerpo de masa m, una fuerza F, se produce una aceleración, a: F=m·a La fuerza más conocida es el peso (fuerza de gravedad, G), que es la fuerza de atracción que la Tierra ejerce sobre todos los cuerpos. No hay que confundir peso con masa. La masa de un cuerpo es constante, al contrario que el peso que depende del lugar donde se encuentre, ya que se ve influenciado por la gravedad (g = 9,80665 m/s2 = 32,174 ft/s2): G=m·g En el sistema SI se diferencia claramente entre las unidades masa (kg) y peso (N), y no como sucede en el sistema técnico ST (kilogramo y kilopondio); 1 kp = 9,81 N.

1.1.4 volumen, denSidad

y

PeSo

eSPecífico

El volumen (V) se expresa en el SI en metros cúbicos (m3), aunque también se utiliza el litro (L). En el IP las unidades más comunes son el pie cúbico (ft3) y el galón (gal).

! El

volumEn

distintos

EsPEcíFico

gAsEs

quE

dE

los

hAyA

quE

bombEAr Es unA inFormAción vAliosA, quE

PErmitE

ElEgir

El

tAmAño

dEl

comPrEsor PArA rEAlizAr unA tArEA dEtErminAdA.

El volumen específico (v) de un cuerpo es el volumen ocupado por la unidad de masa de dicho cuerpo. La unidad de volumen específico en el SI es el metro cúbico por kilogramo (m3/kg). En el IP la unidad es el pie cúbico por libra-masa (ft3/lb). v=

V m

La densidad o masa volumétrica (r) es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia. Es una propiedad característica de la materia que nos permite diferenciar una sustancia de otra. La unidad en el SI es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3). r=

m V

La densidad es la inversa del volumen específico. Para los gases depende de la temperatura y de la presión, y para los líquidos prácticamente de la temperatura. El peso específico (g) es la cantidad de peso por unidad de volumen de una sustancia. La unidad del peso específico en el SI es el newton por metro cúbico (N/m3), y en el IP es la libra-fuerza por pie cúbico (lbf/ft3). G g= V La relación entre la densidad y el peso específico se realiza mediante la ecuación: γ=

G G$g m$g = = = ρ$g V V$g V

EjEmplo 2 Calcular el peso, la densidad y el peso específico de un depósito de aceite si tiene una masa de 825 kg y un volumen de 0,917 m3. G = m $ g = 825 $ 9, 81 = 8.093 N ρ0 =

m 825 = = 900 kg/m3 V 0, 917

γ0 =

G 8.093 = = 8.830 N/m3 V 0, 917

1.2 PreSión

y temPeratura

1.2.1 definición

volver

de PreSión

La presión (p) se define como la cantidad de fuerza (F) que se ejerce sobre una unidad de área de una sustancia, o sobre una superficie (A): p=

F A

La unidad de presión en el SI es el pascal (Pa = N/m2), equivalente, aproximadamente, a 0,1 mmca. Por tanto, se trata de una unidad muy pequeña. Por ejemplo, la presión atmosférica es 101.325 Pa (= 1 atm). Para las caídas de presión de un circuito de agua puede emplearse el kilopascal (kPa), equivalente, aproximadamente, a 0,1 mca. Para presiones más altas se usará el megapascal (MPa), que equivale a 1.000 kPa. Una unidad muy cómoda y práctica es el bar (1 bar = 100.000 N/m2 = 105 Pa = 100 kPa ≈ 1 kp/cm2). El mbar es muy empleado en la medida de la presión atmosférica (101.325 Pa = 1.013,25 mbar). En el sistema IP se usa la libra por pulgada cuadrada (lb/in2 o psi, pounds per square inch), la libra por pie cuadrado (lb/ft2 o psf) y la pulgada de mercurio (in Hg). Por ejemplo, cuando un peso de 1 kp (= 9,81 N) descansa sobre un área de 1 cm2, se ejerce una presión de 1 kp/cm2. De forma similar, cuando un peso de 100 kp (= 981 N) descansa sobre un área de 1 cm2, se ejerce una presión de 100 kp/cm2. Si ese mismo peso de 100 kp descansara sobre un área de 1 m2, la presión sería de 1.000 kp/m2 (0,1 kp/cm2).

Ejemplo 3 Un depósito de almacenamiento que contiene 9.000 kg de agua, tiene 2 m de ancho por 3 m de largo. ¿Cuál es la presión que se ejerce en el fondo del tanque?

9.000 kg de agua 3m

Esta presión se ejerce en una superficie de 2 m · 3 m = 6 m2, por tanto: p=

F 9.000 kp = = 1.500 kp/m2 = 0, 15 kp/cm2 A 6 m2

2m

En la figura siguiente se muestra la relación entre fuerza y presión. Una fuerza de 9.000 kp está distribuida sobre una superficie o área de 2 m · 3 m. La presión es la fuerza en cada una de las seis superficies de 1 m · 1 m, es decir, 1.500 kp/m2.

1.2.2 Presión

absoluta,

Presión

manométrica y

Presión

de vacío

La presión en cualquier sistema de unidades se puede expresar como presión absoluta (pabs) o como presión relativa o manométrica (pman). Esta denominación no afecta a la unidad, sino al cero de la escala. La presión absoluta se mide con relación al 0 absoluto (vacío total o 100% de vacío) y la presión relativa (efectiva) con relación a la presión atmosférica local (patm). La presión de vacío es una presión inferior a la presión atmosférica local, y se mide con el vacuómetro (mide presiones negativas). La mayoría de los manómetros miden presiones relativas con relación a la presión atmosférica local (presión barométrica). Para hallar la presión absoluta con exactitud habrá que sumar a la presión leída en el manómetro la presión atmosférica local medida exactamente con un barómetro. De aquí resulta la ecuación fundamental: pabs = pman + patm

o

pabs = patm + p vac

donde: pabs = presión absoluta (Pa); pman = presión manométrica o relativa, medida con un manómetro (Pa); patm = presión atmosférica o barométrica, medida con un barómetro (Pa); pvac = presión de vacío, medida con un vacuómetro (Pa). Muchas veces no se necesita gran precisión y entonces se suma a la lectura del manómetro (presión relativa) la atmósfera técnica, que es igual a 1 bar. De este modo se obtiene la siguiente ecuación aproximada (unidades en esta ecuación: bar): pabs = pman + 1 La ecuación fundamental puede estudiarse gráficamente en la figura siguiente: Presión que se mide p

abs

p

man

Presión atmosférica p

vac

Presión que se mide

p

atm

p

abs

Presión cero

En el sistema IP, para diferenciar la presión absoluta, manométrica y de vacío, se utiliza, respectivamente, el psia (absolute), el psig (gauge) y el psiv (vacuum).

Ejemplo 4 El manómetro conectado a la descarga de una bomba hidráulica de una planta enfriadora indica 3,2 bar. Si un barómetro nos indica que la presión atmosférica es de 940 mbar, ¿cuál será la presión absoluta del agua? Pabs = Pman + Patm = 3, 2 + 0, 94 = 4, 14 bar

Ejemplo 5 Los manómetros en las tuberías de aspiración y descarga de un compresor marcan -0,5 bar y 18 bar, respectivamente. ¿Cuál es el aumento de presión del compresor? Aumento de presión = 18 + 0, 5 = 18, 5 bar

1.2.3 Presión

hidrostática

(presión

de una columna de líquido)

En un recipiente lleno de líquido, el líquido que hay en el fondo está soportando sobre sí el peso del que tiene encima, ya que, por falta de cohesión, el líquido de los alrededores no

puede sostener por flexión ni por tensión de corte, al líquido adyacente. Supongamos una zona horizontal situada en cualquier punto del interior de un depósito con líquido (ver figura). La superficie de esta zona es A. La profundidad a que se halla es h. El volumen de líquido (prisma cilíndrico) que está aguantando esta zona valdrá:

h

V=A·h

A

El peso de este prisma cilíndrico será: G = m · g = (r · V) · g = r · A · h · g La presión p (presión hidrostática) ejercida por el líquido sobre esta zona es: p=

G A$r$g$h = = r$g$h & p = r$g$h A A

Por tanto, la presión hidrostática es la presión que se ejerce en el interior de un líquido, como consecuencia de su peso propio. Es decir, la presión hidrostática es independiente del valor de la superficie A considerada, aumentando con la profundidad h. Dicho de otra manera, todos los puntos situados en el mismo plano horizontal, tienen la misma presión.

EjEmplo 6 Un tubo vertical de 50 metros se llena con agua a través de un depósito instalado en la azotea de un edificio. Determinar la presión manométrica (en bar) que debe resistir una válvula instalada en la parte inferior del tubo.

La presión es la misma en todos los puntos del tubo 50 m p

A’ Sección A-A’ A

Válvula

La densidad del agua es de aproximadamente 1.000 kg/m3, por tanto: p = r $ g $ h = 1.000 $ 9, 8 $ 50 = 490.000 Pa = 4, 9 bar

1.2.4 PreSión

atmoSférica

El físico italiano Torricelli (1608-1647), discípulo de Galileo, fue quien determinó por primera vez experimentalmente, en 1643, el valor de la presión atmosférica. Hizo lo siguiente: a nivel del mar, llenó completamente un tubo de aproximadamente 1 m de longitud, con mercurio. Tapó con el dedo la única boca abierta del tubo, dio la vuelta a éste, e introdujo tubo y dedo en una cubeta también con mercurio. Soltó el dedo y observó que el nivel del mercurio dentro del tubo, descendía hasta quedarse a 760 mm sobre el nivel de la cubeta. En su descenso, el mercurio

había producido el vacío absoluto en la parte de tubo de arriba; por tanto en el nivel superior interior al tubo, la presión era nula (valor cero). En el nivel exterior (en la cubeta), la presión atmosférica está “sosteniendo” los 760 mm de mercurio del tubo. Vacío absoluto

Vacío absoluto

10,33 m

760 mm Presión atmosférica

Presión atmosférica

Mercurio

Agua

Torricelli concluyó que el peso del aire sobre la superficie del mercurio lograba equilibrar el peso de la columna de mercurio. De acuerdo a sus resultados, la presión ejercida por la atmósfera al nivel del mar, eleva una columna de mercurio 760 mm. Este valor es conocido como presión atmosférica normal (barométrica) a nivel del mar.

1 atm = 760 mm Hg = 760 Torr

Para conocer el valor de la presión atmosférica en pascales, se calcula la presión hidrostática de mercurio desde el plano horizontal libre de la cubeta (rm = 13.600 kg/m3): patm = r $ g $ h = 13.600 $ 9, 8 $ 0, 760 = 101.325 Pa Efectuando el experimento de Torricelli al nivel del mar, con un tubo largo y lleno de agua, se comprobaría que la columna interior al tubo, es precisamente de 10,33 metros. Efectivamente, comparando la medida de la presión atmosférica dada en metros de columna de mercurio y metros de columna de agua, tenemos: patm = rm $ g $ hm = rw $ g $ hw & hw = hm $

rm 13.600 = 0, 760 $ = 10, 33 mca rw 1.000

La conversión entre las diferentes unidades de presión es la siguiente: 1 atm = 760 mm Hg = 101.325 Pa = 10,33 mca = 1,033 kp/cm2 = 14,7 psia = 29,92 in Hg Dada la casualidad de que 1,033 kp/cm2 es tan próximo a 1 puede admitirse que 1 atm (atmósfera normal) equivale a 1 kg/cm2 (atmósfera métrica). A nivel práctico tenemos: 105 Pa ≈ 1 bar ≈ 1 atm ≈ 1 kp/cm2 ≈ 10 mca

EjEmplo 7 Un depósito de agua tiene un manómetro que indica 120 mm Hg. ¿Cuál es la presión en el depósito, en kPa, si la presión atmosférica es 101 kPa? Pabs = Pman + Patm = 120 mm hg $

101, 325 kPa + 101 kPa = 16 + 101 = 117 kPa 760 mm Hg

1.2.5 temPeratura

y calor

La temperatura describe el nivel de calor, es decir, que caliente está un cuerpo, mientras que el calor es una energía en forma de moléculas en movimiento. El punto inicial de la temperatura es, por tanto, el punto inicial del movimiento molecular. A medida que una sustancia se calienta, su movimiento molecular y, por tanto, su temperatura, se incrementa (a menos que se produzca en él un cambio de estado físico). La temperatura no mide, en forma directa, el calor de una sustancia; lo único que mide es el grado de calentamiento. La temperatura se mide con termómetros, elaborando una escala arbitraria de números con sus unidades, que representarán las temperaturas. El termómetro más común se basa en el hecho de que la mayor parte de los líquidos se expanden y se contraen cuando se eleva o se disminuye su temperatura.

1.2.6 eScalaS

termométricaS

1.2.6.1 Selección B

A

de PuntoS fijoS

Para graduar un termómetro se escogen convencionalmente dos puntos de referencia A y B que corresponden a temperaturas invariables bajo las cuales se producen siempre fenómenos físicos fáciles de reproducir y de controlar con exactitud. Si, después de haber grabado sobre el tubo de cristal los niveles alcanzados por el líquido coloreado (ver figura), dividimos la longitud AB en un cierto número de partes iguales, obtendremos lo que convencionalmente se llama escala termométrica.

Existen cuatro escalas de medición de la temperatura: • eScala fahrenheit. Físico alemán, 1684-1736, inventor del termómetro de alcohol en 1709 y del de mercurio en 1714, establecida en 1724. En esta escala termométrica, los dos fenómenos físicos que sirven para determinar los puntos fijos son los mismos que en la escala Celsius, aunque la distancia AB se divide en 180 partes iguales: el punto A corresponde a +32 ºF, y el punto B a +212 ºF. La correspondencia entre el grado Celsius y el grado Fahrenheit se establece como sigue: AB AB 1 ºC = 1 ºF = 100 180 Por lo tanto, 1 ºC = 1,8 ºF, y recíprocamente, 1º F = (5/9) ºC = 0,555 ºC . Las fórmulas que permiten la conversión de la temperatura de una escala a la otra son las siguientes: TC =

TF - 32 5 = $ ^ TF - 32h 9 1, 8

TF = 1, 8 $ TC + 32 =

9 $ T + 32 5 C

• eScala celSiuS. Astrónomo sueco, 1701-1744, establecida en 1742. Si damos al punto A el valor 0 (temperatura de fusión del hielo de agua pura) y al punto B el valor 100 (temperatura de vaporización del vapor de agua pura), y seguidamente dividimos la distancia AB en cien partes iguales, habremos realizado una escala termométrica centesimal, o escala Celsius. La centésima parte de la distancia AB representa entonces la unidad de elevación de temperatura de la escala, o sea, el grado Celsius (1 ºC).

EjEmplo 8 Convertir una temperatura ambiente de 75 ºF a ºC, y una temperatura ambiente de 25 ºC a ºF. TF - 32 75 - 32 = = 23,9 ºC 1, 8 1, 8

1,8 $ TC + 32 = 1, 8 $ 25 + 32 = 77 ºF

• eScala Kelvin. Físico y matemático británico, 1824-1907, establecida en 1848. En el SI la escala de temperatura utilizada es la de Kelvin. Su cero corresponde a un estado en el que la energía cinética de las moléculas de los cuerpos es igual a cero (reposo absoluto). Teóricamente, el movimiento molecular se detiene a 0 K (-273,15 ºC). El punto de fusión del hielo se considera a 273,15 K y el de ebullición del agua a 373,15 K. Usando técnicas de refrigeración no convencionales (la desimantación adiabática electrónica y nuclear) los científicos se han aproximado al cero absoluto (0,000000002 K) en 1989. Se define la escala Kelvin para medir temperaturas en la escala centígrada absoluta, según la siguiente relación: TK = TC + 273,15 • eScala ranKine. Físico e ingeniero escocés, 1820-1872, establecida en 1859. Escala absoluta definida a partir de la escala Fahrenheit. TR = TF + 459,69 CELSIUS

KELVIN

212 ºF

100 ºC

373,15 K

98,6 ºF

37 ºC

310,15 K

77 ºF

25 ºC

298,15 K

Congelación del agua pura

32 ºF

0 ºC

273,15 K

Coincidencia de escalas

-40 ºF

FAHRENHEIT Ebullición del agua pura al nivel del mar Temperatura corporal

0 ºF

Detección del movimiento molecular

1.3 energía

y Potencia

-459 ºF

-17,8 ºC

255,35 K

-40 ºC

233,15 K

-273,15 ºC

0K

volver

1.3.1 energía

!

DEfinición

energía: capacidad que tiene un sistema para producir efectos físicos (trabajo mecánico, generar calor, emitir luz, etc.) externos a ese sistema.

Cuando decimos que un sistema posee una determinada cantidad de energía, estamos hablando acerca de su potencialidad teórica para producir trabajo, lo cual no quiere decir que dicho trabajo llegue efectivamente a realizarse, ni que se realice de una forma útil para nosotros. Se trata de un trabajo posible. La energía de un sistema establece, pues, un límite máximo al trabajo que se podría obtener del mismo sin la intervención de ninguna otra energía exterior, pero no garantiza la obtención práctica de ese trabajo.

La energía puede existir de varias formas. Estas formas de energía pueden agruparse en energía almacenada (energía estática) y energía en transferencia (energía dinámica). Las energías que se almacenan son propiedades del sistema donde residen. Las energías que se transmiten (o fluyen) no son propiedades del sistema, sino que se ponen de manifiesto cuando tiene lugar un proceso. La figura siguiente es un diagrama que muestra algunos tipos de energía almacenada y energía de transferencia.

! los

Energía

Energía en

almacenada

transferencia

Energía almacenada cuErPos no PosEEn cAlor ni

trAbAjo.

tAn

solo tiEnEn EnErgíA,

Entalpía Energía química Energía potencial Energía cinética Otras formas de energía

y, Al trAnsFormArsE o trAnsFErirsE éstA, Es cuAndo APArEcEn, como un EstAdo dE tránsito, El cAlor y El trAbAjo.

1.3.2 energía

Calor (Q)

en el sistema:

Trabajo (W)

A otro sistema

utilizada como trabajo

Se define el trabajo W como el producto de la fuerza aplicada F por la distancia d que recorre esa fuerza en su misma dirección: W = F · d m

F

d

De esta definición se desprende que la unidad de energía en el SI es el newton · metro (N · m), que se define como un joule (1 J = 1 N · m). En el sistema IP, la unidad de energía es el pie · libra (ft · lbf) o también la Unidad Térmica Británica (BTU).

EjEmplo 9 Un roof-top de 1.500 kg es levantado desde el suelo hasta el techo de un edificio de 30 m. Despreciando la fricción y otras pérdidas, calcular el trabajo efectuado. Se trata de un trabajo donde interviene la fuerza de la gravedad; por tanto: F = G = m · g, y el desplazamiento equivale a la altura: d = h W = F $ d = G $ d = m $ g $ h = 1.500 $ 9, 8 $ 30 = 14.700 $ 30 = 441.000 J

1.3.3 energía

!

contenida en el calor

DEfinición

calor: forma de energía que se transmite de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura.

El calor es una forma de energía de transferencia. La dirección de esta transferencia de energía siempre es hacia la zona de menor temperatura. Esta transferencia de energía continuará hasta que se alcance el equilibrio térmico. En las figuras siguientes se describe de forma gráfica la definición de calor. Aire del recinto (24 ºC) Calor (Q) Calefacción (80 ºC)

Calor (Q) Evaporador (-20 ºC) Aire de la cámara (-10 ºC)

El frío es un término comparativo en relación con la ausencia de calor. Se utiliza para describir niveles inferiores de temperatura. Cuando una persona dice que hace frío fuera, está diciendo que hace frío en relación con la temperatura en el interior.

El calor se identifica con el símbolo Q, y el calor por unidad de masa, con q. En el antiguo sistema métrico de unidades se usaba el término caloría (cal) para describir al calor. La caloría se define como la cantidad de calor necesaria para elevar 1 ºC la temperatura de 1 g de agua desde 14,5 ºC a 15,5 ºC. Se elige ese rango de temperatura, porque la cantidad de calor requerida depende levemente de la temperatura; se requiere más calor para elevar la temperatura del agua fría que la del agua a punto de hervir. 15,5 ºC

14,5 ºC

1 gramo de agua

Agua a 14,5 ºC + 1 cal = Agua a 15,5 ºC

La unidad calor del SI es el joule (J). Como 1 joule es una unidad muy pequeña se suele expresar en kilojoule (kJ).

Aunque en Estados Unidos se emplea oficialmente el SI, todavía se recurre con frecuencia a la Unidad Térmica Británica o BTU (British termal unit), definida como la cantidad de calor necesaria para elevar 1 ºF la temperatura de 1 lb de agua de 63 a 64 ºF.

!

rElAción

EntrE lA cAloríA y sus múltiPlos con El joulE:

1 cal (caloría) = 4,1855 J 1 kcal (kilocaloría) = 1.000 cal = 4.185,5 J 1 termia (megacaloría) = 1.000.000 cal = 4.185.500 J

!

AlgunAs

EquivAlEnciAs EntrE diFErEntEs unidAdEs:

1 BTU = 0,252 kcal = 1,055 kJ 1 kcal= 3,968 BTU = 4,185 J 1 kJ = 0,239 kcal = 0,948 BTU

1.3.4 Potencia

! En

muchAs

ocAsionEs

tAn

imPortAntE como sAbEr lA cAntidAd dE EnErgíA dAdA o quitAdA A un sistEmA con

lA

Es

conocEr

quE

trAnsFEridA.

EstA

lA

raPidez

EnErgíA

Es

Dos máquinas distintas pueden llegar a efectuar el mismo trabajo, pero puede ser que una de ellas lo haga más rápido; por tanto con la noción de trabajo no las podemos comparar. Si deseamos comparar estas dos máquinas, tenemos que medir el trabajo que realiza cada una en el mismo lapso de tiempo. De esta comparación de los trabajos efectuados proviene la noción de potencia de una máquina. Aunque se requiere la misma cantidad de trabajo para levantar 10 kg a una altura de 10 m en 30 s que para hacerlo en 60 s, hace falta el doble de potencia para hacer la misma tarea en la mitad de tiempo.

En las aplicaciones térmicas lo que interesa es la rapidez con que se extrae o se entrega calor en un sistema, por lo que se trabaja en términos de potencia calorífica.

1.3.4.1 Potencia

mecánica

La potencia (P) mide la rapidez con que se realiza un determinado trabajo, y es el resultado de dividir dicho trabajo (W) por el tiempo empleado para realizarlo (t): o =W P=W t La potencia en el SI se mide en J/s, unidad que recibe el nombre de watt (W), que se define como la potencia de una máquina que es capaz de realizar un trabajo de 1 joule en 1 segundo (1 W = 1 J/s). Se utiliza mucho también el kilowatt (1 kW = 1.000 W). Las necesidades de la industria llevan a los mecánicos a emplear todavía la antigua unidad de potencia derivada del kilogramo-fuerza, denominada caballo de vapor (CV). Esta unidad se creó para corresponder a la unidad americana de potencia, el horse-power (HP). James Watt definió el caballo EquivAlEnciAs EntrE cv y hP: de fuerza (1 HP = 550 ft · lb/s) como la producción de potencia promedio de un caballo en un día 1 CV = 75 kg · m/s =735,5 W completo de trabajo. El caballo de vapor (CV) tiene 1 HP = 76,05 kg · m/s =745,7 W un valor efectivo de 75 kilográmetros por segundo 1 HP = 1,0139 CV y el horse-power (HP) de 76,05 kg · m/s.

!

Se puede definir una nueva unidad de energía en términos de la unidad de potencia, llamada kilowatt-hora. Un kilowatt-hora (kWh) es la energía utilizada durante una hora con una potencia constante de 1 kW. El valor de un kWh es: 1 kWh = 1.000 W · 3.600 s = 3,6 · 106 J

EjEmplo 10 Si el roof-top del ejemplo 9, se erige con una grúa durante 20 segundos, ¿cuál es la potencia mínima necesaria? P=

W 441.000 J = = 22.050 W t 20 s

1.3.4.2 Potencia

térmica

(calorífica

y frigorífica)

La rapidez con que el calor pasa de cuerpos calientes a fríos se llama velocidad de transferencia de calor, y se define como el calor por unidad de tiempo: Q Qo = t Las unidades de potencia térmica son calor por unidad de tiempo kJ/s (kW) o Btu/h. También se utiliza la kilocaloría/hora (kcal/h) o frigoría. La frigoría no es una unidad reconocida, sino un término que sustituye a la kcal/h para dar a entender que se está trabajando con sistemas donde se pretende reducir la temperatura.

!

DEfinición

Potencia frigorífica: (de un compresor o de un grupo frigorífico) es la cantidad de frío producido (o calor absorbido) que funciona en determinadas condiciones.

!

AlgunAs

EquivAlEnciAs útilEs:

1 kW = 1.000 W = 860 kcal/h 1 kW = 3.413 BTU/h

EjEmplo 11 Un compresor frigorífico tiene una capacidad de 25 kW. Averiguar la capacidad de dicho compresor en unidades de kcal/h (1 kW = 860 kcal/h). ^25 kWh $ ^860 kcal/h/kWh = 21.500 kcal/h

1.3.5 rendimiento

o

eficiencia

energética

Las máquinas no pueden transformar íntegramente la energía que reciben en trabajo útil, ya que una parte de la energía es absorbida por la misma máquina durante el proceso de transformación. Hay que distinguir entre potencia consumida y potencia útil (o producida), que siempre es algo menor. El rendimiento (h) indica la relación entre la potencia útil y la potencia consumida. La diferencia (potencia perdida) entre la potencia útil y la potencia consumida es normalmente disipada en forma de energía térmica (calor). h=

producción potencia útil = consumo potencia consumida

Si llamamos Pu a la potencia útil, Pc a la potencia consumida, y Pp a la potencia perdida, entonces

el rendimiento es la relación que existe entre ellos y se determina: h=

Pp Pu = 1Pc Pc

Pu = Pc - Pp

EjEmplo 12 Calcular la energía consumida durante 8 horas de un motor que suministra una potencia de 5 CV (3.680 W) con un rendimiento del 75%. h=

Pu P 3.680 & Pc = u = = 4.907 W Pc h 0, 75

Ec = Pc $ t = 4.907 W $ 8 h = 39.253 Wh = 39, 25 kWh

EjEmplo 13 Calcular el coste de refrigeración de una habitación de 20 m2 durante 8 horas que requiere un aporte frigorífico de 150 W/m2. El precio del kWh es de 0,13 €. Eu = 0, 150

kW m2

$ 8 h $ 20 m2 = 24 kWh

cos te = ^0, 13 */kWhh $ ^24 kWhh = 3, 12 *

1.4 conServación 1.4.1 conServación

de la energía

volver

de la maSa

Si tenemos un sistema abierto como el de la figura siguiente, de modo que la masa pueda entrar o salir de él, el principio de conservación de masa se describe:

ment - msal = Dmsistema

masa que entra al sistema (ment)

sistema con una masa que puede

masa que sale del sistema (msal)

estar cambiando (∆msistema)

donde: ment = masa que entra al sistema; msal = masa que sale del sistema; Dmsistema = incremento de masa (positivo si el sistema gana masa, y negativo si pierde masa). Considerando un periodo de tiempo t, es posible dividir los términos de la ecuación anterior, para llegar a una nueva forma de balance de masa: ment msal Dmsistema = t t t A esta relación entre la masa y el tiempo, se denomina caudal másico, representándose con un punto sobre el término, quedando la ecuación de la siguiente forma: o o o m m m ent sal = sistema El caudal másico se suele calcular con la ecuación: o = m

m r$V r $ ^d $ Ah = = = r $ v $ A (kg/s, lbm/s) t t t

donde A es el área transversal a través de la cual se mueve la masa, con velocidad v. A veces interesa realizar el cálculo con el volumen en lugar de la masa. El caudal volumétrico se define como el volumen de material que cruza un área por unidad de tiempo: V Vo = = v $ A (m3/s) t Si dicho volumen se desplaza a través de una superficie circular (tubería), debido a que el área π $ D2 de un círculo es A = , la ecuación anterior resulta: 4 π $ D2 $ v V Vo = = v$A = t 4 Cuando la masa fluye por un sistema, con frecuencia el sistema mismo no pierde ni gana masa. o = 0, Esto indica que, como m sistema o o o o m m 0&m m ent sal = ent = sal que indica que toda la masa que entra al sistema debe ser exactamente igual a la masa que sale del sistema. A esta condición se le llama flujo estacionario o estado estacionario, y se encuentra con frecuencia en aplicaciones de ingeniería (refrigerador).

1.4.2 conServación

de la energía

Siempre que un sistema incremente su energía, aparece en otro sistema la correspondiente disminución de la misma, es decir, se establece una conservación de la energía. La primera ley de la termodinámica fue enunciada por el médico y físico alemán J. R. Mayer (1814-1878) en 1842.

! 1ª “lA

lEy dE lA tErmodinámicA EnErgíA

no

sE

crEA

ni

sE

dEstruyE, solo sE PuEdE convErtir En sus divErsAs FormAs”.

Este principio se usa en el campo de la refrigeración y climatización, enunciado como un equilibrio de la energía: “El cambio de energía total de un sistema es igual a la energía agregada al sistema menos la energía eliminada del mismo”. La ecuación de la energía (primera ley de la termodinámica) se expresa: Eent - Esal = DEsistema donde: DEsistema = variación en la energía almacenada en el sistema; Eent = energía que se agrega

o entra al sistema; Esal = energía que se elimina o sale del sistema.

Un cambio positivo de energía del sistema implica una acumulación de energía en él, y un valor negativo implica pérdida de energía del sistema. En términos de potencias, tenemos que: Eo ent - Eo sal = DEo sistema De acuerdo con las definiciones de calor y trabajo, que son precisamente los términos de energía que se examinan, se indica la convención de signos (arbitraria), que se observa en la figura.

W (+)

Q (+) Sistema W (−)

Q (−)

Si se representa el calor con Q y el trabajo con W, obtendremos la siguiente expresión, a partir de la ecuación de la energía anterior: Q - W = DEsistema

EjEmplo 14 Una bomba de calor suministra 5.000 W de potencia calorífica. Por otra parte, debido a las pérdidas por transmisión en paredes, salen 5.500 W de la habitación al exterior. Realizar un balance de potencia para averiguar lo que sucederá en el recinto.

Qsal = 5.500 W Qent = 5.000 W

Aplicando la ecuación de la energía (en términos de potencia): DEo sistema = Eo ent - Eo sal = Qo ent - Qo sal = 5.000 - 5.500 = - 500 W El signo negativo indica que la energía en el recinto disminuye. Esta pérdida de calor ocasionará que la temperatura del aire en el recinto baje. Para solucionar el problema, sin cambiar todo el equipo, se puede instalar una resistencia de apoyo que aporte los 500 W.

1.4.3 entalPía Un cuerpo puede tener energía almacenada en forma de energía cinética (debido a su velocidad), energía potencial (debido a su elevación), energía interna (debido a su temperatura), energía de presión (por ejemplo, cuando una caldera explota).

!

DEfinición

entalPía (h): energía almacenada en forma de temperatura y presión.

H = U + p · V (kJ) h = u + p · v (kJ/kg) La entalpía total (H) o entalpía específica (h) solo es una combinación matemática que puede o no tener significado físico en un determinado problema.

1.4.4 forma

aProximada de la Primera ley de la termodinámica

Cuando el fluido de trabajo es un gas o un vapor, la ecuación simplificada de la primera ley de la termodinámica, desde un proceso 1 hasta un proceso 2, es: o =m o $ ^h - h h Qo - W 2 1 Esta forma de ecuación es útil para el análisis de la operación en estado estacionario de compresores, condensadores, evaporadores, intercambiadores, etc.

EjEmplo 15 En un compresor de una instalación de refrigeración que opera en estado estacionario entra un caudal volumétrico de 0,00845 m3/s de refrigerante R-134a en unas condiciones de: p1 = 2,343 bar (Te = - 6 ºC) y T1 = 0 ºC (h1 = 400,11 kJ/kg). A la salida del compresor las condiciones son de: p2 = 13,854 bar (Tc = 52 ºC) y T2 = 80 ºC (h2 = 465,99 kJ/kg). El caudal másico de refrigerante es de 0,0956 kg/s. Despreciando la transferencia de calor del compresor al ambiente (Q ≈ 0), calcular la potencia del compresor: o o $ ^h - h h Qo - W =m comp 2 1 o o $ ^h - h h = 0, 0956 $ ^400, 11 - 465, 99h = - 6, 30 kW W =m comp 1 2

1.5 cambioS 1.5.1 eStadoS

de eStado. calor SenSible y latente

volver

de la materia

Las sustancias pueden existir en tres estados diferentes (a los que también se les llama fases): sólido, líquido y gaseoso (vapor). Según las condiciones externas de presión y temperatura, un mismo cuerpo puede existir en cualquiera de ellos.

Sólidos

Tienen forma propia y, algunos, regular. Los átomos están muy juntos y ordenados guardando sus posiciones. Prácticamente no se comprimen (volumen constante). Densidad bastante próxima a la de los líquidos. No fluyen.

Líquidos

Adoptan la forma del recipiente que los contiene. Los átomos pueden moverse de un punto a otro, pero están unidos. Se comprimen con dificultad (volumen prácticamente constante). Densidad mayor que los gases. Pueden fluir.

Gaseosos

No tienen forma propia, llenando el volumen del recipiente. Los átomos tienen un movimiento totalmente desordenado. Se comprimen con facilidad. Densidad muy baja comparada con la de los líquidos y sólidos. Pueden fluir.

Las sustancias cambian de estado al cambiar su temperatura y/o su presión. Los nombres de los diferentes cambios de estado son los siguientes: Sublimación

Fusión

Vaporización

Solidificación

Condensación

SÓLIDO

LÍQUIDO

GAS

El sistema absorbe calor El sistema cede calor

!

Estos cambios tienen siempre lugar absorbiendo o cediendo calor (calentándolo o enfriándolo, respectivamente).

DEfinición

cambio de eStado de loS cuerPoS: tránsito de un estado físico (sólido, líquido, gaseoso) a otro.

Sólido

1.5.2 calor

Líquido

La industria de la refrigeración utiliza todos estos fenómenos relacionados con los cambios de estado, bajo las formas y aplicaciones que se enumeran en la tabla siguiente: Gaseoso

Fenómeno físico

Uso industrial

Fusión

Neveras de hielo

Solidificación

Fábricas de hielo

Vaporización Condensación

Máquinas frigoríficas de compresión

Sublimación

Desecación al vacío (liofilización)

SenSible y calor latente

Cuando el calor agregado a una sustancia (o eliminado de una sustancia) provoca un cambio de temperatura, el cambio de entalpía en la sustancia se llama calor sensible. Qs = m $ Dhs = m $ cp $ DT Cuando el calor agregado a una sustancia (o eliminado de una sustancia) provoca un cambio de estado, el cambio de entalpía en la sustancia se le llama calor latente. Aunque se añada calor a la sustancia, ésta no experimenta ningún incremento de temperatura. Ql = m $ Dhl En ambas expresiones: Q = calor agregado o eliminado de la sustancia; m = masa de la sustancia (kg); Dh = variación de entalpía por unidad de masa (kJ/kg); cp = calor específico de la sustancia (kJ/kg · K); DT = variación de temperatura (K).

El calor entregado al final del proceso que se está analizando se llama calor total, que será la suma del calor sensible y del calor latente. Qt = Qs + Ql = m $ Dhtotal

1.5.3 calor

eSPecífico.

ecuación

del calor SenSible

El calor específico (cp) de una sustancia es la cantidad de calor (Q) que hace falta suministrar a la unidad de masa (1 kg) de dicha sustancia para elevar su temperatura 1 K: cp =

Q (kJ/kg · K) m $ ^ T2 - T1h

La cantidad de calor (Q) agregado (o eliminado) a una masa m de una sustancia para elevar (o disminuir) su temperatura desde T1 a T2 (o desde T2 a T1), viene dada por: Q = m $ cp $ ^ T2 - T1h = m $ cp $ DT Esta relación se denomina ecuación del calor sensible. La cantidad de energía en forma de calor que se requiere para cambiar la temperatura de una masa dada de materia, no es la misma para todos los materiales. Por ejemplo, el calor necesario para elevar la temperatura en 1 ºC de 1 kg de agua es 4,1855 kJ, pero el calor necesario para elevar la temperatura en 1 ºC de 1 kg de aire es solo 1,004 kJ (a 25 ºC).

EjEmplo 16 Una planta enfriadora (chiller) enfría agua desde 12 a 7 ºC. El caudal que circula es de 0,3 m3/s de agua. Calcular la capacidad en kW. Eliminación de calor, Q

Chiller

7 ºC

0,3 m3/s

La capacidad es la cantidad de calor que elimina el agua. Con la ecuación del calor sensible:

12 ºC

Q = m $ cpw $ ^ T2 - T1h = Vo $ rw $ cpw $ ^ T2 - T1h = 0, 3 $ 1.000 $ 4, 18 $ ^12 - 7h = 6.270 kW

EjEmplo 17 Una instalación de acondicionamiento de aire por conductos utiliza una resistencia eléctrica durante el invierno que tiene una potencia de 3 kW. El instalador desea averiguar el caudal de aire que pasa por el conducto y se le ha olvidado el anemómetro. Mide las temperaturas antes y después de la resistencia eléctrica resultando ser de 22 ºC y 37 ºC respectivamente. ¿Cuánto caudal de aire está pasando? Resistencia eléctrica de 3 kW

22 ºC

37 ºC

El calor específico del aire es 1,004 kJ/kg · K. Considerando una densidad de 1,2 kg/m3: Qo 3 Vo = = = rw $ cpa $ ^ T2 - T1h 1, 2 $ 1, 004 $ 15 = 0, 166 m3 /s = 597, 6 m3 /h

1.5.4 fuSión

y Solidificación

La fusión y la solidificación (congelación, en el caso del agua) son procesos contrarios en el cambio de estado sólido ↔ líquido. Se producen a una temperatura determinada para cada sustancia y su valor varía muy poco con la presión.

1.5.4.1 calor

latente de fuSión:

Dhsf

Se llama calor latente de fusión Dhsf a la cantidad de calor que hace falta suministrar, a la

temperatura constante de fusión, para que 1 kg de sustancia en estado sólido se transforme en líquido. A la inversa, se llama calor latente de solidificación Dhfs a la cantidad de calor que es necesario extraer, a la temperatura constante de solidificación, para que 1 kg de sustancia en estado líquido se transforme en sólido. El cambio de fase ocurre en cualquier dirección a la temperatura de fusión (sólido a líquido y líquido sólido). Por tanto, la cantidad de energía necesaria para producir el cambio será la misma en cualquiera de los dos casos y se obtiene a partir de la siguiente ecuación: Qfus = m $ ^hf - hsh = m $ Dhsf

siendo: Qfus = cantidad de calor (kJ); m = masa (kg); Dhsf = calor latente de fusión (kJ/kg). La fusión de una masa de hielo de 1 kg exige la aportación de 335 kJ a 0 ºC. Para su solidificación a 0 ºC la masa de agua obtenida nos restituirá de otra parte de 335 kJ. Por tanto, el calor latente de fusión (o solidificación) del agua es de 335 kJ/kg (144 BTU/lb).

1.5.5 vaPorización

La vaporización y la condensación son procesos contrarios en el cambio de estado líquido ↔ vapor. Se producen a una temperatura determinada para cada sustancia y su valor varía considerablemente con la presión.

1.5.5.1 eStadoS

!

y condenSación

Estos

dos

muy

imPortAntEs

dE

lA

ProcEsos En

El

rEFrigErAción

son cAmPo y

El

AcondicionAmiEnto dE AirE.

Saturado, Subenfriado y Sobrecalentado

• eStado Saturado, temPeratura y PreSión de Saturación. A las condiciones de presión y temperatura a las cuales hierve un determinado líquido se les llama estado saturado, y al punto de ebullición se le conoce como temperatura de saturación y presión de saturación. A un líquido a la temperatura de saturación se le llama líquido saturado y a un vapor a la temperatura de saturación se le llama vapor saturado. • líquido Subenfriado. Un líquido a cualquier temperatura por debajo de su temperatura de saturación correspondiente es un líquido subenfriado. Dicho de otra forma, si después de la condensación, el líquido resultante es enfriado de tal manera que su temperatura esté por debajo de la temperatura de saturación, se dice que el líquido está subenfriado. • vaPor Sobrecalentado (vaPor Seco). Un vapor a cualquier temperatura por encima de su temperatura de saturación correspondiente es un vapor sobrecalentado. Una vez que un líquido haya sido vaporizado, la temperatura del vapor resultante podrá ser incrementada mediante la adición de energía. La energía suministrada para sobrecalentar el vapor se conoce como sobrecalentamiento.

1.5.5.2 eStudio

!

del fenómeno de vaPorización y condenSación

DEfinición

vaPorización de una SuStancia: cuando ésta cambia de estado líquido a estado vapor o gaseoso.

Para comprender mejor el significado de vaporización, realicemos un experimento en el que se muestra el cambio de estado del agua a la presión atmosférica.

1,013 bar

1,013 bar

Agua

1,013 bar

20 ºC

Agua 65 ºC

Agua 100 ºC

(a) Líquido subenfriado

(b) Líquido subenfriado

(c) Líquido saturado

1,013 bar

1,013 bar

Q

1,013 bar

Vapor 100 ºC

Q

Vapor

Vapor

100 ºC

120 ºC

Agua 100 ºC Q

Q

(d) Mezcla de líquido y

(e) Vapor saturado

Q (f) Vapor sobrecalentado

vapor saturados

La figura (a) muestra un recipiente de agua a temperatura ambiente. El recipiente está abierto y se encuentra al nivel del mar, por tanto, el agua está sujeta a una presión atmosférica de 1,013 bar. A medida que se agrega calor (Q) al agua (b), su temperatura aumenta de forma continuada. Llega un momento (a 100 ºC) en que la temperatura deja de subir (c), aunque sigue agregándose más calor. A partir de este momento, el agua líquida se transforma gradualmente en vapor de agua (d) y la temperatura sigue sin aumentar. A este proceso se le llama vaporización o ebullición. Llega un momento (e) en el que toda el agua se ha vaporizado, manteniéndose todavía a 100 ºC. Si a partir de este momento, se agrega más calor (f), la temperatura del vapor de agua comienza a aumentar de nuevo. Esta serie de procesos descritos para la vaporización pueden llevarse a cabo en orden inverso. Si eliminamos calor del vapor (f) disminuye su temperatura. Si seguimos enfriando (e), la temperatura deja de descender, y el vapor de agua se transforma en agua líquida (d). A este proceso se le llama condensación o licuefacción. Cuando todo el vapor se ha condensado (c), la disminución de calor provoca un descenso en la temperatura del líquido.

!

lA

vaPorización dE un líquido sE logrA dE diFErEntEs modos:

• Aportando calor al líquido. • Disminuyendo la presión del líquido. • Combinando estos dos métodos. lA

condenSación dE un vAPor sE logrA dE diFErEntEs modos:

• Extrayendo calor del vapor. • Aumentando la presión del vapor. • Combinando estos dos métodos.

1.5.5.3 calor

latente de vaPorización:

Dhfg

El calor latente de vaporización es la cantidad de calor necesaria para que, a la temperatura de ebullición, 1 kg de una sustancia en estado líquido pase a vapor. De forma recíproca, toda condensación de vapor va acompañada de un desprendimiento de calor y el calor latente de condensación es igual al calor latente de vaporización. La cantidad de energía necesaria para vaporizar (o condensar) una masa dada de un fluido a la temperatura de saturación, puede calcularse a partir de la siguiente relación: Qe = m $ ^hg - hf h = m $ Dhfg siendo: Qe = calor agregado o eliminado (kJ); m = masa (kg); hf = entalpía del líquido saturado; hg = entalpía del vapor saturado; Dhfg = calor latente de vaporización (kJ/kg). El calor latente de vaporización, al igual que la temperatura de saturación, varía en forma significante de acuerdo a la presión del fluido: al aumentar la presión aumenta la temperatura de saturación del fluido y se disminuye el calor latente de vaporización.

1.5.5.4 calor

latente de vaPorización del agua

En la figura siguiente se representa el diagrama temperatura-entalpía para el agua. La línea muestra un cambio en la temperatura del agua líquida cuando se agrega calor entre 0 ºC (32 ºF) y 100 ºC (212 ºF), pero indica que no hay cambio de temperatura al agregar más calor hasta que todo el líquido se vaporiza. Al agregar más calor, la temperatura aumenta de nuevo. (La figura muestra también el cambio entre el estado sólido y el líquido). T 100 ºC

p = 1,013 bar

Evaporación o

p = 14,7 psia

condensación

Vapor sobrecalentado

212 ºF Líquido saturado

Vapor saturado

Líquido

Fusión o Sólido 0 ºC 32 ºF

-40 ºC -40 ºF

congelación

(hielo) Calor latente de fusión

Calor sensible del agua líquida

Calor latente de vaporización

144 Btu/lbm 80 kcal/kg 335 kJ/kg

180 Btu/lbm 100 kcal/kg 418 kJ/kg

970 Btu/lbm 539 kcal/kg 2.256 kJ/kg

Calor sensible del vapor

Entalpía específica

EjEmplo 18

1/2

Se desea convertir 10 kg de agua líquida, a una temperatura de 20 ºC, a vapor de agua, a 120 ºC. Calcular el calor necesario, en kJ. Cantidad de calor sensible hasta la temperatura de vaporización del agua: Qliq = m $ cpw $ ^ Tvap - Tliqh = 10 $ 4, 185 $ ^100 - 20h = 3.348 kJ Cantidad de calor latente de vaporización: Qe = m $ Dh fg = 10 $ 2.256 = 22.560 kJ

EjEmplo 18

2/2

Cantidad de calor sensible del vapor de agua: Qrec = m $ cpv $ ^ Trec - Tvaph = 10 $ 1, 884 $ ^120 - 100h = 376, 8 kJ Cantidad de calor total: Q total = 3.348 + 22.560 + 376, 4 = 26.284,8 kJ

1.5.5.5 efecto

de la PreSión Sobre la temPeratura de Saturación

En el experimento anterior, la presión atmosférica era de 1,013 bar. Ahora llevaremos a cabo el mismo experimento pero esta vez con una presión más elevada, de 1,7 bar. 1,7 bar

1,7 bar

Agua

1,7 bar

20 ºC

Agua 65 ºC

100 ºC

(a) Líquido subenfriado

(b) Líquido subenfriado

(c) Líquido subenfriado

Q

1,7 bar

Agua

Q

1,7 bar

1,7 bar

Vapor 115 ºC

Vapor 140 ºC

Q

Q

(d) Líquido saturado

(e) Vapor saturado

(f) Vapor sobrecalentado

Agua 115 ºC

Q

Cuando el agua alcanza los 100 ºC (c) y se agrega más calor, ésta no hierve como en el caso anterior, pero la temperatura continúa aumentando. Sin embargo, cuando la temperatura alcanza los 115 ºC, comienza el proceso de vaporización y la temperatura permanece constante hasta que el líquido se evapora por completo. Esto demuestra que la temperatura a la cual hierve el agua cambia con la presión. Cuanto mayor es la presión sobre una sustancia, mayor es la 100 kPa + presión 100 kPa temperatura de vaporización, y viceversa. atmosférica = 200 kPa

120 ºC

Un ejemplo práctico es cuando se cocina comida dentro de un recipiente cerrado que pueda presurizarse (olla a presión). Dejando que la presión suba 1 bar por encima de la presión atmosférica (2 bar o 200 kPa), puede elevarse el punto de ebullición a 120 ºC.

Si queremos que una sustancia entre en ebullición a baja temperatura se debe reducir su presión hasta que coincida con la temperatura a la cual se está en el punto de líquido saturado. Por ejemplo, en un lugar a 2.240 m por encima del nivel del mar, la presión atmosférica es de unos 0,70 bar o 525 mm Hg. A esa presión, el agua se vaporiza a unos 90 ºC. Disminuyendo la presión hasta 6 mm Hg (0,8 kPa), el agua se vaporizará a 4 ºC. En la tabla siguiente se da la relación presión/temperatura, que relaciona la presión de saturación y la temperatura de saturación del agua. Temperatura del agua

Presión absoluta

ºF

ºC

kPa

in Hg

mm Hg

10

-12,2

0,21

0,063

1,6

20

-6,7

0,34

0,103

2,6

30

-1,1

0,56

0,165

4,2

32

0

0,61

0,180

4,6

34

1,1

0,66

0,195

5,0

38

3,3

0,77

0,229

5,8

40

4,4

0,84

0,248

6,3

42

5,6

0,90

0,268

6,8

44

6,7

0,98

0,289

7,3

46

7,8

1,05

0,312

7,9

48

8,9

1,14

0,336

8,5

50

10,0

1,23

0,362

9,2

60

15,6

1,76

0,522

13,3

70

21,1

2,50

0,739

18,8

80

26,7

3,49

1,032

26,2

90

32,2

4,81

1,422

36,1

100

37,8

6,55

1,933

49,1

110

43,3

8,79

2,597

66,0

120

48,9

11,67

3,448

87,6

130

54,4

15,32

4,527

115,0

140

60,0

19,91

5,881

149,4

150

65,6

25,62

7,573

192,4

160

71,1

32,67

9,656

245,3

170

76,7

41,30

12,203

310,0

180

82,2

51,76

15,295

388,5

190

87,8

64,35

19,017

483,0

200

93,3

79,42

23,468

596,1

210

98,9

97,31

28,754

730,4

212

100

101,26

29,921

760

1.5.6 refrigeración 1.5.6.1 ProceSo

!

y efecto refrigerante

de refrigeración

DEfinición

refrigeración: proceso de extraer calor de un lugar donde no se desea que exista (lugar de menor temperatura) y transferir dicho calor a un lugar donde su existencia no tiene importancia (lugar con una temperatura mayor), consumiendo una cierta energía.

En cualquier proceso de refrigeración, la sustancia empleada como absorbente de calor se llama refrigerante. El refrigerante es una sustancia que hierve a baja temperatura con respecto a la presión que se puede alcanzar, absorbiendo calor de los alrededores. Los procesos de refrigeración pueden ser: • SenSibleS. La temperatura del refrigerante varía al absorber calor. • latente (cambio de eStado). La temperatura refrigerante permanece constante al absorber calor.

del

En los dos procesos, la temperatura del refrigerante es menor que la del espacio a refrigerar.

1.5.6.2 efecto

!

refrigerante y caPacidad del SiStema de refrigeración

DEfinición

efecto refrigerante: cantidad de calor que cada unidad de masa de refrigerante absorbe del espacio refrigerado.

Un ejemplo del efecto refrigerante es cuando se derrite 1 lb (1 kg) de hielo, éste absorberá del aire de los alrededores y de los objetos adyacentes una cantidad de calor igual a su calor latente de fusión. Si el hielo se funde a 32 ºF (0 ºC), absorberá 144 BTU/lb (335 kJ/kg), por tanto, el efecto refrigerante de 1 lb (1 kg) de hielo es 144 BTU/lb (335 kJ/kg).

La capacidad de cualquier sistema de refrigeración es la velocidad a la cual se puede efectuar la eliminación de calor del espacio refrigerado. Tradicionalmente, la capacidad se ha expresado en BTU/h o en términos de su equivalente fusión-hielo. El hielo se ha empleado como medio de enfriamiento hasta el desarrollo de la refrigeración mecánica, por lo que la capacidad de enfriamiento de los refrigeradores mecánicos se compararon con el equivalente fusión-hielo. Un sistema de refrigeración de 1 tonelada de refrigeración (1 ton) tiene una capacidad equivalente a la fusión de 1 tonelada de hielo en un periodo de 24 h. Aire caliente

Aire frío

1 tonelada americana equivale a 2.000 lb.

1 tonelada de hielo (2.000 libras)

Hemos visto que se necesitan 144 BTU (36,29 kcal) de calor para fundir 1 lb de hielo. Por tanto, se necesitarán dos mil veces más calor para fundir una tonelada de hielo: 144 BTU/lb · 2.000 lb = 288.000 BTU = 72.576 kcal

Cuando esto se realiza en un periodo de 24 h (1 día), decimos que se trata de 1 tonelada de refrigeración: 1 ton =

288.000 BTU = 12.000 BTU/h 24 h

En el SI, el calor latente del hielo es de 355 kJ/kg (80 kcal/h), por lo tanto, la fusión de 1 tonelada de hielo (2.000 lb equivalen a 907,2 kg) absorberá una energía de:

Qfus = m · Dhsf = 907,2 · 335 = 303.912 kJ Qfus = m · Dhsf = 907,2 · 80 = 72.576 kJ En términos de potencia, para un periodo de 24 horas (1 día), los resultados serían: Qo fus =

Qfus

^24 h $ 3.600 sh

=

303.912 = 3, 517 kW 24 $ 3.600

Q 72.576 Qo fus = fus = = 3.024 kcal/h 24 24 h En un sistema de refrigeración mecánica, el efecto refrigerante que se produce en el evaporador es siempre menor que su calor latente de vaporización. Por tanto, solo una parte de cada kilogramo de refrigerante se vaporiza en el evaporador y produce enfriamiento útil. Es decir, el efecto refrigerante es siempre menor que el calor latente total de vaporización. La capacidad de un sistema de refrigeración mecánica, es decir, la velocidad a la cual el sistema eliminará calor del espacio refrigerado, depende de dos factores: • La masa del refrigerante que fluye en la unidad de tiempo (caudal másico). • El

efecto

refrigerante

por

unidad

de

masa

que

circula:

o $ Dh , Qo e = m e

donde:

o = caudal másico (kg/s); Dh = efecto refrigerante (kJ/kg). Qo e = capacidad (kW); m e En cualquier sistema mecánico de refrigeración, la capacidad del compresor debe ser tal que el vapor refrigerante producido en el evaporador sea sacado a la misma velocidad por el compresor. Si el refrigerante se vaporiza más rápido de lo que el compresor es capaz de extraerlo, se acumulará un exceso de vapor en el evaporador y provocará un aumento de presión (y temperatura de vaporización) en él. Por el contrario, si el compresor jEmplo elimina muy rápidamente el vapor del evaporador, la presión (y temperatura de vaporización) en éste disminuirá. En cualquiera de los casos, las condiciones Un sistema de refrigeración mecánico de diseño no mantienen en condiciones satisfactorias produce en el evaporador un efecto al sistema de refrigeración. refrigerante de 150 kJ/kg. El caudal

E

19

másico de refrigerante es de 0,3 kg/s. Calcular la capacidad de refrigeración del sistema, en kW. o $ Dh = 0,3 $ 150 = 45 kW Qo e = m e

1.6 leyeS 1.6.1 gaS

!

del gaS ideal

Tener las condiciones de diseño adecuadas, requiere de la selección de un compresor cuya capacidad (desplazamiento) sea tal que el compresor puede desplazar en cualquier intervalo dado de tiempo el mismo volumen de vapor que sea generado en el evaporador.

volver

ideal o Perfecto

DEfinición

gaS ideal: aquel que cumple perfectamente en todas las condiciones las leyes de los gases.

Experimentalmente se puede encontrar que todos los gases se comportan prácticamente de la misma manera si sus densidades no son demasiado elevadas, es decir, si las temperaturas no son demasiado bajas y las presiones no son demasiado altas.

Estas leyes, obtenidas experimentalmente, y que permitirán determinar la ecuación de estado de un gas ideal, son las leyes de Boyle, de Gay-Lussac y de Charles.

1.6.2 ley

de

boyle (temPeratura

conStante)

En 1662, Robert Boyle (1627-1691), científico irlandés, quiso averiguar tomando medidas cuidadosas si había alguna relación entre el volumen que ocupa un gas encerrado y la presión que soporta. Para ello introdujo un gas en un cilindro con un émbolo y comprobó las distintas presiones al bajar el émbolo. A continuación tenemos una tabla con algunos de los resultados que obtuvo y una gráfica donde se representan los datos de la tabla. Presión (bar)

Volumen (L)

p·V

4

2,50

10

6

1,67

10

8

1,25

10

10

1,00

10

V (dm3) 10 8 4 bar

10 bar

6 4

1,00 1,25 1,67

p (bar)

2,50

Si observamos los datos de la tabla, podemos comprobar que al disminuir el volumen, V, la presión, p, aumenta, y que al multiplicar p y V se obtiene siempre el mismo número.

! lEy

dE

constAntE, Por Es

unA

boylE: El

“A

dEtErminAdA

invErsAmEntE

tEmPErAturA

volumEn mAsA

ocuPAdo dE

ProPorcionAl

gAs A

p · V = cte

lA

PrEsión”.

Un proceso durante el cual la temperatura de la sustancia permanece constante, se llama proceso isotérmico. Si tomamos dos estados cualesquiera de la isoterma, 1 (estado inicial) y 2 (estado final), aplicando la Ley de Boyle, obtenemos: p1 $ V1 = p2 $ V2 &

V2 p = 1 p2 V1

donde: p1 = presión absoluta inicial (Pa); V1 = volumen inicial (m3); p2 = presión absoluta final (Pa); V2 = volumen final (m3).

La Ley de Boyle no puede usarse en situaciones prácticas, debido a que cuando se comprime un gas, se transfiere algo de calor al gas mediante la compresión mecánica, mientras que, cuando se expande un gas, éste entrega parte de su calor. Sin embargo, cuando se combina esta ley con otra, sí que puede usarse en la práctica. La ley de Boyle no es una ley rigurosa, y los gráficos obtenidos de diferentes gases se apartan,

más o menos, de la línea representativa de la esta ley, dependiendo de la naturaleza del gas y de la temperatura en que se analiza el mismo. Ciertos gases son más compresibles que lo que indica la ley de Boyle (nitrógeno) y otros menos (hidrógeno).

EjEmplo 20 A temperatura constante, si la presión inicial es de 400 kPa y el volumen inicial 50 cm3, ¿cuál sería la nueva presión si se incrementa al doble el volumen inicial? p2 =

p1 $ V2 400 $ 100 = = 800 kPa 50 V1

T

T

p1

p2

V2

V1

1.6.3 ley

de

gay-luSSac (PreSión

conStante)

El químico francés Louis Gay-Lussac (1778-1823), a comienzos del siglo XIX, basándose en experiencias, demostró que todos los gases se dilatan por igual al aumentar la temperatura. En la figura siguiente se muestra el experimento. El gas está encerrado en un recipiente y atrapado por un tapón de mercurio. Cuando calentamos, el gas se dilata y empuja el mercurio hacia fuera, manteniéndose la presión constante. Se va midiendo el aumento de temperatura y el correspondiente incremento de volumen del gas. T2 T1

p

p V2

V1

La experiencia demuestra, según se aprecia en la tabla siguiente, las variaciones en el volumen. Temperatura (K)

Volumen (L)

100

1,0

200

1,5

300

2,0

400

2,5

V (dm3) 2,5 2,0 1,5 1,0 100

200

300

400 T (K)

! lEy

dE

gAy-lussAc:

“A

PrEsión

V = cte T

constAntE, El volumEn quE ocuPA un gAs Es dirEctAmEntE ProPorcionAl A lA tEmPErAturA AbsolutA”.

Un proceso durante el cual la presión de la sustancia permanece constante, se llama proceso isobárico. Si tomamos dos estados cualesquiera de la isobara, 1 (estado inicial) y 2 (estado final), aplicando la Ley de Gay-Lussac, obtenemos: V1 V = 2 & T1 $ V2 = T2 $ V1 T1 T2 donde: V1 = volumen inicial (m3); T1 = temperatura absoluta inicial (K); V2 = volumen final (m3); T2 = temperatura absoluta final (K).

EjEmplo 21 Si se pasan 3.500 m3 de aire a través de un evaporador situado en el interior de un conducto y se enfría desde la temperatura ambiente de 24 ºC hasta 12 ºC. Calcular el volumen de aire después de pasar por el evaporador. Evaporador 3.500 m3 de aire a 24 ºC

3.358 m3 de aire a 12 ºC

El aire se contrae al ser enfriado, como se demuestra a continuación: V2 =

1.6.4 ley

de

charleS (volumen

V1 $ T2 3.500 $ ^273, 15 + 12h = = 3.358 m3 T1 ^273, 15 + 24h

conStante)

Jacques Alexandre Charles (1746-1823), físico francés, estudió, encerrando gas en un recipiente en el que no se podía expandir libremente, la variación de la presión que ejercen los gases cuando aumenta o disminuye la temperatura. Cuando se aumenta la temperatura debido a un suministro de energía, la presión absoluta se aumentará en proporción directa. Temperatura (K)

Presión (bar)

100

1,0

200

1,5

300

2,0

400

2,5

p (bar) 2,5 2,0 1,5 1,0 100

200

300

400 T (K)

! lEy

dE

chArlEs: “A

volumEn constAntE, lA

PrEsión EjErcidA Por unA dEtErminAdA mAsA dE gAs Es dirEctAmEntE ProPorcionAl A lA

p = cte T

tEmPErAturA AbsolutA”.

Un proceso durante el cual el volumen de la sustancia permanece constante, se llama proceso isocórico. Si tomamos dos estados cualesquiera de la isocora, 1 (estado inicial) y 2 (estado final), aplicando la Ley de Charles, obtenemos:

p1 p2 & T1 $ p2 = T2 $ p1 = T1 T2 donde: p1 = presión absoluta inicial (Pa); T1 = temperatura absoluta inicial (K); p2 = presión absoluta final (Pa); T2 = temperatura absoluta final (K).

1 bar

2,5 bar

EjEmplo 22 Si un gran tanque de gas natural que contiene 500.000 m3 de gas se almacena en primavera a 20 ºC y la temperatura se eleva hasta los 35 ºC en el verano, ¿cuál será la presión, si la presión inicial era de 275 kPa en la primavera? p2 =

p1 $ T2 275 $ ^273, 15 + 35h = = 289 kPa T1 ^273, 15 + 20h

1.6.5 ley

general de loS gaSeS idealeS

Combinando las leyes de Boyle, Gay-Lussac y Charles, se obtiene la ecuación denominada Ley general de los gases ideales, que relaciona temperatura, volumen y presión: p1 $ V1 p2 $ V2 = T2 T1 Esto es, para cualquier masa conocida de un gas, el producto de la presión absoluta y el volumen dividido por la temperatura absoluta es siempre igual a una constante: p$V = cte T

EjEmplo 23 En un contenedor se almacenan 25 m3 de gas a 30 ºC (303 K), a una presión de 400 kPa. El contenedor se conecta a otro de 35 m3 mediante una tubería, permitiéndose que el gas se equilibre entre los dos contenedores. La temperatura del gas se disminuye hasta 25 ºC (298 K). Calcular la presión de los dos contenedores combinados. p2 =

p1 $ V1 $ T2 300 $ 25 $ 298 = = 164 kPa 60 $ 303 V2 $ T1

Un gas ideal debería seguir con toda rigurosidad esta Ley. Ningún gas es ideal, sin embargo, muchos gases reales (aire, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y helio) se aproximan mucho a la condición de gas ideal, cuando su presión es reducida y la temperatura está alejada de sus condiciones de licuefacción. En un gas ideal no existen fuerzas de fricción internas. Muchos problemas complicados en termodinámica serán más sencillos si se supone que no existen fuerzas de fricción; los efectos de la fricción se consideran a parte. Es importante entender y aplicar las leyes de los gases ideales, pero hay que saber que los gases utilizados en el ciclo de refrigeración mecánica están muy cerca del punto de saturación (se trata de vapores), por lo que no se acercan a la condición

de un gas ideal. Cuando se trabaja con vapores (gases en condiciones muy próximas al punto de saturación) resulta muy necesario utilizar valores que han sido obtenidos experimentalmente o a través de cálculos complicados cuyos resultados se pueden obtener de tablas y/o gráficas.

1.6.6 ley

de

dalton: mezcla

de gaSeS

En 1801, John Dalton (1766-1844), químico británico, descubrió que la atmósfera está compuesta por muchos gases distintos. Encontró que cada uno de estos gases creaba su propia presión y que la presión total era igual a la suma de las presiones parciales. La Ley de Dalton establece que la presión total de una mezcla de gases confinada en un recipiente es la suma de las presiones de cada uno de los gases de la mezcla. ptotal = p1 + p2 + p3 + ... + pi

T

T =

p

T +

pp1 1 V

p2

V

V

EjEmplo 24 Ilustrativo de la Ley de Dalton: A la parada de una máquina frigorífica, la lectura del manómetro de alta presión nos permite detectar la presencia de gases incondensables (aire) en el circuito frigorífico, si la lectura obtenida es superior a la presión del vapor saturado correspondiente a la temperatura del local donde se encuentra el grupo frigorífico.

1.7 máquina 1.7.1 Segunda

frigorífica y bomba de calor

volver

ley de la termodinámica

La primera ley de la Termodinámica define la función de estado entalpía (H), que tiene que ver con la cantidad y la transformación de la energía de una forma a otra sin importar la calidad. Por ejemplo, nos dice cuánta energía se emplea para realizar un determinado trabajo: potencia de una bomba, capacidad de una máquina de refrigeración, etc. Sin embargo, en la práctica no siempre se puede hacer ese intercambio: no siempre se puede transformar toda la energía de una clase (calor) en la otra (trabajo). La segunda ley de la Termodinámica define la función de estado entropía (S), que se relaciona con el grado de desorden del sistema; dice qué cambios son posibles y cuáles no lo son, y con cuánta eficiencia se puede convertir la energía de una forma a otra. Es decir, permite determinar la calidad de la energía así como el nivel de degradación de la energía durante el proceso. Por ejemplo, la segunda ley es útil en la determinación de las máximas eficiencias de operación de refrigeradores y bombas de calor. Que se cumpla la primera ley no garantiza que un proceso dado pueda ocurrir realmente. Por ejemplo, no es posible un proceso cuyo único resultado sea transferir calor de un objeto a baja temperatura a un objeto a alta temperatura, es decir, el calor no puede fluir espontáneamente “cuesta arriba”. Este proceso no sucede en la naturaleza por lo tanto, no cumple la segunda ley. Ahora bien, si pudiera suceder, no violaría la primera ley.

20 ºC

30 ºC

No es posible

10 ºC

40 ºC

De este ejemplo se concluye que los procesos tienen lugar, en forma natural, en una cierta dirección y no en la dirección inversa. La primera ley no restringe que un proceso tenga lugar realmente. Esta limitación de la primera ley se solventa con la segunda ley. El proceso considerado anteriormente no puede tener lugar porque viola la segunda ley. Un proceso no puede tener lugar a menos que satisfaga la primera y segunda ley. Existen determinados efectos físicos, llamados irreversibles, que causan la pérdida de energía disponible. Estos efectos no se pueden evitar, pero se deben reducir al mínimo: • diferencia de temPeraturaS en la tranSmiSión de calor. Las diferencias desmedidas de temperatura entre fluidos originan pérdidas grandes, por lo que deben mantenerse lo más bajas posible. Por ejemplo, en evaporadores y condensadores. • rozamiento. La fricción causa pérdida de energía útil y por lo tanto debe reducirse al mínimo. Por ejemplo, a la hora de seleccionar el material de las tuberías hidráulicas, éstas deben ser lo más lisas posible; esto ayudará a que la bomba realice un menor trabajo. También la limpieza periódica de los condensadores, permitirá al compresor trabajar con un menor consumo de energía. • viScoSidad. El flujo viscoso de un líquido o gas sobre una superficie sólida produce pérdidas de carga, que se traducen en pérdidas de energía. • mezclada de SuStanciaS. Cuando se mezclan fluidos con diferentes temperaturas o presiones se originan pérdidas de energía útil. Los procesos de mezclado son comunes en los sistemas de refrigeración y acondicionamiento de aire. Por ejemplo, cuando se mezclan dos flujos de aire en sistemas de doble conducto, o cuando se mezclan dos flujos de agua en sistemas de tres tubos. Cuando un proceso se lleva a cabo sin incluir alguno de los efectos anteriores, se llama proceso reversible. Aunque un proceso reversible es un caso ideal imposible de lograr, siempre se tratará de reducir al mínimo los efectos irreversibles (reales) en interés de la conservación de energía. Algunos procesos que pueden idealizarse como reversibles son: • Movimiento sin fricción (en mecánica). • Estiramiento elástico de un sólido. • Carga y descarga de una batería. • Procesos de cambio de fase (vaporización, condensación, fusión, etc.).

La entropía es una medida de la energía no disponible en un sistema para efectuar trabajo: cuanto mayor sea la entropía del sistema, menos disponible será su energía para efectuar trabajo o transferir calor. Se define como la relación del calor agregado a un sistema (o sustancia) con la temperatura absoluta a la cual se agrega: DS =

Q (J/K) T

Un concepto que se usa para explicar la segunda ley de la termodinámica es el principio del aumento de entropía (desigualdad de Clausius): DS $ 0 La igualdad es válida si el sistema (o máquina térmica) es reversible, y la desigualdad es válida para los sistemas (o máquinas térmicas) irreversibles (reales). El incremento de entropía nunca puede ser negativo; si DS $ 0 , el proceso es imposible.

Cualquier proceso, como por ejemplo, un compresor frigorífico, requiere una determinada cantidad de trabajo. En un proceso isentrópico el cambio de entropía es cero (entropía constante), es decir, el proceso necesita la mínima cantidad de trabajo posible. En un proceso de entropía constante no se agrega ni se elimina calor de la sustancia (proceso adiabático), y no hay efectos irreversibles, como por ejemplo, la fricción. Por tanto, un proceso isentrópico es un proceso adiabático reversible: Qrev = 0 & DS = 0 & S = cte Hay algunos casos en los que un proceso isentrópico puede no ser adiabático reversible; pero todos los procesos adiabáticos reversibles son isentrópicos. Un proceso isentrópico nunca se da en la realidad. Sin embargo, su estudio proporciona un objetivo: conocer el mínimo trabajo posible. En cualquier proceso real donde se necesite trabajo, la entropía aumenta y se trata de reducir este aumento al mínimo. El Se debe agregar Se realiza calor estudio de un proceso isentrópico es trabajo la base para el diseño de procesos Presión Presión Presión baja baja de compresión en compresores y alta Presión bombas, y de expansión en turbinas. alta Sin fricción o intercambio de calor Compresor Turbina con los alrededores, la turbina y el compresor se comportan a la inversa uno del otro.

1.7.2 máquinaS

térmicaS y diSPoSitivoS cíclicoS

Un sistema que avanza pasando por un conjunto de procesos, y que regresa en forma periódica a su estado inicial, completando un ciclo, se llama dispositivo cíclico. Un dispositivo cíclico que transfiere calor a sus alrededores se llama máquina térmica. Las máquinas térmicas se clasifican en dos grupos: • máquinaS generadoraS de energía mecánica (máquina térmica o motor térmico). El objetivo es la producción de trabajo útil a partir de una fuente de calor suministrada, eliminando un cierto calor residual a un disipador térmico (ciclo de potencia). Ejemplos: Depósito caliente Depósito caliente motores alternativos (Otto TC TC y Diesel), turbina de vapor, turbina de gas. Sistema

• máquinaS

de energía mecánica

(máquina

térmica inverSa o bomba de calor).

Sistema

Qc

QCc

conSumidoraS

El objetivo es la reducción de la temperatura de un foco térmico, es decir, bombear calor a una temperatura alta mediante la absorción de una cantidad de trabajo (ciclo de refrigeración). Ejemplos: máquina frigorífica, bomba de calor.

Wciclo = Wneto

Wciclo = Wneto

Motor

Bomba

térmico

térmica

QF

Depósito frío TF

QF Depósito frío TF

1.7.3 máquina

frigorífica y bomba de calor

Una máquina térmica inversa se conoce con el nombre de bomba de calor o máquina frigorífica. Las bombas de calor operan de forma cíclica (ciclo de refrigeración). El fluido de trabajo utilizado en un ciclo de refrigeración se llama fluido refrigerante. Refrigerador TC (caliente)

QF

Qc

Qc al cuarto

Motor W electricidad

W QF TF (frío)

Qc al cuarto

El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el más utilizado, que incluye cuatro componentes principales: compresor, condensador, dispositivo de expansión y evaporador. El fluido refrigerante entra en el compresor como vapor y se comprime a la presión del condensador y a una temperatura alta. Se enfría y condensa conforme fluye por el condensador librando calor al foco caliente. Entra en el dispositivo de expansión donde disminuye su presión y temperatura. Finalmente, entra en el evaporador donde se evapora completamente absorbiendo calor del espacio refrigerado (foco frío). El ciclo se completa cuando el fluido refrigerante sale del evaporador y vuelve a entrar en el compresor. FOCO CALIENTE Tc (atmósfera) Qc (-) p3 = 13,18 bar T3 = 45 ºC

Condensador

p2 = 13,18 bar T2 = 67,4 ºC T2=67,4 ºC

Tcon = 50 ºC Refrigerante R-134a

Wneto (+)

Tvap = -15 ºC Evaporador

p4 =1,64 bar T4 =-15 ºC

p1 = 1,64 bar T1 =-10 ºC

QF (+) FOCO FRÍO TF (espacio refrigerado)

1.7.3.1 Primera

ley aPlicada a una bomba de calor

Para la bomba de calor, la primera ley de la termodinámica se enuncia como sigue:

/ Qciclo - / Wciclo = 0 & ^- QCh + ^+ QFh - ^- Wnetoh = 0 - QC + QF + Wneto = 0 & Wneto = QC - QF En esta ecuación observamos que el término QC siempre tendrá un valor negativo. También el trabajo tendrá un valor negativo, porque entra al sistema o dispositivo cíclico.

1.7.3.2 coeficiente

de funcionamiento de una bomba de calor

La eficiencia de operación de estos sistemas se mide de dos formas diferentes. Para los refrigeradores (bombas de calor en verano) queremos saber cuánto calor puede eliminarse del foco frío por cada unidad de trabajo realizada. Para la bomba de calor (calentador) nos interesa el calor su ministrado al foco caliente por unidad de trabajo utilizada.

TC (caliente)

TF (frío)

TF (frío)

Qc

QF

TC (tibio)

WN

QF

WN

Qc

VERANO: el calor se bombea fuera de

INVIERNO : el calor se bombea a la

la casa hacia el exterior

casa desde el exterior

La eficiencia de un refrigerador, EER (Energy Efficiency Ratio), será: EER =

QF QF = QC - QF Wneto

La eficiencia de una bomba de calor, COP (Coefficient Of Performance), será: COP =

QC QC = QC - QF Wneto

Relación entre EER y COP (COP > 1): QC = QF + Wneto &

QC QF W = + neto & COP = EER + 1 Wneto Wneto Wneto

En esta relación podemos ver que el COP siempre es mayor que el EER, y que la diferencia entre ellos es exactamente de 1. Además, el COP es siempre mayor que la unidad, ya que EER es siempre positivo. La mayor parte de las bombas de calor que operan en la actualidad tienen un COP comprendido entre 2,5 y 3,5.

EjEmplo 25 El interior de un refrigerador se mantiene a 4 ºC si se extrae calor con un flujo de 6 kW. Si la entrada de potencia requerida por el refrigerador es de 2 kW, calcular: a) El coeficiente de funcionamiento del refrigerador; b) El flujo de calor que se expulsa al exterior. Qo F 6 EER = = =3 o 2 W neto

o o W = Qo C - Qo F & Qo C = Qo F + W = 6 + 2 = 8 kW neto neto

EjEmplo 26 Con una bomba de calor se cubren las necesidades de calefacción de una casa para mantenerla a 20 ºC en invierno. Un día, cuando la temperatura del aire exterior disminuye hasta -2 ºC, se estima que la casa pierde calor con un flujo de 15 kW. Si en estas condiciones la bomba de calor tiene un COP = 2,5, determinar: a) La potencia eléctrica neta consumida por la bomba de calor; b) El flujo de calor que se extrae del aire frío exterior. Qo C 15 o W = = = 6 kW neto COP 2, 5 o o W = Qo C - Qo F & Qo F = Qo C + W = 15 - 6 = 9 kW neto neto

Termodinámica

de refrigeración

2

Contenidos 2.1 Sistema de compresión de vapor 2.2 Diagrama entálpico y tablas termodinámicas de refrigerante 2.3 Ciclo de refrigeración saturado 2.4 Ciclo de refrigeración real

Índice

2.1 SiStema 2.1.1 relación

de comPreSión de vaPor

volver

PreSión-temPeratura y reciPienteS de refrigerante

Para explorar el funcionamiento de un sistema de refrigeración, se utilizará el refrigerante R-134a como referencia. La presión y temperatura de saturación de un refrigerante se corresponden cuando hay presente tanto líquido como vapor bajo dos condiciones: • Cuando esté teniendo lugar el cambio de estado (vaporización o condensación). • Cuando el refrigerante esté en equilibrio (ni se añade ni se elimina calor).

La temperatura y, por tanto, la presión de una botella que contiene R-134a se estabilizarán hasta conseguir la temperatura del ambiente donde se encuentre, debido a que su contenido es una mezcla de líquido y vapor. En una habitación a temperatura ambiente de 24 ºC, la botella y su contenido, se estabilizarán hasta alcanzar dicha temperatura; la tabla p-T (presión-temperatura) indica una presión absoluta de 646 kPa. Al introducir la botella en una cámara frigorífica que esté a 4 ºC, la botella alcanzará una nueva presión absoluta de 338 kPa. Al enfriarse, el vapor contenido en la botella reacciona al enfriamiento condensándose de forma parcial, disminuyendo así la presión. Si la botella estuviera en una furgoneta a 50 ºC, su presión aumentaría hasta los 1.318 kPa. En este caso, parte del líquido de la botella se vaporiza creando, por tanto, más vapor, aumentando así la presión. Si se abre la válvula de la botella lentamente, dejando escapar vapor a la atmósfera, la presión de la botella desciende hasta la presión atmosférica, por ejemplo de 102 kPa, con lo que la botella se congela al alcanzar los -26 ºC.

2.1.2 vaPorización

del refrigerante

Un espacio aislado a -20 ºC puede refrigerarse vaporizándose R-134a en el interior de un recipiente ventilado al exterior. A la presión atmosférica (102 kPa), el R-134a tiene una temperatura de saturación de -26 ºC. Debido a la temperatura más alta del espacio que rodea el recipiente (-20 ºC), el R-134a líquido absorbe el calor y se vaporiza a una temperatura constante de -26 ºC (calor latente de vaporización), refrigerando el espacio. La refrigeración continuará hasta que todo el líquido se vaporice. Este dispositivo se llama evaporador. Vapor refrigerante a la presión atmosférica

102 kPa -26 ºC

Refrigerante líquido hirviendo a -26 ºC

Espacio a -20 ºC

2.1.3 control

de la temPeratura de vaPorización

Para conseguir una temperatura mayor que la temperatura de saturación, se tiene que aumentar la presión del recipiente por encima de la presión atmosférica. Para ello, se necesita una válvula. Si se quiere conseguir un espacio a 2 ºC, se debe evaporar a unos -6 ºC, por tanto, se cerrará la válvula hasta conseguir una presión absoluta de 234 kPa. Vapor refrigerante a presión mayor a la

Válvula

atmosférica

234 kPa -6 ºC

Refrigerante líquido hirviendo a -6 º

Espacio a 2 ºC

Para conseguir una temperatura menor que la temperatura de saturación, se tiene que disminuir la presión del recipiente por debajo de la presión atmosférica. Para ello, se necesita una bomba de vapor (compresor). Es posible vaporizar a -40 ºC, si se consigue una presión de 51 kPa, pudiendo mantener un recinto a unos -35 ºC.

Bomba de vapor Vapor refrigerante a presión menor a la atmosférica

51 kPa -40 ºC Refrigerante líquido hirviendo a -40 ºC Espacio a -35 ºC

2.1.4 mantenimiento de una cantidad conStante de líquido en el evaPorador

! PArA no

quE El líquido dEl EvAPorAdor

sE

EvAPorE

Por

comPlEto,

Es

nEcEsArio suministrAr continuAmEntE rEFrigErAntE.

El constante suministro puede lograrse con una válvula de flotador y un depósito de refrigerante, que contiene refrigerante a una presión p, superior a la presión del evaporador. La válvula de flotador mantiene constante el nivel del líquido dentro del evaporador y controla su presión. El depósito suministra una cantidad de líquido igual a la vaporizada.

Bomba de vapor

Líquido refrigerante a presión alta Líquido refrigerante a presión baja Válvula del flotador

El dispositivo utilizado para regular el flujo del líquido refrigerante hacia el evaporador se llama control de flujo refrigerante o dispositivo de expansión. Un tipo de control de flujo refrigerante muy usado es la válvula de expansión termostática, que controla el flujo a través de un serpentín que hace de evaporador.

Bomba de vapor Válvula de expansión

Líquido refrigerante a presión alta

Vapor a baja presión

Mezcla de vapor-líquido a presión baja

2.1.5 recuPeración

del refrigerante

! Es El

indisPEnsAblE rEFrigErAntE

rEcuPErAr Por

rAzonEs

EconómicAs y mEdioAmbiEntAlEs.

El vapor que sale del evaporador se debe recolectar y condensar (volviendo a estado líquido), de manera que el refrigerante sea de nuevo utilizado. Para lograr la condensación del vapor, se debe agregar otro elemento llamado condensador. Para condensar el vapor se requiere de un medio condensante. Los medios condensantes más empleados son el aire (aire exterior) y el agua (agua de una torre de refrigeración).

El medio condensante (aire o agua) tiene que estar a una temperatura inferior a la del refrigerante, para que éste pueda el calor. Para ello, es necesario incrementar la temperatura del refrigerante, comprimiéndolo con el compresor hasta alcanzar una presión y, por tanto, una temperatura adecuada para la evacuación de dicho calor.

Una vez comprimido el vapor a alta presión y a alta temperatura, se descarga al condensador, donde la condensación se realiza a presión y temperatura constantes. Tubería de descarga: Vapor alta presión y alta

Condensador: Mezcla vapor-líquido alta presión y alta temperatura

Recipiente de líquido

temperatura

Compresor : Tubería de aspiración: Vapor baja presión y baja

Válvula de

temperatura

expansión

Tubería de líquido: Líquido a alta presión y media temperatura Evaporador: Mezcla vapor-líquido baja presión y baja temperatura

El refrigerante (fluido de trabajo) es el encargado de transportar el calor del espacio refrigerado hacia el exterior. Absorbe calor del espacio refrigerado en el evaporador, lo saca del espacio y lo cede al medio condensante en el condensador.

2.1.6 deScriPción

!

FuncionEs

de loS elementoS de un SiStema de comPreSión de vaPor

dE los ElEmEntos quE comPonEn El sistEmA:

• evaPorador: proporciona una superficie a través de la cual transfiere el calor desde el espacio o producto refrigerado hacia el vapor refrigerante. • Tubería de aspiración o succión: transporta el vapor de baja presión desde el evaporador hasta la entrada (aspiración) del compresor. • Compresor: eleva la temperatura y presión del vapor hasta un punto tal que el vapor pueda ser condensado a través de un medio condensante disponible. • Tubería de descarga: transporta el vapor de alta presión y alta temperatura desde la descarga del compresor hasta el condensador. • Condensador: proporciona una superficie a través de la cual transfiere el calor del vapor refrigerante caliente hacia el medio condensante. • Recipiente de líquido: almacena el refrigerante líquido condensado, para que el evaporador tenga un suministro constante de líquido, según las necesidades. • Tubería de líquido: transporta el refrigerante líquido desde el depósito de líquido hasta el dispositivo de control de flujo refrigerante. • Dispositivo de control (válvula de expansión o capilar): reduce la presión del refrigerante y controla la cantidad necesaria de refrigerante líquido al evaporador.

La figura siguiente muestra un sistema de acondicionamiento de aire. Las presiones y temperaturas corresponden a un sistema con refrigerante R-410A.

Vapor

Inicio

sobrecalentado

condensación

3214 kPa

908 kPa

80 ºC

18 ºC

Inicio vaporización

44 ºC

52 ºC

4 ºC

4 ºC

10 ºC

R-410A Sobrecalor total 52 ºC

48 ºC

4 ºC Retorno, 24 ºC

Ambiente, 35 ºC

Líquido completamente

Líquido

Completamente

Sobrecalor del

condensado

subenfriado

vaporizado

serpentín

La temperatura del aire ambiente es de 35 ºC y la temperatura de retorno de 24 ºC. El compresor descarga vapor sobrecalentado a 80 ºC y a una presión de 3.214 kPa. A la entrada del condensador, la temperatura puede estar más baja, por ejemplo a unos 75 ºC. A medida que los gases sobrecalentados recorren el condensador, debido a la temperatura ambiente inferior de 35 ºC, se enfrían hasta alcanzar 52 ºC, donde comienzan a condensarse formando gotas líquidas de refrigerante, debido a que ésta es la temperatura de condensación del R-410A a la presión de 3.214 kPa. El proceso de condensación continúa a una temperatura constante de 52 ºC hasta que todo el vapor se convierte en líquido. Como el aire del ambiente está a 35 ºC, el refrigerante se sigue enfriando en el condensador hasta los 48 ºC. Este enfriamiento adicional se denomina subenfriamiento. Desde el final del condensador hasta la entrada del dispositivo de expansión, el líquido refrigerante se subenfría aún más, hasta llegar a los 44 ºC (subenfriamiento total). En el dispositivo de expansión, el refrigerante líquido a 3.214 kPa se expansiona disminuyendo su presión (hasta 908 kPa) y su temperatura (hasta 4 ºC). El refrigerante R410A hierve a 4 ºC a la presión 908 kPa, debido a que absorbe el calor del aire de retorno que está a 24 ºC. La temperatura del refrigerante se mantiene en 4 ºC hasta que todo el líquido se ha convertido en vapor. A partir de este momento, aumenta la temperatura a medida que absorbe más calor del aire circundante, hasta que el final del evaporador se alcanzan 10 ºC. Esta diferencia de temperatura de 6 ºC, se denomina sobrecalentamiento o sobrecalor. Desde el final del evaporador hasta la entrada del compresor, el vapor refrigerante se sobrecalienta aún más, hasta llegar a los 18 ºC (sobrecalentamiento total).

2.2 diagrama

entálPico y tablaS termodinámicaS de volver refrigeranteS

2.2.1 diagrama

entálPico

(PreSión-entalPía)

Cualquier condición de un refrigerante, ya sea en estado líquido, vapor o líquido-vapor, puede representarse por un punto en el diagrama p-h, conociendo dos propiedades cualesquiera del estado del refrigerante. El diagrama p-h (ver siguiente figura) está dividido en tres áreas separadas unas de otras por las líneas de líquido saturado y vapor saturado. • La región a la izquierda de la línea de líquido saturado, se llama región subenfriada. El refrigerante en cualquier punto de esta región, está en estado líquido y su temperatura es menor a la temperatura de saturación correspondiente a su presión. • La región a la derecha de la línea de vapor saturado, se llama región de sobrecalentamiento. El refrigerante está en forma de vapor sobrecalentado.

• La región comprendida entre las líneas de líquido saturado y vapor saturado, se llama región de cambio de estado o campana de saturación. El refrigerante en cualquier punto de esta región, está en forma de mezcla líquido-vapor. Presión absoluta (MPa)

Región subenfriada (líquido subenfriado) Región de cambio de estado (mezcla de líquido-vapor)

Líquido a vapor Región de sobrecalentamiento Vapor a líquido

Curva de líquido saturado

(vapor sobrecalentado)

Curva de vapor saturado Entalpía específica (kJ/kg)

Sobre el diagrama, el cambio de estado de líquido a vapor ocurre en forma progresiva de izquierda a derecha, mientras que el cambio de estado de vapor a líquido ocurre de derecha a izquierda. Dentro de la campana de saturación, la mezcla líquido-vapor puede tener diferentes calidades. Se llama título (o calidad, quality), al porcentaje, en tanto por uno, de refrigerante en estado de vapor. Las líneas de título constante, se extienden desde la parte superior hasta la parte baja del diagrama y son casi paralelas a las líneas de líquido saturado y vapor saturado, indicándose en las mismas los porcentajes de vapor en la mezcla en incrementos del 10%. Por ejemplo, la línea de título constante más cercana a la línea de líquido saturado, corresponde a la mezcla líquido-vapor del 10% (10% en masa de la mezcla es vapor). En forma análoga, la línea de título constante más cercana a la línea de vapor saturado, corresponde a la mezcla líquidovapor del 90% (90% de vapor). Las líneas horizontales que cruzan el diagrama son líneas de presión constante y las verticales son líneas de entalpía constante. Las líneas de temperatura constante en la región subenfriada son casi verticales y paralelas a las líneas de entalpía constante. En la región del centro, debido al cambio de estado, las líneas de temperatura constante son paralelas con las líneas de presión constante. En la región de sobrecalentamiento, las líneas de temperatura constante cambian nuevamente de dirección, bajando bruscamente hasta la parte inferior del diagrama. Las líneas rectas que se extienden diagonalmente y cruzan casi verticales la región de vapor sobrecalentado, son líneas de entropía constante. Las curvas casi horizontales que cruzan la región de vapor sobrecalentado, son líneas de volumen específico constante. Para simplificar el diagrama, el número de líneas se reduce al mínimo. Por esta razón, los valores de algunas propiedades del refrigerante, que no son de real interés en algunos puntos del ciclo, se omiten. Por ejemplo, los valores de la entropía y del volumen no son de particular interés en la región de líquido y en la región de cambio de estado. Debido a que el diagrama p-h está basado en 1 kg de refrigerante, el volumen dado es el volumen específico en m3/kg, la entalpía está en kJ/kg y la entropía en kJ/kg · K.

Presión

Entropía

absoluta

constante

(bar)

Entalpía constante

Temperatura constante Volumen constante

Presión constante

Título constante

Entalpía específica (kJ/kg)

2.2.2 tablaS

de ProPiedadeS termodinámicaS

Las tablas de propiedades termodinámicas generalmente parten de un valor cero asignado arbitrariamente a las propiedades que se representan en algún estado estándar o de referencia. Este estado también es arbitrario. En general, se toma como punto inicial entalpía de referencia (h0 = 0) y la entropía de referencia (s0 = 0). En realidad, no interesa por ejemplo el valor de la

entalpía en un punto determinado, sino la diferencia de entalpías.

Para definir las propiedades de cualquier refrigerante, se utilizan dos tablas: • tabla de Saturación (líquido y vaPor). Se entra por temperatura o por presión. Se presentan las propiedades v, u, h, s del líquido y vapor saturado. Dada una temperatura o una presión de saturación, todas las otras propiedades del líquido y del vapor saturado ya vienen definidas. • tabla de vaPor Sobrecalentado. Se presentan las propiedades v, u, h, s del vapor refrigerante sobrecalentado en función de la presión y la temperatura. Fijando un valor de la presión, se dan las propiedades en función de la temperatura, comenzando por las propiedades del vapor saturado. Se puede observar que no hay tablas para las propiedades del líquido subenfriado (o líquido comprimido). Las propiedades termodinámicas (v, u, h) de un líquido comprimido pueden estimarse en base a las del líquido saturado. La región de saturación (vaporización-condensación) de las sustancias puras se puede concebir como una mezcla de un líquido saturado puro y un vapor saturado puro. La proporción de vapor saturado, o sea la relación de la masa de vapor saturado con respecto a la masa total de una mezcla en la región saturada, se llama título o calidad, x: x=

mg

mtotal

=

mg

mg + m f

2.3 ciclo

, donde: mg = masa del vapor saturado, mf = masa del líquido saturado y mtotal = masa total.

de refrigeración Saturado

2.3.1 condicioneS

volver

generaleS de funcionamiento

Un ciclo de refrigeración saturado simple es un ciclo teórico en el que se supone que:

1.

El vapor refrigerante que sale del evaporador y entra al compresor es vapor saturado a la temperatura y presión de vaporización.

2.

El líquido refrigerante que sale del condensador y llega al sistema de expansión es líquido saturado a la temperatura y presión de condensación.

El ciclo teórico (saturado simple), aunque se desvía del ciclo real, es la base para entender e identificar con facilidad el ciclo de refrigeración real. Utilizando el ciclo saturado simple, puede compararse con el ciclo real y obtenerse fácilmente la eficiencia relativa del ciclo de refrigeración real para varias condiciones de operación. Las hipótesis que se tienen son: • Los vapores de la aspiración están apenas saturados (x = 1). • La compresión es una compresión pura adiabática. • El líquido no experimenta subenfriamiento en el condensador. • La circulación del refrigerante en las tuberías no da lugar a pérdidas de carga.

Las condiciones de funcionamiento se definen por: • Evaporación: pe, Te. • Condensación: pc, Tc. • Vapores aspirados: pe, Te, x = 1.

En el diagrama presión-entalpía de la figura siguiente se tiene el trazado de un ciclo saturado simple para un sistema R-134a. El sistema se supone que trabaja bajo condiciones tales que la presión (absoluta) de vaporización en el evaporador es pe = 2,43 bar y la presión de condensación en el condensador es pc = 10,17 bar. p (bar)

45,4 ºC 40 ºC

3 (LS)

10,17

VS

2

Condensación Expansión

2,43

x

Compresión -5 ºC

4

1 (1VS) Calor de

Vaporización

compresión

Calor latente de vaporización Pérdida

Efecto refrigerante

Calor sen sible

Calor total condensador

condensador

Calor latente condensador hx

h3

h1

hVS

h2

h (kJ/kg)

Los puntos 1 (1vs), 2, VS, 3 (LS) y 4 sobre el diagrama p-h corresponden a los puntos del sistema de refrigeración mostrado en el diagrama de la figura siguiente.

Refrigerante después de

El refrigerante líquido va

pasar por el dispositivo

del condensador al

4

de expansión

dispositivo de expansión sin cambio en su condición

Punto donde 1

termina la vaporización

Punto en el cual

Descarga del vapor 2

del compresor

empieza la VS

condensación

El vapor va desde el evaporador hasta el compresor por la tubería de aspiración sin cambio en su

Punto en el cual

condición

3

termina la condensación

El punto 3 (fin de la condensación) se encuentra al final del condensador. El refrigerante se encuentra en estado líquido saturado a la temperatura y presión de condensación. El punto 3 puede localizarse en el diagrama p-h si se conoce p, T o h. En la práctica p y T pueden medirse fácilmente. Las propiedades del refrigerante en 3, obtenidas de tablas, son: p3 = 10,17 bar

T3 = 40 ºC

2.3.2 ProceSo

h3 = 256,43 kJ/kg

s3 = 1,1897 kJ/kg · K

v3 = 0,872 dm3/kg

de exPanSión

En el ciclo saturado simple se supone que no hay ningún cambio en las propiedades del líquido refrigerante a medida que éste fluye a través de la tubería de líquido, desde el condensador hasta el dispositivo de expansión; por tanto, el refrigerante líquido a la entrada del dispositivo de expansión tiene la misma condición que la que se tiene en el punto 3. El proceso de expansión se da en el dispositivo de expansión, entre el estado inicial (3) y el estado final (4). La presión del líquido disminuye desde la presión de condensación hasta la presión de vaporización. También disminuye la temperatura, desde la temperatura de condensación hasta la temperatura de vaporización, y una parte del líquido pasa a ser vapor. En el proceso 3-4 se produce una expansión adiabática (Q = 0), es decir, la entalpía del fluido no cambia durante todo el proceso (h4 ≈ h3). Por tanto, el punto 4 se encuentra, en el diagrama p-h, siguiendo la línea de entalpía constante, desde el punto 3 hasta el punto donde la línea de entalpía intersecta a la línea de presión constante (presión de vaporización). Para ello, debe conocerse la temperatura o la presión de vaporización. Debido a la vaporización parcial del refrigerante líquido durante el proceso 3-4, el refrigerante en el punto 4 es una mezcla de líquido-vapor cuyas propiedades son: p4 = 2,43 bar

T4 = -5 ºC

2.3.3 ProceSo

h4 = 256,43 kJ/kg

s4 = 1,2092 kJ/kg×K

v4 = 26,182 dm3/kg

de vaPorización

El proceso de vaporización 4-1 se da en el evaporador. Se trata de un proceso isotérmico e isobárico, es decir, la vaporización se efectúa a temperatura y presión constantes. Por tanto, el punto 1 se localiza en el diagrama ph siguiendo las líneas de presión y temperatura constante desde el punto 4 hasta el punto donde éstas intersectan la línea de vapor saturado. En el punto 1

el refrigerante está totalmente vaporizado y es un vapor saturado a la temperatura y presión de vaporización. A medida que el refrigerante recorre el evaporador, absorbe calor del espacio refrigerado, incrementando su entalpía. Las propiedades del refrigerante en el punto 1 son: p1 = 2,43 bar

balance

T1 = -5 ºC

h1 = 395,56 kJ/kg

s1 = 1,7297 kJ/kg · K

v1 = 82,76 dm3/kg

energético del evaPorador

La cantidad de calor absorbido por el refrigerante en el evaporador (efecto refrigerante) es la diferencia de valor entre la entalpía del refrigerante de los puntos 4 y 1: qe = h1 - h4 donde: qe = efecto refrigerante o producción frigorífica másica (kJ/kg). Pero, debido a que h4 = h3, entonces: qe = h1 - h3 Habiéndose establecido el diagrama para una masa de 1 kilogramo de fluido, esta variación de la entalpía (h1 - h4) nos indicará el frío producido por kilogramo de fluido circulando en la instalación. Sustituyendo los valores apropiados, para el ejemplo de referencia: qe = h1 - h3 = 395,56 - 256,43 = 139,13 kJ/kg

caudal

máSico de refrigerante

o es el caudal másico de refrigerante, en kg/s, circulado para producir la capacidad de Si m refrigeración requerida (Qo ), tenemos: e

Qo o = e m qe Para el ciclo de referencia, tenemos (para 1 kW de potencia frigorífica): o = m

1 kW Qo e = = 0, 00719 kg/s qe 139, 13 kJ/kg

Producción

frigorífica volumétrica

Si v1 es el volumen específico de los vapores aspirados en el punto 1, tendremos: qv =

qe v1

Para el ciclo de referencia, tenemos: qv =

qe 139, 13 kJ/kg = = 1.681, 13 kJ/m3 v1 0, 08276 m3 /kg

caudal

volumétrico deSPlazado

(real)

El caudal volumétrico desplazado es: o $ v (m3/s) Vo d = m 1 o $ v (m3/h) Vo d = 3.600 $ m 1

Por el comPreSor

Para el ciclo de referencia, tenemos (en dm3/s): o $ v = 0, 00719 $ 82, 76 = 0, 595 dm3 /s Vo d = m 1

caudal

volumétrico teórico del comPreSor

El caudal volumétrico teórico del compresor será, debido al espacio perjudicial, mayor que el desplazado. Siendo hv el rendimiento volumétrico del compresor, tenemos: Vo Vo t = d hv

2.3.4 ProceSo

de comPreSión

En el ciclo simple, se supone que el refrigerante no cambia de condición mientras fluye por la tubería de aspiración desde el evaporador hasta el compresor. El proceso de compresión 1-2 se efectúa en el compresor, que incrementa la presión del vapor desde la presión de vaporización hasta la presión de condensación. Se supone que el proceso de compresión 1-2 es isentrópico. Una compresión isentrópica es un tipo especial de proceso adiabático (sin transferencia de calor entre el sistema y el medio ambiente) que ocurre sin fricción. Debido a que no se tiene cambio de la entropía, la entropía del refrigerante en el punto 2 es la misma que en el punto 1. Por tanto, el punto 2 puede localizarse en el diagrama p-h siguiendo la línea de entropía constante desde el punto 1 hasta el punto donde la línea de entropía constante intersecte a la línea de presión constante (presión de condensación). En el punto 2, el refrigerante es un vapor sobrecalentado. Del diagrama p-h pueden obtenerse todas las propiedades del refrigerante correspondientes al punto 2, que son: p2 = 10,17 bar

balance

T2 = 45,4 ºC

h2 = 425,32 kJ/kg

s2 = 1,7297 kJ/kg×K

v2 = 20,74 dm3/kg

energético del comPreSor

Durante el proceso de compresión 1-2 se efectúa un trabajo sobre el vapor refrigerante y se incrementa la energía (entalpía) del vapor. La energía equivalente al trabajo efectuado durante el proceso de compresión (wi) se suele denominar calor de compresión y es igual a la diferencia de valores de entalpía del refrigerante entre los puntos 2 y 1. wi = h2 - h1 Para el ejemplo de referencia, tenemos: wi = h2 - h1 =425,32 - 395,56 = 29,76 kJ/kg El trabajo teórico o isentrópico puede calcularse a partir del calor de compresión, multiplicado por el total de kilogramos de refrigerante en la instalación: Wi = wi $ m (kJ) Si Pi es la energía térmica equivalente al trabajo teórico de compresión por segundo de capacidad de refrigerante, o potencia isentrópica, entonces: o $w = m o $ ^h - h h Pi = m i 2 1 Para el ciclo de referencia, tenemos: o $ w = 0, 00719 $ 29, 76 = 0, 214 kW Pi = m i

2.3.5 ProceSo

de condenSación

Generalmente, tanto los procesos 2-VS como VS-3 se dan en el condensador a medida que el gas caliente descargado del compresor es enfriado hasta la temperatura de condensación y después condensada. El proceso 2-VS (enfriamiento del vapor desde la temperatura de la descarga hasta la temperatura de condensación) se da, una parte en la tubería de gas caliente, y la otra en el principio del condensador. Durante el proceso 2-VS, la presión del vapor permanece constante, por tanto, el punto VS (vapor saturado) se localiza en el diagrama p-h siguiendo la línea de presión constante desde el punto 2 hasta el punto donde la línea de presión constante intersecta a la curva de vapor saturado: pvs = 10,17 bar

Tvs = 40 ºC

hvs = 419,33 kJ/kg

svs = 1,7107 kJ/kg · K

vvs = 19,98 dm3/kg

Al regresar al punto 3, el refrigerante ha completado un ciclo y sus propiedades son las mismas que han quedado descritas para el punto 3.

balance

energético del condenSador

Debido a que ambos procesos 2-VS y VS-3 se verifican en el condensador, la cantidad total de calor cedido por el refrigerante al medio condensante en el condensador es la suma de las cantidades de calor eliminadas durante estos procesos. El calor total cedido por el refrigerante en el condensador es la diferencia de las entalpías entre los puntos 2 y 3: qc = h2 - h3 En el ciclo de referencia, tenemos: qc = h2 - h3 = 425,32 - 256,43 = 168,89 kJ/kg El calor eliminado por el refrigerante al medio condensante en el condensador debe ser exactamente igual al calor absorbido por el refrigerante en todos los demás puntos del ciclo, es decir, será igual a la suma del calor absorbido del espacio refrigerado a medida que se vaporiza el refrigerante en el evaporador (qe), y del trabajo teórico en el compresor (wi): qc = qe + wi En este caso, qc = qe + wi = 139,13 + 29,76 = 168,89 kJ/kg Si Qo c es la cantidad total de calor eliminado en el condensador por segundo, o $q = m o $ ^h - h h Qo c = m c 2 4 o $ q = 0, 00719 $ 168, 89 = 1, 214 kW Para el ciclo de referencia, tenemos: Qo c = m c

2.3.6 coeficiente

de

rendimiento frigorífico

El coeficiente de rendimiento de un ciclo de refrigeración (EER) es una expresión de la eficiencia del ciclo, queda definido como la relación entre el calor absorbido en el espacio refrigerado y la energía térmica equivalente de la energía suministrada al compresor: EER =

efecto refrigerante calor de comprensión

=

h1 - h4 q = e wi h2 - h1

Entonces, para el ciclo de referencia, EER =

qe 139, 13 = = 4, 67 29, 76 wi

2.3.7 rendimiento

Por relación con el ciclo de

carnot

Para un ciclo de Carnot (máquina frigorífica), el EERCarnot es la máxima eficiencia energética que puede llegar a tener un sistema de refrigeración: EERCarnot =

Te Tc - Te

donde: Te = temperatura absoluta de la fuente fría (temperatura del medio enfriado); Tc = temperatura absoluta de la fuente de calor (temperatura del aire exterior o del agua). La relación entre el coeficiente de rendimiento (EER) y el coeficiente que se hubiera podido obtener si nuestra máquina funcionara siguiendo un ciclo de Carnot (EERCarnot) es: hCarnot =

EER EERCarnot

2.3.8 efecto

de la temPeratura de aSPiración en la eficiencia del ciclo

! lA EFiciEnciA dEl ciclo dE rEFrigErAción vAríA

considErAblEmEntE

cAmbiA

tAnto

lA

cuAndo

tEmPErAturA

dE

vAPorizAción como lA tEmPErAturA dE condEnsAción.

Cuando cambia la temperatura de vaporización es cuando se produce el mayor efecto. En la figura siguiente se muestra el efecto que la temperatura de vaporización tiene sobre la eficiencia del ciclo. Se han dibujado en el diagrama p-h dos ciclos saturados simples trabajando a diferentes temperaturas de vaporización (-10 ºC y +5 ºC).

p (bar)

10,17

3

40 ºC

2’

2 46,4 ºC 43,8 ºC

2,50

2,01

4’

4

+5 ºC

-10 ºC

h3

Para el ciclo a -10 ºC, tenemos los siguientes valores: qe = h1 - h3 = 392,58 - 256,43 = 136,15 kJ/kg wi = h2 - h1 = 426,41 - 392,58 = 33,83 kJ/kg qc = h2 - h3 = 426,41 - 256,43 = 169,98 kJ/kg Para el ciclo a +5 ºC, tenemos los siguientes valores: qe = h1’ - h3 = 401,37 - 256,43 = 144,94 kJ/kg

1’

1

h1 h1’

h2’

h2

h (kJ/kg)

wi = h2’ - h1’ = 423,55 - 401,37 = 22,18 kJ/kg qc = h2’ - h3 = 423,55 - 256,43 = 167,12 kJ/kg El efecto refrigerante es mayor para el ciclo con mayor temperatura de vaporización. A mayor temperatura de vaporización, se vaporiza una fracción menor de refrigerante en el dispositivo de expansión, vaporizándose una mayor parte en el evaporador para producir enfriamiento útil. Esto representa un incremento por kilogramo en el efecto refrigerante de: ^h1l - h3h - ^h1 - h3h

h1 - h3

$ 100 =

144, 94 - 136, 15 $ 100 = 6, 45% 136, 15

Para una temperatura de vaporización mayor, al ser mayor el efecto refrigerante, el caudal másico de refrigerante para producir una capacidad de 1 kW será menor: 1 kW Qo o = e= m = 0, 00734 kg/s (para Te = -10 ºC) qe 136, 15 kJ/kg o = m

1 kW Qo e = = 0, 00690 kg/s (para Te = +5 ºC) qe 144, 94 kJ/kg

Disminución del caudal másico en la temperatura de vaporización más alta: 0, 00734 - 0, 00690 $ 100 = 5, 99% 0, 00734 Aun cuando la diferencia en el caudal másico por kW de capacidad a las diferentes temperaturas de vaporización es por lo general relativamente pequeña, el caudal volumétrico de vapor que el compresor debe desplazar varía bastante. Este es uno de los factores más importantes que influyen en la capacidad y eficiencia de un sistema de refrigeración. Comparando los dos ciclos, se muestra la diferencia del caudal volumétrico desplazado: o $ v = 0, 00734 $ 99, 54 = 0, 731 dm3 /s (para T = -10 ºC) Vo d = m e 1 o $ v = 0, 00690 $ 58, 35 = 0, 403 dm3 /s (para T = +5 ºC) Vo d = m e 1l Mientras la disminución en el caudal másico para la temperatura mayor de aspiración es solo de 5,99%, la disminución del caudal volumétrico es: 0, 731 - 0, 403 $ 100 = 81, 39% 0, 403 El calor de compresión por unidad de masa para el ciclo que tiene la temperatura de vaporización más alta es menor que para el ciclo que tiene la menor temperatura de vaporización. Esto representa una disminución en el calor de compresión por kilogramo de: ^h2 - h1h - ^h2l - h1h

h2 - h1

$ 100 =

33, 83 - 22, 18 $ 100 = 33, 44% 33, 83

Al aumentar la temperatura de vaporización, el coeficiente de rendimiento y, por tanto, la eficiencia del ciclo se mejoran considerablemente: EER =

h1 - h3 136, 15 $ 100 = $ 100 = 4, 02% (para Te = -10 ºC) 33, 83 h2 - h1

EER =

h1l - h3 144, 94 $ 100 = $ 100 = 6, 53% (para Te = +5 ºC) 22, 18 h2l - h1l

La disminución de capacidad frigorífica por unidad de potencia es:

e

h1l - h3 h - h3 o-e 1 o 6, 53 - 4, 02 h2 - h1 h2l - h1l $ 100 = $ 100 = 62, 44% 4, 02 h1 - h3 h2 - h1

La cantidad de calor por unidad de masa absorbido en el condensador es casi igual en ambos ciclos. En general esto es cierto para todas las temperaturas de vaporización.

2.3.9 efecto

de la temPeratura de condenSación en la eficiencia del ciclo

Si aumenta la temperatura de condensación permaneciendo constante la de vaporización, también disminuye la eficiencia del ciclo, aunque en menor medida que en el caso anterior. En la figura siguiente se muestra el efecto que la temperatura de condensación tiene sobre la eficiencia del ciclo. Se han dibujado en el diagrama p-h dos ciclos saturados simples trabajando a diferentes temperaturas de condensación (+40 ºC y +50 ºC). p (bar)

3’

13,18

50 ºC

2’ 54,6 ºC

40 ºC

3

10,17

2 46,4 ºC

4

2,01

10 ºC

4’

h3

h3’

1

h1

h2’

h2

h (kJ/kg)

Para el ciclo a +40 ºC, los valores son los mismos que en el apartado anterior (2.2.1.8). Para el ciclo a +50 ºC tenemos los siguientes valores: qe = h1 - h3’ = 392,58 - 271,52 = 121,06 kJ/kg wi = h2’ - h1 = 428,94 - 392,58 = 36,36 kJ/kg qc = h2’ - h3’ = 428,94 - 271,52 = 157,42 kJ/kg Al aumentar la temperatura de condensación, también aumenta la temperatura que llega al dispositivo de expansión, reduciéndose el valor del efecto refrigerante por kilogramo. En este caso la reducción es: ^h1l - h3h - ^h1 - h3h

h1 - h3

$ 100 =

136, 15 - 121, 06 $ 100 = 11, 08% 136, 15

Debido a que el efecto refrigerante por unidad de masa es menor para el ciclo que tenga la temperatura de condensación mayor, el caudal másico de refrigerante por kW de capacidad deberá ser mayor. Para una temperatura de condensación de 50 ºC, tenemos: o = m

1 kW Qo e = = 0, 00826 kg/s (para Tc = +50 ºC) qe 121, 06 kJ/kg

Esto es un aumento de: 0, 00826 - 0, 00734 $ 100 = 12, 53% 0, 00734 En un ciclo saturado simple, el volumen específico del vapor en la aspiración depende solo de la temperatura de vaporización. Debido a que la temperatura de vaporización es la misma para ambos ciclos, el volumen específico tendrá el mismo valor para ambos ciclos, de modo que la diferencia en el caudal volumétrico desplazado por el compresor será directamente proporcional a la diferencia de caudal másico. El caudal volumétrico comprimido para la temperatura de condensación de 50 ºC es: o $ v = 0, 00826 $ 99, 54 = 0, 822 dm3 /s (para T = +50 ºC) Vo d = m c 1 El aumento en porcentaje de caudal volumétrico desplazado por el compresor es exactamente igual al aumento de porcentaje de caudal másico: 0, 822 - 0, 731 $ 100 = 12, 53% 0, 731 El trabajo de compresión por unidad de masa de refrigerante circulado es mayor para el ciclo que tenga la mayor temperatura de condensación. Esto es un incremento de: ^h2l - h1h - ^h2 - h1h

h2 - h1

$ 100 =

36, 36 - 33, 83 $ 100 = 7, 48% 33, 83

El coeficiente de rendimiento del ciclo a la temperatura de condensación de +40 ºC es 4,02. Cuando la temperatura de condensación aumenta a +50 ºC, ésta disminuye hasta: h1l - h3 121, 06 $ 100 = $ 100 = 3, 33% 36, 36 h2m - h1 La disminución de capacidad frigorífica por unidad de potencia es: 4, 02 - 3, 33 $ 100 = 20, 72% 3, 33 La cantidad de calor absorbido en el condensador aumenta con el aumento de la temperatura de condensación. La cantidad de calor sensible absorbido en el condensador aumenta bastante, mientras que la cantidad de calor latente disminuye ligeramente, por tanto, para una temperatura de condensación elevada, una gran parte de la superficie del condensador se utiliza para reducir la temperatura del vapor hasta la temperatura de condensación.

2.4 ciclo

de refrigeración real

volver

En el ciclo saturado simple se desprecia la caída de presión del fluido a su paso por tuberías, evaporador, etc. Además, no se considera el subenfriamiento del fluido en la tubería de líquido ni el sobrecalentamiento del vapor en la tubería de aspiración. También se asume que la compresión es isentrópica. En el ciclo real se tienen en cuenta estos efectos.

2.4.1 efecto

del Sobrecalentamiento en el vaPor de aSPiración

En el ciclo saturado simple, se supone que el vapor de aspiración llega hasta la entrada del compresor como vapor saturado a la temperatura y presión de vaporización. En realidad, esto casi nunca ocurre. Después de que el líquido refrigerante se ha vaporizado completamente en el evaporador, el vapor saturado continúa absorbiendo calor, sobrecalentándose en la tubería de aspiración hasta que llega al compresor.

4

-5 ºC (2,43 bar)

1vr

5 ºC (2,43 bar)

15 ºC (2,43 bar)

1

-5 ºC (2,43 bar)

2

3

40 ºC (10,17 bar)

1VS

75 ºC (10,17 bar)

VS

40 ºC (10,17 bar)

40 ºC (10,17 bar)

3

Sobre el diagrama p-h de la figura siguiente se compara un ciclo saturado simple con otro en el cual el vapor de aspiración está sobrecalentado desde -5 ºC hasta 15 ºC. Despreciando la pequeña caída de presión del vapor en la tubería de aspiración, puede suponerse que la presión del vapor permanece constante durante el sobrecalentamiento. Así, el punto 1 puede localizarse en el diagrama p-h siguiendo la línea de presión constante, empezando en 1vs (-5 ºC) hasta el

punto donde la línea de presión constante intersecta a la línea de temperatura constante de 1 (15 ºC). El punto 2 se localiza siguiendo una línea de entropía constante desde el punto 1 hasta la línea de presión constante (presión de condensación). p 45,4 ºC

(bar)

10,17

3 (LS)

40 ºC

75 ºC VS

2

15 ºC 5 ºC

2,43

−5 ºC

4

h3

1VS

1vr

1

h1VS h1vr h1

h (kJ/kg)

En el diagrama p-h, el proceso 1vs-1 representa el sobrecalentamiento del vapor de la aspiración desde -5 ºC hasta 15 ºC a la presión de vaporización, y la diferencia de entalpías entre dichos puntos es la cantidad de calor necesario para lograr el sobrecalentamiento de cada kilogramo de refrigerante. Comparando los dos ciclos, se observa lo siguiente: • aumento del trabajo de comPreSión. Por tanto, la potencia requerida es mayor para el ciclo sobrecalentado y, además, es menor el coeficiente de rendimiento. • aumento

del volumen eSPecífico de vaPor

(Sobrecalentado). (v1 > v1vs), por tanto, el caudal

volumétrico (m /s) que el compresor debe manejar es mayor. La masa de refrigerante circulado por el compresor, será menor que cuando el vapor llega al compresor en condiciones saturadas, considerando que la presión es la misma. 3

• aumento de la temPeratura del vaPor deScargado a la Salida del comPreSor. Se debe estar seguro de que la temperatura en el punto 2 no perjudique las cualidades lubrificantes del aceite (peligro de ruptura de la película lubrificante entre los pistones y los cilindros debido a una reducción de la viscosidad del aceite). • aumento de la cantidad de calor eliminado en el condenSador. Esto es debido al calor adicional absorbido por el vapor al sobrecalentarse y debido al pequeño incremento en el calor de compresión.

! En

rEAlidAd, Es dEsEAblE tEnEr unA ciErtA

cAntidAd

dE

sobrEcAlEntAmiEnto,

yA

El calor adicional eliminado en el condensador en el ciclo de sobrecalentado es en su totalidad calor sensible. La cantidad de calor latente eliminado es igual para ambos ciclos.

quE

El sobrecalentamiento del vapor de aspiración en un ciclo real puede tener dos efectos. Una parte del dAños mEcánicos y EFEctos nEgAtivos En lA calor puede ser absorbido del espacio refrigerado, cAPAcidAd dEl comPrEsor. teniendo aprovechamiento útil. La otra parte del calor puede ser absorbido fuera del espacio refrigerado, sin tener aprovechamiento útil. El sobrecalentamiento del vapor en la aspiración puede ocurrir en alguna de las siguientes zonas de entre el evaporador y el compresor: EliminA lA PosibilidAd dE ExistEnciA dE vAPor

húmEdo En El comPrEsor, quE PuEdE cAusAr

• Al final del evaporador. • En la tubería de aspiración instalada dentro del espacio refrigerado. • En la tubería de aspiración instalada fuera del espacio refrigerado. • En la aspiración-líquido del intercambiador de calor.

2.4.1.1 Sobrecalentamiento

en la tubería de aSPiración fuera del eSPacio refrigerado

Si la tubería de aspiración está fuera del espacio refrigerado, el calor absorbido del aire de los alrededores no se aprovecha para su enfriamiento, por lo que debe evitarse este sobrecalentamiento. Puede reducirse el sobrecalentamiento aislando la tubería de aspiración. La pérdida de eficiencia del ciclo es suficiente para justificar el gasto que representa su aislamiento, dependiendo de la temperatura que se tenga en la aspiración, si ésta es relativamente alta (2 ºC a 4 ºC) el sobrecalentamiento será muy pequeño y podrá despreciarse su efecto en la eficiencia del ciclo; sin embargo, si es baja, el sobrecalentamiento será alto. Aun cuando las temperaturas de aspiración sean altas, el aislamiento de la tubería de aspiración es necesario para prevenir la formación de escarcha o condensación.

2.4.1.2 Sobrecalentamiento

del vaPor dentro del eSPacio refrigerado

El sobrecalentamiento del vapor de aspiración dentro del espacio refrigerado puede verificarse al final del evaporador, en la tubería de aspiración localizada dentro del espacio refrigerado, o en ambas partes. Debido a que el calor necesario para sobrecalentar el vapor se toma del espacio refrigerado, la producción frigorífica por unidad de masa de refrigerante, aumenta en una cantidad igual a la cantidad de calor absorbido en el sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento dentro del espacio refrigerado, aumenta la temperatura en la tubería de aspiración, previniendo la formación de humedad y eliminando con ello la necesidad de aislar dicha tubería. Este sobrecalentamiento está limitado por la temperatura del espacio refrigerado. Normalmente, cuando se usa suficiente tubería, el vapor de la aspiración puede calentarse hasta alcanzar de 2 ºC a 3 ºC menos que la temperatura del espacio refrigerado. Por ejemplo, para una temperatura en el espacio refrigerado de 5 ºC, el vapor de la aspiración podrá estar sobrecalentado hasta aproximadamente 3 ºC.

2.4.1.3 Producción

bruta y Producción útil

En el diagrama p-h de la figura inferior de la página 60, el punto 1 representa el estado del fluido en la aspiración del compresor y el punto 4, el estado del fluido a la entrada del evaporador. La producción total del compresor, llamada producción frigorífica bruta (qec), indica la cantidad de frío producida por el compresor por kilogramo de fluido en circulación: qec = h1 - h4 Si consideramos ahora que el punto 1vr representa el estado del fluido justo a la salida del

espacio refrigerado, la producción frigorífica útil (qe) del compresor, que es la única producción utilizable dentro del espacio refrigerado, viene dada por: qe = h1vr - h4

2.4.2 efecto

del Subenfriamiento en el líquido

En el diagrama p-h de la figura se compara un ciclo saturado simple con otro en el cual el líquido es subenfriado de 40 ºC a 30 ºC antes de su llegada al dispositivo de expansión. p (bar)

10,17

45,4 ºC 3

VS

40 ºC

LS

2

30 ºC

2,43

4

4’

h4

h4’

-5 ºC

1

h1

h2

h (kJ/kg)

Cuando el líquido es subenfriado antes de llegar al dispositivo de expansión, se incrementa el efecto refrigerante. Este aumento en el efecto refrigerante (calor eliminado por kg de líquido durante el subenfriamiento) es la diferencia entre h4’ y h4, y es exactamente igual a la diferencia entre hvs y h3. La ganancia de producción frigorífica es: Dqe = hvs - h3 = h4’ - h4 El subenfriamiento del líquido frigorígeno se efectúa mientras se encuentra almacenado en el recipiente de líquido o mientras está circulando por la tubería de líquido cediendo su calor al aire del entorno. Muchas veces, el subenfriamiento de líquido tiene lugar en el mismo condensador (parte final), si su superficie se ha calculado lo suficientemente grande.

-5 ºC (2,43 bar)

-5 ºC (2,43 bar)

1

2

4

30 ºC (10,17 bar)

3

40 ºC (10,17 bar)

45,4 ºC (10,17 bar) VS

40 ºC (10,17 bar)

LS

2.4.3 intercambiadoreS

de calor aSPiración-líquido

Un método para subenfriar el líquido consiste en instalar un intercambiador de calor a contracorriente entre el líquido refrigerante (más caliente) y el vapor frío de la aspiración. El sobrecalentamiento que tiene lugar en la tubería de aspiración, por lo general, no tiene utilidad alguna; pero al subenfriar el líquido, antes de su admisión en el dispositivo de expansión, se aumenta el efecto refrigerante (qe), desplazándose hacia la izquierda el punto 4’. p (bar)

10,17

2,43

3

LS

4

4’

h4

h4’

40 ºC

-5 ºC

VS

1’

2’

2

1

h1’

h1

h (kJ/kg)

Los vapores alcanzan un sobrecalentamiento isobárico en el cambiador desde 1’ hasta 1, y la cantidad de calor absorbida por el vapor permite el enfriamiento del líquido desde LS hasta 3. La ganancia de frío Dqe por kilogramo es: Dqe = h4’ - h4 Puede establecerse como balance térmico, suponiendo que no existen pérdidas, el siguiente: hLS - h3 = h1 - h1’ ; el efecto refrigerante será, por tanto, h1 - h4.

-5 ºC (2,43 bar)

4

-5 ºC (2,43 bar)

3

1’

bar) 15 ºC (2,43 bar)

1

2

bar)

45,4 ºC (10,17 bar) VS

30 ºC (10,17 bar)

Cambiador de calor

40 ºC (10,17 bar)

bar)

LS

40 ºC (10,17 bar)

Las ventajas de incorporar el intercambiador de calor para subenfriamiento de líquido son compensadas aproximadamente con las desventajas de sobrecalentar al vapor. Por tanto, no puede justificarse el intercambiador de calor para aumentar la capacidad y eficiencia del sistema. En un ciclo real, el vapor de aspiración siempre estará sobrecalentado antes del proceso de compresión: si no se sobrecalienta en el evaporador, lo hace en la tubería de aspiración. Además, a medida que el vapor de aspiración fluye dentro del compresor, éste se sobrecalienta absorbiendo calor de las paredes calientes del cilindro. Los intercambiadores de calor se utilizan para sobrecalentar el vapor de forma que se tenga la seguridad de que el refrigerante entrará al compresor en forma de gas y no de líquido. Por otra parte, el subenfriamiento del líquido a la salida del condensador evita la formación de burbujas, facilitando el flujo de refrigerante a través del dispositivo de expansión.

2.4.4 efecto

de laS PérdidaS de PreSión debidaS al rozamiento

Debido al rozamiento, el refrigerante experimenta una caída de presión cuando fluye por tuberías, válvulas, evaporador, condensador, depósito recibidor y pasos en el compresor. En la figura de la página siguiente se muestra el diagrama p-h, donde se compara un ciclo saturado simple con un ciclo real en el que se muestran las pérdidas de presión en las diferentes partes del sistema, sin tener en cuenta el sobrecalentamiento ni el subenfriamiento. La línea 4’1’ representa el proceso de vaporización en el evaporador donde el refrigerante sufre una caída de presión de 0,37 bar. Mientras que la presión y temperatura de saturación a la entrada del evaporador son 2,62 bar y -3 ºC, respectivamente, la presión y temperatura del vapor saturado a la salida del evaporador son de 2,25 bar y -7 ºC, respectivamente. La temperatura de vaporización media es de -5 ºC, igual que la del ciclo saturado. Debido a la caída de presión en el evaporador, el vapor sale del evaporador: • A una presión y temperatura de saturación menor. • Con un volumen específico mayor.

• Con un caudal másico (y un efecto refrigerante) aproximadamente igual. • Con un caudal volumétrico desplazado por el compresor mayor (debido al aumento del volumen específico). • Con una relación de compresión mayor, por tanto, la potencia requerida por el compresor por capacidad frigorífica también será mayor.

p (bar) 2’’ A B

10,17

C

2,62 2,43 2,25

42 ºC

44 ºC 40 ºC 35 ºC

-3 ºC D E

-5 ºC -7 ºC

45,4 ºC 3

2’ 2

3’

4’ 4

1 1’

F

1’’ 1’’’

h (kJ/kg)

figura (A) Válvulas de descarga del compresor. (B) Tubería de descarga y condensador. (C) Tubería de líquido. (D) Evaporador. (E) Tubería de aspiración. (F) Válvulas de aspiración del compresor.

La línea 1’-1’’ representa la caída de presión del vapor refrigerante en la tubería de aspiración. Al igual que la caída de presión en el evaporador, la caída de presión en la tubería de aspiración provoca que el vapor llegue al compresor a menor presión. Esto provoca un aumento en el caudal volumétrico y, por tanto, un aumento en la potencia requerida. En la práctica, la caída de presión en un evaporador bien diseñado es de 0,14 bar a 0,20 bar. La tubería de aspiración debe diseñarse de manera que la caída de presión no cause una caída mayor de 0,5 ºC a 1 ºC en la temperatura de saturación. La línea 1’’-1’’’ representa la caída de presión del vapor refrigerante al pasar a través de las válvulas de aspiración. El resultado de esta caída de presión, en cuanto a eficiencia del ciclo, es el mismo que el que produce la caída que se tiene en la tubería de aspiración. La línea 1’’’-2’’ representa el proceso de compresión. El vapor es comprimido en el cilindro hasta una presión considerablemente mayor que la presión promedio de condensación. Esto es necesario para forzar la salida del vapor a través de las válvulas de descarga contra la presión de condensación. La línea 2’’-2’ representa la caída de presión necesaria para forzar la apertura de las válvulas de

descarga contra la acción de los resortes y forzar la salida del vapor por las válvulas de descarga y pasajes del compresor hacia la tubería de descarga. La línea 2’-3 representa la caída de presión del refrigerante a través de la tubería de descarga y el condensador. Cualquier caída de presión en el lado de la descarga del compresor (válvulas de descarga, tubería de descarga y condensador) tendrá el efecto de aumentar la presión en la descarga y, por tanto, aumentar el trabajo (potencia) de compresión. La línea 3-3’ representa la caída de presión del refrigerante a través del recipiente y de la tubería de líquido. Debido a que el refrigerante en 3 es líquido saturado, la temperatura de éste debe disminuir a medida que la presión disminuye. Si el líquido no se subenfría, a medida que su presión disminuya, una parte de éste se transforma instantáneamente en vapor dentro de la tubería de líquido. La presión y la temperatura del líquido deben reducirse a las condiciones de vaporización antes de entrar al evaporador. Si una parte del líquido refrigerante se vaporiza antes de llegar al dispositivo de expansión, la eficiencia del ciclo no se ve afectada, pero se reduce la capacidad de la tubería de líquido y del dispositivo de expansión. Además, el paso del vapor a través del dispositivo de expansión causaría erosión en la aguja y asiento de la válvula. En la figura siguiente se muestra un diagrama p-h de un ciclo de refrigeración típico, en el cual se muestran los efectos combinados de caída de presión, subenfriamiento y sobrecalentamiento, comparado con el diagrama p-h de un ciclo saturado simple. p (bar) 2’’ 45,4 ºC

A B

10,17

C

40 ºC 35 ºC 3’

2’

3

2 35 ºC

4’ 2,43

D E F

-5 ºC

4

1 Subenfriamiento en la tubería de líquido Sobrecalentamiento en la líquido tubería de succión succión

1’

1’’ 1’’’ Sobrecalentamiento en el cilindro h (kJ/kg )

Análisis

y rendimiento de compresores alternativos

3

Contenidos 3.1 Características de los compresores alternativos 3.2 Proceso de compresión ideal 3.3 Rendimiento volumétrico 3.4 Proceso de compresión real. Rendimientos de un compresor

Índice

3.1 caracteríSticaS

de loS comPreSoreS alternativoS

volver

El estudio termodinámico de la compresión es válido para todos los tipos de compresores: alternativos, rotativos y turbocompresores centrífugos. No obstante, en esta sección se pondrá más énfasis en el estudio de los compresores alternativos de pistón (émbolo). Las siguientes definiciones son comunes a todas las máquinas alternativas de émbolo: • Punto muerto SuPerior (PmS) y Punto muerto inferior (Pmi). Posición extrema del pistón más alejada o más cercana respectivamente del cigüeñal. • carrera (l). Longitud recorrida por el pistón entre el PMS y el PMI. • cilindrada (Vt). Volumen desplazado (o de embolada) entre el PMS y el PMI: π Vt = $ D2 $ L 4 • eSPacio

o

volumen

reSidual

(Vr). Espacio comprendido entre la culata y la cabeza del

pistón cuando éste está en el PMS. Este volumen nunca puede ser cero. • relación

de comPreSión

(rc). Relación entre la presión de descarga y la presión aspiración

(succión). Normalmente, en una etapa de compresión, rc < 4. rc =

presión absoluta en la descarga presión absoluta en la succión

.

pc pe

El elemento fundamental de un compresor alternativo es un cilindro provisto de émbolo, que es accionado mediante un sistema de biela manivela. El cilindro tiene dos válvulas denominadas de aspiración (VA) y de expulsión o descarga (VE) que facilitan la entrada y salida del gas de forma conveniente, cuya apertura se realiza por diferencias de presión.

Expulsión

Cilindro

Biela

Manivela

VE VA Pistón

Aspiración

El proceso completo de compresión comprende cuatro carreras de émbolo con un giro del eje de rotación. Presión (p)

pe = p2’ = p3

!

2 2’

3

DEfinición

diagrama indicador o indicado: representación gráfica del proceso del ciclo real de la máquina en un diagrama p-V, (ver figura).

4’

pa = p4’ = p1 Vr

4 V3

1 Vd V1

Volumen (V)

El área 1-2-3-4 encerrada por el diagrama del ciclo es una medida del trabajo del ciclo. Por comparación se ha trazado el ciclo ideal 1-2’-3-4’. Las presiones pa y pe representan las presiones a la entrada (aspiración) y a la salida (expulsión o descarga) del compresor. La figura siguiente muestra un compresor con el pistón en cuatro posiciones, durante la carrera que efectúa dentro del cilindro. Las cuatro posiciones (etapas o carreras) son: • comPreSión (1-2). Las válvulas están cerradas y el gas está dentro del cilindro (a). El émbolo inicia su movimiento desde la posición de máximo volumen PMI hasta que se alcanza una presión determinada que abre la VE (b).

• exPulSión o deScarga (2-3). La VE está abierta. El émbolo prosigue su movimiento hasta la posición de mínimo volumen PMS (c). • reexPanSión (3-4). Con las válvulas cerradas, el émbolo inicia su movimiento desde el PMS (d) hasta el momento que la baja presión abre la VA (e). • Succión o aSPiración (4-1). La VA está abierta. Entra gas en el cilindro, desplazándose el émbolo hacia el PMI (f). A partir de aquí se inicia un nuevo ciclo.

PMS PMI

(a)

(b)

(d)

(c)

(e)

(f)

Para evitar que el pistón choque contra la placa de la válvula cuando se encuentra en la parte superior, los compresores alternativos se diseñan con un pequeño espacio (espacio o volumen residual, Vr) entre la parte superior del pistón (PMS) y la placa de la válvula. No todo el vapor de alta presión pasará a través de las válvulas de descarga al final de la carrera de compresión. Permanece una cierta cantidad dentro del cilindro en el espacio residual entre el pistón y la placa de la válvula.

3.2 ProceSo

Q<0 Wc < 0

p 3

2

p4 = p1 4

1

V2

!

Hipótesis que se establecen:

• Volumen residual nulo. • Aspiración (etapa 4-1) y descarga (etapa 2-3) a presión constante. • Compresión reversible: ausencia rozamientos en las paredes del cilindro.

VA

p2 = p3

vaPor reSidual: vapor que permanece en el espacio residual al final de cada carrera de descarga.

Sin eSPacio reSidual

Una simplificación del ciclo real consiste en suponer que las etapas 2-3 y 4-1 sean procesos a presión constante y que el proceso de compresión se realiza sin espacio residual, como se indica en el diagrama siguiente.

VE

DEfinición

volver

de comPreSión ideal

3.2.1 comPreSor

!

V1

Vóv

de

La válvula VA se abre en el PMS (4). El émbolo se desplaza hasta 1, y el cilindro se llena de gas a presión constante (p4 = p1 = cte) según la línea 4-1 (aspiración). En el PMI se cierra (instantáneamente) la válvula VA y con las dos válvulas cerradas tiene lugar la compresión 1-2. Antes de que el émbolo llegue de nuevo al PMS, se abre la válvula VE y se descarga el gas a presión constante (p2 = p3 = cte) según la línea 2-3 (descarga). Al llegar el émbolo al PMS (3) tiene lugar una expansión súbita 3-4, repitiéndose el proceso cíclico.

El trabajo resultante wth (trabajo teórico) corresponde al área rayada de la figura anterior: 2

wth = # v $ dp 1

Para idealizar el proceso, basta suponer que la etapa 1-2 transcurre de forma ideal. La compresión reversible de un gas ideal puede realizarse según tres procesos ideales: • Proceso adiabático, sin refrigeración i/o eliminación de calor al exterior (q = 0). Un caso particular de proceso adiabático es el proceso isentrópico o proceso adiabáticoreversible, sin rozamiento. • Proceso isotérmico, con refrigeración perfecta, manteniendo la temperatura del gas constante en todo el proceso (DT = 0). • Proceso politrópico, con refrigeración imperfecta. Se cumple: wisot < wpolit < wadiab.

En un proceso de compresión isotérmico, el trabajo del ciclo de compresión se reduce con respecto al proceso de compresión isentrópico. El área rayada de la figura siguiente muestra la reducción de trabajo en el ciclo si éste se realizara en compresión isotérmica. Presión p2

3

2

2’

Isentrópico

p1

4

Isotérmico

1

0 Volumen

La compresión isotérmica no es práctica para un compresor de refrigeración debido a que se tendría líquido saturado en la descarga del compresor. Además, sería necesario un medio de enfriamiento demasiado bajo para enfriar el compresor y mantener la temperatura de descarga constante, lo cual no tiene sentido, pues este mismo medio podría ser utilizado directamente como refrigerante y no habría necesidad de un ciclo de refrigeración. Debido a que siempre hay transferencia de calor del compresor al aire de los alrededores, la compresión no es totalmente isentrópica, sino politrópica. Aun así, para un compresor enfriado con aire, la transferencia de calor al aire es pequeña y, por tanto, suponer una compresión isentrópica para el ciclo ideal no presenta mucho error. Un compresor que se aproxima más a una compresión isotérmica es aquel que dispone de una camisa de agua para disminuir la temperatura en las paredes del cilindro y, por tanto, aumentar el enfriamiento durante la compresión. Este enfriamiento reduce el trabajo de compresión, sin embargo, esta reducción no es lo suficiente como para justificar el uso de una camisa de agua. El uso de la camisa de agua en un compresor no es tanto para aumentar su eficiencia, sino para reducir las altas temperaturas de descarga, que tienen como consecuencia la carbonización del aceite y la formación de ácidos.

3.2.2 comPreSor

con eSPacio reSidual

En un compresor con espacio residual se tienen las mismas consideraciones e hipótesis que en el caso en que no había espacio residual.

Q (-) VE

Wc (-)

VA p pe = p2 = p3

Descarga 3 2 Compresión

Reexpansión p · Vn = cte pa = p4 = p1

4

Volumen residual reexpandido V3 Vr = α · Vt

Admisión

V4

Vd

1

Vd = Volumen del cilindro lleno con vapor de aspiración

Vt PMS

V

V1

Volumen total del cilindro

PMI

rEsiduAl ExPAndido

+ volumEn

! volumEn

totAl dEl cilindro

= volumEn

dEl cilindro llEno con vAPor dE AsPirAción

En el punto 3, el pistón está en la parte superior de su carrera (PMS); tanto la válvula VA como la VE permanecen cerradas. La presión alta del vapor contenido en el espacio residual actúa hacia arriba sobre las válvulas VA y VE y las mantiene cerradas. A medida que el pistón se mueve a la derecha en la aspiración (línea 3-4), se expande el vapor de alta presión contenido en el espacio residual, disminuyendo la presión en el cilindro a medida que aumenta el volumen del vapor contenido en el espacio residual. Cuando el pistón llega al punto 4, la presión del vapor expandido en el cilindro, es ligeramente menor que la presión en la tubería de aspiración, por lo que la válvula VA se ve forzada a abrirse. La admisión dentro del cilindro empieza cuando la válvula VA se abre en el punto 4 y continúa hasta que el pistón llega a la parte inferior de su carrera (PMI) en el punto 1. Desde el punto 4 hasta el 1, el cilindro se llena con vapor de la aspiración y la presión dentro del cilindro permanece constante e igual a la presión de aspiración. En el punto 1, se cierra la válvula VA, generalmente por la acción del resorte y empieza la carrera de compresión. La presión del vapor en el cilindro aumenta a lo largo de la línea 1-2 a medida que el pistón se mueve hacia la derecha en la carrera de compresión. Cuando el pistón llega al punto 2, la presión en el cilindro ha aumentado hasta ser mayor que la presión del vapor en el cabezal del compresor con lo que la válvula VE se ve forzada a abrirse pasando el vapor de alta presión a través de la misma hacia la tubería de descarga (gas caliente). El vapor a través de la válvula VE continúa hasta que el pistón se desplaza desde 2 hasta 3 mientras que la presión en el cilindro permanece constante a la presión de descarga. Cuando el pistón regresa al punto 3, se completa el ciclo de compresión. Hay que observar que mientras la cilindrada es Vt, el volumen de gas de entrada al cilindro o volumen desplazado es Vd. En base a esto, definimos el coeficiente de espacio residual (a) como la relación volumétrica entre el espacio residual Vr y la cilindrada Vt.

a=

Vr & Vr = a $ Vt Vt

donde a se expresa en % de la cilindrada: a = 1%, en grandes compresores; a = 6-8%, en la mayor parte de compresores; a > 10%, en pequeños compresores. El diagrama de la figura siguiente ayuda a entender la operación del compresor. Se traza la presión del cilindro con respecto a la posición (tiempo) de la manivela. Descarga

Presión 3 pe

2

Compresión

Reexpansión

4

pa

Admisión

0

3

1

180

360 Posición de la manivela

3.3 rendimiento 3.3.1 efecto

volumétrico

volver

del incremento del eSPacio reSidual

Al aumentar el volumen del espacio residual del compresor con respecto al desplazamiento del pistón, se incrementa el porcentaje de vapor de alta presión que permanece en el cilindro al final de la carrera de compresión. Cuando este vapor se reexpande (aspiración), un gran porcentaje del volumen total del cilindro se llena con este vapor reexpandido y el volumen de vapor aspirado en cada carrera será menor. Por tanto, para tener el rendimiento volumétrico máximo, el volumen del espacio residual debe ser lo más pequeño posible. Por lo tanto, debido al espacio residual Vr, el volumen de vapor admitido o desplazado Vd es siempre menor que el volumen barrido por el pistón, o cilindrada, Vt. A mayor espacio residual, menor cantidad de vapor descargado.

3.3.2 variación

del rendimiento volumétrico con la PreSión de aSPiración

y deScarga

Si aumenta la presión de descarga, el vapor del espacio residual se comprimirá a mayor presión, necesitándose una mayor reexpansión para expandir el vapor hasta la presión de aspiración. Del mismo modo, si AumEntAr lA PrEsión dE dEscArgA o disminuir disminuye la presión de aspiración, el vapor del lA PrEsión dE AsPirAción, tiEnE El mismo espacio residual experimentará una mayor reexpansión EFEcto sobrE El rEndimiEnto volumétrico quE para expandirse a una presión menor antes que se abra si sE AumEntArA El EsPAcio rEsiduAl. la válvula de aspiración. Por tanto, el rendimiento volumétrico aumenta al aumentar la presión de aspiración y disminuye al aumentar la presión de descarga.

!

Si las presiones de aspiración y de descarga varían de tal manera que se incrementa el valor de la relación de compresión, disminuirá el rendimiento volumétrico del compresor.

3.3.3 caudal

volumétrico deSPlazado Por el comPreSor

El volumen real del vapor desplazado en la unidad de tiempo proveniente de la tubería de

aspiración es el caudal volumétrico desplazado por el compresor (desplazamiento real del compresor). Depende del volumen específico que tenga el vapor en el punto de aspiración y del caudal másico de la instalación. Se calcula de la siguiente forma: o $v Vo d = m 1 o = caudal másico (kg/s); v = volumen siendo: Vo d = caudal volumétrico aspirado (m3/s); m 1 específico del fluido frigorígeno a la entrada del compresor (m3/kg). Cuanto mayor es el volumen específico del vapor mucho peor para la instalación ya que el compresor debería tener más cilindrada para mover el mismo caudal másico de refrigerante. El sobrecalentamiento influye en el volumen específico; si aumenta el sobrecalentamiento, aumenta también el volumen específico del vapor aspirado y esto implica que el compresor debe tener mayor cilindrada para poder generar la misma producción frigorífica.

3.3.4 caudal

volumétrico teórico o barrido Por el PiStón

El volumen de refrigerante que el compresor es capaz de mover en la unidad de tiempo es el caudal volumétrico teórico o barrido por el pistón (desplazamiento teórico del compresor). Depende de las características constructivas del compresor, es decir, de la capacidad de sus cilindros (cilindrada) y de la velocidad de giro del motor. Es por lo tanto, el caudal teórico que podría mover el compresor. Este dato es el que aparece en los catálogos de los fabricantes y es con el que se debe seleccionar el compresor. El desplazamiento del pistón de un compresor alternativo es el caudal volumétrico total barrido en el cilindro: π $ D2 n m $ N (m3/s) $L$c Vo t = 4 60 π $ D2 $ L $ ^n $ 60h $ N (m3/h) Vo t = 4 donde: Vo t = desplazamiento del pistón; D = diámetro del cilindro (agujero) (m); L = longitud de la carrera (m); n = revoluciones por minuto del cigüeñal (rpm); N = número de cilindros. Para una cilindrada fija, el caudal volumétrico teórico variará en relación con las velocidades si la velocidad de rotación del compresor pasa de n rpm a n1 rpm: n Vo t1 = Vt $ 1 n

EjEmplo 1 Calcular el desplazamiento teórico de un compresor de 4 cilindros girando a 1.450 rpm, si el diámetro del cilindro es 6,50 cm y la longitud de la carrera es 5,20 cm. n 1.450 π $ D2 π $ 0, 0652 m$N = o $ 4 = 0, 01668 m3 /s Vo t = $L $c $ 0,052 $ e 4 60 4 60

3.3.5 cálculo

del rendimiento volumétrico

El rendimiento volumétrico de un compresor alternativo (hv), que se determina experimentalmente, es la relación entre caudal volumétrico útil a la entrada del compresor (caudal volumétrico desplazado) y el caudal volumétrico teórico: hv =

Vo d Vo t

El rendimiento volumétrico de un compresor es difícil de calcular, pudiendo obtenerse con exactitud en base a pruebas reales realizadas al compresor en el laboratorio. Sin embargo, los resultados de tales pruebas indican que el rendimiento volumétrico de cualquier compresor depende principalmente de la relación de compresión: hv = 1 - 0, 05 $ ηv (%)

pc (espacio residual del 5%: 0,05) pe La curva de la figura adjunta muestra el valor del rendimiento volumétrico de un compresor típico (entre 5 HP y 25 HP) en función de la relación de compresión. Cuanto más grande sea un compresor, mejor será su rendimiento volumétrico.

90 80 70 60 50 40 30 20

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14

Relación de compresión

Lo factores que tienden a limitar el volumen del vapor desplazado Vd por carrera de trabajo (modifican el rendimiento volumétrico), son los siguientes:

• eSPacio reSidual. En el diagrama p-V, la diferencia entre V3 y V1 es el volumen desplazado. De V3 hasta V4, el volumen del espacio residual se expande, antes que la válvula de aspiración se abra. La diferencia entre V4 y V1 es el volumen aspirado. • caída de PreSión. El vapor aspirado experimenta una leve expansión por la caída de presión debido a la válvula de aspiración y a los conductos del compresor. Por lo tanto, la presión del vapor de aspiración que llena el cilindro del compresor, siempre es menor que la presión del vapor que se tiene en la tubería de aspiración. • calentamiento del cilindro. El calentamiento del cilindro por el rozamiento, provoca el calentamiento del vapor aspirado, y hace que se expanda cuando entra en el cilindro. Debido a esto, disminuye la masa de vapor que entra de la aspiración. Si aumenta la relación de compresión, también aumenta el calentamiento del cilindro. • fugaS internaS. Las fugas, a través de la válvula de descarga o alrededor del pistón, hacen disminuir el volumen desplazado por el compresor. Debido a que no es posible diseñar válvulas que cierren instantáneamente, siempre habrá una cierta cantidad de vapor que se fugue. La cantidad de fugas a través de las válvulas depende de la relación de compresión y de la velocidad del compresor. El caudal volumétrico aspirado por el compresor (inferior al caudal volumétrico teórico), función del espacio residual, de la relación de compresión, de la apertura y cierre de las válvulas de aspiración y de descarga, se obtiene conociendo el valor de hv: Vo d = Vo t $ hv

3.4 ProceSo comPreSor

de comPreSión real. volver

rendimientoS

de un

Los procesos de compresión considerados (adiabático, isotérmico y politrópico) se han supuesto que son reversibles (ausencia de fricción). En la compresión real hay una energía mecánica perdida por rozamiento que da lugar a las irreversibilidades del proceso. Se definen a continuación los siguientes rendimientos, válidos para cualquier tipo de compresor.

3.4.1 rendimiento

iSentróPico

(interno)

El trabajo de compresión determinado a partir del diagrama indicado se llama trabajo indicado. Si el diagrama indicado es de un ciclo de compresión ideal, el trabajo indicado calculado a partir

de dicho diagrama es igual al trabajo teórico (wth); si el diagrama indicado es de un ciclo de compresión real, el trabajo indicado es igual al trabajo interno (wc). Aunque el proceso de compresión reversible puede ser adiabático, isotérmico o politrópico, normalmente se suele trabajar con el rendimiento interno adiabático del compresor: hi =

potencia o trabajo adiabático - reversible potencia o trabajo interno^realh

=

wadiab - rev w P = i = i wc wc Pc

A partir de la ecuación simplificada de la primera ley de la termodinámica, aplicable al proceso de compresión adiabático-reversible y al proceso de compresión real, tenemos: • Compresión adiabático-reversible (isentrópica): wi = - ^h2s - h1h • Compresión real (irreversible): wc = - ^h2 - h1h

siendo: h1 = entalpía específica entrada compresor; h2s = entalpía específica salida compresor

(adiabático-reversible); h2 = entalpía específica salida compresor (real). Por tanto: hi =

wi h - h1 -^h2s - h1h h2s - h1 & h2 = h1 + 2s = = wc hi h2 - h1 -^h2 - h1h

3.4.2 rendimiento

mecánico

El rozamiento mecánico en el compresor depende de la velocidad de rotación, pero para cualquier velocidad, el rozamiento mecánico y, por lo tanto, la potencia del motor de accionamiento del compresor, permanecerá prácticamente constante para todas las condiciones de operación. Las pérdidas mecánicas en la transmisión de la potencia son debidas a los cojinetes, la bielamanivela, el prensaestopas, etc. El rendimiento mecánico se define por la relación entre la potencia interna (real) y la potencia del motor de accionamiento, que se suministra sobre el eje del compresor: potencia interna^realh

hm =

potencia del motor de accionamiento^mecánicah

=

wc P = c wm Pm

El rendimiento mecánico se puede conocer de las características mecánicas que proporciona el fabricante. En ausencia de datos, hm ≈ 0,85-0,95 (rendimiento medio del 90%). El trabajo del motor de accionamiento del compresor, teniendo en cuenta el rendimiento mecánico, será (hi = rendimiento isentrópico; hm = rendimiento mecánico): wm =

wc wi 1 1 = = wi $ $ hm hi $ hm hi hm

Por lo tanto tenemos que: wm =

h2 - h1 h2s - h1 = hm hi $ hm

La potencia a suministrar sobre el eje del compresor (potencia de accionamiento) es: Pm =

o $ ^h - h h m Pi 2s 1 = hi $ hm hi $ hm

3.4.3 rendimiento

del comPreSor y

coeficiente

de

eficiencia frigorífica

El rendimiento del compresor tiene en cuenta el rendimiento isentrópico y mecánico: hc =

potencia adiábatico - reversible potencia del motor de accionamiento^mecánicah

Pi

=

Pi = hi $ hm Pm

Pc

Pi

ηi

Pi

Pm ηm

El coeficiente de eficiencia de un ciclo de refrigeración real (EER) es: EER =

efecto refrigerante calor de comprensión

3.4.4 reSumen • rendimiento

=

qe h - h4 = 1 wc h2 - h1

de rendimientoS

volumétrico.

(hv), depende principalmente de la relación de compresión y

algo de la velocidad del compresor. Se ha comprobado que compresores de las mismas características de diseño tienen aproximadamente los mismos rendimientos volumétricos, independientemente del tamaño del compresor que se trate. • rendimiento

interno.

(hi), depende igualmente de la relación de compresión. Tiene el

mismo orden de magnitud que el rendimiento volumétrico (hi ≈ hv).

• rendimiento mecánico. (hm), depende de la velocidad de rotación. Para una misma velocidad, será máximo cuando el compresor esté muy cargado.

• rendimiento eléctrico. (he), depende de la potencia del motor. Cuanto mayor es la potencia

eléctrica del motor, mayor será su rendimiento. (pc/pe)

hv (%)

hi (%)

hm (%)

he (%)

2

88

90

85 a 93

85 a 90

4

83

82

85 a 93

85 a 90

6

78

74

85 a 93

85 a 90

Utilización

del diagrama entálpico

4

Contenidos 4.1 Determinación de las magnitudes de una instalación de simple etapa 4.2 Análisis del funcionamiento de una instalación de simple etapa 4.3 Dimensionado del compresor Índice

4.1 determinación

de laS magnitudeS de un comPreSor de

volver

SimPle etaPa

Este apartado trata de determinar las características geométricas de un compresor en función de los datos siguientes:

1. 2.

Potencia frigorífica nominal bruta: Qo e = 40.000 W Régimen de funcionamiento:

• Temperatura de vaporización: Te = -10 ºC. • Temperatura de condensación: Tc = +30 ºC.

3.

!

Fluido utilizado: R-134a. Antes de comenzar con la resolución del problema, es necesario considerar cierto número de hipótesis, que son las siguientes:

•

El compresor funciona bajo régimen seco (sobrecalentado).

•

El sobrecalentamiento de los vapores aspirados es de 10 K, o sea, T1 = 0 ºC.

•

El subenfriamiento del líquido antes de la expansión es de 5 K, o sea, T3 = +25 ºC.

•

El rendimiento mecánico es: hm = 0,90.

•

El rendimiento isentrópico (hi) tiene el mismo valor que el rendimiento volumétrico (hv), siendo el valor de este último: hv = 1 - 0, 05 $

pc pe

p T2 = 52,15 ºC

(bar)

7,70

LS

3

+25 ºC

6,65

T2S = 45,26 ºC

Tc = +30 ºC

VS

2s

2

ºC

0 ºC

2,01

4

h4

Te = -10 ºC

1VS

h1vs h1

1

h2s h2

Sobre el diagrama entálpico del R-134a se traza el ciclo frigorífico correspondiente al funcionamiento enunciado y se deducen los valores de las magnitudes características a los diferentes puntos particulares del ciclo. Para calcular la temperatura en 2s, se sigue la isentrópica que pasa por 1, hasta cortar la isobara de alta presión (T2s = 45,26 ºC).

Punto

p (bar)

T (ºC)

v (dm3/kg)

h (kJ/kg)

s (kJ/kg · K)

1vs

2,01

-10,00

99,54

392,58

1,7331

1

2,01

0,00

104,40

401,02

1,7646

2s

7,70

45,26

29,11

430,37

1,7646

2

7,70

52,15

30,15

437,34

1,7872

VS

7,70

30,00

26,65

414,69

1,7141

LS

7,70

30,00

0,84

241,83

1,1429

3

7,70

25,00

0,83

234,67

1,1195

4

2,01

-10,00

23,80

234,67

1,1331

Cálculo del rendimiento volumétrico: hv = 1 - 0, 05 $

pc 7, 70 = 1 - 0, 05 $ = 0, 808 (80,8%) 2, 01 pe

Considerando un rendimiento isentrópico igual al rendimiento volumétrico: hi = hv = 0, 808 (80,8%) Cálculo de la entalpía y de la temperatura (aproximada) en el punto 2: hi =

h2s - h1 h - h1 430, 37 - 401, 02 & h2 = h1 + 2s = 401, 02 + = 437, 34 kJ/kg hi 0, 808 h2 - h1

A continuación se determinan los parámetros característicos de la instalación: 1. Producción

FrigoríFicA másicA

(Por kg

dE Fluido)

qe = h1 - h4 = 401,02 - 234,67 = 166,35 kJ/kg 2. Producción qv =

FrigoríFicA volumétricA

(Por m3

AsPirAdo)

qe 166, 35 = = 1.593, 39 kJ/m3 v1 0, 1044

3. trAbAjo

isEntróPico o idEAl dE comPrEsión

(Por kg

dE Fluido)

wi = h2s - h1 = 430,37 - 401,02 = 29,35 kJ/kg 4. trAbAjo

rEAl dE comPrEsión

(Por kg

dE Fluido)

wc = h2 - h1 = 437,34 - 401,02 = 36,32 kJ/kg hi =

wi w 29, 35 & wc = i = = 36, 32 kJ/kg wc hi 0, 808

5. cAudAl o = m

másico dE Fluido

(gAsto

dE mAsA)

Qe 40 = = 0, 2405 kg/s 166, 35 qe

6. cAudAl

volumétrico dEsPlAzAdo Por El comPrEsor

o $ v = 0, 2405 $ 104, 40 = 25, 104 dm3 /s = 90, 38 m3 /h Vo d = m 1

x

0,233

7. cAudAl

volumétrico tEórico

Vo 25, 104 Vo t = d = = 31, 069 dm3 /s = 111, 85 m3 /h hv 0, 808 8. PotEnciA

isEntróPicA o idEAl dEl comPrEsor

o $w = m o $ ^h - h h = 0, 2405 $ 29, 35 = 7, 059 kW Pi = m 1 2s 1 9. PotEnciA Pc =

rEAl dEl comPrEsor

Pi 7, 059 = = 8, 736 kW hi 0, 808

10. cAntidAd

dE cAlor A EvAcuAr En El condEnsAdor

Qo c = Qo e + Pc = 40 + 8, 736 = 48, 736 kW o $ ^h - h h = 0, 2405 $ ^437, 34 - 234, 67h = 48, 742 kW Qo c = m 2 3 11. coEFiciEntE EERCarnot =

dE EFiciEnciA FrigoríFicA dEl ciclo

Qo e 40 = = 4, 58 Pc 8, 736

13. rEndimiEnto hCarnot =

cArnot

Te 263, 15 = = 6, 579 303, 15 - 263, 15 Tc - Te

12. coEFiciEntE EERciclo =

dE EFiciEnciA FrigoríFicA dE

dEl ciclo dE

cArnot

EERciclo 4, 58 = = 0, 696 6, 579 EERCarnot

14. PotEnciA

mEcánicA dEl comPrEsor

La potencia mecánica es la potencia real requerida por el árbol del compresor para realizar el proceso de compresión. Debido a que el rendimiento mecánico es hm = 0,90: Pm =

Pc Pi P 7, 059 = = i = = 9, 707 kW hm hi $ hm hc 0, 727

15. PotEnciA

dEl motor Eléctrico

La potencia (activa) del motor eléctrico se puede calcular teniendo en cuenta el rendimiento eléctrico. Considerando un rendimiento eléctrico de he = 0,92: Pe =

Pm Pi P 7, 059 = = i = = 10, 55 kW he hi $ hm $ he hg 0, 669

16. coEFiciEntE EERinstalación =

dE EFiciEnciA FrigoríFicA dE lA instAlAción

Qo e 40 = = 3, 79 Pe 10, 55

4.2 análiSiS etaPa

del funcionamiento de una inStalación de SimPle

volver

En este apartado se tratará de determinar la potencia frigorífica desarrollada por el compresor en condiciones particulares de funcionamiento. Esto resulta útil cuando se trata de poner en servicio una instalación o cuando se quiere verificar su funcionamiento, ya sea para verificar la buena marcha de la instalación o detectar un funcionamiento anómalo. Para ello se requiere del conocimiento de un cierto número de magnitudes características de funcionamiento de la instalación (temperaturas, presiones, caudales de agua o de aire, potencia absorbida, etc.), que nos permitirán trazar el ciclo real de funcionamiento sobre el diagrama, y, además, comparándolo con el ciclo teórico, deducir: el rendimiento, la potencia frigorífica desarrollada por el compresor en determinadas condiciones de funcionamiento y, además, descubrir la presencia de anomalías funcionales. Consideraremos como ejemplo el fluido frigorígeno R-507. Conocemos las características geométricas y cualitativas del compresor (diámetro de los cilindros, carrera de los pistones, número de cilindros y velocidad de rotación), lo que nos permite calcular el volumen desplazado teórico, Vo t , en dm3/s. Además, mediante ensayos de laboratorio se ha podido determinar el rendimiento volumétrico (hv) y el rendimiento mecánico (hm). Para trazar el ciclo real de funcionamiento nos hará falta determinar las características de los puntos 1-2-3-4 para poder emplazarlos debidamente en el diagrama. Tomamos como ejemplo, una instalación frigorífica (ver figura) en la que se han colocado los aparatos de control que nos permitirán determinar las características de los puntos:

1vr

1

VR

2

LS 4

3

1) Aspiración del compresor

p1, T1

2) Descarga

p2, T2

3) Principio de la condensación

pc, Tc

4) Admisión en la válvula de expansión

pc, T3

5) Admisión en el evaporador

pe, Te

6) Salida del evaporador

pe, Te, x = 1

Los valores deducidos después del ensayo son, por ejemplo, los que se consignan en la tabla siguiente, y los valores de Vo t , hv y hm son, respectivamente: Vo t = 12, 5 dm3 /s = 45 m3 /h; h v = 0, 76; hm = 0, 90 Puntos

1vs

1vr

1

2

VR

LS

3

4

T (ºC)

-20

-15

-10

55,72

45,72

30

25

-20

p (bar)

3,14

3,14

3,02

14,69

14,59

14,59

14,59

3,14

Puntos

1vs

x

1

h (kJ/kg)

351,53

1vr

1

2

VR

LS

3

4

0 355,92

360,61

v (dm3/kg)

404,19

392,98

0,353

243,65

236,00

236,00

67,18

Las presiones expresadas en esta tabla son presiones absolutas. En el punto 2s (comprensión isentrópica), la temperatura es de 46,53 ºC y la entalpía es igual a 393,73 kJ/kg. La lectura de los manómetros de control muestra que las presiones de aspiración p1 y de descarga p2 son respectivamente: inferior a pe y superior a pc. Estas diferencias de presión ponen en evidencia las pérdidas de carga en la aspiración y en la descarga. Provistos de todos estos datos se pueden colocar los diversos puntos sobre el diagrama entálpico del fluido y trazar la curva correspondiente (ver figura del diagrama entálpico). Las coordenadas de estos puntos permiten determinar las magnitudes características de funcionamiento: p (bar)

14,6

3 LS

14,5 9

VS T3 = +25 ºC

9

3,14

1VS

1vr 1

3.02

h4

1. PérdidAs

h1VS

dE cArgA En lAs tubEríAs dE dEscArgA

Dpr = p2 - pc = 14,69 - 14,59 = 10 bar 2. PérdidAs

dE cArgA En lAs tubEríAs dE AsPirAción

Dpa = pe - p1 = 3,14 - 3,02 = 0,12 bar 3. volumEn

EsPEcíFico dEl Fluido En lA AsPirAción

v1 = 67,18 dm3/kg = 0,06718 m3/kg 4. Producción

FrigoríFicA brutA Por

kg

dE Fluido

qeb = h1 - h4 = 360,61 - 236,00 = 124,61 kJ/kg 5. Producción

FrigoríFicA nEtA Por

kg

dE Fluido

qen = h1vr - h4 = 355,92 - 236,00 = 119,92 kJ/kg 6. trAbAjo

2

Tc = +30 ºC

Te = -20 ºC 4

VR

isEntróPico dE comPrEsión Por

kg

h1vr

h1

hvr

h2

wi = h2s - h1 = 393,73 - 360,61 = 33,12 kJ/kg 7. trAbAjo

rEAl dE comPrEsión Por

kg

wc = h2 - h1 = 404,19 - 360,61 = 43,58 kJ/kg wc =

wi 33, 12 = = 43, 58 kJ/kg hi 0, 76

8. cAntidAd

dE cAlor A EvAcuAr En El condEnsAdor Por

kg

qc = hvr - hls = 392,98 - 243,65 = 149,33 kJ/kg 9. Producción qvb =

FrigoríFicA brutA Por

AsPirAdo

qeb 124, 61 = = 1.854, 89 kJ/m3 v1 0, 06718

10. Producción q vn =

m3

FrigoríFicA nEtA Por

m3

AsPirAdo

qen 119, 92 = = 1.785, 05 kJ/m3 v1 0, 06718

11. PotEnciA

FrigoríFicA brutA dEl comPrEsor

o $q = m o $ v $ q = Vo $ q = q $ Vo $ h = 1.854, 89 $ ^12, 5 $ 10-3h $ 0, 76 = 17, 621 kW Qo eb = m eb 1 vb a vb vb d v 12. PotEnciA

FrigoríFicA nEtA dEl comPrEsor

o $q = m o $ v $ q = Vo $ q = q $ Vo $ h = 1.785, 05 $ ^12, 5 $ 10-3h $ 0, 76 = 16, 958 kW Qo en = m en 1 vn a vn vn d v 13. cAudAl

másico dE Fluido FrigorígEno

Qo 17, 621 o = eb = m = 0, 1414 kg/s qeb 124, 61 14. cAudAl

o

o = m

Qo en 16, 958 = = 0, 1414 kg/s qen 119, 92

volumétrico dEsPlAzAdo

o $ v = 0, 1414 $ 67, 18 = 9, 50 dm3 /s = 34, 20 m3 /h Vo d = m 1 Vo d = Vo t $ hv = 12, 5 $ 0, 76 = 9, 50 dm3 /s = 34, 20 m3 /h 15. PotEnciA

térmicA intErcAmbiAdA En El condEnsAdor

o $ ^h - h h = 0, 1414 $ ^392, 98 - 243, 65h = 21, 115 kW Qo c = m vr ls Si se requiere, se pueden calcular las cantidades de calor para cada zona funcional del condensador. Suponiendo para este ejemplo que no hay subenfriamiento de líquido al final del condensador, se tendría: Enfriamiento (sensible)

qcs = h vr - h vs

Condensación (latente)

qcl = hvs - hls

Estado total

qc = h vr - hls

caSo

LS ºC

4

Práctico

Se trata de calcular los parámetros fundamentales de una instalación con refrigerante R-134a, partiendo de los siguientes datos: • Potencia (capacidad) frigorífica = 40 kW • Temperatura de vaporización = -10 ºC • Sobrecalentamiento a la salida del evaporador = 5 ºC • Sobrecalentamiento en la tubería de aspiración = 5 ºC • Temperatura de condensación = 45 ºC • Temperatura entrada válvula expansión = 40 ºC (subenfriamiento = 5 ºC) • Rendimiento mecánico, hm = 0,90 • Rendimiento isentrópico, hi = hv p (bar)

T2 = 75,62 ºC Tc = +45 ºC

3 LS

11,60

+40 ºC

VS

T2S = 61,10 ºC 2s

2

0 ºC -5 ºC Te = -10 ºC

4

2,01

h4

ProPiEdAdEs

térmicAs dEl rEFrigErAntE

1VS

1vr

h1vs h1vr h1

1

h2s h2

r-134A

En primer lugar se calcula el rendimiento volumétrico para conocer el rendimiento isentrópico, y a continuación se determinan las propiedades térmicas del refrigerante R-134a. hi = hv = 1 - 0, 05 $

pc 11, 60 = 1 - 0, 05 $ = 0, 71 (71%) 2, 01 pe

Punto

p (bar)

T (ºC)

1vr

2,01

-5,00

1

2,01

0,00

2s

11,60

61,10

v (dm3/kg)

h (kJ/kg) 396,79

104,40

401,02 439,56

x

1. cAPAcidAd

Punto

p (bar)

T (ºC)

v (dm3/kg)

h (kJ/kg)

2

11,60

75,62

455,31

LS

11,60

45,00

263,90

3

11,60

40,00

256,43

4

2,01

-10,00

256,43

x

0,339

FrigoríFicA EvAPorAdor

o $ ^h - h h = 40 kW Qo e = m 1vr 4 2. cAPAcidAd

FrigoríFicA comPrEsor

o $ ^h - h h 2 Qo Qo ec = m 1 4 e 3. Producción

FrigoríFicA másicA

qe = h1vr - h4 = 396, 8 - 256, 43 = 140, 36 kJ/kg 4. Producción qvn =

FrigoríFicA volumétricA

(nEtA

qe 140, 36 = = 1.344, 44 kJ/m3 v1 0, 1044

5. cAudAl

y brutA)

qvc =

qec 140, 59 = = 1.384, 96 kJ/m3 0, 1044 v1

másico dE rEFrigErAntE

Qo ec Qo e Qo 40 o = m = = e= = 0, 285 kg/s qe 140, 36 h1 - h4 h1vr - h4 6. cAudAl

volumétrico dEsPlAzAdo

o $ v = 3.600 $ 0, 285 $ 0, 1044 = 107, 1 m3 /h Vo d = 3.600 $ m 1 7. cAudAl

volumétrico tEórico

Vo 107, 1 Vo t = d = = 150, 8 m3 /h hv 0, 71 8. PotEnciA rEAl dEl comPrEsor o $ ^h - h h m 2s 1 o $ ^h - h h = 0, 285 $ ^455, 31 - 401, 02h = 15, 47 kW Pc = =m 2 1 hi 9. PotEnciA

cAloríFicA A EvAcuAr En El condEnsAdor

Qo c = Qo e + Pc = 40 + 15, 47 = 55, 47 kW Cálculo del caudal de aire necesario para enfriar el refrigerante en el condensador con un salto térmico del aire de 35 - 28 = 7 ºC: Vo o $ c $ ∆T = aire $ ρ $ c $ ∆T Qo c = m pa 3.600 a pa 3.600 $ Qo c 3.600 $ 55, 47 Vo aire = = = 23.678 m3 /h ρa $ cpa $ ∆T 1, 20 $ 1, 004 $ ^35 - 28h

4.3 dimenSionado

volver

del comPreSor

En la práctica, y para compresores medios, la velocidad lineal media del émbolo no sobrepasa de 3,5 m/s. Los compresores rápidos alcanzan un valor de hasta 4 m/s. Suponiendo x cilindros en el compresor (x = 1, 2, 4, 6, 8,...), el volumen desplazado teórico será: π $ D2 $ L $ ^n $ 60h (m3/h) Vo t = x $ 4 π $ D2 n m (m3/s) $L$c Vo t = x $ 4 60

π $ D2 El volumen teórico de un cilindro (cilindrada) es: Vo t = x $ $ L . En cada vuelta hay una 4 compresión, por tanto para calcular el volumen teórico, se multiplica el volumen del compresor por las vueltas (rpm). La velocidad media lineal del émbolo (pistón) viene dada por: vp =

2 $ L $ n L $n 1 3, 5 m/s = 30 60

4.3.1 cálculo

de laS caracteríSticaS del comPreSor

En los compresores comerciales, normalmente la longitud del cilindro es muy parecida a su longitud: L ≈ D. En el caso práctico anterior se obtuvo un caudal volumétrico teórico de 150,8 m3/h. Si se considera: n = 1.450 rpm, y D = L: π $ D3 $ ^1.450 $ 60h = 150, 8 m3 /h & x $ D3 = 0, 0022 Vo t = x $ 4 Dando valores al número de cilindros (x), creamos la siguiente tabla: L $ 1.450 (m/s) 30

Cilindros (x)

D = L (m)

1

0,130

6,28

2

0,103

4,98

4

0,082

3,96

6

0,072

3,48

vp =

Por tanto, las características del compresor serán las siguientes: • Número de cilindros: x = 6 unidades (v < 3,5 m/s) • Diámetro del cilindro: D = 72 mm • Se considera una relación L/D = 1 (generalmente: L/D = 0,8-1) • Carrera del cilindro: L = 1 · 72 = 72 mm • Revoluciones: n = 1.450 rpm

Cálculo del volumen de un cilindro (V1): V1 =

π $ D2 π $ D3 L π $ 0, 0723 $L = $ = $ 1 = 0, 000293 m3 = 0, 293 dm3 4 4 D 4

Cálculo del volumen de los seis cilindros (V6): V6 = 6 · V1 = 6 · 0,293 = 1,158 dm3

Comprobación del volumen de los seis cilindros del compresor: Vc =

Vo t 150, 8 = = 0, 001733 m3 = 1, 733 dm3 (OK) n $ 60 1.450 $ 60

4.3.2 caPacidad

frigorífica del comPreSor

La capacidad frigorífica del compresor (Qo ec ) es la que da el catálogo, para una determinada relación de compresión (pc/pe), en kW. o $ ^h - h h = 0, 285 $ ^401, 02 - 256, 43h = 41, 21 kW Qo ec = m 1 4 Conociendo los datos de los cilindros del compresor, se obtiene: n 1.450 π $ D2 π $ 0, 0722 m $ ηv $ q vc = m $ 0, 71 $ 1.385 = 41, 77 kW Qo ec = $L$c $ 0, 072 $ c 4 60 4 60 También se puede calcular la capacidad frigorífica del evaporador: n 1.450 π $ D2 π $ 0, 0722 m $ ηv $ q v = m $ 0, 71 $ 1.344 = 40, 55 kW Qo e = $L$x$c $ 0, 072 $ 6 $ c 4 60 4 60 Como 41,77 kW > 41,21 kW, este compresor es válido. En caso de ser muy inferior, habría que ir variando el número de cilindros o la dimensión de éstos.

4.3.3 Selección

del comPreSor Por catálogo

4.3.3.1 condicioneS

nominaleS y condicioneS realeS

Los requerimientos de capacidad del compresor generalmente no son críticos dentro de ciertos límites. Existen varias razones para esto: • Los métodos para calcular la capacidad del compresor (cálculo de la carga de

enfriamiento) no son del todo exactos. Además, el compresor seleccionado no tiene exactamente la capacidad requerida según las condiciones de diseño.

• Las condiciones de operación del sistema no permanecen constantes, sino que varían con la carga del sistema, la temperatura de condensación, etc. Normalmente, se selecciona un compresor que tenga una capacidad igual o algo mayor a la capacidad requerida para las condiciones de operación o diseño.

Los compresores frigoríficos que ofertan los fabricantes son objeto de ensayos en laboratorio para determinar sus características. Para ello es necesario establecer un ciclo frigorífico normalizado definiendo el sobrecalentamiento en la aspiración así como el subenfriamiento a la entrada de la expansión. Estas condiciones nominales suelen ser: • Temperatura de los gases de aspiración: 20 ºC. • Sin subenfriamiento.

Si el compresor funciona en condiciones diferentes, la potencia frigorífica real no será la misma. Por otro lado, lo que le interesa al usuario no es la potencia frigorífica del compresor, sino la útil en el evaporador. La figura siguiente ilustra, sobre el diagrama entálpico, los dos ciclos, real (1234) y nominal (ABCD), de una instalación que funciona con R-134a entre una temperatura de vaporización de -10 ºC y una temperatura de condensación de 45 ºC. El sobrecalentamiento es de 10 ºC y el subenfriamiento es de 5 ºC.

p (bar)

3

11,60

+45 ºC

C +40 ºC

2

B

+20 ºC 0 ºC

4

2,01

D

-10 ºC

1

h4 hD

h1

A

hA

h (kJ/kg)

Los vapores son aspirados por el compresor en el punto 1 en lugar de en el punto A. La relación de compresión es la misma, el caudal volumétrico aspirado será idéntico, por el contrario el volumen específico (v) de los vapores es diferente en 1 y en A.

4.3.3.2 cálculo

de la caPacidad frigorífica con laS condicioneS de catálogo

Las tablas del catálogo del fabricante proporcionan la capacidad frigorífica con 20 ºC de temperatura de gas aspirado (en nuestro caso: 20 ºC -(-10 ºC) = 30 ºC de sobrecalentamiento), y sin subenfriamiento de líquido. Con este sobrecalentamiento (T1 = 20 ºC) se tiene: vA = 109,14 dm3/kg = 0,10914 m3/kg hA = 409,54 kJ/kg hD = hC = hls = 263,90 kJ/kg Los datos que nos facilita el fabricante de compresores son los siguientes:

Tipo

6GE-30Y

6FE-40Y

Temperatura de vaporización

Temperatura condensación

Qe (W) Pe (kW)

0 ºC

-5 ºC

-10 ºC

-15 ºC

30 ºC

Qe Pe

75.100 15,20

60.600 14,40

48.300 13,37

37.900 12,15

40 ºC

Qe Pe

66.300 17,80

53.400 16,49

42.450 14,99

33.100 13,37

50 ºC

Qe Pe

57.400 20,01

46.100 18,23

36.500 16,32

28.300 14,33

30 ºC

Qe Pe

89.900 18,37

72.300 17,26

57.400 15,90

44.900 14,36

40 ºC

Qe Pe

79.100 21,22

63.500 19,55

50.200 17,67

38.900 15,65

50 ºC

Qe Pe

68.000 23,67

54.400 21,45

42.800 19,08

32.950 16,62

Tipo

Desplazamiento (1.450 rpm, 50 Hz)

Número de cilindros · diámetro · carrera

6GE-30Y

126,8 m3/h

6 · 75 mm · 55 mm

6FE-40Y

151,6 m /h

6 · 82 mm · 55 mm

3

Si se escoge un compresor 6FE-40Y, con una temperatura de vaporización de -10 ºC y una temperatura de condensación de 45 ºC, interpolando se tiene: 50, 200 + 42, 800 Qo e = = 46, 500 kW 2 Comprobación del caudal volumétrico desplazado teórico: π $ D2 π $ 0, 0822 $ L $ ^n $ 60h = 6 $ $ 0, 055 $ ^60 $ 1.450h = 151, 6 m3 /h Vo t = x $ 4 4 π $ D2 π $ 0, 0822 1.450 m = 0, 0421 m3 /s $ L $ ^n $ 60h = 6 $ $ 0, 055 $ c Vo t = x $ 4 4 60 Cálculo de la producción frigorífica bruta: q vb =

qeb h - hD 409, 54 - 263, 90 145, 64 = A = = = 1.334, 43 kJ/m3 vA 0, 10914 vA 0, 10914

Cálculo del rendimiento volumétrico real del compresor: π $ D2 Qo ec 46, 500 n m $ ηv $ q vb = Vo t $ ηv $ q vb & ηv = $L$c Qo ec = = = 0, 8277 oV $ q 4 60 0, 0421 $ 1.334, 43 t vb Cálculo del caudal volumétrico desplazado real: Vo d = Vo t $ hv = 151, 6 $ 0, 8277 = 125, 48 m3 /h = 0, 0348 m3 /s Cálculo del caudal másico del compresor: o = m

Vo d 0, 0348 = = 0, 319 kg/s vA 0, 10914

Comprobación de la capacidad frigorífica del compresor: o $ ^h - h h = 0, 319 $ ^409, 54 - 263, 90h = 46, 459 kW . 46, 500 kW Qo ec = m A D

4.3.3.3 cálculo

de la caPacidad frigorífica con laS condicioneS de diSeño

Cálculo de la producción frigorífica neta (ya calculado): qvn =

qe h - h4 396, 79 - 256, 43 140, 36 = 1vr = = = 1.334, 44 kJ/m3 vA vA 0, 1044 0, 1044

La capacidad del compresor en las condiciones de proyecto es: π $ D2 n m $ ηv $ q v = Vo t $ ηv $ q v = 0, 0421 $ 0, 8277 $ 1.344, 44 = 46, 848 kW $L$x$c Qo ec = 4 60 Por tanto, el compresor seleccionado cumple con las condiciones de proyecto.

También se puede comprobar el caudal volumétrico desplazado real. El caudal volumétrico desplazado por el compresor (ya calculado) es de 107,1 m3/h (0,0298 m3/s) Este caudal volumétrico desplazado de proyecto ha de ser igual o inferior al del compresor. El compresor seleccionado tiene un desplazamiento de 125,48 m3/h.

4.3.3.4 método

alternativo Para el cálculo de la caPacidad frigorífica

El caudal másico real aspirado es: o o m real = mnom $

vnom vreal

La potencia frigorífica nominal es: o Qo e^nomh = m nom $ ^h A - hDh La potencia frigorífica real es: vnom $ ^h1vr - h4h o o Qo e^realh = m real $ ^h1vr - h 4h = mnom $ vreal Pero como: mnom =

Qe^nomh

^h A - hDh

$ ^h - h4h v , tenemos: Qo e^realh = Qo e^nomh $ nom 1vr vreal $ ^h A - hDh

En nuestro caso, la capacidad frigorífica del compresor es Qe (nom) = 46,500 kW: $ ^h - h4h v 109, 14 $ ^396, 79 - 256, 43h Qo e^realh = Qo e^nomh $ nom 1vr = 46, 500 $ 1, 0075 = 46, 500 $ 104, 40 $ ^409, 54 - 263, 90h vreal $ ^h A - hDh La diferencia es del 0,75% de aumento de la potencia. En nuestro caso se tiene: Qo e^realh = Qo e^nomh $ 1, 038 = 46, 500 $ 1, 0075 = 46, 848 kW

Sistemas

de refrigeracion de baja y múltiple temperatura

5

Contenidos 5.1 Sistemas de refrigeración de baja temperatura Sistema

de compresión múltiple, con refrigeración intermedia

Sistema

de compresión múltiple, con recipiente intermedio

5.2 (intercooler) 5.3 (compound)

5.4 Sistemas en cascada

Índice

5.1 SiStemaS

de refrigeración de baja temPeratura

volver

Cuando la temperatura del medio a enfriar es muy baja tenemos también una presión de vaporización pe baja. Si la temperatura del medio de condensación es normal, o bien un poco elevada, la relación de compresión pc/pe toma rápidamente valores elevados. En estas condiciones, la compresión del fluido frigorígeno en una sola etapa conduce a un rendimiento energético muy bajo, lo que influye directamente sobre la producción frigorífica del compresor y conduce, además, a una disminución del rendimiento volumétrico y al aumento peligroso de la temperatura al final de la compresión. Se aconseja considerar una instalación con varias etapas para cualquier temperatura en el evaporador menor a -18 ºC. Los métodos empleados para obtener compresión en varias etapas son: • Sistemas de compresión múltiple (por etapas). • Sistemas en cascada.

5.2 SiStema de comPreSión intermedia (intercooler)

múltiPle, con refrigeración

volver

Este método utiliza dos compresores conectados en serie, con refrigeración intermedia. El análisis de este ciclo no difiere conceptualmente del correspondiente al ciclo simple. La potencia suministrada es inferior a la que tendría un único compresor de una sola etapa. p

pc

5

4

3

pe

6

2

1

h

4 Condensador

3

2

1 Evaporador

Refrigeración intermedia

Segunda etapa 5

Primera etapa 6

5.3 SiStema de comPreSión múltiPle, volver intermedio (compound)

con reciPiente

El enfriamiento de los vapores comprimidos por la etapa de baja presión se obtiene por medio de una inyección parcial o total, en un recipiente cerrado colocado entre las dos etapas de compresión, del fluido frigorígeno líquido que proviene del condensador. Este líquido enfría los vapores comprimidos a la temperatura de saturación correspondiente a la presión de descarga de los mismos. Éstos son aspirados por la etapa de alta presión en estado de vapor saturado. El hecho de proceder a esta inyección del fluido frigorígeno líquido dentro de un recipiente intermedio (compound), permitirá igualmente subenfriar el líquido admitido en los elementos expansionadores (en el caso de inyección parcial, con subenfriamiento de líquido a alta presión en la inyección). Se distinguen tres ciclos frigoríficos diferenciados simplemente por el sistema de inyección empleado y que se denominan: • Ciclo de inyección parcial con subenfriamiento. • Ciclo de inyección parcial sin subenfriamiento. • Ciclo de inyección total.

! Estos

sistEmAs

son

muy

útilEs

con

amoníaco, yA quE lAs línEAs isEntróPicAs son mucho más inclinAdAs, y no conviEnE quE sE AlcAncE unA tEmPErAturA máximA dE

110 ºc

En

lA

dEscArgA,

yA

EmPEorAríA El sistEmA dE lubricAción.

quE

En el caso del ciclo de inyección parcial, puede escogerse la presión intermedia, y en el ciclo de inyección total, depende generalmente de la temperatura en que se desea utilizar el frío producido en esta parte de la instalación (utilización del frío en la etapa intermedia). Normalmente se utiliza una instalación de dos etapas atendiendo a los valores de compresión (tasa de compresión):

• Relación de compresión, pc/pe > 7, con NH3. • Relación de compresión, pc/pe > 10, con R-134a, R-404A, etc. • Temperatura de vaporización, Te < -40 ºC, en todos los casos.

Para los compresores se utiliza la relación 3/1, es decir, 3 cilindros trabajando en baja presión y 1 cilindro trabajando en alta presión.

5.3.1 máquina

con inyección Parcial y Subenfriamiento de líquido a alta

PreSión en la Salida de la inyección

Solamente se utiliza el frío a nivel de la etapa de baja presión, por lo tanto, es posible elegir el valor de la presión intermedia, calculando la cesión mínima de energía mecánica que debe aportarse. Se demuestra haber alcanzado este objetivo cuando las presiones puestas en juego se escalonan en progresión geométrica. Para una máquina con dos etapas de compresión: llamaremos pe a la presión de aspiración en la etapa de baja presión, pc la presión de descarga en la etapa de alta presión, y pm la presión intermedia. Para refrigerantes fluorados, se adopta la presión intermedia: pm p = c & pm = pe $ pc pm pe

Para el amoníaco, que se sobrecalienta naturalmente más, la presión intermedia puede determinarse utilizando la fórmula de Sandholt: pm = pe $ pc + 0, 35 bar o la de Caplinski, que recomienda la elección de Tm: Tm =

Te $ Tc

El esquema frigorífico y el ciclo del diagrama entálpico se representan en las figuras siguientes. Para simplificar la representación, se admite que la máquina funciona sin pérdidas de carga, y que solamente figuran en el esquema frigorífico los aparatos indispensables. El fluido aspirado en su estado 1 a la presión pe se comprime en la etapa de baja presión hasta la presión pm; en el estado 2 penetra en el recipiente intermedio donde se enfría hasta la temperatura T7 en que es admitido en la etapa de alta presión de donde sale a la presión pc (estado 4) para entrar en el condensador donde se condensa (estado 5). p

8

4

pc

5

∆T

pm

6

7

pe

9

3

2

1

h 4

3

2

1

Condensador

Evaporador

7 Segunda etapa etapa 5 5

6

Primera etapa etapa

D1

Una parte del líquido formado deriva hacia la válvula de expansión D1 y se inyecta en el recipiente intermedio, donde, por evaporación, enfría los vapores comprimidos procedentes de la etapa de baja presión. La otra parte del líquido pasa por un serpentín dispuesto en la parte baja del recipiente intermedio, donde se subenfría (estado 8), antes de llegar a la válvula de expansión D2 que alimenta al evaporador con fluido expansionado en el estado 9.

8

D2

9

DT = T8 - Tm, se conoce como un “escape” mínimo del intercambiador intermedio. La magnitud de su valor es 5 ºC.

caudal

a inyectar en la etaPa intermedia

Cierta cantidad de líquido se extrae del condensador para: • Enfriar de 2 a 7 los vapores comprimidos procedentes de la etapa de baja presión. • Subenfriar el líquido de alta presión desde el punto 5 al 8.

El balance energético en el refrigerador intermedio nos permite valorar el gasto-masa en alta presión en función del gasto-masa de baja presión y calcular el caudal que es necesario inyectar. Separemos el recipiente intermedio del resto del circuito (ver figura). La suma de las cantidades de calor intercambiado entre el fluido frigorígeno y el medio exterior debe ser nula, SQ = 0 (primera ley de la termodinámica), y los intercambios térmicos a través del aislamiento del recipiente se considera que pueden omitirse. 3

2 mbaja h2

malta h7

7 Refrigerador intermedio (recipiente intermedio)

5

miny

D1 8

malta h5

mbaja h8

Balance másico en el refrigerador intermedio: o o o m baja = m2 = m8

o o o m alta = m3 = m5

o o o m alta = miny + mbaja

Balance entálpico en el refrigerador intermedio: o $h +m o $ h + Qo = m o $h +m o $h m 2 2 5 5 3 3 8 8 o o o o $ $ &m $ m baja ^h2 - h8h = malta ^h3 - h5h alta = mbaja

h2 - h8 h3 - h5

5.3.2 máquina con inyección Parcial Sin Subenfriamiento de líquido a alta PreSión en la Salida de la inyección (comPreSoreS two-in-one) Se trata de una máquina de inyección parcial, sin subenfriamiento de líquido. Para enfriar el vapor que sale del primer compresor se utiliza el propio líquido refrigerante condensado: inyección de líquido a alta presión, a través de la válvula de expansión D1. En este caso: • La temperatura de fin de compresión del compresor de alta presión disminuye (4). • El volumen específico de aspiración del compresor de alta presión disminuye (3). • No existe subenfriamiento de líquido a alta presión en la salida de la inyección.

p

pc

5

4

pm

6

pe

8

7

3

2

1

h 4

3

2

1

Condensador

Evaporador

7 Segunda etapa etapa 5 5

5.3.3 máquina

6

D1

Primera etapa etapa D2

8

de inyección total

En este método, la totalidad del fluido frigorígeno se expansiona dentro del recipiente intermedio que sirve de separador de líquido para los evaporadores que trabajan alimentados por gravedad o por la presión de una bomba. La parte de líquido que queda en el recipiente alimenta las válvulas de expansión de los evaporadores en la etapa de baja presión.

! lA

máquinA dE inyEcción totAl Es

El mEjor sistEmA dEsdE El Punto dE vistA tErmodinámico.

Existe una producción simultánea de frío en las etapas de alta y baja presión, y la presión intermedia depende de la temperatura a la cual debe asegurarse la producción frigorífica de los evaporadores de alta presión. Si no hubiera producción simultánea de frío en la etapa intermedia, la presión se determina de igual forma que en las instalaciones de doble etapa con inyección parcial.

El ciclo seguido por el fluido es el siguiente: el fluido aspirado en la etapa de baja presión (estado 1), después de haber sido comprimido (estado 2) y enfriado (estado 7), es admitido en la etapa de alta presión comprimiéndose (estado 4). Se condensa (estado 5) y se expansiona en su totalidad (estado 6) en el recipiente intermedio. Desde este recipiente va (por gravedad o por bomba) al evaporador de la etapa de alta presión de donde es respirado (estado 7), y, bajo el estado 8, pasa a la válvula de expansión D2 que alimenta por inyección directa el evaporador de la etapa de baja presión (estado 9); los vapores producidos son aspirados por el compresor de baja presión en el estado 1, (ver siguiente figura).

p

pc

5

8

4

pm

6

7

pe

9

3

2

1

h 4

Condensador

3

2

1 Evaporador

1 kg

1 + ε kg ε kg 7

Primera etapa

Segunda etapa etapa 5

6 D1

8 etapa 9 D2

Tomando 1 kg de refrigerante en el evaporador, la fracción de vapor que sale del recipiente es e. Para determinar e se efectúa un balance entálpico en el recipiente: h6 $ ^1 + eh = h7 $ e + h8 & h6 + h6 $ e = h7 $ e + h8 & h7 $ e - h6 $ e = h6 - h8 & e =

h6 - h 8 h7 - h6

El estado 7 corresponde a un estado de vapor saturado y el estado 8 corresponde a un estado de líquido saturado, ambos a la presión intermedia pm. La entalpía en el estado 3 se puede determinar efectuando un balance entálpico entre la entrada de la primera etapa y la salida de la segunda etapa: h2 + h7 $ e = h3 $ ^1 + eh El trabajo de compresión es, por tanto: wc = h2 - h1 + ^h4 - h3h $ ^1 + eh El calor extraído en el evaporador y el EER son: qe = h1 - h9

EER =

qe wc

EjEmplo 1 Efectuar el análisis termodinámico de un ciclo de refrigeración con inyección total. El refrigerante es R-507. Los datos son los siguientes: Potencia frigorífica: 50 kW. Temperatura de vaporización: -25 ºC. Temperatura de condensación: +45 ºC. Subenfriamiento en el condensador: 10 K. Sobrecalentamiento en el evaporador: 10 K. Sobrecalentamiento del vapor de aspiración en la inyección intermedia: 10 K. Rendimientos isentrópicos en las dos etapas: hi = 0,80. Cálculo de la presión intermedia: pm = pe $ pc = 2, 60 $ 21, 03 = 7, 39 bar Se confecciona la tabla siguiente con las propiedades termodinámicas: Punto

p (bar)

T (ºC)

v (dm3/kg)

h (kJ/kg)

1

2,60

-15,00

77,27

357,32

2

7,39

25,15

3

7,39

15,48

4

21,03

62,46

401,35

5

21,03

35,00

251,53

6

7,39

5,48

251,53

7

7,39

5,48

364,51

8

7,39

5,48

207,73

9

1,39

-25,00

207,73

384,36 27,86

374,69

Producción frigorífica másica: qe = h1 - h9 = 357,32 - 207,73 = 149,59 kJ/kg o Caudal másico total de refrigerante: m = total

Qo e 50 = = 0, 334 kg/s qe 149, 59

Fracción de vapor que circula por la línea de media presión: e=

h6 - h 8 h7 - h 6

=

251, 53 - 207, 73 = 0,388 364, 51 - 251, 53

Por lo tanto, el caudal másico de vapor que circula por la línea de media presión es: o =m o m $ e = 0,334 $ 0,388 = 0, 130 kg/s m total Trabajo y potencia de compresión: wc = h2 - h1 + ^h4 - h3h $ ^1 + eh = 384, 36 - 357, 32 + ^401, 35 - 374, 69h $ ^1 + 0, 388h = 60, 04 kJ/kg o $ w = 0, 334 $ 60, 04 = 21, 39 kW Pc = m c Coeficiente de eficiencia frigorífica: q Qo 50 EER = e = e = = 2, 34 wc Pc 21, 39

5.4 SiStema

volver

en caScada

Aumentando el número de etapas de compresión es posible rebajar la temperatura bajo la cual se obtiene la vaporización del fluido en los evaporadores de baja presión, pero el fluido que recorre las diversas etapas en serie puede presentar dos inconvenientes:

1. Aumenta muy rápidamente el volumen específico del fluido aspirado en la etapa de baja presión, siendo desproporcionado con la producción frigorífica deseada. 2.

La temperatura de vaporización puede bajar hasta alcanzar la del punto triple, que es la temperatura de vaporización más baja posible en la cual los tres estados (sólido, líquido y gaseoso), del fluido coexisten y el fluido puede pasar indiferentemente, por expansión, desde el estado líquido al estado sólido o al estado gaseoso; o bien formar una mezcla ternaria en equilibrio (sólido, líquido, gas) la cual, en un caso como en otro, provocará graves perturbaciones funcionales.

Por tanto, para obtener temperaturas inferiores, se deben emplear otras máquinas en lugar de las de compresión por etapas. Las máquinas frigoríficas en cascada permiten lograr esta finalidad. Están formadas por dos o tres máquinas frigoríficas de compresión simple o por etapas, cada una de las cuales utiliza un fluido diferente. En las figuras siguientes se representan el esquema simplificado de una máquina de este tipo, y los ciclos que describe cada fluido en su diagrama entálpico (ciclo saturado). p Refrigerante a

3a

2a Refrigerante b 4a

2b

3b

Pérdidas

1a

4b

1b

h

Condensador

2a

1a

Segunda etapa 3a etapa4a

2

1

b

b

Evaporador

Primera etapa 3b etapa 4b

El principio de producción de frío en cascada es el siguiente: La fuente fría (evaporador) de una máquina frigorífica de compresión simple (o por etapas) tiene como fuente de calor (condensador) la máquina de la etapa siguiente en la cascada, siendo los fluidos diferentes y los circuitos totalmente distintos. La primera etapa de la cascada (etapa superior) posee una fuente de calor enfriada por agua (o aire para bajas potencias). En las etapas inferiores de la cascada aparecen fluidos frigorígenos de bajo punto crítico: etileno (C2H4), metano (CH4), nitrógeno (N2), R-23, R-508A; y en las superiores: R-134a, R-404A. Para el mantenimiento de temperaturas que

oscilan entre -80 ºC y -100 ºC, se emplean los fluidos R-23 y R-508A. Para la licuación del gas natural, las potencias frigoríficas en este caso son más elevadas y los fluidos empleados son el propano, el etileno y el metano. Escogiendo, por ejemplo, amoníaco, etileno, metano y nitrógeno en las diversas etapas de la cascada, se permite obtener -196 ºC en la fuente fría de la última etapa de la cascada.

! lA

PrinciPAl

dEsvEntAjA

En

los

sistEmAs dE cAscAdA Es El solAPE dE tEmPErAturAs

dE

los

rEFrigErAntEs,

lo cuAl tiEndE A rEducir lA EFiciEnciA térmicA dEl sistEmA.

EjEmplo 2 Para una determinada aplicación, se precisan 20 kW a -80 ºC utilizando como refrigerante R-23 para la etapa de baja, evaporando a -90 ºC y condensando a -20 ºC (generalmente se toma una temperatura de condensación de baja, 5 a 10 ºC mayor que la temperatura de vaporización de alta) en un ciclo en cascada. Este condensador es refrigerado por un evaporador de la etapa de alta con R-507 a una temperatura de -30 ºC y condensando a 40 ºC. En ambos circuitos se consideran 10 K de sobrecalentamiento, 5 K de subenfriamiento y 80% de rendimiento isentrópico. Calcular los caudales másicos y las potencias. EtAPA

dE bAjA

(r-23) Punto

P (bar)

T (ºC)

h (kJ/kg)

v (dm3/kg)

1b

0,62

-80

329,18

359,72

2b

14,02

92,24

445,37

3b

14,02

-25

162,62

4b

0,62

-90

162,62

Caudal de refrigerante R-23 que debe circular por el evaporador de baja: o m = baja

Qo e baja qe baja

=

Qo e baja

h1b - h4b

=

20 = 0, 120 kg/s 329,18 - 162, 62

Potencia en el condensador de baja: o Qo c baja = m $ h - h3bh = 0,120 $ ^445, 37 - 162, 62h = 33, 93 kW baja ^ 2b EtAPA

dE AltA

(r-507) Punto

P (bar)

T (ºC)

h (kJ/kg)

v (dm3/kg)

1a

2,13

-20

354,29

93,46

2a

18,68

55

411,05

3a

18,68

35,00

251,53

4a

2,13

-30

251,53

El calor desprendido por el condensador de baja ha de ser igual al calor absorbido por el evaporador de alta; por tanto, el caudal de refrigerante R-507 en la etapa de alta será: Qo c baja Qo c baja 33, 93 o m = = = = 0,330 kg/s alta qe alta h1a - h4a 354, 29 - 251, 53 Potencia en el condensador de alta: Qo c

alta

o $ h - h3ah = 0,330 $ ^411, 05 - 251, 53h = 52, 64 kW =m alta ^ 2a

5.4.1 SiStemaS

de refrigeración de temPeratura múltiPle

Un sistema de temperatura múltiple es aquel donde dos o más evaporadores operando a temperaturas diferentes, y localizados en diferentes espacios, son conectados al mismo compresor y al mismo condensador. Las principales ventajas de este sistema son: ahorro de espacio y reducción en el coste inicial del equipo. Este sistema presenta dos inconvenientes: si falla el compresor, todos los espacios a los que da servicio, quedan sin refrigeración y presenta un bajo rendimiento, ya que el compresor se calcula para el evaporador de más baja temperatura. Debido a esto, un sistema de temperatura múltiple es justificable solo en instalaciones de capacidad pequeña. En las figuras siguientes se representan el esquema simplificado de un sistema de temperatura múltiple, y los ciclos que describe en su diagrama entálpico. p

3

2

6

4

5

7

1

8

h 2

1

Condensador

8 6

Compresor

Válvula reguladora de presión VRP

Evaporador Evaporador de baja de media temperatura temperatura temperatur a

4

5

3

En la figura siguiente se muestra un sistema de temperatura múltiple con tres evaporadores. Se instala una válvula reguladora de la presión (VRP) del evaporador en la tubería de aspiración de cada uno de los evaporadores para mantener la presión y, por tanto, la temperatura de vaporización según las condiciones de refrigeración del recinto. Se instala una válvula de retención (check valve) en la tubería de aspiración del evaporador de más baja temperatura, para evitar que la alta presión de los demás evaporadores (alta temperatura) pase ésta (baja temperatura). La válvula de retención permanecerá cerrada si la presión en la tubería principal de aspiración es superior a la presión de vaporización del evaporador de baja temperatura. Por tanto, hasta que la demanda de los evaporadores de alta temperatura no haya sido satisfecha, el evaporador de baja temperatura admitirá poca refrigeración.

Evaporador VRP Tcámara = +7 ºC Condensador Evaporador VRP Tcámara = +2 ºC

Evaporador check valve Tcámara = -18 ºC Compresor

Por tanto, para que un sistema de temperatura múltiple funcione satisfactoriamente, la carga en el evaporador de temperatura más baja deberá considerarse al menos del 60% de la carga total del sistema o preferentemente un valor mayor. El evaporador de baja temperatura siempre estará abierto al compresor en cualquier momento en que la demanda de los evaporadores de alta temperatura haya sido satisfecha y las válvulas reguladoras de presión estén cerradas. Cuando la demanda del evaporador de baja temperatura haya sido también satisfecha, se parará el compresor. En la tubería de líquido se instalan válvulas solenoide controladas termostáticamente. Cuando aumenta la temperatura en el espacio refrigerado, el termostato energiza la bobina del solenoide y abre el paso de líquido al evaporador.

Refrigerantes

y aceites lubricantes

6

Contenidos 6.1 Clasificación de los refrigerantes 6.2 Evolución de los fluidos frigorígenos utilizados en refrigeración 6.3 Denominación de los fluidos frigorígenos 6.4 Características generales de los fluidos frigorígenos 6.5 Clasificación de los fluidos frigorígenos 6.6 Mezclas azeotrópicas y mezclas zeotrópicas 6.7 Características particulares de los fluidos frigorígenos 6.8 Aceites lubricantes para compresores Índice

6.1 claSificación

de loS refrigeranteS

volver

Una manera de clasificar los refrigerantes utilizados en las instalaciones frigoríficas es según la forma en que intercambian el calor: • fluido frigorígeno (refrigerante) o refrigerante Primario. Cuando intercambia el calor de forma latente, es decir, cambia de estado al recibir o ceder calor. • fluido frigorífero (Salmuera) o refrigerante Secundario. Cuando intercambia el calor de forma sensible, es decir, no cambia de estado al recibir o ceder calor. En instalaciones de doble circuito (ver figura), el refrigerante primario circula dentro del circuito frigorífico, absorbe calor del refrigerante secundario (fuente a baja temperatura) y lo cede al medio condensante; estas funciones las realiza cambiando de estado.

Expansión Condensador

Evaporador Bomba

Enfriador (Aeroenfriador)

Compresor

El refrigerante secundario, en cambio, absorbe el calor del medio a enfriar (recinto o cámara frigorífica) y lo cede al fluido frigorígeno en el evaporador del circuito primario; en este intercambio térmico se experimenta un aumento de temperatura por parte del refrigerante secundario, por lo que la transferencia de calor es de forma sensible.

6.2 evolución refrigeración

6.2.1 PrimeroS

de loS fluidoS frigorígenoS utilizadoS en

volver

refrigeranteS

(inicio

de la refrigeración)

En un principio, la refrigeración mecánica estaba limitada a pocas aplicaciones de gran tamaño. Los primeros refrigerantes, éter sulfúrico y éter metílico, fueron abandonados muy rápidamente debido a su inflamabilidad, con los consiguientes peligros de explosión. Les sucedieron el amoníaco (NH3) y el dióxido de carbono (CO2). Después, con el desarrollo de unidades automáticas pequeñas para uso comercial y doméstico, se empezaron a usar refrigerantes tales como el dióxido de azufre (SO2), cloruro de metilo (CH3Cl) y cloruro de metileno (CH2Cl2). El cloruro de metileno y el dióxido de carbono,

debido a sus propiedades de seguridad, fueron muy utilizados en instalaciones grandes de acondicionamiento de aire. Con excepción del amoníaco, todos estos refrigerantes han dejado de usarse. El amoníaco, debido a sus excelentes propiedades térmicas, continúa usándose mucho en instalaciones tales como fábricas de hielo, pistas de patinaje, etc.

6.2.2 refrigeranteS

tradicionaleS

(deSarrollo

de loS fluorocarburoS)

Alrededor de 1914, la industria química tuvo necesidad de bajas temperaturas (-75 ºC) lo que condujo a adoptar momentáneamente nuevos fluidos como el etano y el propano. Desde 1920, la evolución de las máquinas, y la utilización cada vez más importante del frío en la industria, o en nuevas aplicaciones, obligó a los constructores a extender la gama de potencias de sus máquinas. Así pues, junto a la evolución emprendida en la construcción de compresores

(rotativos, centrífugos, helicoidales de tornillo, etc.), se ha asistido también a la evolución de los fluidos frigorígenos y, después a la utilización del R-12 en 1930, siguió la busca de los clorados y fluorados derivados de los carburos de hidrógeno.

En EEUU, los clorados y fluorados derivados

de

hidrógeno,

los

se

carburos

conocen

genérico de “Freones”.

H H

C

H

Refrigerante-50 Metano (CH4) -162 ºC

CH

Cl H

C

Cl H

H

H

C

Cl Cl

H

H

C

Cl Cl

Cl

Cl

C

Cl

Cl

Refrigerante-40 Cloruro de metilo

Refrigerante-30 Cloruro de metileno

Refrigerante-20 Cloroformo

Refrigerante-10 Carbotentracloruro

(CH3Cl) -24 ºC

(CH2Cl2) 40 ºC

(CHCl3) 61 ºC

(CCl4) 76 ºC

F H

C

F Cl

H

Cl

(CHCl2F) 9 ºC

Cl

C

Refrigerante-22 Monoclorodifluorometano (CHClF2) -41 ºC

F Cl

Cl

Cl

C

F

Cl

Refrigerante-21 Dicloromonofluorometano

F

C

F F

Cl

Cl

C

F F

F

F

C

F

F

Refrigerante-11 Tricloromonofluorometano

Refrigerante-12 Diclorodifluorometano

Refrigerante-13 Monoclorotrifluorometano

Refrigerante-14 Carbontetrafluoruro

(CCl3F) 24 ºC

(CCl2F2) -30 ºC

(CClF3) -82 ºC

(CF24) -128 ºC

por

de el

Los fluorocarburos (hidrocarburos fluoranatados) son un grupo de una familia de compuestos conocidos como halocarburos (hidrocarburos halogenados), que son sintetizados reemplazando uno o más de los átomos de hidrógeno en moléculas de metano (CH4) o de etano (C2H6), ambos son hidrocarburos puros, por átomos de cloro (Cl), flúor (F) y/o bromo (Br). En la figura anterior se muestra la composición de los halocarburos de la serie del metano. La molécula de metano básica consiste en un átomo de carbono (C) y cuatro átomos de hidrógeno (H). Si progresivamente son reemplazados los átomos de hidrógeno por átomos de cloro, los compuestos resultantes son, respectivamente: • Cloruro de metilo (CH3Cl) o R-40. • Cloruro de metileno (CH2Cl2) o R-30. • Cloroformo (CHCl3) o R-20. • Carbontetracloruro (CCl4) o R-10.

Estos dos últimos compuestos son la base para la serie más popular de los fluorocarburos del metano. Si los átomos de cloro en la molécula carbontetracloruro (CCl4) son reemplazados progresivamente con átomos de flúor, los compuestos resultantes son: • Triploromonofluorometano (CCl3F) o R-11. • Diclorodifluorometano (CCl2F2) o R-12. • Monoclorotrifluorometano (CClF3) o R-13. • Carbontetrafluoruro (CF4) o R-14.

Si los átomos de cloro en la molécula de cloroformo (CHCl3) son reemplazados progresivamente con átomos de flúor, los compuestos resultantes son: • Dicloromonofluorometano (CHCl2F) o R-21. • Monoclorodifluorometano (CHClF2) o R-22.

La figura siguiente muestra la estructura molecular de los refrigerantes R-113, R-114 y R-134a, los tres únicos fluorocarburos de la serie del etano, que son muy usados. H

H

C

C

H

H

F

F

C

C

Cl

Cl

Refrigerante -170 H

H

Etano (CH3CH3) -89 ºC

F

Cl

F

C

C

Cl

Cl

F

Refrigerante -113

F

F

Refrigerante -114

F

F

H

C

C

F

H

Refrigerante -134a

Triclorotrifluoroetano

Diclorotetrafluoroetano

Tetrafluoroetano

(CCl2FCClF2) 47 ºC

(CClF2CClF2) 4 ºC

(CF3CH2F) -26 ºC

F

6.3 denominación

de loS fluidoS frigorígenoS

Al ser, tanto la fórmula como la denominación química de los refrigerantes, complejos en su utilización, para la vida diaria, el modo más práctico es utilizar la denominación simbólica numérica para referirse a ellos. Este método consiste en una expresión basada en el siguiente formato general:

! los

rEFrigErAntEs

sE

PuEdEn

nombrAr Por mEdio dE su FórmulA, su

nombrE

químico,

o

Por

volver

su

R - n1 n2 n3 B n4

dEnominAción simbólico-numéricA.

n1 = número de átomos de C - 1 (para derivados del CH4 puede omitirse: n1 = 0,).

n2 = número de átomos de H + 1. n3 = número de átomos de F. B = indica la existencia de átomos de Br en la molécula. n4 = número de átomos de Br. El resto de los enlaces de la molécula, que no se consideran, serán átomos de Cl. F

F

F

F

C

C

C

C

F

F

F

F

R-C318 (C4F8) Octofluorciclobutano

Para los compuestos isómeros aparecerá una letra minúscula a continuación de los números identificativos. Esta letra indica la simetría en pesos atómicos. El más simétrico no tiene letra y al aumentar la asimetría se colocarán las letras a, b, c, etc. (ver figura adjunta).

Los derivados cíclicos se expresan siguiendo la nomenclatura general expuesta, colocando una C delante del número identificativo del refrigerante, (ver figura adjunta).

F

F

H

C

C

F

H

F

R-134a (CF3CH2F) Tetrafluoroetano

Los compuestos no saturados seguirán las normas anteriores, pero colocando el número 1 como primer carácter numérico. Por ejemplo, el R-1150 (CH2 = CH2) es el etileno. Las mezclas de refrigerante azeotrópicas se denominarán por la serie 500 y el número, que es arbitrario, responde al orden de aparición del refrigerante. Por ejemplo, el R-502. Si la mezcla es no azeotrópica (zeotrópica), se utilizará la serie 400. Las letras A, B, C, a la derecha del número se utilizan para diferenciar mezclas con los mismos componentes pero con diferente proporción. Por ejemplo, los R-401A, R-401B, R-407C. Para los refrigerantes inorgánicos se reserva la serie 700, a la que se añade el peso molecular. Por ejemplo, el R-717 que es el amoníaco. H H

C H

H

EjEmplo 1, varias nomEnclaturas DE rEfrigErantEs

refrigerante r-12 n1 = número átomos C - 1 = 1 - 1 = 0 (derivado del metano) n2 = número átomos H + 1 = 0 + 1 = 1 n3 = número átomos F = 2 Número átomos Cl = 2 R-12 = CCl2F2 = Diclorodifluorometano

1/2

EjEmplo 1, varias nomEnclaturas DE rEfrigErantEs

H H

C

H

H

2/2

refrigerante r-22 n1 = número átomos C - 1 = 1 - 1 = 0 (derivado del metano) n2 = número átomos H + 1 = 1 + 1 = 2 n3 = número átomos F = 2 Número átomos Cl = 1 R-22 = CHClF2 = Monoclorodifluorometano refrigerante r-134a n1 = número átomos C - 1 = 2 - 1 = 1 (derivado del etano) n2 = número átomos H + 1 = 2 + 1 = 3 n3 = número átomos F = 4 Número átomos Cl = 0 R-134a = CF3 - CH2F = Tetrafluoroetano refrigerante R-114 n1 = número átomos C - 1 = 2 - 1 = 1 (derivado del etano) n2 = número átomos H + 1 = 0 + 1 = 1 n3 = número átomos F = 4 Número átomos Cl = 2 R-114 = C2Cl2F4 = Diclorotetrafluoroetano amoníaco Número de átomos de NH3 = 17 (pesos moleculares: N = 14; H = 1) R-717 = NH3 = Amoníaco dióxido

de carbono

Número de átomos de CO2 = 44 (pesos moleculares: C = 12; O = 16) R-744 = CO2 = Dióxido de carbono agua Número de átomos de H2O = 18 (pesos moleculares: H = 1; O = 16) R-718 = H2O = Agua

6.4 caracteríSticaS

generaleS de loS fluidoS frigorígenoS

volver

1. ProPiedadeS termodinámicaS de loS refrigeranteS • temPeratura y PreSión de vaPorización. Es deseable que la presión en el evaporador esté por encima de la atmosférica, para evitar que se introduzca aire y humedad al sistema en caso de fuga; además, se facilita la detección de las fugas. • temPeratura y PreSión de condenSación. Es deseable tener una temperatura baja en la descarga adiabática, reduciendo la posibilidad de recalentamiento del compresor. La presión de condensación debe ser baja, ya que permite usar materiales de peso ligero en la construcción del condensador, reduciendo su tamaño y costo. • relación de comPreSión. Con relaciones de compresión bajas se tiene un consumo menor de potencia y alta eficiencia volumétrica.

• temPeratura y PreSión críticaS. Sus valores deben ser altos para evitar que el refrigerante alcance ese punto después del sobrecalentamiento que sufre en la compresión, debido a que ese punto el refrigerante no condensará al extraerle calor. • calor latente de vaPorización. Su valor debe ser elevado. Un calor latente de vaporización bajo implica una mayor cantidad de refrigerante en el sistema para obtener la misma potencia frigorífica que se lograría con uno alto. • volumen eSPecífico del vaPor. Debe tener un valor bajo ya que esto garantiza un gran aumento en la capacidad y eficiencia del compresor, debido a que se reduce el desplazamiento necesario en el compresor, lo cual permitirá el uso de uno más pequeño. Si su volumen específico es elevado (densidad baja) la cantidad de frío producido por metro cúbico aspirado será más bajo. • Producción frigorífica volumétrica. Es la relación entre el calor latente de vaporización y el volumen específico: qv = Dhlv/v. Nos determina, con un determinado fluido, las dimensiones del compresor para una producción frigorífica dada, desplazando un volumen de fluido. Por ejemplo, el agua a 0 ºC tiene un calor latente de vaporización de 2.538 kJ/kg y un volumen específico de 211 m3/kg. Si lo empleamos como fluido frigorígeno solamente nos suministrará qv = 2.538/211 = 12,03 kJ/m3, nos haría falta desplazar volúmenes enormes para producciones frigoríficas débiles. • exPonente adiabático. (k = cp/cv), es deseable que se acerque al punto 1 a fin de reducir el sobrecalentamiento de los vapores después de la compresión.

2. conStrucción y tiPo de comPreSor • comPatibilidad con loS materialeS utilizadoS. El refrigerante no debe reaccionar con los metales y juntas utilizados en la construcción del circuito frigorífico • comPatibilidad y miScibilidad con el aceite de lubrificación del comPreSor. El refrigerante no debe reaccionar químicamente con el aceite; al mismo tiempo la miscibilidad entre ellos en estado líquido debe ser buena.

3. condicioneS de Seguridad de orden material y PerSonal • facilidad Para detectar laS fugaS. Debe permitir una detección rápida y fácil de las fugas que se produzcan en el sistema, bien por el olor del fluido, o bien por medio de índices visibles (humos, burbujas de jabón, coloración de una llama). • toxicidad. En el caso de fugas accidentales importantes, éstas no deberán tener consecuencias sobre los géneros almacenados ni presentar peligro alguno para el personal de servicio. Entre los refrigerantes más tóxicos se encuentran el SO2 (0,7% en volumen con 5 minutos de exposición) y el NH3 (0,5% en volumen con 30 minutos de exposición). El daño causado por el metano, etileno y los fluorocarbonados es más bien debido a deficiencias de oxígeno que a efectos nocivos del fluido, por tanto, estos refrigerantes se consideran no tóxicos. • inflamabilidad y exPloSividad. Casi todos los refrigerantes de uso común no son inflamables ni explosivos. Una excepción son el amoníaco y los hidrocarburos, que se usan en aplicaciones especiales y bajo la vigilancia de personal experimentado. • no

agreSividad con el medio ambiente.

! Es con

imPosiblE quE un Fluido FrigorígEno cumPlA todos

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Puntos

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100%. lo

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claSificación

en función de la toxicidad

Los refrigerantes deberán incluirse dentro de uno de los dos grupos A y B basándose en su toxicidad: • gruPo a. Refrigerantes cuya concentración media en el tiempo no tiene efectos adversos para la mayoría de los trabajadores que pueden estar expuestos al refrigerantes durante una jornada laboral de 8 horas diarias y 40 horas semanales y cuyo valor es igual o superior a una concentración media de 400 mL/m3 [400 ppm (V/V)]. • gruPo b. Refrigerantes cuya concentración media en el tiempo no tiene efectos adversos para la mayoría de los trabajadores que puedan estar expuestos al refrigerante durante una jornada laboral de 8 horas diarias y 40 horas semanales y cuyo valor es inferior a una concentración media de 400 mL/m3 [400 ppm (V/V)]. Bajo ciertas condiciones se pueden producir compuestos tóxicos de descomposición por contacto con llamas o superficies calientes. Los principales productos de descomposición del grupo de refrigerantes del grupo L1 (A1), con excepción del dióxido de carbono, son los ácidos clorhídricos y fluorhídricos. Si bien son tóxicos, delatan automáticamente su presencia debido a su olor extremadamente irritante incluso a bajas concentraciones.

gruPoS

de Seguridad

Los refrigerantes se clasifican por grupos de seguridad de acuerdo con la tabla siguiente. De forma simplificada se pueden agrupar de la siguiente manera: Grupo L1 de alta seguridad = A1 Grupo L2 de media seguridad = A2, B1, B2 Grupo L3 de baja seguridad = A3, B3

gruPoS

de Seguridad y Su determinación en función de la inflamabilidad y toxicidad Grupo de seguridad

Inflamabilidad creciente

Altamente inflamable

A3

B3

Ligeramente inflamable

A2

B2

No inflamable

A1

B1

Baja toxicidad

Alta toxicidad

Toxicidad creciente Clasificación Grupo Grupo L seguridad

Refrigerante

Denominación (composición = % en peso)

Fórmula química

Ebullición a 1,013 bar

1 1 1

A1 A1 A1

R-11 R-12 R-12B1

Triclorofluormetano Diclorodifluormetano Bromoclorodifluorometano

CCl3F CCl2F2 CBrClF2

23,8 -29 -4

1 1 1

A1 A1 A1

R-13 R-13B1 R-22

Clorotrifluormetano Bromotrifluormetano Clorodifluormetano

CClF3 CBrF3 CHClF2

-81,4 -58 -40,8

1 1 1

A1 A1 A1

R-23 R-113 R-114

CHF3 CCl2F-CClF2 CClF2-CClF2

-82,15 47,6 3,8

Trifluormetano 1,1,2-Tricloro-1,2,2-trifluoretano 1,2-Diclo-1,1,2,2-rotetrafruoretano

6.5 claSificación 6.5.1 claSificación

de loS fluidoS frigorígenoS

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Según la comPoSición química

Según las siglas de los nombres de las sustancias que componen la molécula: • CFC (Clorofluorocarbonos). Compuestos por moléculas muy estables de metano totalmente halogenadas. La gran estabilidad que poseen sus moléculas hace que su potencial de destrucción de la capa de ozono (ODP) sea alto. La presencia de flúor hace que contribuyan a producir el efecto invernadero. Ejemplos: R-11 y R-12. • HCFC (Hidrocloroflurocarbonos). Compuestos por moléculas de metano y etano parcialmente halogenadas, menos estables que las de los CFC. Su menor estabilidad hace que tengan un ODP más bajo que los CFC. La presencia de flúor hace que contribuyan a producir el efecto invernadero. Ejemplos: R-22 y R-124. • PFC (Perfluorocarbonos). Al no poseer cloro en su composición no son agresivos con la capa de ozono, pero tienen un tiempo de permanencia elevado en la atmósfera, por lo que la capacidad de potenciar el efecto invernadero que tienen es grande, lo que limita su utilización. Ejemplos: R-14 y R-116. • HFC (Hidrofluorocarbonos). La presencia de flúor hace que contribuyan a producir el efecto invernadero. Ejemplo: R-134a. • BCFC (Bromoclorofluorocarbonos). Presentan un ODP más elevado que los CFC, ya que el bromo es más agresivo con la capa de ozono que el cloro. La presencia de flúor hace que contribuyan a producir el efecto invernadero. Ejemplo: R-131B. • HCFC + HFC. Son mezclas transitorias para el mantenimiento del equipamiento existente. Ejemplos: R-401A y R-401B. • HFC + HFC. Son mezclas que pueden considerarse como definitivas en la sustitución de los refrigerantes CFC y HCFC. Ejemplos: R-404A, R-407C y R-410A. • HC (Hidrocarburos). Sus índices de ODP y GWP son nulos, por lo que hace que se tengan en cuenta desde el punto de vista ecológico. Ejemplos: R-600 y R-290. • Refrigerantes inorgánicos. Son refrigerantes naturales de bajo coste. Como en el caso anterior tienen índices de ODP y GWP nulos o muy bajos. Ejemplo: R-717.

6.5.2 claSificación

Según el grado de Seguridad

Según el Reglamento de Seguridad para Instalaciones Frigoríficas, los refrigerantes se clasifican en grupos de acuerdo con sus efectos sobre la salud y la seguridad:

claSificación

en función de Su inflamabilidad

Los refrigerantes deberán incluirse dentro de uno de los tres grupos, 1, 2 y 3 basándose en el límite inferior de inflamabilidad a presión atmosférica y temperatura ambiente: • gruPo 1. Refrigerantes no inflamables en estado de vapor a cualquier concentración en el aire. • gruPo 2. Refrigerantes cuyo límite inferior de inflamabilidad, cuando forman una mezcla con el aire, es igual o superior al 3,5% en volumen (V/V). • gruPo 3. Refrigerantes cuyo límite inferior de inflamabilidad, cuando forman una mezcla con el aire, es inferior al 3,5% en volumen (V/V).

Clasificación Grupo Grupo L seguridad

Refrigerante

Denominación (composición = % en peso) 2-Cloro-1,1,1,2,2-pentafluoretano 2-Cloro-1,1,1,2-tetrafluoretano Pentafluoretano

Fórmula química

Ebullición a 1,013 bar

CF3-CClF2 CF3-CHClF CF3-CHF2

-39 -12,1 -48,1

CF3-CH2F C3F8 C4F8

-26,14

1 1 1

A1 A1 A1

R-115 R-124 R-125

1 1 1

A1 A1 A1

R-134a R-218 R-C318

1 1

A1 A1

R-500 R-501

R-12 / R-152a (73,8/26,2) R-12 / R-22 (25/75)

CCl2F2 + CHF2-CH3 CCl2F2 + CHClF2

-33,5 -41

1 1 1

A1 A1 A1

R-502 R-503 R-507A

R-22 / R-115 (48,8/51,2) R-23 / R-13 (40,1/59,9) R-125 / R-143a (50/50)

CHClF2 + CF3-CClF2 CHF3 +CClF3 CF3-CHF2 + CF3-CH3

-45,4 -88,7 -46,7

1 1 1

A1 A1 A1

R-508A R-508B R-509A

R-23 / R-116 (39/61) R-23 / R-116 (46/54) R-22 / R-218 (44/56)

CHF3 +C2F6 CHF3 +C2F6 CHClF2 + C3F8

-86 -88,3 -47

1 1

A1 A1

R-718 R-744

H2O CO2

100 -78

1 1 1

A1/A1 A1/A1 A1/A1

R-401A R-401B R-401C

R-22 / R-152a / R-124 (53/13/34) R-22 / R-152a / R-124 (61/11/28) R-22 / R-152a / R-124 (33/15/52)

CHClF2 + CHF2-CH3 + CF3-CHClF CHClF2 + CHF2-CH3 + CF3-CHClF CHClF2 + CHF2-CH3 + CF3-CHClF

-33,4 a -27,8 -34,9 a -29,6 -28,9 a -23,3

1 1

A1/A1 A1/A1

R-402A R-402B

R-125 / R-290 / R-22 (60/2/38) R-125 / R-290 / R-22 (38/2/60)

CF3-CHF2 + C3H8 + CHClF2 CF3-CHF2 + C3H8 + CHClF2

-49,2 a -47,0 -47,2 a -44,8

1 1

A1/A1 A1/A1

R-403A R-403B

R-22 / R-218 / R-290 (75/20/5) R-22 / R-218 / R-290 (56/39/5)

CHClF2 + C3F8 + C3H8 CHClF2 + C3F8 + C3H8

-44,0 a -42,4 -43,9 a -42,4

1 1

A1/A1 A1/A1

R-404A R-405A

R-125 /143a / R-134a (44/52/4) R-22 / R-152a / R-142b / R-318 (45/7/5,5/42,5)

CF3-CHF2 + CF3-CH3 + CF3-CH2F CHClF2 + CHF2-CH3 + CH3-CClF2 + C4F8

-46,5 a -45,7 -32,8 a -24,4

1 1 1

A1/A1 A1/A1 A1/A1

R-407A R-407B R-407C

R-32 / R-125 / R-134a (20/40/40) R-32 / R-125 / R-134a (10/70/20) R-32 / R-125 / R-134a (23/25/52)

CH2F2 + CF3-CHF2 + CF3-CH2F CH2F2 + CF3-CHF2 + CF3-CH2F CH2F2 + CF3-CHF2 + CF3-CH2F

-45,2 a -38,7 -46,8 a -42,4 -43,8 a -36,7

1 1 1

A1/A1 A1/A1 A1/A1

R-408A R-409A R-409B

R-125 / R-143a / R-22 (7/47/47) R-22 / R-124 / R-142b (60/25/15) R-22 / R-124 / R-142b (65/25/10)

CF3-CHF2 + CF3-CH3 + CHClF2 CHClF2 + CF3-CHClF + CH3-CClF2 CHClF2 + CF3-CHClF + CH3-CClF2

-44,6 a -44,1 -34,7 a -26,3 -35,8 a -28,2

1 1

A1/A1 A1/A1

R-410A R-410B

R-32 / R-125 (50/50) R-32 / R-125 (45/55)

CH2F2 + CF3-CHF2 CH2F2 + CF3-CHF2

-51,6 a -51,5 -51,5 a -51,4

1

A1/A1

R-416A

R-134a / R-124 / R-600 (59/39,5/1,5)

CF3-CH2F + CF3-CHClF + C4H10

-23,8 a -21,8

1 1

A1/A1 A1/A1

R-417A R-417B

R-125 / R-134a / R-600 (46,6/50/3,4) R-125 / R-134a / R-600 (79/18,25/2,75)

CF3-CHF2 + CF3-CH2F + C4H10 CF3-CHF2 + CF3-CH2F + C4H10

-38,0 a -32,9 -44,9 a -41,5

1 1

A1/A1 A1/A1

R-422A R-422D

R-125 / R-134a / R-600a (65,1/31,5/3,4) R-125 / R-134a / R-600a (85,1/11,5/3,4)

CF3-CHF2 + CF3-CH2F + CH(CH3)3 CF3-CHF2 + CF3-CH2F + CH(CH3)3

-42,6 a -38,6 -46,0 a -43,6

1

A1/A1

R-424A

R-125 / R-134a / R-600a / R-600 / R-601a (50,5/47/0,9/1/0,6)

CF3-CHF2 + CF3-CH2F + CH(CH3)3 + C4H10 + C5H12

-39,7 a -34,3

1

A1/A1

R-426A

R-134a / R-125 / R-600 / R-601a (93/5,1/1,3/0,6)

CF3-CH2F + CF3-CHF2 + C4H10 + C5H12

-28,4 a -27,0

1

A1/A1

R-427A

R-32 / R-125 / R-143a / R-134a (15/25/10/50)

CH2F2 + CF3-CHF2 + CF3-CH3 + CF3-CH2F

-43,0 a -36,3

1

A1/A1

R-428A

R-125 / R-143a / R-600a / R-290 (77,5/20/1,9/0,6)

CF3-CHF2 + CF3-CH3 + CH(CH3)3 + C3H8

-48,3 a -47,5

1

A1/A1

R-434A

R-125 / R-143a / R-134a / R-600a (63,2/18/16/2,8)

CF3-CHF2 + CF3-CH3 + CF3-CH2F + CH(CH3)3

-45,0 a -42,3

1

A1/A1

R-437A

R-125 / R-134a / R-600 / R-601 (19,5/78,5/1,4/0,6)

CF3-CHF2 + CF3-CH2F + C4H10 + C5H12

-32,9 a -29,2

2

A1/A2

R-406A

R-22 / R-142b / R-600a (55/41/4)

CHClF2 + CClF2-CH3 + CH(CH3)3

-32,7 a -23,5

2 2

A1/A2 A1/A2

R-411A R-411B

R-22 / R-152a / R-1270 (87,5/11/1,5) R-22 / R-152a / R-1270 (94/3/3)

CHClF2 + CHF2-CH3 + C3H6 CHClF2 + CHF2-CH3 + C3H6

-39,6 a -37,1 -41,6 a -40,2

2

A1/A2

R-412A

R-22 / R-218 / R-142b (70/5/25)

CHClF2 + C2F8 + CH3-CClF2

-36,5 a -28,9

1,1,1,2-Tetrafluoretano Octofluorpropano Octofluorciclobutano

Agua Dióxido de carbono

-6

Clasificación Grupo Grupo L seguridad

Denominación (composición = % en peso)

Refrigerante

Fórmula química

Ebullición a 1,013 bar

CF3-CH2F + C2F8 + CH(CH3)3

-29,4 a -27,4

2

A1/A2

R-413A

R-134a / R-218 / R-600a (88/9/3)

2 2 2

A2 A2 A2

R-32 R-141b R-142b

Difluorometano 1,1-Dicloro-1-fluoretano 1-Cloro-1,1-difluoretano

CH2F2 CCl2F-CH3 CClF2-CH3

-51,76 32 -9,6

2 2 2

A2 A2 A2

R-143a R-152a R-160

1,1,1-Trifluoretano 1,1-Difluoretano Cloruro de etilo

CF3-CH3 CHF2-CH3 CH3-CH2Cl

-47 -25 12,5

2 2 2

B1 B1 B1

R-21 R-123 R-764

Diclorofluormetano 2,2-Dicloro-1,1,1-trifluoretano Dióxido de azufre

CHCl2F CF3-CHCl2 SO2

8,92 27,87 -10

2 2 2

B2 B2 B2

R-30 R-40 R-611

Cloruro de metileno Cloruro de metilo Formiato de metilo

CH2Cl2 CH3Cl C2H4O2

40,1 -24 31,2

2 2

B2 B2

R-717 R-1130

NH3 CHCl = CHCl

-33 48,5

3 3 3

A3 A3 A3

R-50 R-170 R-290

Metano Etano Propano

CH4 C2H6 C3H8

-161 -88,6 -42,8

3 3 3

A3 A3 A3

R-600 R-600a R-601

Butano Isobutano Pentano

C4H10 CH(CH3)3 C5H12

0,5 -10,2

3 3 3

A3 A3 A3

R-1150 R-1270 R-E170

Etileno Propileno Dimetileter

CH2 = CH2 C3H6 CH3OCH3

-103,7 -48 -24,8

6.6 mezclaS

Amoníaco 1,2-Dicloroetileno

azeotróPicaS y mezclaS zeotróPicaS

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Las mezclas de refrigerantes están constituidas por varios refrigerantes puros que no reaccionan entre sí. Las mezclas son azeotrópicas (serie 500) cuando, en sus cambios de estado en el circuito frigorífico, se comportan, a efectos prácticos, como un refrigerante simple (puro). Es decir, permanece constante la constitución de las fases líquida y de vapor. Las mezclas son “no azeotrópicas” o zeotrópicas (serie 400) cuando el cambio de estado se realiza a presión constante pero no a temperatura constante. Éstas se aproximan más a las del constituyente cuya proporción sea la más elevada de la mezcla. El refrigerante, formado por varios componentes, comenzaría a evaporarse a la temperatura de líquido saturado Tl y finalizaría a la temperatura de vapor saturado Ts. A la diferencia Tl - Ts se le denomina “deslizamiento” (glide) del refrigerante. Cuando el deslizamiento es inferior a 5 ºC, las mezclas azeotrópicas se denominan quasi-azeotrópicas. Temperatura

Temperatura

Composición vapor

Línea de ebullición

Composición líquido

Composición líquido y vapor REFRIGERANTE

PURO

MEZCLA

NO AZEOTRÓPICA

Por ejemplo, una instalación que trabaje con un refrigerante puro o mezcla azeotrópica con una temperatura de vaporización de 4 ºC, si se quiere tener un sobrecalentamiento de 5 ºC, el bulbo de la válvula de expansión termostática se graduará a 9 ºC.

Pero si se cambiara a una mezcla zeotrópica (por ejemplo, un refrigerante R-407C), en las mismas condiciones, manteniendo el punto de consigna de la válvula de expansión en 9 ºC, se tendrían las siguientes condiciones (ps = 6,45 bar): Tl = 4,0 ºC (igual a la temperatura de vaporización del refrigerante puro). Ts = 10,0 (temperatura del vapor saturado). Ts - Tl = 6 ºC (deslizamiento). Por tanto, a la salida del evaporador se podría tener algo de líquido, con el peligro de dañar al compresor. El problema se resolvería aumentando el valor de tarado de la válvula.

6.7 caracteríSticaS

ParticulareS de loS fluidoS frigorígenoS

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6.7.1 refrigeranteS cfcS fluido

frigorígeno

r-11: Puro

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Es un refrigerante líquido a presión atmosférica a una temperatura inferior a 23,8 ºC. Se aplica en plantas enfriadoras de agua con compresores centrífugos y en climatización centralizada. También se utiliza en limpieza de circuitos. sustitutos ⇒ r-134a: Climatización centralizada (definitivo); R-123: Plantas enfriadoras de agua con compresores centrífugos (transición); R-141b: Limpieza de circuitos (transición) fluido

frigorígeno

r-12: Puro

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Desde su puesta en fabricación en 1930 este refrigerante se usa en refrigeración doméstica, comercial e industrial. También se aplica en climatización centralizada y climatización de automóviles. sustitutos ⇒ R-134a: Aire acondicionado de automóviles; Frío doméstico y comercial hasta -20 ºC; Altas y medias temperaturas en general (definitivo); R-401A: Refrigeración comercial; Temperaturas medias en general (transición); R-401B: Transporte frigorífico; Refrigeración comercial; Bajas temperaturas (transición); R-409B: Temperaturas medias de refrigeración (transición); R-717: Refrigeración industrial (definitivo). fluido

frigorígeno

r-500: mezcla

azeotróPica

(73,8% r-12; 26,2% r-152a)

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Tiene una producción frigorífica 15 a 20% superior al R-12. Se utiliza en grupos frigoríficos destinados a camiones refrigerados y en climatización. fluido

frigorígeno

r-502: mezcla

azeotróPica

(48,8% r-22; 51,2% r-115)

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Tiene una producción frigorífica 20% superior al R-22 y 80% superior al R-12. Se emplea para los circuitos frigoríficos de baja temperatura (túneles de congelación rápida, cámaras para la conservación de productos congelados), y sus propiedades termodinámicas permiten utilizarlo en máquinas de una sola etapa de compresión mientras que el R-22, y con mayor motivo el NH3, necesitan, en las mismas condiciones de utilización, una compresión por etapas. Se emplea también en las máquinas en cascada que

utilizan el R-503 como fluido frigorígeno en el escalón inferior de la cascada (temperatura de vaporización comprendida entre -70 y -100 ºC), sirviendo como fluido frigorígeno en la segunda etapa, asegurando la condensación del R-503 alrededor de -30 a -40 ºC. sustitutos ⇒ r-404a: Temperaturas medias y bajas; Almacenamiento por debajo de -18 ºC; Transporte frigorífico a bajas temperaturas (definitivo); R-407A: Medias y bajas temperaturas (definitivo); R-407B: Medias y bajas temperaturas (definitivo); R-408A: Medias y bajas temperaturas (transición); R-403B: Medias y bajas temperaturas; Transporte frigorífico a bajas temperaturas (transición); R-402B: Máquinas de hielo (transición); R-507: En todas las aplicaciones del R-502 (definitivo); R-717: Refrigeración industrial (definitivo). fluido

frigorígeno

r-503: mezcla

azeotróPica

(40,1% r-23; 59,9% r-13)

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Se utiliza únicamente en las instalaciones frigoríficas en cascada en las que permite descender hasta temperaturas de vaporización de alrededor de -100 ºC. En esta gama de temperaturas reemplaza con ventaja al R-13 ya que su producción frigorífica es cerca de 60% superior a éste en condiciones idénticas de utilización; igualmente al etano, por su potencia frigorífica ligeramente más elevada y, especialmente, en razón de su absoluta seguridad de utilización (ininflamable e inexplosivo).

6.7.2 refrigeranteS hcfcS fluido

frigorígeno

r-22: Puro

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Se comercializó en 1935. Su rendimiento es superior al R-12, por lo que el consumo de potencia es menor. Comparado con el R-12, las temperaturas de descarga del compresor son superiores. Utilizado a bajas temperaturas pierde capacidad frigorífica, y experimenta un aumento notable de la temperatura de descarga del compresor. Se emplea en climatización de baja y media potencia, frío comercial e industrial (conservación y congelación); compite con el NH3 en este campo. sustitutos ⇒ R-134a: Aire acondicionado; Refrigeración comercial a temperaturas medias (definitivo); R-407A: Temperaturas medias y bajas de refrigeración (definitivo); R-407B: Temperaturas bajas de refrigeración (definitivo); R-407C: Aire acondicionado; Refrigeración comercial (definitivo); R-410A: Aire acondicionado (definitivo); R-507: Bajas temperaturas (definitivo); R-717: Refrigeración industrial; Temperaturas medias y bajas (definitivo).

6.7.3 refrigeranteS hfcS fluido

frigorígeno

r-134a: Puro

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ La temperatura en la descarga del compresor es moderada, un 10% menor que el R-12. No resulta eficiente para temperaturas de vaporización inferiores a -20 ºC. A temperaturas por debajo de 0 ºC la producción frigorífica es inferior a la del R-12, y superior cuando evapora por encima de 0 ºC. El caudal másico en el sistema es inferior al que se necesita con R-12; esto hace que se precise entre un 10 y un 20% menos refrigerante en el sistema con R-134a. Se desarrolló con el objetivo inicial de sustituir al R-12, pero con el paso del tiempo sus aplicaciones han aumentado. Refrigeración doméstica y comercial a temperaturas medias (-15 ºC < Te < +20 ºC). Climatización centralizada incluyendo sistemas con compresores centrífugos. Climatización de automóviles. Puede usarse para una temperatura de condensación elevada (niveles bajos de presión). fluido

frigorígeno

r-23: Puro

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Su miscibilidad con los lubricantes es difícil, agravándose por el hecho de que este refrigerante se emplea en instalaciones de muy bajas

temperaturas. Para compensar este aspecto negativo se requiere un diseño riguroso de las tuberías del sistema, así como el uso de separadores de aceite. Se emplea para muy bajas temperaturas, de -60 ºC a -100 ºC, y en la etapa inferior en una instalación en cascada.

6.7.4 hidrocarburoS fluido

frigorígeno

r-290: Puro

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Es un refrigerante natural con una acción nula sobre la capa de ozono y sin efecto invernadero. Su capacidad de refrigeración es comparable a la del R-22 con una temperatura de descarga del compresor inferior. Necesita menos cantidad de refrigerante que el R-22 para provocar el mismo efecto frigorífico. Mezcla muy bien con los aceites minerales y alquilbencénicos. Para instalaciones con 1 kg o más de refrigerante el sistema tendrá protecciones especiales contra explosiones. Puede utilizarse en equipos compactos portátiles de aire acondicionado y en instalaciones industriales.

6.7.5 refrigeranteS fluido

frigorígeno

inorgánicoS

R-718: agua (H2O)

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Se utiliza como refrigerante primario y secundario. Para ser utilizado como refrigerante primario demanda unas presiones de vaporización por debajo de la presión atmosférica. Su aplicación como refrigerante primario es más visible en los sistemas de absorción donde puede actuar como refrigerante o como absorbedor. fluido

frigorígeno

R-744: dióxido

de carbono

(CO2)

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Como refrigerante primario tiene un bajo rendimiento frigorífico, pero su carácter ecológico, su bajo coste, su baja peligrosidad en cuanto a toxicidad e inflamabilidad, lo convierten en una opción interesante como refrigerante. Puede ser utilizado como refrigerante de baja temperatura en sistemas de cascada. fluido

frigorígeno

R-717: amoníaco (NH2)

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Es un refrigerante natural con una acción nula sobre la capa de ozono y sin efecto invernadero, por lo que se considera un refrigerante altamente ecológico. Es una sustancia incolora con un fuerte olor característico que lo hace fácilmente reconocible; es irrespirable. Puede resultar explosivo si mezclado con aceite es sometido a fuertes presiones. Mezclado con aire en una proporción de más del 3,5% en volumen puede ser combustible y en concentraciones de más de un 0,5% de volumen puede resultar mortal si se permanece en esa atmósfera más de 30 minutos. El sobrecalentamiento en la descarga del compresor es elevado, por lo que en los compresores alternativos se utiliza agua para disipar el calor en los cabezales de los mismos; en el caso de los compresores de tornillo se les inyecta refrigerante líquido. Posee además un alto rendimiento. Comparado con el R-22 tiene un calor latente de vaporización seis veces superior y un calor específico cuatro veces mayor lo significa que para dar las mismas prestaciones necesita evaporadores y condensadores más pequeños con el consiguiente ahorro de espacio. Reacciona químicamente con el cobre, por lo que no es compatible con los compresores herméticos ni semiherméticos donde pueda entrar en contacto con el bobinado del motor eléctrico. Tampoco se pueden emplear tubos de cobre con este refrigerante. Se suele emplear acero al carbono, aunque con este material el factor de suciedad es elevado con posibilidades de corrosión. El acero inoxidable es un material compatible aunque costoso. No es miscible con los aceites ni siquiera en estado líquido por lo que hay que instalar siempre, un separador de aceite en la descarga del compresor. Es un refrigerante barato. Sus fugas pueden ser visibles, ya que al evaporarse genera humos; el olor peculiar que posee

ayuda a encontrarlas. Su aplicación está centrada en la refrigeración industrial (grandes almacenes de enfriamiento), fábricas de hielo, pistas de patinaje. También se utiliza en máquinas de absorción.

6.7.6 mezclaS

zeotróPicaS

fluido frigorígeno r-404a: mezcla caSi azeotróPica (52% R-143a, 44% r-125, 4% R-134a) APlicAcionEs ⇒ Es alternativo al R-502 y al R-22 en refrigeración a media y baja temperatura (-60 ºC < Te < +7,5 ºC). Enfriadoras de agua (aire acondicionado) y glicol. fluido

frigorígeno

r-407a: mezcla

zeotróPica

(20% r-32, 25% r-125, 40% r-134a)

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Exceptuando al amoníaco, de todos los sustitutos del R-502 disponibles actualmente en el mercado es el que menos efecto invernadero provoca. Sustituye al R-502 y al R-22 en aplicaciones de temperaturas medias y bajas. Se utiliza en instalaciones nuevas y en combinación con lubricantes de tipo éster. fluido

frigorígeno

r-407b: mezcla

caSi azeotróPica

(10% r-32, 70% r-125, 20% r-134a)

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Es una alternativa al R-502 y al R-22 para medias y bajas temperaturas. fluido

frigorígeno

r-407c: mezcla

zeotróPica

(23% r-32, 25% r-125, 52% r-134a)

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Posee un deslizamiento de temperatura (glide) moderadamente alto (entre 5 ºC y 7 ºC, según la temperatura). La temperatura de descarga del compresor es inferior en 5 ºC aproximadamente comparado con R-22. Las capacidades frigoríficas y volumétricas son similares. Sus presiones son un 10% superior a las del R-22. Es un sustituto del R-22 en aplicaciones domésticas y comerciales de aire acondicionado con potencias de hasta 400 kW. Se puede utilizar como alternativa al R-22 en plantas enfriadoras de agua; también en refrigeración comercial para medias temperaturas. El R-407C está concebido para ser utilizado en instalaciones nuevas especialmente calculadas para él; a pesar de esto se puede emplear para sustituir al R-22 en una instalación existente. fluido

frigorígeno

r-410a: mezcla

caSi azeotróPica

(50% r-32, 50% r-125)

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Deslizamiento de temperatura (glide) muy pequeño (0,1 ºC) presentando menos dificultades que el R-407C para ajustar el sobrecalentamiento y el subenfriamiento. Se disputa con el R-407C el campo del aire acondicionado. También puede utilizarse en las mismas aplicaciones que el R-404A con mayor eficiencia. fluido

frigorígeno

r-413A: mezcla

zeotróPica

(9% r-218, 88% r-134a, 3% r-600)

APlicAcionEs ⇒ Destinado a sustituir al R-12 tanto en automoción como en refrigeración comercial, doméstica e industrial. Se utiliza combinado con aceites sintéticos del tipo éster. fluido

frigorígeno

r-417a: mezcla

zeotróPica

(46,6% r-125; 50% r-134a; 3,4% r-600)

cArActErísticAs y APlicAcionEs ⇒ Eficiencia energética superior a la del R-22. Es compatible con todo tipo de aceite, por lo que es una opción interesante en los procesos de sustitución. Sustituye al R-22 en todo tipo de instalaciones. Es un sustituto del R-22

cómodo para los frigoristas, ya que por sus características se puede introducir en cualquier instalación de R-22 sin necesidad de realizar cambios en las mismas. Después de extraer el R-22, el único requisito es realizar un buen vacío y cargar la instalación con R-417A.

6.7.7 refrigeranteS

alternativoS

Están apareciendo en el mercado nuevas mezclas azeotrópicas y zeotrópicas, para sustituir de forma definitiva refrigerantes tales como el R-22, el R-12 y el R-502. Cuando un refrigerante se puede cargar directamente en un sistema frigorífico sin necesidad de efectuar ninguna modificación o cambio, haciendo que el sistema trabaje de forma similar, se indica con el término de Drop-in (sustituto directo). En la tabla siguiente aparecen algunos: Sustitutos del R-22 Directos

Indirectos (cambio de aceite)

R-417A R-422D R-424A R-434A

R-407C R-427A

6.7.8 gamaS

Sustitutos del R-12

Sustitutos del R-502

Directos

Indirectos (cambio de aceite)

Directos

Indirectos (cambio de aceite)

R-413A R-423A R-426A R-437A

R-134a

R-422A R-428A

R-404A R-507

Refrigerante muy bajas temperaturas R-23 R-508B Isceon 89

de temPeratura de uSo de loS refrigeranteS

En la tabla siguiente aparecen los refrigerantes más utilizados en la actualidad en todos los campos de la refrigeración, detallándose las temperaturas de aplicación. Refrigerante

Aplicación habitual

Con limitaciones

refrigeración R-134a

+12,5 ºC a -15 ºC

-15 ºC a -30 ºC

R-404A / R-507

+7,5 ºC a -45 ºC

-45 ºC a -60 ºC (2 etapas)

R-23

-50 ºC a -85 ºC (Cascada)

R-22

+12,5 ºC a -25 ºC

-25 ºC a -40 ºC

R-409A

+12,5 ºC a -20 ºC

-20 ºC a -30 ºC

R-408A

+7,5 ºC a -45 ºC

-45 ºC a -60 ºC (2 etapas)

R-403B

+7,5 ºC a -45 ºC

-45 ºC a -60 ºC (2 etapas)

acondicionamiento

de aire

R-407C

+12,5 ºC a -10 ºC

-10 ºC a -25 ºC

R-410A

+7,5 ºC a -45 ºC

-45 ºC a -80 ºC (2 etapas)

R-134a

+12,5 ºC a -15 ºC

-15 ºC a -30 ºC

R-417A

+12,5 ºC a -10 ºC

-10 ºC a -25 ºC

R-22

+12,5 ºC a -25 ºC

-25 ºC a -40 ºC

aire

acondicionado en automoción

R-134a

+12,5 ºC a -15 ºC

-15 ºC a -30 ºC

R-413A

+12,5 ºC a -15 ºC

-15 ºC a -30 ºC

6.7.9 evolución

de loS fluidoS refrigeranteS

La tabla siguiente da una perspectiva amplia en cuanto a las aplicaciones de los refrigerantes más utilizados, tanto los prohibidos actualmente como los de largo plazo. Aplicaciones

Fluidos anteriormente utilizados

Fluidos en transición

Fluidos a largo plazo

Aparatos domésticos

CFC R-12 CFC R-500

HCFC R-401A HCFC R409A

HFC R-134a HC R-290 HC R-600a

Enfriadoras de agua

CFC R-11 CFC R-12 Amoníaco

HCFC R-123

R-134a Amoníaco

Frío comercial (> 0 ºC)

CFC R-12

HCFC R-22 HCFC R-401A HCFC R-409A

HFC R-134a

Frío comercial (< 0 ºC)

CFC R-502

HCFC R-402A HCFC R-408A

HFC R-404A HFC R-507

Frío industrial

HCFC R-22 Amoníaco

HCFC R-22

R-404A R-507 Amoníaco

Frío a baja temperatura

CFC R-13 CFC R-503

Climatización

HCFC R-22 CFC R-500

Aire acondicionado automóvil

CFC R-12 CFC R-500

6.8 aceiteS

lubricanteS Para comPreSoreS

6.8.1 funcioneS

!

R-23 R-508B HCFC R-22

HFC R-134a HFC R-407C HFC R-410A HFC 134a

volver

de loS lubricanteS

DEfinición

aceiteS lubricanteS: son sustancias que se interponen entre dos superficies (una de las cuales o ambas se encuentran en movimiento), con el objetivo de disminuir la fricción y el desgaste.

En el compresor existen piezas metálicas en movimiento que están en contacto mutuo, lo que produce rozamientos entre las diferentes superficies. Esta situación provoca desgaste e importantes aumentos de temperatura muy perjudiciales para la máquina en particular y para el sistema en general. El aceite lubricante se encuentra alojado en el cárter del compresor y cumple con tres funciones esenciales:

• Lubricar las partes móviles del compresor para disminuir el efecto de los rozamientos (cojinetes, segmentos, válvulas, etc.). • Sellar las camisas de los cilindros (compresores alternativos) o las cavidades (compresores rotativos), evitando la comunicación en el compresor de las zonas de alta y baja presión; de esta forma se evita una pérdida de eficiencia. • Absorber y evacuar el calor generado (por rozamiento) durante el funcionamiento del compresor, asegurando su enfriamiento (sobre todo en compresores de tornillo).

!

Otras funciones son:

•

Proteger al sistema de la corrosión

•

Evacuar las impurezas (virutas metálicas) debidas al rozamiento de las superficies.

•

Reducir el nivel de ruido del compresor; cuanto más viscoso más se reducirá éste.

Por estas funciones, el aceite lubricante se considera un elemento importante en los sistemas de refrigeración, garantizando una vida útil prolongada del compresor.

6.8.2 claSificación

y aPlicacioneS de loS aceiteS lubricanteS

Los diferentes tipos de aceites lubricantes que se utilizan en la técnica frigorífica se pueden estructurar en dos grupos: • aceiteS mineraleS (mo). Son un producto del proceso de refinado del petróleo. Están constituidos por diversas clases de hidrocarburos: parafinas, naftenos y aromáticos. Según predomine una u otra cantidad dará carácter al aceite. En la industria de la refrigeración, su uso como lubricantes ha quedado limitado a los dos primeros (aceites nafténicos y aceites parafínicos). Son lubricantes baratos, que se utilizan con los antiguos refrigerantes (CFC y HCFC). • aceiteS SintéticoS. Se obtienen únicamente por síntesis química, ya que no existen en la naturaleza. Se han desarrollado para mejorar los problemas de solubilidad del aceite mineral con algunos refrigerantes como el R-22 o los de nueva generación como el R-134a. Existen tres tipos básicos empleados en la técnica frigorífica: ◊ Lubricantes del tipo alquilbenceno (AB). ◊ Lubricantes del tipo polioléster (POE). ◊ Lubricantes del tipo polialquilglicol (PAG).

Las aplicaciones de los distintos aceites lubricantes son las siguientes: • aceite mineral nafténico (mo). Se recomienda para la lubricación de compresores alternativos y rotativos de circuitos frigoríficos con refrigerantes CFC (R-12, R-502) y HCFC (R-22, R-408A, R-409A), además de amoníaco (R-717). También se aplica en los compresores herméticos que utilizan refrigerante R-600a (isobutano). • aceite Sintético alquilbencénico (ab). Se utiliza con refrigerantes parcialmente miscibles que trabajan con bajas temperaturas de vaporización, como el R-22 y el R-408A, sobre todo cuando no existe un separador de aceite adecuado. Son aceites muy miscibles con R-22, R-502 y R-408A por debajo de -25 ºC, cuando los aceites minerales ya no son del todo convenientes. • aceite PolioléSter (Po). Están pensados para ser utilizados con los refrigerantes definitivos HFC (R-134a, R-404A, R-507, R-407C, R-410A, R-23). Tienen excelentes propiedades de lubricación, estabilidad y protección contra la corrosión. Absorben fácilmente la humedad ambiental, debiéndose tomar ciertas precauciones. • aceite Polialquilglicol (Pag). Están pensados para la lubricación de compresores de amoníaco, así como sistemas de aire acondicionado para automóvil funcionando con R-134a. Poseen una gran estabilidad térmica, con un elevadísimo poder higroscópico (absorción de agua), compatibles con elastómeros, solubles en amoníaco y con un grado de corrosión al cobre importante.

6.8.3 ProPiedadeS

de loS aceiteS lubricanteS

Algunas de las propiedades más importantes del aceite que deben considerarse cuando éste se selecciona para la lubricación del compresor son: • viScoSidad. La viscosidad es una propiedad que tienen los fluidos de oponer resistencia al cambio de forma: F/A = h · (dv/dy). La viscosidad dinámica se define como el factor de proporcionalidad (h) entre la presión ejercida (F/A) y el diferencial de velocidad por el incremento de altura (dv/dy); su unidad es el poise (P) o centipoise (cP) y, en unidades del SI, el Pascal por segundo (Pa · s = kg/m · s); 1 Pa · s = 10 P. La viscosidad cinemática de un fluido es el cociente entre su viscosidad dinámica y su densidad, ambas medidas a la misma temperatura; su unidad es el Stoke (St) o el centiStoke (cSt) y, en unidades del SI, el metro cuadrado por segundo (m2/s) o el milímetro cuadrado por segundo (1 mm2/s = 1 cSt). La clasificación de viscosidades, según ISO, se referencia a +40 ºC y se miden en cSt. La relación de viscosidades utilizadas en la industria frigorífica, en función del refrigerante y las condiciones de trabajo previstas son: ISO VG 22, ISO VG 32, ISO VG 46, ISO VG 68, ISO VG 100, ISO VG 200, aunque los más frecuentes son 32 ó 68 cSt. Las viscosidades más pequeñas se usan en pequeños compresores herméticos, y las mayores (por ejemplo, 100 cSt) en grandes compresores, particularmente de tornillo o centrífugos. En Estados Unidos, la viscosidad se mide a 100 ºF (37,8 ºC) por un método diferente, y el resultado se da en Segundos Sayboit Universales (SSU o SUS). Para las viscosidades empleadas más frecuentemente, una conversión aproximada puede ser: 150 SUS = 32 cSt

! lA viscosidAd disminuyE En lA zonA dE AltA tEmPErAturA y AumEntA En lA zonA dE bAjA tEmPErAturA.

300 SUS = 68 cSt

450 SUS = 100 cSt

Una viscosidad demasiado alta crea problemas de retorno de aceite en la línea de aspiración. Por el contrario, una viscosidad demasiado baja disminuye la lubricación del compresor y reduce la capacidad sellante. También hay que tener en cuenta que el aceite, al mezclarse con el fluido frigorígeno, experimenta una reducción de su viscosidad.

• Punto de congelación (fluidez). Es la temperatura mínima a la cual el aceite deja de fluir (o se congelará). El punto de congelación aumenta con el contenido de parafina. El punto de congelación es muy importante en la selección de aceites para sistemas de temperatura baja, por lo que deberá ser mucho menor que la temperatura mínima en el evaporador, para evitar que el aceite se congele en la superficie del evaporador, causando pérdidas en la eficiencia del evaporador. • Punto de inflamación (carbonización). Es la temperatura a la cual se desprenden los vapores de aceite en tal cantidad que, si su mezcla con el aire entra en contacto con una llama, se inicia la inflamación. Al soportar temperaturas elevadas el aceite se ennegrece y se carboniza; esta temperatura está comprendida entre 120 ºC y 130 ºC. • nivel higroScóPico. Cuanto más tiempo esté un aceite lubricante en contacto con el aire atmosférico, más cantidad de vapor de agua absorbe, por lo que se debe evitar este contacto con el aire durante un tiempo prolongado. Un aceite con un nivel higroscópico elevado indica que se tiene que extremar la precaución para evitar la entrada de humedad en el circuito frigorífico. La entrada en el sistema de humedad puede reaccionar químicamente con el aceite éster (POE), dando como resultado alcohol y ácido, que atacarían y destruirían diferentes componentes del sistema y disminuirían la efectividad del aceite como lubricante. • miScibilidad. Capacidad que tienen dos o más líquidos de formar una mezcla homogénea.

El lubricante se debe mezclar con el refrigerante en estado líquido para garantizar que el aceite retorne al compresor después de pasar por el evaporador. De no ser así, en el mejor de los casos se pierde eficiencia en el evaporador al estar éste ocupado por una determinada cantidad de aceite. En el peor de los casos se producirá una seria avería en el compresor. Miscibilidad entre refrigerantes y lubricantes Refrigerantes

Lubricantes MO

AB

POE

PAG

CFC

Buena

Buena

Aceptable

-

HCFC

Aceptable

Buena

Aceptable

-

HFC

Nula

Nula

Aceptable

Buena

Compresores

Contenidos 7.1 Funciones del compresor y relación de compresión 7.2 Clasificación de los compresores 7.3 Compresores alternativos de pistón 7.4 Compresores rotativos de pistón rodante y de paletas 7.5 Compresores rotativos de tornillo 7.6 Compresores rotativos de espiral (scroll) 7.7 Compresores centrífugos

Índice

7

7.1 funcioneS

del comPreSor y relación de comPreSión

volver La misión del compresor es aspirar los vapores a baja presión procedentes del evaporador, a la misma velocidad que se van produciendo, y comprimirlos, disminuyendo así su volumen y aumentando en consecuencia la presión y la temperatura del gas. El factor más importante que regula la capacidad de un compresor es la temperatura de vaporización del líquido en el evaporador. A mayor temperatura de vaporización, mayor será la presión de vaporización y menor el volumen específico en la aspiración.

!

DEfinición

relación de comPreSión (rc): es la relación entre la presión absoluta del lado de alta presión y la presión absoluta del lado de baja presión.

EjEmplo 1 Cuando un compresor trabaja con refrigerante R-134a, con una presión de descarga 1.318 kPa (50 ºC) y una presión de aspiración de 164 kPa (-15 ºC), la relación de compresión sería la siguiente: RC =

descarga absoluta aspiración absoluta

=

1.318 = 8 (8:1) 164

Cuando la relación de compresión sube demasiado, por encima de aproximadamente 12:1, para un compresor alternativo hermético, la temperatura del gas refrigerante se eleva hasta tal punto que el aceite utilizado para la lubricación se podría sobrecalentar. El aceite sobrecalentado se podría convertir en carbón y generar ácido en el sistema. Para reducir la relación de compresión se puede utilizar una compresión de dos etapas.

! PArA

AlArgAr

comPrEsor

sE

lA dEbE

vidA

dE

mAntEnEr

un lA

tEmPErAturA dE dEscArgA tAn bAjA como sEA PosiblE.

Las temperaturas de descarga altas provocan fallos en la válvula de descarga. Un condensador sucio o problemas en su ventilador, dan lugar a temperaturas de condensación altas, que a su vez producen altas temperaturas de descarga. Una temperatura de vaporización baja, además de aumentar la relación de compresión, también provoca un aumento en la temperatura de descarga. Esto sucede cuando la temperatura de un compartimento refrigerado desciende por debajo de la de diseño.

Cuando aumenta la temperatura de vaporización disminuye la relación de compresión. Además, disminuye el volumen específico, por tanto, se comprime mayor masa de refrigerante por unidad de volumen, mejorando el rendimiento volumétrico.

7.2 claSificación

de loS comPreSoreS

volver

En las instalaciones frigoríficas se encuentran tres tipos de compresores: • comPreSoreS herméticoS. Todo el conjunto motorcompresor va dentro de una carcasa soldada sin accesibilidad. Normalmente se instalan en equipos de pequeña potencia, siendo de menor coste y ocupando menor espacio. Ventajas: 1) el motor está refrigerado directamente por el propio refrigerante, 2) no se requieren transmisiones entre motor y compresor. Inconveniente: en caso de avería del motor, el refrigerante puede quedar contaminado y la reparación plantea más dificultades que en los otros tipos. • comPreSoreS SemiherméticoS (herméticoS acceSibleS). El eje del motor es prolongación del cigüeñal del compresor y ambos están en una misma carcasa accesible desde el exterior. Se utilizan en potencias medias y eliminan los problemas de alineamiento entre el motor y el compresor. Son más accesibles, pues el plato de válvulas es desmontable y todas las partes internas pueden cambiarse fácilmente en caso necesario.

• comPreSoreS abiertoS. El cigüeñal es accionado por un motor exterior al compresor. Se utilizan para medias y grandes potencias y son los más versátiles y accesibles. No existe el riesgo de contaminar el refrigerante. En cambio presenta más problemas de vibraciones a causa de las transmisiones que necesita. Además, si se emplean correas son importantes la correcta alineación y tensión de éstas. Otra clasificación tiene en cuenta la forma en que se produce la compresión: • comPreSoreS de deSPlazamiento PoSitivo (volumétricoS). Queda retenida en el compresor una cantidad de gas que experimenta una variación negativa de volumen. Son compresores indicados para obtener grandes presiones con caudales relativamente pequeños. Se dividen, a su vez, en alternativos (recíprocos o reciprocantes) y rotativos. En los compresores volumétricos, la compresión del vapor se efectúa por medio de un miembro compresor: ◊ AltErnAtivos: el miembro compresor es un pistón. ◊ rotAtivos: el miembro compresor depende del tipo de compresor: a) Pistón rotativo (rodillo), b) Paletas (aleta); Tornillo (lóbulo helicoidal).

• comPreSoreS centrífugoS (turbocomPreSoreS). Tienen un dispositivo (impulsor o rodete) donde se produce un cambio del momento cinético del gas. Son compresores indicados para obtener grandes caudales y presiones moderadas. No tienen miembro compresor; la compresión del vapor se obtiene principalmente por la acción de la fuerza centrífuga, la cual es desarrollada a medida que el vapor es girado por el rodete de alta velocidad. Se dividen en: radiales y axiales, según la dirección del gas respecto al eje de rotación del rodete.

7.3 comPreSoreS

alternativoS de PiStón

7.3.1 caracteríSticaS

volver

generaleS

Se basan en la transformación de un movimiento rotativo en otro alternativo, semejante a los motores de combustión interna pero en sentido inverso. Están formados por una cámara de compresión en forma de cilindro (parte fija) y por un pistón o émbolo (parte móvil) que se desliza interiormente por el cilindro. El pistón está unido a través de una biela de transmisión a un motor accionador. Al girar el motor, la biela describe un movimiento de vaivén, succionando el gas de entrada a través de la válvula de admisión cuando retrocede el pistón, comprimiendo el gas cuando avanza el pistón y expulsando el gas a través de la válvula de escape cuando el pistón llega al final de su recorrido. Los segmentos colocados en el émbolo aseguran la estanquidad entre éste y el cilindro, separando la alta presión (interior del cilindro) de la parte de baja presión (cárter). En los compresores pequeños en lugar de segmentos se utilizan pistones con ranuras, que aseguran la estanquidad por las importantes pérdidas de carga que sufre el gas al atravesarlas, y por la película creada por el aceite de lubricación.

7.3.2 cuerPo

del comPreSor

7.3.2.1 comPreSoreS

(cárter

de loS cilindroS)

abiertoS

El conjunto de órganos que componen un compresor abierto están encerrados en el interior de un cuerpo metálico, del que salen únicamente dos tomas tubulares (aspiración y descarga) y el extremo del eje donde va acoplado el volante de accionamiento. La culata es desmontable, por medio de pernos o tornillos, que permite el acceso a las válvulas. El cuerpo del compresor incorpora tapas de inspección, que permiten llegar a los órganos componentes del sistema biela-cigüeñal. El cuerpo del compresor y la culata son de fundición. Las tapas de inspección pueden ser de fundición o de chapa de acero laminado. El accionamiento del compresor se puede efectuar por medio de una transmisión (accionamiento indirecto) o por ataque directo sobre el eje cigüeñal (accionamiento directo).

• accionamiento directo. El eje del compresor está conectado directamente a un motor eléctrico a través de un acoplamiento y está diseñado para girar a la velocidad del motor (1.750 rpm a 60 Hz y 1.450 rpm a 50 Hz). La variación de potencia frigorífica se obtiene actuando sobre el número de cilindros en servicio. • accionamiento indirecto. Se trata de la transmisión clásica que consta de: 1) Una polea motriz acoplada sobre el eje del motor de accionamiento, 2) Una polea receptora (volante) acoplada sobre el eje del compresor, 3) Un sistema de unión entre las dos anteriores (correas).

7.3.2.2 comPreSoreS

herméticoS

(“SelladoS”)

Los compresores herméticos tienen el motor y el compresor montados conjuntamente en el interior de un recipiente a presión cerrado con soldadura. Las bobinas o arrollamientos eléctricos del motor están diseñados para ser enfriados por el propio gas refrigerante.

! un más

dEnso,

vAPor tEmPlAdo

EnFriArá

El

(PrEsión

motor

ligErAmEntE más

dEl

AltA),

comPrEsor

mEjor quE un vAPor más Frío y mEnos dEnso

(PrEsión

más bAjA).

El enfriamiento del motor del compresor lo realiza únicamente el vapor de aspiración. Esto significa que el vapor tiene que ser lo más denso posible (volumen específico bajo). Cuanto menor sea la presión de vaporización, menor será la densidad del refrigerante, por tanto es importante mantener la presión de aspiración lo más alta posible.

7.3.2.3 comPreSoreS

SemiherméticoS

Los compresores semiherméticos tienen el motor y el compresor montados en el interior de un recipiente a presión y sellado por bridas atornilladas de forma que las partes del motor y compresor sean accesibles (plato de válvulas, pistones, bielas, eje y dispositivos de lubricación). En caso de rotura, estas partes pueden ser reparadas con facilidad. Según el sistema de refrigeración, existen dos tipos de compresores semiherméticos: • enfriadoS Por aire (PotenciaS entre 1/4 cv y 3 cv). La válvula de aspiración se encuentra cerca de la placa de válvula y del cilindro. El vapor aspirado entra directamente en el cilindro sin enfriar el motor. El motor se enfría mediante el aire que circula por el cuerpo del compresor, normalmente procedente del ventilador del condensador. Por tanto, no es recomendable un control de condensación que haga variar la velocidad del ventilador de la unidad condensadora. • enfriadoS Por aSPiración (PotenciaS a Partir de 5 cv). Se trata de un compresor similar al hermético. El vapor de aspiración entra en el compresor, cerca del motor eléctrico, y enfría el compresor antes de entrar en el cilindro.

7.3.3 número

y diSPoSición de loS cilindroS

El número de cilindros varía de 1 a 16. Para compresores de 2 y 3 cilindros, están dispuestos en línea. Cuando se tienen 4 o más cilindros, generalmente se emplean arreglos radiales (para formar una V o W), reduciéndose así el tamaño del compresor.

7.3.4 diámetro

y carrera del cilindro

El diámetro del cilindro varía desde unos 2,5 cm hasta 45 cm (compresores industriales). En compresores de alta velocidad se tiende a un diámetro grande y carrera corta (como las válvulas de succión y descarga están colocadas en la tapa, se requiere de diámetro grande para proporcionar suficiente área a la válvula).

7.3.5 tranSformación

del movimiento rotativo en movimiento alternativo

Esta transformación se obtiene con el sistema mecánico de biela-eje. En los compresores frigoríficos se utilizan dos variantes de este dispositivo:

•

Sistema de eje excéntrico: Qe < 12 kW.

•

Sistema de eje biela-cigüeñal: Qe > 12 kW.

Los ejes cigüeñales se construyen de acero forjado (acero o cromo molibdeno), y algunas veces de fundición. Después del mecanizado, las partes de rozamiento se someten a un tratamiento térmico que aumenta la dureza superficial para ser después rectificadas.

Manivela Cuello

Las bielas aseguran la unión entre las excéntricas o cuellos del cigüeñal y los pistones. Deben ser ligeras y resistentes, ya que deben soportar la fuerza desarrollada sobre la cabeza del pistón por la presión del fluido frigorígeno. Si la biela ha de ajustarse a una excéntrica se llama de cabeza cerrada. En cambio, si ha de ajustarse sobre una manivela de cigüeñal, la cabeza está dividida en dos partes, llamándose de cabeza abierta.

Biela de cabeza abierta

Biela de cabeza cerrada

PistonEs,

sEgmEntos, EjEs dE Pistón

Los pistones (ver figura) deben ser ligeros (hierro fundido o aluminio), y hallarse ajustados a los cilindros para evitar las pérdidas por fugas de fluido entre el pistón y el cilindro. En compresores pequeños (menos de 5 cm de diámetro), el ajuste se consigue con el empleo de pistones lisos, con una tolerancia entre pistón y cilindro de 4 a 5 micras. La película de aceite entre el pistón y el cilindro, forma entonces un “segmento líquido”. En compresores grandes, no puede utilizarse el sistema anterior, ya que el rozamiento entre pistón y cilindro lo hace prohibitivo. Debe reducirse la fuerza de rozamiento, reduciendo la superficie de contacto, mediante segmentos elásticos. El número de segmentos varía entre 2 y 5, según las dimensiones del pistón. En la parte inferior del pistón se encuentran, a veces, uno o dos segmentos llamados de engrase. Retorno de aceite

Segmentos de engrase

Cilindro

El eje del pistón actúa de unión entre el pie de la biela y el pistón, por cuya razón se le denomina muchas veces eje de pie de biela. Se trata de un eje hueco que unas veces va fijo sobre el pie de la biela, y otras sobre el pistón, quedando libre con la otra pieza.

vElocidAd

dE lA mAnivElA y dEl Pistón

Para reducir el tamaño y peso del compresor, éste ha de operar a velocidades de rotación altas. Al aumentar las rpm, se puede disminuir el diámetro y la carrera sin que se tenga disminución del desplazamiento, y sin que se tenga cambio en la eficiencia del compresor. La velocidad angular máxima (rpm) del compresor, está limitada por la velocidad lineal máxima permitida en el pistón. Como medida práctica se limita a 4 m/s (800 ft/min) como velocidad máxima del pistón, siendo el factor limitante el área disponible en la válvula. La velocidad del pistón es función de las rpm del compresor y de la longitud de la carrera del pistón. Se tiene pues la siguiente relación: valocidad del pistón (m/s) = rpm · carrera (m) · 2 carreras por revolución

EjEmplo 2 En un compresor que tenga 12 cm (0,12 m) de carrera (6 cm entre el PMS y el PMI) y esté girando a 1.000 rpm (6 polos), el pistón tendrá una velocidad: v=

s 1.000 o $ ^0, 12 $ 2h = 4 m/s = f$s =e t 60

Si la velocidad angular del compresor se aumenta hasta 3.000 rpm (2 polos), a fin de mantener la velocidad del pistón a 4 m/s, la longitud de la carrera deberá reducirse a: s=

v$t v 4 $ 60 = = = 0, 04 m = 4 cm . 2 3 000 $ 2 f$2

Como la carrera tiene una subida y una bajada, el cilindro será de 4/2 = 2 cm. Por tanto, cuanto más corta es la carrera, mayores son las rpm máximas permitidas.

7.3.6 válvulaS

de aSPiración y deScarga

El conjunto de válvulas de aspiración y de descarga están emplazadas a uno y otro lado de una placa conocida por plato de válvulas. En este caso, la corriente gaseosa no pasa por el cárter y los riesgos de arrastre de aceite son menores (ver figura). Tubería de

Tubería de

aspiración

descarga

Cilindro

Segmentos Biela

Pistón Admisión

Escape

El trabajo de estas válvulas se hace siempre metal contra metal, por lo que es indispensable que las superficies de contacto sean perfectamente planas conservando siempre su aspecto original; por tanto, deben ser robustas y poco frágiles.

En los compresores que giran a velocidad elevada, es necesario que las válvulas se abran y cierren con gran rapidez, lo que implica la necesidad de sean también ligeras. En este caso, se utilizan válvula del tipo laminar flexible.

7.3.7 diSPoSitivoS

de lubricación

El engrase de los órganos en movimiento, de los cojinetes y del sello de estanquidad puede lograrse por: a) Barboteo; b) Bomba de aceite a presión. El sistema de barboteo se utiliza en compresores de baja potencia que giran a velocidad moderada. Se mantiene un nivel de aceite en el cárter que permite a las cabezas de las bielas hallarse por debajo de dicho nivel durante parte de su movimiento de rotación; el aceite se proyecta a continuación hacia el interior del cárter llegando hasta los ejes del pistón. El sistema de lubricación forzada consiste en una bomba de aceite montada en el extremo del eje del compresor, y accionada por éste, que lubrica bajo presión todos los órganos en movimiento. La distribución de aceite se efectúa por medio de conductos a todas las partes fijas (cojinetes, etc.) y además, otro conducto taladrado en el interior del cigüeñal permite, a partir de los cuellos del mismo, engrasar las manivelas y los ejes del pistón. El aceite retorna, por gravedad, al fondo del cárter de donde es aspirado a través de un filtro por la citada bomba de aceite que es, generalmente, del tipo de engranajes o de paletas. 750 kPa

Descarga de la bomba de aceite a los cojinetes

Tubería de aspiración Cigüeñal

950 Motor Nivel de aceite

kPa

Presión neta del aceite de 200 kPa 750

kPa

Mirilla de observación

Entrada de aspiración de la bomba de aceite

Para que la lubricación sea posible es necesario que la presión de descarga de la bomba sea de 200 a 400 kPa superior a la presión existente en el cárter (presión de aspiración); esta diferencia de presión se llama presión neta del aceite. Además, deberá preverse un dispositivo de seguridad (presostato diferencial de aceite) que impida la puesta en marcha del compresor si la lubricación no puede quedar asegurada.

7.3.8 diSPoSitivoS

variadoreS de Potencia: control de la caPacidad

La mayoría de los compresores se diseñan para trabajar en unas condiciones operativas fijas y determinadas. No obstante, se precisan de algunos medios de control de capacidad para poder variar las condiciones de carga. Dependiendo de las aplicaciones, el control de capacidad puede aplicarse por los métodos que se explican a continuación.

7.3.8.1 oPeración “todo/nada” Es la forma más simple de control de capacidad; sin embargo, si este método se repite muy a menudo (ciclos cortos), puede ocurrir un fallo prematuro del compresor. Se utiliza corrientemente

en refrigeración comercial. Se calcula que la cantidad de frío que debe suministrarse a la instalación en 24 horas la producirá el compresor en un tiempo menor, comprendido generalmente entre 14 y 18 horas. Estos tiempos de marcha se adoptan en función de los aparatos reguladores (termostatos) para cubrir las variaciones de la carga frigorífica de la instalación. Durante los tiempos de funcionamiento, el compresor desarrolla siempre su máxima potencia. Este procedimiento no permite adaptar instantáneamente la producción frigorífica del compresor a las variaciones de la carga calorífica.

7.3.8.2 comPreSoreS

múltiPleS

Este método cae dentro de la categoría de la operación todo/nada. Los sistemas que utilizan de 2 a 8 compresores (plantas enfriadoras) permiten de 2 a 8 etapas escalonadas.

7.3.8.3 comPreSoreS

de doS velocidadeS

Estos compresores operan bien a velocidades superiores a 3.600 ó 1.800 rpm y esto proporciona 100% y 50% de control de capacidad en virtud del cambio de velocidad.

7.3.8.4 variación

de la velocidad del comPreSor

Permite una adaptación más sensible a la producción de la máquina. Se utilizan variadores de frecuencia que actúan sobre la velocidad del motor de accionamiento (750 a 1.500 rpm, o 900 a 1.500 rpm), en función de la carga calorífica de la instalación.

7.3.8.5 deScarga

o deSconexión de cilindroS

Es el procedimiento que más se emplea en los modernos compresores multicilíndricos. El control de la capacidad de un compresor de varios cilindros, se obtiene “descargando” uno o más cilindros de tal manera que éstos se vuelven inefectivos. Uno de los métodos es desviar la descarga de uno o más cilindros retornándola a la tubería de aspiración. Cuando la presión de aspiración baja hasta un valor predeterminado, una válvula solenoide instalada en la tubería de desviación, abre y permite la descarga de uno o más cilindros para que, pasando el fluido a través de dicha tubería, regrese a la tubería de aspiración en donde se mezcla con el vapor de aspiración. Cuando la presión de aspiración aumenta, se desenergiza la válvula solenoide, cerrándose la tubería de desviación, de modo que el compresor retorna a su capacidad de completo funcionamiento.

Del evaporador

Tubería de desviación

Al condensador Válvula de

Solenoide

retención

En un compresor de 6 cilindros, por ejemplo, los regímenes de marcha (en porcentaje de la producción máxima), tienen los siguientes valores:

100% - 66% - 33% - 0% y sobre un compresor de 8 cilindros, los regímenes son de: 100% - 75% - 50% - 25% - 0% Estos dispositivos pueden trabajar automáticamente, mandados por un órgano de regulación presostática o termostática (R) que actúen (en función de la carga calorífica de la instalación) sobre válvulas solenoides que abran o cierren la admisión de los gases de descarga a los dispositivos de reducción de potencia previstos sobre el compresor. La tabla y la figura siguiente representan la variación de la potencia en un compresor de 8 cilindros: Potencia frigorífica desarrollada

100%

75%

50%

25%

Cilindros en servicio

1a8

1-3-4 5-6-7

1-2 7-8

1-7

-

2-8

3-4 5-6

2-3-4 5-6-8

Válvula solenoide S1

Cerrada

Abierta

Cerrada

Abierta

Válvula solenoide S2

Cerrada

Cerrada

Abierta

Abierta

Cilindros fuera de servicio

S1

S1

2

1

4

3

6

5

8

7

S2

R

1

4

3

6

5

8

7

S2

S1

S1

2

R

2

1

4

3

6

5

8

7

R

S2

2

1

4

3

6

5

8

7

R

S2

Un compresor no puede descargarse hasta una capacidad de 0, porque no movería refrigerante por el sistema para hacer que vuelva el aceite que hubiera en éste. Normalmente, los compresores se descargarán hasta el 25 ó 50% de su capacidad. La ventaja de descargar cilindros es que la energía que consume el compresor se reduce a medida que se reduce la capacidad. Esta reducción no es directamente proporcional a la de la capacidad del compresor, pero es considerable cuando el compresor trabaja a carga parcial.

7.3.8.6 modulación

de la caPacidad mediante bypass de gaS caliente

Se utiliza siempre que los controles todo/nada son inaceptables, o siempre que los descargadores de capacidad no son capaces de funcionar bien para tratar la carga. Consiste en hacer pasar por el bypass una parte del gas comprimido para evitar que la presión de aspiración del compresor caiga por debajo de un valor predeterminado. Para evitar retrocesos y bombeo del sistema, se coloca una válvula solenoide delante del bypass de gas caliente. Aunque el gas caliente que pase por el bypass puede ser inyectado directamente en la aspiración del compresor, esto no es recomendable. En lugar de ello, debería inyectarse después de la válvula de expansión o a la entrada del evaporador. Esto permite al gas caliente mezclarse con la mezcla de líquido-vapor después de la válvula de expansión y retornar como gas frío al compresor. Este método también permite mantener el recalentamiento.

Válvula de expansión termostática Condensador

Evaporador

Válvula solenoide, tubería de gas caliente (NC)

Válvula de by-pass gas caliente Tubería de aspiración Compresor

7.4 comPreSoreS

rotativoS de PiStón rodante y de PaletaS

volver

7.4.1 comPreSoreS

rotativoS de PiStón rodante

En general, los compresores rotativos poseen acoplamiento directo del motor y no tienen válvulas de admisión, circulando el gas siempre en el mismo sentido. Admiten elevadas relaciones de compresión (la práctica la limita a 7:1), ya que el aceite lubricante, que ha de ser abundante, sirve además para eliminar el calor producido por la compresión. Están sujetos a mucha menos vibración mecánica que los compresores alternativos. En los compresores de pistón rodante (rodillo) el eje motor y el eje del estator son concéntricos, mientras que el eje del rotor es excéntrico una distancia e respecto a ellos. Al deslizar el rotor sobre el estator se establece entre ellos un contacto, que en el estator tiene lugar a lo largo de todas y cada una de sus generatrices, mientras que en el rotor solo a lo largo de una, A, la correspondiente a la máxima distancia al eje motor. La pala deslizante, alojada en el estator, se aprieta y ajusta contra el rotor mediante un muelle antagonista. Pala deslizante Válvula de escape

Lumbrera de admisión

Eje motor

Excentricidad

Estator

A

Rotor

La admisión del vapor se efectúa a través de la lumbrera de admisión y el escape a través de la válvula de escape. El vapor aspirado en el compresor, que llena el espacio comprendido entre el rotor y el estator, se comprime de forma que, al girar, disminuye progresivamente su espacio físico (cámara de trabajo), hasta que alcanza la presión existente en la válvula de escape, que en ese momento se abre, entonces tiene lugar la expulsión o descarga del vapor. El caudal volumétrico teórico desplazado es: π Vo t = $ ^D2 - d2h $ 60 $ L $ n (m3/h) 4 siendo: D = diámetro interior del estator; d = diámetro exterior del rotor; L = longitud de contacto (rotor-estator); n = número de rpm del rotor.

El compresor de rodillo se emplea en equipos de pequeño tamaño: acondicionadores de ventana, refrigeradores domésticos, etc. Son compresores extremadamente eficientes.

7.4.2 comPreSoreS

rotativoS de PaletaS

El compresor de paletas emplea una serie de paletas o álabes los cuales están equidistantes a través de la periferia de un rotor ranurado. En este compresor el eje motor es excéntrico respecto al eje del estator y concéntrico respecto al eje del rotor. El rotor gira deslizando sobre el estator en forma excéntrica respecto a la superficie cilíndrica interior del estator, estableciéndose un contacto que, en el estator tiene lugar sobre una única generatriz, mientras que en el rotor tiene lugar a lo largo de todas sus generatrices. El rotor es un cilindro con ranuras radiales en las que las palas están sometidas a un movimiento de vaivén, a medida que éstas siguen el contorno de la pared del cilindro, por la acción de la presión producida por un resorte. Las palas (1 o más) aprietan y ajustan sus extremos libres deslizantes a la superficie interior del estator, mientras se desplazan sus extremos interiores. Válvula de escape

Paleta del rotor

Lumbrera de admisión A

Eje motor

Excentricidad

Rotor

Estator

La admisión del vapor se efectúa mediante la lumbrera de admisión y el escape a través de la válvula de escape. El vapor llena el espacio comprendido entre dos palas vecinas y las superficies correspondientes del estator y del rotor, cuyo volumen crece durante el giro del rotor hasta alcanzar un valor máximo, y después se cierra y traslada a la cavidad de impulsión del compresor, comenzando al mismo tiempo el desalojo del vapor.

Cámara de trabajo

Cámara de trabajo

En el compresor monocelular (una pala), la posición de la lumbrera de admisión tiene que estar lo más cerca posible de la generatriz A de contacto (rotor-estator), siendo el desplazamiento teórico (cámara de trabajo) idéntico al de un compresor de rodillo. En el compresor bicelular (dos palas), el volumen teórico desplazado (cámara de trabajo) es proporcional a dos veces el área sombreada (máxima que se puede conseguir). En el compresor multicelular (cuatro o más palas), el volumen teórico desplazado es proporcional a cuatro veces el área sombreada, que es la máxima que se puede obtener.

Se observa que el desplazamiento aumenta con el número de palas (2, 4,... veces el área sombreada), llegándose a construir compresores con 6, 8 y hasta 10 palas. Con compresores de más de 10 palas no se generan ganancias sensibles en el volumen desplazado. El volumen desplazado crece aumentando la excentricidad e (o lo que es lo mismo disminuyendo el diámetro d, para un diámetro D constante); esta solución genera un aumento de la fuerza centrífuga a la que están sometidas las palas, por lo que se ocasiona un rozamiento excesivo entre éstas y el estator, con su consiguiente deterioro y desgaste.

7.5 comPreSoreS

rotativoS de tornillo

(helicoidaleS)

volver

7.5.1 deScriPción

y PrinciPio de funcionamiento

El compresor de tornillo (“twin” o gemelo) utiliza un doble conjunto de rotores (macho y hembra). El rotor macho tiene usualmente 4 lóbulos que engranan dentro de 6 alvéolos del rotor hembra (disposición 4 + 6), hallándose este rotor accionado por el primero, y siendo los sentidos de giro los indicados en la figura adjunta. Otros compresores, especialmente para aplicaciones de acondicionamiento de aire, usan otras variantes, como la 5 + 7. El gas, debido al giro, queda prisionero entre los espacios de los rotores, siendo transportado de un extremo al otro del engranaje donde se hallan la admisión y el escape: • aSPiración. El gas es aspirado a través del orificio de admisión, llenando los espacios entre lóbulos. En un momento determinado, cada cámara de trabajo se cierra por uno de sus extremos, quedando así atrapado un volumen de vapor V1 que queda desconectado de la aspiración a la presión p1. El ciclo de aspiración se completa cuando el lóbulo ha girado lo suficiente para cerrar el punto de entrada. • deSPlazamiento a PreSión conStante. Como el lóbulo continúa girando, el volumen V1 atrapado en el lóbulo se mueve circunferencialmente sin variar el volumen. • comPreSión. A medida que los rotores continúan su giro, los lóbulos reducen el volumen de la cavidad y comprimen el gas (hasta V2), poniéndose en comunicación con la lumbrera de escape, con lo que se produce un aumento de la presión p2. • deScarga. Cuando el rotor gira lo suficiente, el lóbulo abre el orificio de descarga, permitiendo al gas abandonar el compresor. Hay que resaltar que el gas entra y sale del compresor a través de galerías, no hay válvulas de aspiración ni de descarga. Cada una de las cámaras de trabajo se comporta como si el cilindro fuese un compresor alternativo, donde cada diente del rotor conductor hace las veces de pistón, que primero cierra y después comprime el volumen inicialmente atrapado V1, por lo que un compresor helicoidal no es sino un compresor alternativo de seis cilindros helicoidales, en el que se han eliminado el cigüeñal, el espacio residual y las válvulas de admisión y escape. Descarga

Aspiración

Motor eléctrico

El gas es comprimido de un modo continuo por los rotores hasta que los lóbulos están engranados totalmente. Esto elimina la indeseable condición existente en los compresores alternativos, donde el gas en el volumen de holgura entre el pistón y la parte superior del cilindro se reexpande (comprimido o forzado) por el interior del cilindro, dando lugar a una reducción del rendimiento volumétrico y a un incremento en el consumo de potencia.

7.5.2 relación

de comPreSión

Una característica esencial en los compresores de tornillo es la ausencia de toda válvula tanto de descarga como de aspiración. Por el contrario, requieren un alto grado de calidad en las tolerancias, lo cual supone elevados costes de fabricación. La relación de compresión interna está determinada por la forma de los orificios de aspiración y descarga: p1 $ V1g = p2 $ V2g & RC =

p2 V g = e 1o p1 V2

siendo RC la relación de compresión de diseño que un determinado compresor puede generar; un compresor de tornillo puede alcanzar relaciones de compresión de hasta 20:1. PrEsión

FinAl dE comPrEsión

Para conseguir el máximo rendimiento del compresor helicoidal, la presión generada en las cavidades helicoidales del rotor conducido tiene que ser exactamente igual a la presión existente en el escape; de no ser así se producirían pérdidas internas que aunque no perjudican al compresor, ni disminuyen significativamente su capacidad frigorífica, aumentan la potencia consumida reduciendo el rendimiento final. Estos compresores se seleccionan teniendo en cuenta la relación de compresión RC, sabiendo que también van a funcionar de modo satisfactorio fuera de la relación elegida consumiendo algo más de energía. La presión p2 de diseño del compresor seleccionado no siempre es posible hacerla coincidir con la presión de condensación impuesta por la instalación frigorífica pc, por lo que se pueden dar los siguientes casos (ver figura: diagrama teórico de compresor helicoidal): p c

b

d

a

pcs

4

3

p2

Trabajo suplementario

2

pci 5

6

p1

1

V2

V1

V

Si pc = p2, la compresión se realiza según el ciclo indicado (1-2-b-a-1), cuya superficie representa el trabajo teórico consumido por el compresor (funcionamiento ideal). Si pc > p2, cuando el volumen de la cámara de trabajo alcanza el valor V2 se pone en comunicación con la lumbrera de escape, se produce un reflujo de vapor desde la zona de alta presión hacia la cámara de volumen V2, que de modo casi instantáneo eleva la presión en el interior desde p2 a pcs (presión que el compresor por sí solo no habría podido conseguir). Como el árbol motor sigue

girando, la cámara llena de vapor a la presión pcs y disminuye su volumen en la fase de descarga desde V2 hasta cero (3-c). El área (1-2-3-c-a-1) del diagrama indicado representa el trabajo mecánico de compresión realizado. El área (2-4-3-2) representa el trabajo adicional consumido, pérdida que supone una disminución de eficiencia frigorífica. Si pc < p2, cuando el volumen de la cámara de trabajo alcanza el valor V2 se pone en comunicación con la lumbrera de escape, se produce un reflujo de vapor desde la cámara de volumen V2 hacia la zona de alta presión, que de modo casi instantáneo disminuye la presión en el interior desde p2 a pci. Como el árbol motor sigue girando, la cámara llena de vapor a la presión pci y disminuye su volumen en su fase de descarga desde V2 hasta cero (5-d). El área (1-2-5-d-a-1) del diagrama indicado representa el trabajo mecánico de compresión realizado. El área (2-5-6) representa el trabajo adicional consumido, pérdida que supone una disminución de eficiencia. A pesar de estos aspectos negativos, los compresores volumétricos rotativos tienen valores del rendimiento volumétrico cercanos a la unidad (inexistencia de espacio residual), lo que hace que los circuitos diseñados con este tipo de compresores tengan siempre valores de la eficiencia frigorífica iguales o superiores a los alcanzados con los alternativos.

7.5.3 SiStema

de lubricación

El compresor de tornillo puede girar a mayor velocidad que el alternativo y es más silencioso. La refrigeración del compresor se realiza mediante inyección de aceite en los rotores que además sirve como lubricante de los mismos. La inyección directa del aceite enfriado en el interior de la cámara de compresión presenta las siguientes ventajas: • lubricación de loS rotoreS. Lo que permite asegurar el accionamiento del rotor hembra por el rotor macho, por el rozamiento sobre una película de aceite. • refrigeración de la corriente de gaS. Durante el ciclo de compresión el gas refrigerante se calienta. El aceite inyectado enfría este gas y permite al compresor trabajar con altas relaciones de compresión. Aun con altas relaciones de compresión, la temperatura de descarga raras veces excede de 93 ºC (200 ºF), tiene temperaturas normales de alrededor de 71 ºC a 82 ºC (160 ºF a 180 ºF). • formación de una Película entre loS rotoreS. El aceite también forma un film entre los dos rotores, dando mayor estanquidad, lo que permite hacer funcionar el compresor bajo grandes diferencias de presión con mínimas fugas entre la descarga y la aspiración (relación de compresión y rendimiento volumétrico elevados). En general, la cantidad de aceite inyectado representa, en cuanto a volumen, un 1% del volumen desplazado. El enfriamiento del aceite interno mantiene una temperatura en la descarga menor a 100 ºC, independientemente de la relación de compresión.

7.5.3.1 circuito

de aceite

La cantidad de aceite en circulación en un compresor de tornillo es muy importante, teniendo la salida del mismo a través de la descarga, por lo que resulta imprescindible instalar un separador de aceite que separe casi completamente el aceite del fluido frigorígeno para reintegrarse hacia el compresor. Dicho aceite debe ser filtrado, y enfriado, antes de volverlo a inyectar al compresor para que realice adecuadamente su función. Por consiguiente, se encontrarán en el compresor los siguientes elementos: •

Un separador de aceite eficaz (a la salida del compresor).

•

Un recipiente de aceite separado o integrado.

• Una bomba de aceite (utilizada solo en el arranque, ya que en el funcionamiento normal la circulación del aceite se asegura por la diferencia de presiones, p2 - p1).

•

Un enfriador de aceite (utiliza agua o glicol como elemento refrigerante).

•

Un filtro de aceite. Descarga

Compresor Aspiración

Gas/Aceite

Separador de aceite

Filtro de aceite Bomba de aceite Agua o glicol

Enfriador de aceite

7.5.3.2 enfriador de aceite La inyección de aceite permite obtener un rendimiento elevado y una larga etapa de funcionamiento de los compresores de tornillo, al absorber una gran cantidad de calor de compresión de la máquina. El calor cedido al aceite se intercambia en un enfriador de aceite. Dependiendo del tipo de sistema enfriador, este calor puede ser sustraído de la carga térmica del condensador. EnFriAmiEnto

Aceite

!

Las formas más habituales de refrigerar el compresor de tornillo son:

• Enfriamiento por agua intercambiador térmico.

o

glicol

en

un

• Enfriamiento por expansión directa en un cambiador de calor. • Enfriamiento por inyección refrigerante en el compresor.

directa

de

Por AguA o glicol En un intErcAmbiAdor térmico

Para la refrigeración del aceite se utiliza un cambiador de calor tubular, con agua o glicol, para retirar el calor. El agua se puede suministrar desde un sistema abierto o cerrado. Con el sistema abierto, el agua se refrigera en un condensador evaporativo o en una torre de refrigeración. Con el sistema cerrado, el agua o glicol se refrigera en un enfriador evaporativo (ver figura), u otro cambiador de calor que puede recuperar este calor para usarse en la caldera de calefacción del edificio o para agua caliente sanitaria. Debido a la pobre transferencia térmica, bajo caudal de aceite y gran salto térmico del aceite, el refrigerador de aceite se diseña con tubo aleteado exterior para aumentar la transferencia térmica.

Descarga

Enfriador evaporativo

Compresor Aspiración

Gas/Aceite

Aceite Aceite Enfriador de aceite

Separador de aceite

EnFriAmiEnto

Por ExPAnsión dirEctA En un cAmbiAdor dE cAlor

Si no se dispone de una fuente de agua limpia o es muy cara, el fluido enfriador puede reemplazarse por refrigerante. En este caso se utiliza un enfriador de expansión directa inyectando el gas vaporizado en el compresor, bien en el puerto de aspiración, o en un puerto economizador. Este procedimiento aumenta la potencia del compresor y disminuye la capacidad si se inyecta en la aspiración del compresor. El condensador debe estar dimensionado para el calor total de rechazo de refrigeración más la potencia añadida.

Condensador

Líquido de alta

Recipiente de líquido

presión

Descarga

Compresor Aspiración

Gas/Aceite

Separador de aceite

Puerto economizador

Aceite

Aceite

Enfriador de aceite

Evaporador

EnFriAmiEnto dirEctA

dE

Por

Condensador

inyEcción

rEFrigErAntE

En

El

comPrEsor

Este sistema se usa habitualmente en sistemas de refrigeración industrial que utilizan amoníaco, pero tiene un uso muy limitado en sistemas de halocarburos.

Líquido de alta presión

Recipiente de líquido Descarga

Compresor Aspiración

Gas/Aceite

Separador de aceite

Aceite

Evaporador

Este sistema inyecta el líquido refrigerante directamente en el compresor en un punto en que la presión interna está por debajo de la presión de descarga. El líquido se evapora, enfriando la corriente de gas y aceite en el compresor. El caudal de líquido se controla modulando una válvula de líquido en respuesta a la temperatura de descarga. Las temperaturas de descarga se mantienen entre 11 ºC y 49 ºC (20 ºF y 120 ºF) por encima de la temperatura de condensación. Este método produce un ligero incremento de la potencia del compresor. El calor total rechazado en la refrigeración debe ser retirado en el condensador.

7.5.4 SiStema

economizador

(Sobrealimentación)

La posibilidad de emplear el compresor de tornillo para realizar fuertes tasas de compresión en una sola etapa, constituye una gran ventaja pero conduce a una herejía termodinámica, dada la cantidad de vapor que se forma en el transcurso de la expansión. Efectivamente, el compresor de tornillo puede trabajar con relaciones de compresión de 20:1 sin tener temperaturas de descarga excesivas. Sin embargo, estas relaciones de compresión reducen el rendimiento considerablemente. Para evitarlo, se utiliza el principio de la sobrealimentación, que consiste en prever un orificio adicional sobre el cárter (puerto economizador), que desemboca entre los rotores justo después de la fase de aspiración. Este puerto permite al gas refrigerante (que se encuentra a una presión superior a la presión de vaporización) ser inyectado en el compresor después de que la compresión se ha realizado parcialmente. De esta forma, se consigue que el compresor aspire un volumen complementario de fluido. Este gas podría venir de un cambiador de calor usado para subenfriar el líquido que va al evaporador principal (ver figura) o desde un subenfriador tipo flash.

Condensador

Líquido de alta

Recipiente de líquido

presión

Descarga

Compresor Aspiración

Gas/Aceite

Separador de aceite

Puerto economizador

Aceite Aceite Enfriador de aceite

Subenfriador Líquido subenfriado Evaporador

7.5.5 control

de caPacidad

La mayoría de compresores de tornillo poseen un sistema de regulación de potencia continua desde 10 a 100%. Esta regulación se efectúa por medio de una válvula interna de deslizamiento colocada bajo los rotores. Cuando esta válvula está cerrada, el compresor trabaja a plena carga. A medida que se abre, la longitud efectiva de trabajo de los rotores disminuye lo mismo que la potencia frigorífica. El exceso de gas vuelve a la aspiración. Gracias a este principio, la potencia absorbida con carga parcial disminuye con la potencia frigorífica en una relación que depende de la relación de compresión. Las válvulas deslizantes pueden funcionar desde la presión correspondiente a plena carga (100%) hasta cargas parciales del 25%, en forma manual o automática, mediante un pistón hidráulico movido por el aceite del compresor. La capacidad de desplazamiento puede realizarse, también, variando la velocidad de giro del rotor conducido, por medio de un variador de frecuencia.

7.6 comPreSoreS 7.6.1 deScriPción

rotativoS de eSPiral

(scroll)

volver

del comPreSor scroll

El compresor de espiras emplea dos piezas en forma de espiral, una fija (superior) y la otra móvil (inferior) accionada por el eje del motor. El centro de rotación de la espira móvil está decalada en relación con el de la espira fija, con una excentricidad “e” llamada “radio orbital”, que permite la compresión volumétrica de los vapores aspirados.

!

La espiral inferior no describe un movimiento rotativo, sino que se trata de un movimiento giratorio de traslación. Entre ambas piezas (espiral fija y espiral móvil) van creando, sE trAtA dE un comPrEsor muy desde la boca de admisión y de manera continua, una silEncioso y rEsistE sin límitE El golPE cámara de compresión de volumen decreciente. Al final dE líquido (sE EvitA lA utilizAción dE del recorrido del gas y cuando el volumen de la cámara de lA botEllA AntigolPE). compresión es mínimo (máxima presión del fluido), éste es expulsado por la salida de expulsión. En la descarga existe una válvula de retención que evita el retorno de gas a alta presión hacia la parte de baja presión a la parada de la máquina.

7.6.2 cicloS

del comPreSor scroll

En la figura adjunta se muestra el giro del eje del motor que hace que la espiral describa una órbita alrededor del centro del eje y no una rotación. Debido a la excentricidad existente entre el centro del cojinete de la espiral y el centro del eje del cigüeñal del conjunto móvil, se produce un movimiento orbital de la espira móvil. El movimiento orbital permite a las espirales crear bolsas de gas, y el movimiento relativo entre ambas espirales, fija y móvil, obliga a las bolsas de gas a desplazarse hacia la puerta de descarga en el centro del conjunto disminuyendo progresivamente el volumen.

7.6.3 SiStema de lubricación

!

El aceite, aspirado por Venturi (bomba de aceite centrífuga), permite subir el aceite por el árbol y lubricar las diversas partes mecánicas en movimiento. El aceite se impulsa hacia arriba por un pasaje interno del cigüeñal, que permite lubricar los cojinetes superior e inferior del cigüeñal. El aceite llega al extremo superior para lubricar la espiral móvil. La lubricación necesaria por el contacto entre las superficies del scroll es proporcionada por la pequeña cantidad de aceite arrastrada por el gas de aspiración.

7.6.4 PreSión

DEfinición

bomba centrífuga: es un dispositivo cónico fijado en el extremo inferior del cigüeñal, sumergida en el cárter de aceite.

final de comPreSión

Todo lo dicho para los compresores helicoidales, es válido para el compresor scroll. En el caso del scroll pueden presentarse los tres casos representados en la figura siguiente. p pcs

c

4

3

p2

b

pci

d

5

6

p1

a

1

V2

7.6.5 regulación

Trabajo suplementario

2

V1

V

de la caPacidad

Para los tamaños pequeños, se utiliza el control “on-off”, parando y arrancando el motor por medio de un termostato o un presostato. Se puede conseguir un cierto grado de regulación mediante la fabricación de unidades equipadas con dos o más compresores scroll de tamaños iguales o diferentes, montados en paralelo, permitiendo fraccionar la potencia frigorífica de modo escalonado. Por ejemplo, una unidad con 2 compresores, uno del 40% y el otro del 60% de la potencia frigorífica total, posibilita el escalonamiento siguiente: 40% (primero), 60% (segundo) y 100% (los dos). Actualmente se están incorporando a los compresores scroll variadores de frecuencia para la regulación de la capacidad, incidiendo sobre la velocidad de giro del compresor.

7.7 comPreSoreS

centrífugoS

(turbocomPreSoreS)

volver

7.7.1 turbomáquinaS Las turbomáquinas sirven para desplazar y/o comprimir un gas; se pueden dividir en tres grupos según la relación de compresión: • ventiladoreS. Generan una relación de compresión baja, RC < 1,1. Si el incremento de

presiones no excede el valor indicado, la variación de volumen específico del gas a través de la máquina se puede despreciar en el cálculo de la misma, por lo que el ventilador es una turbomáquina hidráulica (TMH). • SoPlanteS o turboSoPlanteS. Son máquinas destinadas a comprimir generalmente aire, en las que la relación de compresión es 1,1 < RC < 2,5; no tienen ningún tipo de refrigeración incorporada y, en general, son de un único escalonamiento. • turbocomPreSoreS (comPreSoreS ProPiamente dichoS). Son turbomáquinas térmicas que comprimen gases con relaciones de compresión mayores (RC > 2,5), y por ello tienen incorporada refrigeración. Aunque en el campo de las grandes presiones el compresor alternativo es aún insustituible, la evolución de los turbocompresores hace posible su aplicación a presiones cada vez más elevadas, con grandes caudales, mayor potencia y mejor rendimiento. Los turbocompresores pueden ser axiales o centrífugos. Para la aplicación en la industria frigorífica se utilizan los compresores centrífugos.

7.7.2 deScriPción

de loS comPreSoreS centrífugoS

El compresor centrífugo utiliza la fuerza centrífuga provocada por la gran velocidad periférica en que el fluido sale de los álabes del rotor, velocidad que al pasar seguidamente a través de un “difusor” con la consiguiente caída de velocidad, obtiene, como contrapartida un aumento de la presión. Las velocidades normales del motor utilizado en los compresores alternativos, espiral y de tornillo son de unas 3.000 rpm. Para algunos compresores centrífugos de una sola etapa, con caja de engranajes, se utilizan velocidades de 30.000 rpm. Por tanto, son máquinas de alta velocidad capaces de manejar volúmenes muy grandes de gas refrigerante con bajas relaciones de compresión. La caja de engranajes tiene dos engranajes: el engranaje motor, más grande, y el engranaje accionado, que se mueve más rápido Si la presión de descarga aumenta demasiado o la presión de vaporización baja demasiado, el compresor no puede resistir la diferencia de presión y deja de bombear. El motor y el compresor siguen girando, pero el refrigerante deja de moverse desde el lado de baja presión al de alta presión del sistema. El compresor y el motor no se verán dañados salvo que se dejen en ese estado (estado de “sobrepresión”) mucho tiempo. Los fluidos frigorígenos utilizados son casi siempre los de tipo halogenado, aunque en las industrias petrolíferas y químicas se utilizan muy frecuentemente, en los compresores centrífugos, metano, propano, etileno y propileno. Su gama de potencia frigorífica se extiende de 350 kW a 12.000 kW y las temperaturas de vaporización pueden variar de +10 ºC (acondicionamiento de aire) a -160 ºC (licuefacción del metano). Se utilizan para climatización como enfriadoras de agua.

7.7.3 cicloS

!

lAs

EFiciEnciAs dE los comPrEsorEs

cEntríFugos son rElAtivAmEntE AltAs PArA todos los tAmAños:

70

A

80%,

AunquE En Algunos cAsos sE obtiEnEn vAlorEs mAyorEs A

80%.

de refrigeración

Los compresores centrífugos pueden ser de dos tipos: • comPreSoreS centrífugoS monoetaPa (un Solo PaSo o etaPa). Pueden usarse solo en aquellas aplicaciones donde, por ser pequeña la caída de temperatura (Tcon - Tvap), el aumento de presión requerido es relativamente pequeño. Muchas enfriadoras de agua emplean una sola etapa de compresión en el ciclo básico de refrigeración por compresión del vapor.

• comPreSoreS centrífugoS multietaPa (doS o máS PaSoS). Consisten en una serie de ruedas impulsoras montadas en un mismo eje. El número de ruedas (pasos de compresión) puede ser: una, dos, tres y cuatro; en algunos casos se han empleado hasta 12 ruedas. Las ruedas son progresivamente más pequeñas en tamaño (y anchura) en la dirección del flujo de vapor a fin de compensar la reducción en el volumen del vapor resultante de la compresión tenida en la rueda o ruedas anteriores. Los sistemas de dos o tres etapas de compresión se usan en algunos diseños refrigerados por agua y en todas las unidades refrigeradas por aire. Se puede incrementar el COP instalando un enfriador intermedio (intercooler).

7.7.4 SiStema

de lubricación

La lubricación se realiza mediante otro motor y una bomba de aceite. Este motor permite arrancar la bomba de aceite antes que el motor centrífugo y asegura la lubricación antes de que el compresor y la caja de engranajes comiencen a girar. El sistema de lubricación tiene un calentador en el colector de aceite que mantiene dicho colector a unos 60 ºC. El aceite se bombea desde el colector a través de un filtro y un enfriador de aceite (intercambiador de calor por medio de agua). El enfriador de aceite lo enfría desde la temperatura del colector (unos 60 ó 70 ºC) hasta unos 50 ºC.

7.7.5 control

de caPacidad

El control de capacidad más simple, y menos eficiente, es estrangular el caudal de aspiración del compresor; esto solo se hace en unidades pequeñas compactas.

Los demás compresores centrífugos tienen un conjunto de guías móviles a la entrada del primer rotor. Estos álabes se denominan “de prerrotación” (PRV), ya que su función es crear un movimiento de torbellino (rotación) en la corriente de flujo de refrigerante a la entrada del impulsor o rotor. Un compresor que tiene más de un rotor puede tener más de un conjunto de álabes PRV. Las pérdidas son menores que en el caso del estrangulamiento. Si las guías móviles están cerradas, el compresor solo bombea a un 15 ó 20% de su capacidad. Cuando están completamente abiertas, bombea al 100%. Las guías también sirven para arrancar el motor a capacidad reducida para reducir la intensidad de arranque. El método más eficaz de controlar la capacidad de un compresor centrífugo es variar su velocidad, variando la frecuencia de la corriente alterna que se suministra al motor. Los inversores de frecuencia variable se utilizan para modular la velocidad del motor de muchas enfriadoras centrífugas con capacidades hasta 2.500 kW (700 ton). A plena carga, la mayoría de enfriadoras de agua que utilizan compresores centrífugos tienen unos requerimiento de consumo entre 0,14 y 0,26 kWh/kW (0,5 y 0,9 kWh/ton).

Evaporadores

Contenidos 8.1 Funciones del evaporador 8.2 Rangos de temperatura en la refrigeración 8.3 Clasificación de los evaporadores 8.4 Temperaturas características del evaporador 8.5 Sobrecalentamiento y descenso caliente 8.6 Cálculo del evaporador 8.7 Procedimientos de descongelación

Índice

8

8.1 funcioneS

!

del evaPorador

DEfinición

evaPorador: es un intercambiador de calor donde se produce el efecto frigorífico, por ebullición del refrigerante.

volver

Al evaporador llega el fluido frigorífico como mezcla de líquido (en un porcentaje elevado) y vapor (en menor porcentaje). En su recorrido por el evaporador el líquido absorbe calor del ambiente y se vaporiza (cambia de estado) gradualmente manteniendo constante su presión. El cambio de estado se produce a temperatura constante.

Por tanto, la función principal de un evaporador es la de absorber el calor del espacio refrigerado. Además, elimina o mantiene la humedad en dicho espacio. Cuando el evaporador elimina calor del espacio, descendiendo su temperatura, se elimina calor sensible. Asimismo, cuando elimina humedad del espacio, se elimina calor latente. El calor latente es un calor oculto, porque los termómetros no lo registran, pero sigue siendo calor, al igual que el calor sensible, y hay que eliminarlo, lo cual requiere energía. Este proceso de absorción de calor se consigue manteniendo el serpentín del evaporador a una temperatura inferior a la del entorno que se va a enfriar. Por ejemplo, si una cámara frigorífica se va a mantener a 2 ºC, su serpentín debería mantenerse a una temperatura inferior a los 2 ºC del aire que va a pasar por él, por ejemplo a -6 ºC, lo que significa que se encuentra a 8 ºC por debajo de la temperatura del aire entrante. La carga en el serpentín aumenta o desciende, según suba o baje la temperatura del aire de retorno. Si el aire de retorno que hay en el espacio refrigerado es más caliente (se ha introducido mercancía), también tendrá más humedad, lo que hará aumentar la carga del serpentín y éste tendrá que eliminar más calor. Esto provoca que aumente la velocidad de ebullición y, por tanto, aumenta la presión de vaporización.

8.2 rangoS

de temPeratura en la refrigeración

volver

Los rangos de temperatura del compartimento refrigerado dependen de la aplicación. Las aplicaciones, tanto en acondicionamiento de aire como en refrigeración, son: • acondicionamiento de aire (refrigeración de confort). Las temperaturas del compartimento o local oscilan entre 23 ºC y 25 ºC (24 ºC de media). • refrigeración a alta temPeratura. Las temperaturas del compartimiento oscilan entre 11 ºC y 15 ºC (13 ºC de media). Ejemplo: almacenamiento de flores (15 ºC). • refrigeración a media temPeratura. Las temperaturas del compartimiento oscilan entre -2 ºC y 4 ºC (2 ºC de media). Pocos productos se suelen guardar por debajo de 0 ºC. Normalmente, las cámaras de refrigeración para productos perecederos trabajan entre 2 ºC y 3 ºC, mientras que los refrigeradores compactos (muebles, expositores, arcones) trabajan entre 3 ºC y 4 ºC. Esto es debido a que los modelos compactos se reabastecen al menos una vez al día de productos procedentes de una cámara de refrigeración, y el producto estará en el refrigerador compacto solo durante un periodo de tiempo relativamente corto. • refrigeración a baja temPeratura. Las temperaturas del compartimiento oscilan entre -18 ºC y -30 ºC (-23 ºC de media). Normalmente, las cámaras de congelación trabajan a -23 ºC y los congeladores compactos a -18 ºC. Las fábricas de hielo trabajan entre -18 ºC y -6 ºC. Los helados se mantienen congelados a -18 ºC, pero si tienen un alto contenido en nata y azúcar no se congelan hasta los -24 ºC. • refrigeración a muy por debajo de -32 ºC.

baja temPeratura.

Las temperaturas del compartimento se encuentran

8.3 claSificación 8.3.1 Según

de loS evaPoradoreS

volver

el tiPo de conStrucción

Los principales tipos de evaporadores según su construcción son: • evaPoradoreS de tuboS deScubiertoS. Los tubos lisos son de acero cuando se utiliza R-717 y se suelen encontrar en evaporadores de grandes capacidades. Para los refrigerantes fluorados y de pequeñas capacidades se utiliza el cobre. Se fabrican a la medida, según cada caso específico. Las formas más comunes que presentan los evaporadores de tubo descubierto son: zig-zag plana, trombón ovalado y espiral (enfriamiento de líquido). • evaPoradoreS de tuboS aleteadoS. Se trata de serpentines de tubos descubiertos sobre los cuales se colocan placas metálicas o aletas, soldadas a presión sobre los tubos. Las aletas, sirven como superficies secundarias absorbedoras de calor y tienen el efecto de aumentar el área superficial externa del evaporador, mejorándose por lo tanto la eficiencia para enfriar aire u otros gases. Por lo tanto, los serpentines aleteados, al tener mayor área superficial por unidad de longitud y anchura que los serpentines sin aletas, pueden construirse de forma más compacta. El tamaño y espaciamiento de las aletas depende del tipo de aplicación, principalmente de la temperatura de operación del serpentín, variando desde 1 a 14 aletas por pulgada (2 a 16 mm de separación: 2 - 4 - 6 - 8 - 10 - 12 - 16 mm): ◊ Para congelación (baja temperatura): el espaciamiento es de 2 ó 3 aletas por pulgada (8 a 12 mm de separación); la acumulación de escarcha es inevitable en serpentines aleteados trabajando a temperaturas bajas, restringiendo el paso del aire entre las aletas y retardando la circulación del aire a través del serpentín; para grandes periodos sin deshielo se aconsejan separaciones mayores (11 a 12 mm). ◊ Para conservación (media temperatura): el espaciamiento es de 3 ó 4 aletas por pulgada (6 a 8 mm de separación). ◊ Para climatización (alta temperatura): el espaciamiento es de 5 a 14 aletas por pulgada (2 a 5 mm de separación, 3,5 mm de media); la separación es menor debido a que no hay acumulación de escarcha.

El espaciamiento de aletas para serpentines de convección natural (circulación del aire por gravedad) debe ser mayor que para serpentines de convección forzada, para que el serpentín ofrezca la mínima resistencia al flujo del aire.

8.3.2 Según

el método de alimentación del líquido refrigerante

Los evaporadores, según el método de alimentación del líquido, pueden ser: • evaPoradoreS de exPanSión Seca. La cantidad de líquido refrigerante alimentado al evaporador está limitada a la cantidad que pueda ser completamente vaporizada durante el tiempo de llegada hasta el extremo final del evaporador, de tal forma que solo llegue vapor a la línea de aspiración. El control de flujo refrigerante puede ser por tubo capilar o válvula de expansión termostática. En general, para asegurar una completa vaporización del refrigerante en el evaporador y prevenir el golpe de líquido en el compresor, se permite un sobrecalentamiento de 5 ºC al final del evaporador; esto requiere del 10% al 20% de la superficie total del evaporador. Los evaporadores de expansión seca son algo menos eficientes que los del tipo inundado.

Por el contrario, son mucho más simples en su diseño, tienen un coste inicial más bajo y requieren de menos carga de refrigerante. Además, tienen menos problemas en lo que respecta al regreso del aceite. Por estas razones el evaporador de expansión seca es el tipo más utilizado en instalaciones de tamaño mediano y pequeño. Líquido completamente vaporizado

Vapor sobrecalentado Aspiración al compresor Mezcla líquido-vapor

Entrada del Mezcla líquido-vapor

líquido

• evaPoradoreS de tiPo inundado. Para conseguir un mayor rendimiento en el intercambio de calor del evaporador, algunos evaporadores se llenan totalmente de líquido o se inundan, utilizando un mecanismo que evita que el refrigerante líquido pase al compresor. Son evaporadores de fabricación especial y normalmente utilizan un dosificador de flotador para mantener el nivel de líquido lo más alto posible en el evaporador. Al estar completamente inundados, tienen humedecida toda la superficie interior del tubo y, por tanto, una mayor transferencia de calor. Aspiración al compresor Desviador Cámara de cambio de estado

Acumulador Nivel de líquido

Líquido del depósito receptor Control del flotador

8.3.3 Según

Me zcla líquido-vapor

el tiPo de fluido a refrigerar

Según el tipo de fluido a refrigerar, los evaporadores se clasifican en: • evaPoradoreS Para enfriamiento de aire. Un factor importante que interviene en el funcionamiento de estos evaporadores (factor ausente en los enfriadores de líquidos), es la formación de “escarcha” que tiende a oponerse al intercambio de calor entre el fluido frigorígeno y el fluido a refrigerar. Dependiendo de las necesidades del producto, se tendrán dos tipos de evaporadores, de acuerdo con el procedimiento de circulación del aire: ◊ Evaporadores de convección natural, (evaporadores estáticos). Se construyen con tubos aleteados y raramente con tubos lisos. La batería está formada por tubos de cobre con aletas de aluminio planas (distancia entre aletas: unos 8 mm). El enfriamiento del aire se obtiene por radiación y por convección natural. La circulación del aire se mejora con la ayuda de desviadores que actúan, además, de bandeja de desagüe.

Aplicaciones: Donde se desea aire de baja velocidad y deshidratación mínima del producto (caso particular de productos no empaquetados). Ejemplos: Refrigeradores domésticos, unidades de exhibición (vitrinas) y cámaras grandes de almacenaje (los serpentines cubren la mayor parte del techo de la cámara). Debido a que el aire frío es más denso que el caliente, los evaporadores deberán colocarse lo más alto posible del suelo, pero teniendo cuidado de que se tenga suficiente espacio entre el evaporador del techo para permitir la libre circulación del aire. La diferencia de temperatura (DT) en estos evaporadores es de unos 2 ºC menor que en los evaporadores de convección forzada. A menor caudal de aire, menor DT. ◊ Evaporadores de convección forzada, (llamados en refrigeración comercial “unidad enfriadora”), son evaporadores (generalmente de tubo aleteado) colocados en una carcasa metálica y equipados con uno o más ventiladores.

La capacidad de enfriamiento total de un evaporador de convección forzada está directamente relacionada con el caudal de aire (m3/h) que circula sobre él. Básicamente, existen tres tipos de evaporadores de convección forzada: ▫ Evaporadores de techo. Constituidos por un elemento aleteado encerrado dentro de una envolvente metálica. Los ventiladores pueden colocarse sobre la parte frontal (evaporador cúbico), sobre pantallas inclinadas, o debajo del evaporador (ver figura). ▫ Evaporadores murales. Se utilizan en cámaras frigoríficas de temperatura positiva de poca altura. Van fijados en las paredes de las cámaras. La impulsión de aire frío se efectúa por la parte alta y la toma de aire caliente por la parte baja. ▫ Frigorígenos con boca de descarga (conductos). Se utilizan en cámaras frigoríficas de gran volumen en las que sus dimensiones, especialmente la altura, son importantes. Se monta sobre patas. El elemento aleteado se coloca en la parte inferior de una caja envolvente (monobloque) que incorpora el desagüe en la parte inferior. Encima del elemento aleteado va una batería de agua para el desescarche por aspersión de agua, aunque pueden utilizarse otros sistemas de descongelación.

• evaPoradoreS Para enfriamiento de líquido. Los más utilizados son los enfriadores multitubulares (enfriadores acorazados), de envolvente (carcasa) y tubos horizontales, trabajando en expansión seca o inundados. Cuando el enfriador trabaja con expansión seca, el refrigerante pasa por el interior de los tubos, mientras que el líquido a enfriar circula a través de la carcasa. Cuando el enfriador trabaja inundado, el líquido enfriador circula por dentro de los tubos y el refrigerante está contenido en la carcasa; el nivel del refrigerante líquido dentro de la carcasa, se mantiene a cierto nivel con algún tipo de control de flotador. En cualquier caso, el líquido enfriado está circulando a través del enfriador conectado a la tubería por medio de una bomba por lo general de tipo centrífugo. La carcasa suele tener un diámetro entre 6 y 60 pulgadas y el número de tubos oscila desde menos de 50 hasta varios miles. Estos tubos tienen un diámetro de 5/8 a 2 pulgadas, y la longitud de los tubos entre 1,5 y 7 metros.

Como regla general, los enfriadores de expansión seca se usan en instalaciones de potencia comprendida entre 7 kW y 900 kW. Los enfriadores inundados, se usan para capacidades comprendidas entre 35 kW y varios miles de kilovatios.

8.4 temPeraturaS 8.4.1 diferencia

caracteríSticaS del evaPorador

media de temPeratura

(DTm)

El intercambio de calor en el evaporador tiene lugar entre un fluido frigorígeno que se evapora a la temperatura constante Te y un fluido (líquido o gas) que se enfría desde T1 a T2.

T T1 T2

∆T1

volver

Si llamamos Te a la temperatura de vaporización del fluido frigorígeno, T1 a la temperatura de entrada del fluido a enfriar y T2 a la temperatura de salida del fluido a enfriar, la temperatura media del fluido a enfriar, Tm, será:

∆T2

Te

Longitud

Tm =

T1 + T2 2

La diferencia media de temperatura (DTm) es igual a la diferencia entre la temperatura media del fluido que ha de enfriarse y la temperatura de vaporización: DTm = Tm - Te

8.4.2 diferencia

de entrada

(Dt1

o

dt)

y diferencia de Salida

(Dt2)

La diferencia de entrada (DT1) o diferencia de temperatura (DT), es la diferencia entre la temperatura de entrada (T1) y la temperatura de vaporización (Te): Tipo de evaporador Evaporador de aire Evaporador de líquido

Diferencia de temperatura (DT) Convección natural

8 ºC a 12 ºC

Convección forzada

8 ºC (5 ºC a 20 ºC)

En baño de agua

5,5 ºC a 8 ºC

En baño de salmuera

4,5 ºC a 5,5 ºC

La diferencia de salida (DT2), es la diferencia entre la temperatura de salida (T2) y la temperatura de vaporización (Te): DT2 = T2 - Te La diferencia media de temperatura también se calcula con la media de las diferencias extremas entre la temperatura de vaporización y las temperaturas de entrada y salida: DTm =

DT1 + DT2 T + T2 - 2 $ Te T + T2 ^ T - Teh + ^ T2 - Teh = 1 = 1 = 1 - Te 2 2 2 2

Debido a que: Tm =

T1 + T2 & DTm = Tm - Te 2

8.4.3 diferencia

de temPeratura media logarítmica

(lmtd)

Cuando la diferencia entre la temperatura de entrada T1 y la temperatura de salida T2 no es elevada, puede utilizarse el método de cálculo de la diferencia media (aritmética) DTm; pero cuando los valores de T1 y T2 se alejan notablemente uno del otro, la utilización de este método puede conducir a la obtención de superficies de intercambio insuficientes, ya que dicha diferencia es superior a la diferencia real que es la media logarítmica (LMTD).

La temperatura de entrada T1 disminuye progresivamente a medida que pasa a través del serpentín del evaporador. Si se supone que la disminución de temperatura se realiza de manera constante a medida que el fluido a refrigerar (aire) pasa a través del serpentín (línea punteada de la figura siguiente), el punto medio de esa línea representa la temperatura media del aire (Tm) que está pasando a través del serpentín. Sin embargo, en realidad la caída de temperatura es mayor en el paso por la primera hilera del serpentín y disminuye a medida que el aire pasa a través de las demás hileras. Esto es debido a que la diferencia entre el aire y el refrigerante en la primera hilera es mayor, disminuyendo a medida que la temperatura del aire se reduce al pasar a través de las siguientes hileras. En la figura se representa la caída real de la temperatura del aire según la curva continua, donde se detalla el punto de temperatura media real. 3ª h

2ª h

1ª h

Entrada de aire a 5 ºC

2,5 ºC (media aritmética) 2,3 ºC (media real) 1 ºC Salida de aire a 0 ºC

En la figura, la caída de temperatura en la 1ª hilera es de 2,5 ºC (5 ºC - 2,5 ºC), en la 2ª hilera de 1,5 ºC (2,5 ºC - 1 ºC), y en la 3ª hilera de 1 ºC (1 ºC - 0 ºC). Si realizamos el cálculo aproximado con la expresión de la diferencia de temperatura media, se obtiene la siguiente expresión (ver apartado 2.4.2): DTm =

DT1 + DT2 ^ T - Teh + ^ T2 - Teh = 1 2 2

Para obtener la diferencia de temperatura real, se utiliza la diferencia de temperatura media logarítmica, en la que se tiene en cuenta la temperatura media real: LMTD = DTml =

DT1 + DT2 ^ T - Teh - ^ T2 - Teh = 1 T + Te DT1 ln e ln e 1 o o T2 - Te DT2

EjEmplo 1

1/2

Para los valores dados en la figura anterior, calcular la diferencia de temperatura media aritmética y la diferencia de temperatura media logarítmica, suponiendo que la temperatura de vaporización es: Te = -7 ºC. Cálculo de la diferencia de temperatura media aritmética: DTm =

^ T1 - Teh + ^ T2 - Teh

2

=

^5 - ^- 7hh + ^0 - ^- 7hh

2

= 9, 5 ºC

EjEmplo 1

2/2

Por lo tanto: Tm = DTm + Te = 9,5 + (-7) = 2,5 ºC Cálculo de la diferencie de temperatura media logarítmica: LMTD =

^ T1 - Teh - ^ T2 - Teh

T + Te ln e 1 o T2 - Te

=

12 - 7 5 = = 9, 3 ºC 0, 539 12 ln c m 7

Por lo tanto: Tml = LMTD + Te = 9,3 + (-7) = 2,3 ºC

EjEmplo 2 Supongamos que el aire entra en el evaporador a una temperatura de 0 ºC y 85% de humedad relativa y sale a -3 ºC y 92% de humedad relativa. Calcular la DTm y la LMTD, suponiendo que la temperatura de vaporización es de -10 ºC. T T 1 = 0 ºC T 2 = -3 ºC ∆T 1 = 10 ºC ∆T 2 = 7 ºC

T e = -10 ºC

Longitud

DTm =

DT1 - DT2 10 + 7 = = 8,5 ºC 2 2

LMTD =

DT1 - DT2 10 - ^+ 7h = = 8,4 ºC DT 10 ln e 1 o ln c m DT2 7

8.4.4 intercambio

térmico en un evaPorador con Sobrecalentamiento

En un evaporador con sobrecalentamiento, todo el líquido admitido se vaporiza; el vapor refrigerante que sale del evaporador se encuentra a una temperatura ligeramente superior a la temperatura de vaporización. El intercambio de calor se efectúa en dos fases: •

Ebullición del líquido.

•

Sobrecalentamiento de los vapores.

T T1 T2

∆T1

∆T2

Te

Longitud

8.4.5 diferencia

de temPeratura

(dt)

en evaPoradoreS de aire

Un factor importante para la selección del evaporador adecuado es la DT (DT1) del evaporador. La DT se define como la diferencia de temperatura entre la temperatura del aire que llega al evaporador, T1 (temperatura de diseño del espacio), y la temperatura de vaporización del refrigerante, Te, correspondiente a la presión a la salida del evaporador: DT = DT1 = T1 - Te

10,50

En la figura adjunta se muestran las relaciones entre capacidad del evaporador y la DT del evaporador. Obsérvese que la capacidad (kW) varía directamente con la DT. O sea, que si un evaporador tiene determinada capacidad a 5 ºC (3 kW), tendrá exactamente el doble (6 kW) si la DT se aumenta hasta 10 ºC.

9,00 7,50 Capacidad del

6,00

evaporador (kW)

4,50 3,00 1,50 0 5 ºC

10 ºC

15 ºC

DT

No hay que confundir la LMTD con la DT del evaporador. Si aumenta la temperatura del aire que llega al evaporador T1, aumenta la DT y, por lo tanto, también la LMTD. Es decir, la LMTD

varía en proporción a la DT del evaporador y, por lo tanto, la capacidad del evaporador variará también en proporción a la DT del evaporador. Un evaporador con un área superficial relativamente pequeña trabajando con una DT relativamente grande, puede tener la misma capacidad que otro evaporador que tenga un área superficial más grande pero trabajando con una DT más pequeña. Sin embargo, la diferencia de temperatura entre el evaporador (Te) y el espacio refrigerado (T1) tiene mucha influencia en la condición

del producto almacenado y en la eficiencia de operación del sistema, constituyendo un factor determinante en la selección del evaporador. Por tanto, antes de seleccionar un evaporador, es necesario precisar primero la DT de diseño. En acondicionamiento de aire se utiliza el salto térmico del aire (DT), que expresa la diferencia entre la temperatura del aire de entrada (T1) y el aire de salida (T2), debido a que es sencillo colocar una sonda de temperatura en el conducto donde el aire está completamente mezclado. En refrigeración, es más fácil de medir y, además, de manera exacta la temperatura de vaporización (presión de aspiración) que la temperatura de descarga, debido a las turbulencias del aire producidas por las aletas del ventilador. Un valor medio del salto térmico del aire en acondicionamiento de aire suele ser 11 ºC: DT = T1 - T2 = 11 ºC rElAción

EntrE lA

dt

dEl EvAPorAdor y lA humEdAd dEl EsPAcio A rEFrigErAr

La conservación de alimentos y otros productos en condiciones óptimas de refrigeración, no solo depende de la temperatura del espacio refrigerado sino también de la humedad relativa de éste. Si la humedad en el espacio es muy baja, ciertos productos (carnes cortadas, vegetales, productos lácteos, frutas, flores, etc.) presentan una deshidratación excesiva. Si la humedad en el espacio refrigerado es muy alta, aumenta el crecimiento de mohos, hongos y bacterias.

! cuAndo

sE

rEFrigErAn

Productos

EmPAquEtAdos, En botEllAs, lAtAs, Etc., lA humEdAd rElAtivA dEl EsPAcio no tiEnE imPortAnciA AlgunA.

La DT del evaporador está íntimamente relacionada con la humedad relativa del espacio refrigerado: cuanto menor sea la diferencia de temperatura (DT) entre el evaporador y la cámara, mayor será la humedad relativa en la cámara, y viceversa. Esta relación es casi lineal y es importante determinar el valor de la DT que deberá mantenerse, según la humedad relativa que se desee. Los valores de la DT más adecuados para evaporadores de convección natural o forzada se exponen en la tabla siguiente:

Humedad relativa

DT del evaporador Convección natural

Convección forzada

95%

6,7 ºC (12 ºF)

4,5 ºC (8 ºF)

90%

7,8 ºC (14 ºF)

5,5 ºC (10 ºF)

85%

8,9 ºC (16 ºF)

6,7 ºC (12 ºF)

80%

10,0 ºC (18 ºF)

7,8 ºC (14 ºF)

75%

11,1 ºC (20 ºF)

8,9 ºC (16 ºF)

70%

12,2 ºC (22 ºF)

10,0 ºC (18 ºF)

50% (climatización)

-

20 ºC (36 ºF)

Los modelos compactos de refrigeración presentan una DT mayor (unos 11 ºC) que las cámaras frigoríficas (unos 6 ºC), debido a que están más expuestos al aire ambiente exterior al equipo, y ese aire ambiente se encuentra a una humead relativa más baja. Las cámaras frigoríficas de alta humead pueden presentar una DT de unos 4 ºC. Aplicación

Temperatura de retorno

Humedad relativa

DT del evaporador

Temperatura de vaporización

Acondicionamiento de aire

24 ºC

50%

20 ºC

4 ºC

Refrigeradores compactos

4 ºC

65%

11 ºC

-7 ºC

Cámaras frigoríficas

2 ºC

85%

6 ºC

-4 ºC

Cámaras de alta humedad

-20 ºC

90%

4 ºC

-24 ºC

Los valores de la DT pueden utilizarse tanto en congeladores como en refrigeradores. Sin embargo, los valores de humedad no son aplicables a los congeladores, ya que normalmente la comida suele estar envasada y no se ve afectada por la humedad. Los valores dados en la tabla para acondicionamiento de aire están basados en unidades “estándar” de 10 SEER (seasonal energy efficienciy ratio, relación de eficiencia de energía estacional) e inferiores. Las unidades de alta eficiencia tienen temperaturas de vaporización más altas (7 ºC en lugar de 4 ºC), debido a que la superficie del serpentín es mayor. Sin embargo, esto hace que disminuya la DT y, por lo tanto, aumente la humedad interior. La velocidad del aire (caudal de aire) que circula por el evaporador puede modificar la tasa del intercambio de calor. Cuando el caudal de aire disminuye, hay menos calor latente que el refrigerante pueda absorber, por lo que el refrigerante no se evapora tanto. Esto provoca que baje la temperatura y la presión de vaporización, produciendo más escarcha. La diferencia entre la temperatura de vaporización (Te) y la temperatura de salida del aire del evaporador (T2) depende de la DT y de la calidad del evaporador (valores de U, A, caudal, etc.).

Para calidades aceptables, en refrigeración, puede estar entre 4 ºC y 7 ºC. En aplicaciones de acondicionamiento de aire suele estar entre 7 ºC y 10 ºC.

EjEmplo 3 Una cámara de conservación se mantiene a 2 ºC con un 85% de humedad relativa. La diferencia de temperatura del evaporador es de 6 ºC. Considerando una diferencia de salida de DT2 = 4 ºC, calcular la temperatura de salida del aire. _ b ` & Te = T1 - DT = 2 - 6 = - 4 ºC DT = DT1 = T1 - Te = 6 ºCb a T1 = 2ºC, 85%

DT2 = T2 - Te & T2 = Te + DT2 = - 4 + 4 = 0 ºC

EjEmplo 4 Un recinto climatizado se mantiene a 24 ºC y 50% de humedad relativa. Calcular la temperatura de vaporización y la temperatura de salida del aire. Considerar DT2 = 9 ºC. Comprobar el resultado considerando un salto térmico del aire (DT) de 11 ºC. _ b ` & Te = T1 - DT = 24 - 20 = 4 ºC DT = DT1 = T1 - Te = 20 ºCb a T1 = 24ºC, 50%

DT2 = T2 - Te & T2 = Te + DT2 = 4 + 9 = 13 ºC DT = T1 - T2 = 11 & T2 = T1 - DT = 24 - 11 = 13 ºC

8.5 Sobrecalentamiento y volver cargado en exceSo)

deScenSo caliente

(evaPorador

El sobrecalentamiento garantiza que todo el refrigerante se ha vaporizado dentro del evaporador. El sobrecalentamiento de un evaporador se calcula de la siguiente forma:

1.

Se mide la temperatura de vaporización (se puede realizar con un termómetro o con un manómetro en la toma de aspiración y mediante una tabla p/T, como la del AnExo A3).

2. 3.

Se mide la temperatura de la tubería de aspiración (final del evaporador).

Se resta la temperatura de la tubería de aspiración menos la temperatura de vaporización. El resultado obtenido es el sobrecalentamiento.

El sobrecalentamiento varía de 2 ºC (congelación) a 9 ºC (acondicionamiento de aire). En los sistemas de refrigeración comerciales suele ser de 5 ºC a 6 ºC. Es conveniente que el sobrecalentamiento total, hasta la entrada del compresor, sea de 11 ºC a 16 ºC. El sobrecalentamiento del compresor se mide en la tubería de aspiración, a 15 cm del compresor. Cuando se pone en marcha un sistema (nuevo o después de la descongelación), o cuando se introduce un producto templado en el compartimento, la temperatura del aire que rodea al

serpentín del evaporador aumenta (el sistema se sobrecarga). En ese momento, el refrigerante contenido en el evaporador vaporiza más rápidamente y la válvula de expansión alimenta de manera deficiente al evaporador, aumentando el sobrecalentamiento. Debido a que la temperatura del compartimento estará más caliente, también aumentará la temperatura y la presión de vaporización. El proceso que sufre el sistema en ese momento se llama descenso caliente. En un descenso caliente, no se darán las condiciones de temperatura y presión adecuadas hasta que se alcancen las condiciones de diseño. Durante el proceso de descenso caliente, el sistema está desequilibrado. Este hecho es importante tenerlo en cuenta en un servicio técnico. Es aconsejable esperar a que las presiones y temperaturas se estabilicen y alcancen los valores de diseño, antes de determinar parámetros (DT y sobrecalentamiento) y antes de ajustar la válvula de expansión.

8.6 cálculo 8.6.1 balance

del evaPorador

volver

entálPico del evaPorador

En un evaporador interesa pasar de líquido a vapor un fluido refrigerante a partir del calor que suministra un fluido a enfriar (aire, agua, salmuera). Si el fluido que da el calor es el aire, en la salida del evaporador se recoge un condensado (líquido). Para calcular el flujo de calor en un evaporador se aplica la ecuación de la primera ley de la termodinámica: Vapor saturado mR, hR2 mF, hF1, T1

Líquido a vaporizar

Qe (+)

mR, hR1

Fluido calefactor

mF, hF2 , T2

Sistema 1: Fluido refrigerante (R) o =m o $ ^h - h h o $ ^h - h h & Qo = m Qo e - W R R2 R1 e R R2 R1 Sistema 2: Fluido a enfriar (F) o =m o $ ^h - h h & Qo = m o $ ^h - h h c m o $ c $ ^T - T h Qo e - W F F2 F1 e F F2 F1 F pF 2 1

8.6.2 caPacidad

del evaPorador

Un evaporador que ha sido seleccionado para una determinada aplicación, debe tener suficiente capacidad para absorber calor con la rapidez necesaria, y producir el enfriamiento requerido según las condiciones de diseño. El evaporador es un intercambiador de calor y, por lo tanto, es útil establecer el concepto de coeficiente global de transmisión de calor, U, definido a partir de la expresión siguiente que es la capacidad del evaporador: Qo e = Ae $ U $ LMTD = Ae $ U $ DTml c Ae $ U $ DTm siendo: Qe = potencia frigorífica del evaporador (W); U = coeficiente global de transmisión de

calor (W/m2 · K); Ae = área exterior de los tubos (m2); LMTD = diferencia de temperatura media logarítmica entre la temperatura exterior al evaporador (en contacto con el serpentín) y la temperatura del refrigerante dentro del evaporador; DT = diferencia media de temperatura.

8.6.3 coeficiente

global de tranSmiSión de calor

Un buen coeficiente global de transmisión térmica implica un mejor paso del flujo de calor y, por lo tanto, una diferencia de temperatura reducida entre la temperatura de vaporización (interior del tubo) y la temperatura del medio a enfriar (exterior del tubo). Considerando la sección de un tubo de evaporador, cuya pared tiene un espesor e (ver figura), se tiene, cualquiera que sea la posición de dicha sección: • En el interior del tubo: fluido frigorígeno en condición de mezcla líquido-vapor en proporción variable, pero con temperatura constante Te, a velocidad v (m/s). • En el exterior del tubo: fluido que ha de enfriarse, con temperatura Tf, a velocidad vf (m/s); los dos fluidos circulan, generalmente, a contracorriente. • Separación de las dos corrientes de fluido: pared metálica de espesor e (mm) bañada en sus dos caras por los fluidos que se hallan en circulación, cuyas temperaturas son Te y Tf, de forma que en todos los puntos del evaporador: Tf > Te

vf

Tf

e

Te

v

La pared del tubo se puede considerar un muro homogéneo y, desde el punto de vista de transmisión de calor, el intercambio se hará: •

Por convección del fluido frigorígeno en la superficie interna del tubo.

•

Por conducción a través de la pared metálica del tubo.

•

Por convección de la superficie exterior del tubo al medio a enfriar.

En la práctica, la pared interior del tubo estará recubierta por una película de aceite y, además en aquellas aplicaciones en que la pared exterior se encuentre por debajo de 0 ºC, se observará una capa de escarcha. Todo esto sin contar que la pared exterior del evaporador presentará suciedad (evaporadores de aire) o incrustaciones calcáreas (evaporadores de agua). Por tanto, el muro homogéneo se ha convertido en un muro compuesto.

vf

Tf

e3 e2 e1 Te

v

La resistencia global al paso del flujo calorífico será igual a la suma de las resistencias parciales de los diferentes elementos que constituyen la pared: U=

1 1 = RT R1 + R2 + g + Rn

En estas nuevas condiciones, se tienen los siguientes parámetros: •

Coeficiente de convección del fluido frigorígeno (hi).

•

Coeficiente de conductividad térmica de la película de aceite (l1) de espesor (e1).

•

Coeficiente de conductividad térmica del tubo (l2) de espesor (e2).

•

Coeficiente de conductividad térmica de la escarcha eventual (l3) de espesor (e3).

•

Coeficiente de convección del medio a enfriar (he).

Para el caso de un evaporador recubierto de escarcha (enfriador de aire): 1 1 e e e 1 = + 1+ 2+ 3+ U hi l1 l2 l3 he Para el caso de un evaporador enfriador de líquido: 1 1 e e 1 = + 1+ 2+ U hi l1 l2 he El coeficiente U indica, por tanto, la cantidad de vatios que puede absorber un evaporador por metro cuadrado de superficie y por grado de diferencia entre el fluido en ebullición Te y la

temperatura del medio a enfriar Tf. Varía de acuerdo con el tipo de evaporador y será una de

las magnitudes características que nos permitirán calcular la superficie que debe darse a un determinado evaporador para evacuar la producción frigorífica deseada. Los valores más frecuentes de U para cada tipo de evaporador pueden tomarse de los catálogos de los fabricantes o en valores aproximados de la tabla siguiente: Grupo

Tipo

U (W/m2 · K)

Enfriadores de líquidos

Multitubulares horizontales

460 a 700

Circulación natural (aleteados)

7a9

Circulación forzada (aleteados)

16 a 24

Enfriadores de gases

Ya que es deseable tener una alta transferencia de calor a través de las paredes del evaporador, el coeficiente de transmisión de calor U deberá ser lo más grande posible. De los factores involucrados en la ecuación anterior, el metal de las paredes del evaporador es el menos significativo, despreciándose a veces. Cuanto mayor sea el valor de U, mejor será la transferencia de calor a través de la superficie de intercambio, lo que se traduce, a igualdad de capacidad frigorífica, en una menor superficie (menores dimensiones). La suciedad y el hielo que se incrustan y acumulan en la superficie exterior disminuyen la capacidad de transferencia de calor y el rendimiento del evaporador.

8.6.4 área

SuPerficial del evaPorador

Para que una cámara absorba poca agua del género que se conserva en su interior, es necesario, a igualdad de capacidad frigorífica, que se disminuya el diferencial de temperatura (DT) o que se aumenta la superficie del evaporador (Ae). Además, la capacidad de un evaporador varía directamente con el área de la superficie exterior, siempre y cuando no varíen el coeficiente global de transmisión de calor (U) y la LMTD: Ae =

Qo e (m2) U $ LMTD

Para una misma área superficial del evaporador, el incremento en la capacidad depende de cómo esté distribuida dicha superficie. Por ejemplo, supóngase dos evaporadores B y C, que tienen el doble de área superficial que el evaporador A (ver figura). El aumento de la capacidad con

respecto al evaporador A será mayor para el evaporador C que para el evaporador B. Si el área superficial del evaporador A se dobla manteniendo constante el número de hileras (evaporador C), el caudal de aire que circula por C debe ser el doble del que circula por A (suministrando aire a la misma velocidad); la LMTD a través de C será exactamente igual a la que se tiene a través de A y, por lo tanto, la capacidad de C será el doble que la capacidad de A. Sin embargo, si el área superficial del evaporador A se dobla aumentando el número de hileras (evaporador B), la LMTD disminuye, debido a que la temperatura de salida del aire (T2) será más baja, y por tanto, la capacidad será menor que en C.

Aire

Serpentín A

Aire

Aire

Serpentín B Serpentín C

Para la misma área superficial, un evaporador largo y plano, será más eficiente que otro evaporador corto y ancho (profundo). Sin embargo, debido a un espacio limitado, se suelen diseñar evaporadores compactos. En este caso, la pérdida de capacidad se puede compensar, en parte, aumentando la velocidad del aire sobre el serpentín. Además, a mayor profundidad, mayor tiempo de contacto del aire con la superficie del serpentín y, por tanto, la temperatura a la salida se parecerá más a la temperatura del serpentín. Cuanto menor sea la temperatura del aire de salida, mayor será la deshumidificación. Hay aplicaciones en las que es deseable tener serpentines profundos para propósitos de deshumidificación.

8.6.5 caudal

máSico de fluido a enfriar

El fluido que debe enfriarse, en contacto con el evaporador, presenta entre sus temperaturas de entrada T1 y de salida T2 una diferencia: DT = T1 - T2 La capacidad de enfriamiento de cualquier evaporador está directamente relacionada con el caudal de aire que circula sobre el serpentín del evaporador: o $ c $ ^T - T h & m o = Qo e = m p 1 2 cAudAl

Qo e Qo e (kg/s) = cp $ ^ T1 - T2h cp $ DT

dE AguA

Si enfriamos agua, el caudal másico y volumétrico de agua será igual a: o = m w

Qo e (kg/s) cpw $ DT

o m Qo e (m3/s) Vo w = w = ρw ρw $ cpw $ ∆T

cAudAl

dE sAlmuErA

Si se enfría salmuera, el caudal másico y volumétrico será igual a: o = m s

Qo e (kg/s) cps $ DT

o m Qo e (m3/s) Vo s = s = ρs ρs $ cps $ ∆T cAudAl

dE AirE

Si el medio a enfriar es el aire, el caudal másico y volumétrico es función de dos factores, el factor de calor sensible (FCS) y la caída de temperatura (DT): o = m a

Qo sensible Qo $ FCS (kg/s) = e cpa $ DT cpa $ DT

o m Qo sensible Qo e $ FCS (m3/s) Vo a = a = = ρa ρa $ cpa $ ∆T ρa $ cpa $ ∆T

!

DEfinición

factor de calor SenSible: relación entre la capacidad sensible del evaporador y la capacidad total.

Cuando el aire se enfría por debajo de su punto de rocío, se reducen tanto la temperatura (capacidad sensible) como el contenido de humedad del aire (capacidad latente). El FCS depende de las condiciones de uso, del diseño del evaporador y del caudal de aire. Un FCS promedio para las unidades enfriadoras es aproximadamente 0,85.

El caudal de aire de diseño varía desde 1.000 ft3/min/ton (480 m3/h/kW) para unidades de baja velocidad, hasta 2.500 ft3/min/ton (1.200 m3/h/kW) para unidades de alta velocidad. La velocidad del aire llega al serpentín a baja velocidad (200 a 500 ft/min, 1 a 2,5 m/s), media velocidad (500 a 800 ft/min, 2,5 a 4 m/s) o alta velocidad (800 a 1.200 ft/min, 4 a 6 m/s). El caudal de aire (circulación) en el espacio refrigerado es esencial para la transferencia de calor del producto hacia el evaporador, afectando en la condición del producto. • circulación inadecuada. Disminuye la capacidad del evaporador, y el producto no es enfriado con suficiente rapidez. Se fortalece el crecimiento de mohos y bacterias, debido a que aumenta la humedad en el compartimento. • circulación exceSiva. Aumenta la rapidez de evaporación de la humedad en la superficie del producto, resultando en una excesiva deshidratación del producto. La deshidratación excesiva puede resultar muy costosa: deterioro en la apariencia, pérdida de peso del producto (afectando al precio del producto). Lógicamente, si el producto está envasado a prueba de vapor, no se verá afectado por velocidades altas; es más, deberán ser altas para obtener un efecto de enfriamiento máximo.

EjEmplo 5 Calcular el salto térmico del aire para un evaporador que tiene un factor de calor sensible de 0,80, considerando un caudal de 1.200 m3/h/kW. ∆Ta =

1 $ 0, 8 Qo e $ FCS = = 2,0 ºC Va $ ρa $ cpa 1.200 e o $ 1, 20 $ 1, 004 3.600

8.7 ProcedimientoS 8.7.1 formación

de deScongelación

volver

de eScarcha

El vapor de agua en suspensión que se encuentra en el aire que atraviesa el evaporador, cuya temperatura es inferior a la del recinto (normalmente por debajo de 0 ºC), tiende a depositarse sobre su superficie en forma de escarcha. Aparte de las aperturas de puertas con las consiguientes entradas de aire caliente y húmedo, los productos almacenados despiden también humedad, contribuyendo a la formación de escarcha. Este hielo depositado sobre la superficie del serpentín impide el paso del aire y al convertirse en un aislante térmico, dificulta la transmisión de calor. Todo esto produce un descenso en la temperatura del refrigerante en ebullición, que disminuye la producción frigorífica y aumenta el tiempo de funcionamiento del equipo. Para solucionar estos inconvenientes, es necesario realizar una descongelación (desescarche) periódica de las paredes del evaporador, según varios procedimientos. Existen dos factores que influyen en el grado de humedad del compartimento. Uno de ellos es adoptar un valor de la DT que sea compatible con el valor del grado de humedad deseado. El otro factor es la velocidad de circulación del aire alrededor de los géneros almacenados; una velocidad elevada provoca una evaporación más intensa en la superficie del producto, con la consiguiente y más importante deshidratación de aquellos.

8.7.2 deScongelación

de evaPoradoreS Para temPeratura media

La temperatura del compartimento en un sistema de temperatura media está comprendida entre 1 ºC y 4 ºC, con temperaturas de vaporización entre -9 ºC y -4 ºC. Esta temperatura es inferior a la de congelación (0 ºC), por lo tanto se acumulará escarcha en las aletas del evaporador durante el funcionamiento del compresor. Según sea la temperatura del compartimento, se utiliza un método para descongelar: • deScongelación “variable o de “ciclo de aPagado”. Temperatura del compartimento igual o mayor de 3 ºC (no se necesita reloj). Los refrigeradores que tienen una temperatura de compartimento de 3 ºC o mayor, se descongelan por sí solos durante el ciclo de apagado con el método de “ciclo de apagado” (desescarche “on-off”). Cuando el compresor para por termostato, los ventiladores del evaporador siguen recirculando el aire del compartimento a través de las aletas del serpentín. Debido a que las temperaturas del compartimento y de los productos están por encima de la temperatura de congelación, el evaporador se calienta y la escarcha se funde. El termostato cuenta con un diferencial de temperatura (diferencia entre los puntos de conexión y desconexión) relativamente amplio para asegurar un periodo de descongelación suficiente. El punto de conexión de un termostato es el valor del ajuste en el que los contactos se cierran ante una subida de temperatura del compartimento. El punto de desconexión es el ajuste en el que los contactos se abren, deteniéndose el ciclo de refrigeración. • deScongelación “Planificada”. Temperatura del compartimento alrededor de 2 ºC (necesita reloj, pero no necesita calor adicional). Cuando la temperatura del compartimento se encuentra entre 1 ºC y 2 ºC, suele haber demasiada escarcha que fundir durante el ciclo de apagado, no siendo lo suficientemente largo para descongelar el evaporador. Por tanto, se instala un reloj para forzar al compresor a permanecer apagado el tiempo suficiente como para que el serpentín se descongele. Se debe planificar cuándo y con qué frecuencia tiene que desconectarse el compresor con el

fin de eliminar la escarcha. Se utiliza un temporizador para apagar el compresor el tiempo suficiente para que la descongelación necesaria se efectúe. En general, las descongelaciones se planifican para llevarse a cabo cuando no se está utilizando el compartimento refrigerado. El momento ideal es en la madrugada o durante la comida del medio día. Con una o dos horas suele ser suficiente para fundir la escarcha acumulada durante el día. La temperatura de los productos almacenados puede aumentar, pero no lo suficiente como para que se estropeen. Una vez completado el periodo de descongelación, el compresor restaura rápidamente la temperatura original de los productos. En algunos casos, se planifica para que el compresor funcione 16, 18 ó 20 horas por día. Es decir, el equipo descongela durante 8, 6 ó 4 horas, respectivamente. El número de periodos y su duración depende de las características de funcionamiento de la instalación. • deScongelación con “calor adicional”. Temperatura del compartimento igual o menor de 1 ºC (necesita reloj y una fuente adicional de calor). Si la temperatura del compartimento es de 1 ºC o inferior, no existe ninguna forma de que el compartimento se caliente lo suficiente como para poder descongelar por aire. Es necesario utilizar para la descongelación gas caliente o calor eléctrico suplementario. Normalmente, solo se precisan una o dos descongelaciones cortas cada 24 horas.

8.7.3 deScongelación

de evaPoradoreS Para baja temPeratura

Cuando la temperatura del evaporador está por debajo de -18 ºC, la escarcha se produce fácilmente. Estos evaporadores se diseñan con una separación mayor entre aletas, para impedir que la escarcha forme un puente entre las aletas durante al menos 4 ó 6 horas de funcionamiento normal. En este caso, es necesario un reloj, controles y una fuente de calor para fundir la acumulación de escarcha. Normalmente se emplean resistencias eléctricas conectadas en las aletas del serpentín por el lado que entra el aire en el evaporador.

8.7.3.1 deScongelación

Por calentamiento eléctrico

El ciclo de descongelación se inicia cerrando una válvula de solenoide en la tubería de líquido. Esto provoca la evacuación del evaporador y la parada del compresor mediante el control de baja presión. A continuación se conectan los controles eléctricos de calentamiento y se detienen los ventiladores (para evitar el resecado de los alimentos). El número de descongelaciones por día y el periodo máximo de descongelación dependen de las condiciones de operación y de la ubicación del equipo. Normalmente, se realizan de 4 a 6 descongelaciones, cada una de 15 a 20 minutos de duración. Si la descongelación dura demasiado, el reloj dispone de un dispositivo de autoprotección ajustable (termostato de seguridad de desescarche, TSD), que hará que el sistema salga automáticamente del modo de descongelación y entre en el modo de refrigeración. Después del desescarche, el ventilador tarda un tiempo en ponerse en marcha, para evitar que la humedad remanente en el evaporador entre de golpe en el compartimento. La secuencia de descongelación es la siguiente:

1.

El reloj de descongelación establece el inicio de la descongelación. Se aplica potencia al solenoide de líquido y corta el paso de líquido al evaporador.

2. 3. 4.

El compresor y los ventiladores de evaporador se detienen. El calentador eléctrico (o el gas caliente) comienza a calentar el serpentín.

Cuando el serpentín alcanza una temperatura lo suficientemente alta como para fundir toda la escarcha (por encima de 13 ºC), detectada por un sensor de temperatura, los contactos de fin de descongelación se cierran. Se deja de descongelar el serpentín y se vuelve al modo de operación de refrigeración.

5.

El solenoide abre el paso de líquido. El compresor comienza a funcionar, pero los ventiladores del evaporador permanecen apagados. El refrigerante enfría el serpentín eliminando el calor de descongelación.

6.

Cuando la temperatura del evaporador disminuye hasta unos -4 ºC, el interruptor de retardo del ventilador se cierra. Los ventiladores comienzan a funcionar.

Con el ciclo de descongelación se consigue que el aceite retorne apropiadamente. Durante el ciclo de congelación, el aceite se desplaza al punto más frío del sistema (evaporador), quedando atrapado debido a que se hace más viscoso. Durante el ciclo de descongelación, se caliente el aceite lo suficiente como para devolverlo al compresor en el arranque.

8.7.3.2 deScongelación

Por gaS caliente

Se emplea principalmente en equipos para supermercados y heladoras, debido a su rapidez y efectividad. Durante la descongelación, el gas caliente entra en el evaporador a través de la válvula de expansión termostática. Este método de descongelación requiere un trabajo intensivo. Deben instalarse tuberías adicionales desde la tubería de descarga. El método de descongelación por gas caliente (ver figura), además de los elementos convencionales de una instalación frigorífica, incorpora:

5

1 3

2

4

Una tubería de “gas caliente” (1), que une la descarga del compresor a la entrada del evaporador, después de la válvula de expansión. Una válvula de retención (2), que evita toda alimentación imprevista de líquido al evaporador, durante el desescarche, por vaciado del condensador. Una válvula solenoide (4), intercalada en la tubería de líquido, antes de la válvula de expansión, que interrumpe la alimentación del evaporador por medio de dicha válvula de expansión durante el periodo de desescarche. Una válvula solenoide (3), que cierra la tubería de “gas caliente” durante los periodos de marcha normal.

Un dispositivo de reevaporación (5) del líquido formado en el evaporador durante el desescarchado, destinado a evitar los golpes de líquido al compresor durante este periodo del ciclo funcional. A fin de obtener un desescarche rápido, la apertura y cierre de las válvulas solenoides 3 y 4 deben separarse por medio de un relé temporizador, con objeto de que el evaporador se vacíe del líquido que contenga (apertura diferida de la válvula solenoide 3).

8.7.3.3 deScongelación

Por inverSión de ciclo

Este sistema es el más eficaz de todos los dispositivos de desescarche por gas caliente, ya que en éste la condensación de los gases es total en el evaporador, y el líquido formado se vaporiza en el condensador. Durante el periodo de desescarche se produce la inversión de los procesos normales del condensador y del evaporador. Para llevar a cabo el proceso de inversión de ciclo se utiliza un dispositivo especial llamado válvula inversora (“reversing valve”) o válvula de cuatro vías, capaz de provocar el cambio de la dirección del refrigerante. El desescarche es muy rápido: de 5 a 15 minutos.

Condensadores

Contenidos 9.1 Funciones del condensador 9.2 Clasificación de los condensadores 9.3 Temperaturas características del condensador 9.4 Subenfriamiento y gas instantáneo 9.5 Cálculo del condensador 9.6 Torres de refrigeración y condensadores evaporativos

Índice

9

9.1 funcioneS

!

del condenSador

DEfinición

condenSador: intercambiador de calor, que se encarga de expulsar el calor del sistema que ha sido absorbido por el evaporador hasta un medio exterior (agua o aire). Durante este proceso, el fluido frigorígeno experimenta un cambio de estado (vapor a líquido).

9.2 claSificación

volver

Además del calor del evaporador y del sobrecalentamiento de la tubería de aspiración, el condensador también tiene que rechazar el calor de compresión y el calor del motor recogido por el vapor de aspiración. Este calor adicional puede ser una tercera parte del calor absorbido por el evaporador. El caudal de aire que circula a través del condensador es un factor importante. Los ventiladores del condensador mueven aproximadamente 480 m3/h por kW de potencia frigorífica. Comparado con los evaporadores (unidades interiores) de los sistemas de acondicionamiento de aire, el caudal de éstos es de unos 200 m3/h por kW.

de loS condenSadoreS

volver

Los condensadores se clasifican en dos grandes grupos: •

Condensadores de calor sensible (condensados por aire o por agua).

•

Condensadores de calor latente (condensadores evaporativos).

En este apartado nos centraremos en los condensadores de calor sensible.

9.2.1 condenSadoreS

enfriadoS Por aire

El aire es un medio de condensación del que se puede disponer gratuitamente en cantidad ilimitada, por lo que es el más utilizado para obtener de forma económica la condensación de los vapores del fluido frigorígeno. Sin embargo, el aire tiene un calor específico muy bajo y, además, el coeficiente global de transmisión de calor entre un vapor condensante y un gas (aire) es débil. Estas Calor específico del aire: dos características obligan a mover grandes volúmenes de aire y a cpa≈1 kJ/kg · K tener una gran superficie de intercambio para cantidades de calor relativamente reducidas. Esto implica la necesidad de aparatos muy voluminosos, por lo que (como regla general) estos condensadores utilizan solamente máquinas frigoríficas de potencia igual o inferior a 2.000 kW. De todos modos, dado el precio actual del m3 de agua y las restricciones en su consumo que dicho coste impone, existen cada vez mayor número de máquinas frigoríficas industriales equipadas con condensadores de aire. El aire se hace circular de manera forzada sobre el conjunto de tubos aleteados mediante ventiladores. Los condensadores enfriados por aire están directamente relacionados con la temperatura del aire que pasa por ellos (aire ambiente). El refrigerante del interior del serpentín de un condensador de eficiencia estándar (SEER 10 o menor) se condensa normalmente a una temperatura 17 ºC superior a la del aire que pasa por él. Por ejemplo, con una temperatura exterior de 35 ºC, la temperatura de condensación sería de 52 ºC. Si el refrigerante es R-134a, el manómetro de alta presión indicaría 1.285 kPa.

9.2.1.1 condenSadoreS

de alta eficiencia

Se puede reducir la temperatura de condensación ampliando la superficie del condensador. Cuanto más amplia sea esta superficie, más se reducirá la diferencia de temperatura entre la temperatura de condensación y la temperatura ambiente. La temperatura del refrigerante en un condensador de alta eficiencia (SEER 12) está 11 ºC por encima de la temperatura ambiente. Es decir, si el aire ambiente está a 35 ºC, la temperatura de condensación sería de 46 ºC. Para el R-134a, el manómetro de alta presión indicaría 1.090 kPa. Esta reducción en la presión de descarga aumenta el rendimiento del sistema.

9.2.1.2 diSPoSición

y SuPerficie de condenSación

Un condensador está formado por un determinado número de tubos aleteados. Los tubos normalmente son de cobre y las aletas de aluminio (a veces de cobre o latón). Teniendo en cuenta la longitud necesaria de tubo aleteado para obtener la superficie de condensación deseada, el condensador puede tener varias hileras de fondo (en general no se pasa de seis) a fin de conservar una sección frontal compatible con las dimensiones del ventilador. A veces, las hileras de tubo aleteado se conectan en paralelo sobre colectores de entrada y salida, para limitar las pérdidas de carga del fluido frigorígeno. Para definir un condensador de aire, hay que conocer la naturaleza del tubo utilizado para su construcción, y además las siguientes magnitudes (ver figura):

n tubos

N hileras

• Longitud del haz de condensación: La (metros). •

Número de tubos en altura: n.

•

Número de hileras en fondo: N.

La

Si A1 representa la superficie de los tubos (superficie primaria) y A2 representa la superficie de los tubos y de las aletas (superficie secundaria), un condensador de tubos aleteados tiene normalmente una relación A2/A1 próxima a 20. Para determinar la superficie total de condensación, hace falta tener en cuenta: •

La superficie de tubo en contacto con el intercambio calorífico.

•

La superficie de las dos caras laterales de las aletas en contacto con el aire.

Según la figura anterior, la superficie de condensación, contando con que el tubo utilizado presenta una superficie por metro lineal Au (m2/m), tendrá el valor siguiente: A = Au · La · n · N (m2) A esta superficie calculada, debería añadirse la superficie de los codos de unión. De todos modos, como estos codos no se hallan bajo la corriente de aire forzado y su superficie es, además, muy reducida, el error de cálculo será de poca importancia.

9.2.1.3 diSPoSitivoS

de regulación de la PreSión de condenSación

Los condensadores están diseñados para funcionar de forma correcta en condiciones de temperatura ambiente entre 15 ºC y 38 ºC. Por debajo de 15 ºC, la presión de condensación disminuye de manera notable, ocasionando la mala alimentación del dispositivo de control. Al disminuirse el caudal másico de fluido inyectado al evaporador, aumenta el sobrecalentamiento y desciende la presión de vaporización, pudiendo ocasionar el corte del presostato de baja presión.

La válvula de expansión reacciona abriendo el paso de refrigerante, e inundando el evaporador. Esto hace que la válvula fluctúe buscando su punto de equilibrio, estrangulando el evaporador durante un minuto e inundándolo durante el siguiente.

! Es

inútil AjustAr El sobrEcAlEntAmiEnto

dE

lA

válvulA

dE

ExPAnsión.

Esto

no

mEjorA El FuncionAmiEnto En inviErno, En cAmbio conducirá A golPEs dE líquido En

Para que el dispositivo de control funcione correctamente, la presión de condensación debe estar unos 5 ó 7 bar por encima de la presión de vaporización. Hay que tener en cuenta que, cuando la instalación se encuentra en régimen estable, el caudal másico de fluido aspirado por el compresor es el mismo que el inyectado por la válvula de expansión.

lAs otrAs EstAcionEs.

La figura siguiente compara la variación de la potencia frigorífica del compresor y de la capacidad de la válvula de expansión termostática, en función de la temperatura de condensación, para una temperatura de vaporización de -8 ºC. Por encima de 35 ºC de temperatura de condensación, es la válvula de expansión la que regulará su capacidad en función de la potencia frigorífica del compresor. Por debajo de 35 ºC, el sobrecalentamiento del evaporador aumentará disminuyendo la potencia frigorífica del compresor y haciendo disminuir la temperatura de vaporización. Por debajo de 35 ºC de condensación, es el compresor el que se adapta al funcionamiento de la válvula de expansión. Por tanto, será preciso impedir una desviación exagerada de la alimentación del evaporador, y para ello se preverá un dispositivo que mantenga la temperatura de condensación por encima de 30 a 35 ºC. Potencia (kW) 20 Capacidad de la válvula de expansión

15

Potencia frigorífica del compresor

10 5 0

+20

+30

+40

+50

+60

Temperatura de condensación (ºC)

regulación

!

Para mantener la presión de condensación a un valor compatible con el funcionamiento normal de la instalación, pueden emplearse varios procedimientos: rEgulAción dEl cAudAl dE AirE dE condEnsAción. Paro de uno o varios ventiladores o modificación de la velocidad de rotación del ventilador, en función de la temperatura de condensación o de la presión de condensación. rEgulAción

dE lA PrEsión dE condEnsAción mEdiAntE

inundAción dEl condEnsAdor.

Mediante by-pass de los gases calientes al recipiente de líquido.

del

caudal

de

aire

de

condenSación

El sistema más simple consiste en detener el funcionamiento del ventilador mediante un presostato de alta presión (control del ciclo del ventilador) de rearme automático. Cuando el ventilador del condensador se apaga, la presión de condensación aumenta, independientemente del tiempo que haga, siempre que el viento no realice el trabajo del ventilador.

La presión de conexión es de unos 200 a 350 kPa por encima de la presión de desconexión. Por ejemplo, en un sistema con R-134a, el ventilador se puede desconectarse cuando la presión descienda a 1.155 kPa (que corresponde a una temperatura de condensación de 32 ºC) y volver a conectarse cuando llegue a 1.434 kPa (que corresponde a una temperatura de condensación de 40 ºC). Estos ajustes están suficientemente separados, evitando que el

ventilador realice demasiados ciclos cortos. Es como si la unidad funcionara en unas condiciones de ambiente medias de unos 19 ºC (entre 15 ºC y 23 ºC). El inconveniente de este sistema es que la presión de condensación oscila bruscamente a medida que el ventilador se apaga y se enciende. Esto puede afectar al funcionamiento del dispositivo de expansión. Si el diferencial (diferencia entre los valores de conexión y desconexión) es menor de 200 kPa, el motor del ventilador tendrá un ciclo corto, acortando la vida del motor. Si el diferencial es mayor de 350 kPa, el ventilador estará apagado demasiado tiempo; el ventilador del condensador proporciona el flujo de aire necesario para enfriar el motor del compresor enfriado por aire, por lo que se podría calentar en exceso. Cuando se utiliza este tipo de regulador, hay que asegurarse de que el corte por alta presión del presostato de alta presión sea mayor que el punto de activación del regulador de condensación. Por ejemplo, si se ajusta el regulador de condensación de modo que mantenga la presión de condensación entre 1.155 kPa y 1.434 kPa, un ajuste de 1.704 kPa en el presostato de alta presión no interferirá en la configuración del regulador de condensación. El control del ciclo del ventilador es un sistema efectivo en lugares donde las temperaturas están por encima de la temperatura de congelación. Además, este sistema no se recomienda con unidades de condensación con compresores enfriados por aire equipadas con un único ventilador. En unidades que incorporan varios ventiladores, uno siempre estará en funcionamiento, para asegurar el enfriamiento del motor del compresor. Para mejorar la estabilidad de regulación, se utiliza un ventilador equipado con un motor de dos velocidades, o de velocidad variable. Este dispositivo puede utilizarse con múltiples ventiladores; los primeros se apagan por temperatura y el último se controla mediante la presión de descarga o temperatura de condensación. A medida que la temperatura aumenta, también lo hace la velocidad del motor. En un día caluroso, todos los ventiladores estarán operando, con el ventilador variable funcionando a máxima velocidad. regulación

de la PreSión de condenSación mediante inundación del condenSador

La inundación del condensador aumenta la presión de condensación. Se utiliza una válvula reguladora de la presión de condensación (RPC), que restringe el líquido que sale del condensador, provocando que el líquido se estanque en éste, dejando menos espacio para el gas de descarga procedente del compresor, aumentando la presión de condensación hasta una presión determinada por el ajuste de la válvula RPC. Los dispositivos de inundación del condensador se utilizan tanto en climas templados como fríos (-40 ºC de temperatura ambiente o menos) para hacer que el refrigerante se desplace desde un tanque receptor sobredimensionado hasta el condensador. El exceso de refrigerante en el condensador actúa como una sobrecarga de refrigerante y hace que la presión de condensación sea muy superior a la que sería normalmente en un día frío o templado. La presión de condensación será igual a la que se produciría en un día caluroso. Este método proporciona una regulación muy estable, sin fluctuaciones durante la operación. Se requiere de una gran cantidad de refrigerante porque, además de la carga normal de operación, debe haber suficiente refrigerante como para inundar el condensador en invierno. Se utiliza un receptor de gran tamaño para almacenar el refrigerante en verano, cuando la válvula dirigirá el exceso de líquido hacia el receptor. El método de inundación del condensador tiene un beneficio añadido en invierno. Puesto que el condensador está casi completamente lleno de refrigerante, el líquido refrigerante que se dirige al dispositivo de expansión está muy por debajo de la temperatura de condensación (subenfriamiento alto), ayudando a mejorar la eficiencia del sistema.

La mayoría de las válvulas RPC son válvulas de 3 vías que impiden la salida de líquido del condensador en condiciones de baja temperatura ambiente, para incrementar la presión de condensación equivalente a una temperatura de condensación de 32 ºC. Al mismo tiempo, la vía de la presión de descarga se abre para desviar el vapor de descarga caliente con el fin de mantener una alta temperatura del refrigerante en el receptor de líquido.

RPC

Otro sistema utiliza un regulador de presión de condensación de 2 vías situado a la salida del condensador. Una válvula de retención puentea el conjunto condensador/regulador de presión. La válvula de retención deberá estar obligatoriamente tarada para que no abra más que con un salto de presión muy superior a la suma de la pérdida de carga del condensador más la pérdida de carga de la válvula RPC abierta. En el periodo estival, la temperatura elevada del aire utilizado para la condensación, hará que las presiones de condensación sean superiores al valor al que esté regulada la válvula RPC, por lo que ésta se encontrará totalmente abierta y en el condensador no se quedará más líquido retenido que el que previamente haya sido calculado para lograr un pequeño subenfriamiento en este punto. La presión en el recipiente de líquido será aproximadamente igual a la presión de condensación, siendo el valor de esta presión más alto que la presión de ajuste de la válvula RPC, por lo que ésta se encontrará abierta. En el periodo invernal, la presión de condensación desciende en relación a la temperatura del aire de entrada al condensador, y su valor debe estar por debajo del ajuste de la válvula RPC, entonces la válvula se cerrará de forma progresiva reteniendo refrigerante en estado líquido al final del serpentín, reduciendo así la superficie destinada a la condensación del fluido y aumentando la presión de condensación para mantenerla en un valor aceptable. Los vapores de descarga pasan, a través del by-pass, a través de la válvula de retención, para dirigirse directamente al recipiente de líquido haciendo subir rápidamente su presión a un valor que asegure un buen funcionamiento del dispositivo de expansión. El condensador, por lo tanto, se inundará más o menos de líquido en función del cierre de la válvula RPC. Será preciso tener presente este hecho para la elección del volumen del recipiente de líquido y para la determinación de la carga correcta de fluido frigorígeno.

Válvula de retención

RPC

Como referencia, es aconsejable que la válvula de retención esté regulada para que abra a una presión de 50 kPa a 100 kPa inferior a la presión de ajuste de la válvula RPC.

9.2.2 condenSadoreS

enfriadoS Por agua

El agua es más densa que el aire, por lo que puede absorber calor de forma más eficiente que éste. En los condensadores enfriados por agua, los coeficientes globales de transmisión de calor son mucho más elevados que en los condensadores de aire. Por tanto, a igual calor específico, serán mucho menos voluminosos que éstos. Los condensadores enfriados por agua se diseñan para trabajar a una temperatura de condensación constante de solo unos 40 ºC. La única ocasión en la que un condensador enfriado por aire funciona a esta temperatura es en días templados (24 ºC).

9.2.2.1 condenSadoreS

coaxialeS a contracorriente

E fluido S agua Fluido frigorígeno

E agua S fluido

Agua

En estos condensadores, el refrigerante circula en el espacio anular y el agua por el tubo interior. De esta forma resulta posible hacer circular ambos fluidos a contracorriente. Se construyen con tubos de cobre de una misma longitud. Los dos tubos, uno dentro del otro se curvan a la vez, evitando codos y soldaduras. Estos condensadores requieren de un recipiente de líquido a la salida, tal como se ilustra en la figura adjunta.

Este recipiente permite acumular cierta cantidad de líquido frigorígeno el cual, sin la presencia del recipiente, llenaría las últimas espiras del condensador disminuyendo, por lo tanto, la superficie libre destinada a la condensación del fluido.

9.2.2.2 condenSadoreS

multitubulareS horizontaleS

(coraza

y tubo)

Consiste en una virola en cuyo interior se encuentran los tubos por donde circula el agua. La condensación del fluido se efectúa en el exterior de dichos tubos, sirviendo la parte inferior de la virola como recipiente del líquido condensado. Debe asegurarse que la temperatura donde se halle ubicado no sea inferior a 0 ºC (congelamiento del agua). La circulación de agua debe ser de 1 a 2 m/s, combinándose perfectamente con una torre de refrigeración, pues el agua solo se calienta de 3 ºC a 5 ºC.

9.2.2.3 relación

de temPeratura entre el agua y el refrigerante

Existe una relación entre la temperatura de condensación del refrigerante y la del agua utilizada para condensar dicho refrigerante. Normalmente, la temperatura de condensación suele ser 5 ºC superior a la del agua saliente. Por ejemplo, si el agua entrante está a 30 ºC, considerando un salto térmico de 5 ºC, el agua saliente estaría a 35 ºC. Por tanto, la temperatura de condensación será de 35 ºC + 5 ºC = 40 ºC.

9.2.2.4 válvulaS

reguladoraS de agua

La mayoría de los condensadores enfriados por agua utilizan válvulas reguladoras de agua (VRA) para regular el flujo de ésta, que entra en el condensador según la presión de condensación. Estos reguladores son interruptores eléctricos que actúan sobre el circuito de mando del motor del compresor y que interrumpen la marcha de la instalación si la circulación de agua al condensador (o al evaporador) no se obtiene de forma correcta. Cuando no se produce circulación de agua (por cierre de la válvula de agua o corte del suministro de agua), dicha válvula abre el circuito eléctrico deteniendo la máquina.

9.3 temPeraturaS 9.3.1 diferencia

caracteríSticaS del condenSador

media de temPeratura

volver

(DTm)

El intercambio de calor en el condensador tiene lugar entre un fluido frigorígeno que se condensa a temperatura constante Tc y un fluido que se calienta desde T1 a T2. T Tc T2

∆T 2

∆ T1 T1

Longitud

Si llamamos Tc a la temperatura de condensación del fluido frigorígeno, T1 a la temperatura de

entrada del fluido a calentar y T2 a la temperatura de salida del fluido a calentar, la temperatura

media del fluido a calentar, Tm, será: Tm =

T1 + T2 2

La diferencia media de temperatura (DTm) es igual a la diferencia entre la temperatura de condensación y la media del fluido que ha de calentarse: DTm = Tc - Tm

9.3.2 diferencia

de entrada

(DT1

o

cS)

y diferencia de Salida

(Dt2)

La diferencia de entrada (DT1) o separación del condensador (CS, condenser split), es la diferencia entre la temperatura de condensación (Tc) y la temperatura de entrada (Te): DT1 = Tc - T1 Tipo de condensador

Separación (CS)

Salto térmico (DT)

Diferencia salida (Tc - T2)

Condensador de aire

11 ºC a 17 ºC

5 ºC a 7 ºC

7 ºC a 9 ºC

Condensador de agua

10 ºC

5 ºC

5 ºC

La diferencia de salida (DT2), es la diferencia entre la temperatura de condensación (Tc) y la temperatura de salida (T2): DT2 = Tc - T2 La diferencia media de temperatura también se calcula con la media de las diferencias extremas entre la temperatura de condensación y las temperaturas de entrada y salida: DTm =

DT1 + DT2 2 $ Tc - T1 + T2 T + T2 ^ T + T1h + ^ Tc + T2h = c = = Tc - 1 2 2 2 2

9.3.3 diferencia

de temPeratura media logarítmica

(lmtd)

La diferencia de temperatura media aritmética no es matemáticamente exacta. Tomando DT1 y DT2 como las diferencias máximas y mínimas entre los fluidos presentes, la diferencia de temperatura media logarítmica tiene el valor siguiente: LMTD = DTml =

DT1 - DT2 ^ T - T1h - ^ Tc - T2h = c T - T1 DT ln e 1 o ln e c o Tc - T2 DT2

9.3.4 intercambio

térmico

en

un

condenSador

condenSador.

El condensador puede dividirse en tres zonas que son:

T

• Zona 1 (Z1): Enfriamiento de los vapores provenientes del compresor.

Z3

Las cantidades de calor evacuadas en las zonas 1 y 3 son muy pequeñas en relación con la evacuada en la zona 2, por lo que a veces no se tienen en cuenta.

Z2

treS

zonaS

∆T1

del

Z1

∆T2

Tc

• Zona 2 (Z2): Condensación de los vapores (se cumple la relación p/T). • Zona 3 (Z3): Subenfriamiento del líquido (3 ºC a 11 ºC, normalmente 6 ºC).

laS

T2 T1

Longitud

9.3.5 SeParación

!

del condenSador

DEfinición

SeParación del condenSador (cS): diferencia de temperatura entre la temperatura de condensación y la del aire ambiente que entra en el condensador.

(cS)

en condenSadoreS de aire

La mayor parte de los condensadores se diseñan para tener una separación de 17 ºC para una temperatura ambiente de 35 ºC, aplicado a unidades condensadoras de sistemas de refrigeración estándar (SEER 10). Cuanto mayor sea la separación de temperatura, más rápida será la transferencia de calor y más pequeño será el serpentín del condensador.

Una separación del condensador menor implica un sistema más eficiente. El compresor trabajará menos, debido a que la presión y temperatura de condensación son menores. Para reducir la CS, los fabricantes diseñan condensadores más grandes. Las unidades de alta eficiencia (SEER 12) presentan una CS de 11 ºC para una temperatura de 35 ºC. La separación del condensador varía ligeramente con la temperatura ambiente y con la carga del evaporador. Considerando una unidad diseñada para una separación del condensador de 17 ºC y una temperatura ambiente de 35 ºC: • temPeratura ambiente menor. Una temperatura ambiente baja (por ejemplo, de 21 ºC), podría disminuir la CS hasta unos 14 ºC. Un condensador es más eficiente a temperaturas ambientes inferiores a las de diseño. • carga del evaPorador baja. Cuanto menos calor sea absorbido por el evaporador, menos calor tendrá que expulsar el condensador (disminuye la CS). • carga del evaPorador alta. Cuanto más calor absorba el evaporador (descenso caliente), más calor tendrá que expulsar el condensador (aumenta la CS). En la práctica los rangos de la CS son de 8 ºC a 20 ºC. La CS en el rango alto deberán estar limitadas a aquellas aplicaciones de temperatura alta y/o a lugares donde la temperatura ambiente sea relativamente baja. A mayor temperatura ambiente se necesitará de un condensador más grande, que podrá seleccionarse para una CS de 11 ºC a 14 ºC.

EjEmplo 1 En un condensador enfriado por aire (CS de 15 ºC), entra aire a T1 = 32 ºC. Calcular la temperatura de salida del aire, si la diferencia de salida es DT2 = 7 ºC. _ T1 = 32 ºC b ` & Tc = T1 + 15 = 32 + 15 = 47 ºC CS = Tc - T1 = 15 ºCb a DT2 = Tc - T2 & T2 = Tc - DT2 = 47 - 7 = 40 ºC

9.4 Subenfriamiento

!

DEfinición

Subenfriamiento: enfriar un líquido saturado por debajo de la temperatura de condensación.

y gaS inStantáneo

volver

El subenfriamiento de un condensador se determina restando la temperatura del líquido que sale del condensador de la temperatura de condensación. La mayoría de los sistemas operan con un subenfriamiento comprendido entre 3 ºC y 11 ºC, aunque el subenfriamiento de la mayoría de los sistemas de refrigeración es de 6 ºC. Se pueden considerar los tres casos siguientes de subenfriamiento incorrecto:

1. 2.

Subenfriamiento nulo (0 ºC): puede ser debido a una falta de refrigerante.

Subenfriamiento bajo (menos de 3 ºC): el refrigerante podría evaporarse instantáneamente antes de llegar al dispositivo de control.

3.

!

Subenfriamiento alto (más de 11 ºC): puede ser debido a un exceso de refrigerante.

DEfinición

gaS inStantáneo: refrigerante líquido que se vaporiza instantáneamente.

La vaporización instantánea de líquido saturado se produce si su temperatura aumenta o si su presión disminuye. Por ejemplo si se tiene R-134a líquido a una presión de 1.285 kPa (que corresponde a 52 ºC de saturación), se vaporizará instantáneamente si: •

Se aumenta su temperatura en 0,5 ºC (a 52,5 ºC).

•

Se disminuye su presión a 1.270 kPa.

La causa principal de gas instantáneo es la caída de presión. Si el líquido subenfriado se vaporiza en la tubería de líquido, el dispositivo de control no se comportará de manera correcta. Es buena práctica instalar un visor de líquido antes del dispositivo de control, ya que el gas instantáneo puede verse en forma de burbujas. Al subenfriar el líquido se disminuye su temperatura, y esta temperatura menor evita la vaporización a causa de una caída de presión. En el caso anterior, si el líquido se subenfría hasta 49 ºC, permanecerá en estado líquido aunque la presión disminuya a 1.270 kPa. Una tubería bien dimensionada evita una disminución de la caída de presión, resultado de la fricción entre el refrigerante y el interior del tubo. La caída de presión por fricción en la tubería aumenta si su diámetro es pequeño o su longitud es muy larga. La presión opuesta al peso del líquido (empuje vertical), da lugar a una caída de presión muy grande. La densidad del líquido saturado del R-134a a la temperatura de 52 ºC es de 1,09 kg/m2, por tanto, la presión que ejerce un metro de columna de líquido es: p = r $ g $ h = 1, 09 $ 9, 81 $ 1 = 10.700 Pa = 10, 7 kPa Por tanto, la caída de presión debida a la altura en la tubería de líquido es 10,7 kPa/m. Si la unidad evaporadora se encuentra 10 m por encima de la unidad condensadora, la caída de presión (sin tener en cuenta la fricción) sería de 107 kPa. La presión antes del evaporador es de 1.285 - 107 = 1.178 kPa, que corresponde a una temperatura de líquido saturado de 49 ºC. Es decir, para evitar que el líquido refrigerante se vaporice antes de entrar en el dispositivo de control, el refrigerante requerirá aproximadamente 3 ºC de subenfriamiento. La tubería de líquido puede ser que pase por un lugar donde la temperatura sea elevada, y no se consigan los 3 ºC de subenfriamiento. En este caso, se puede aislar la tubería de líquido o se puede instalar un intercambiador de calor en la tubería de aspiración.

9.5 cálculo 9.5.1 balance

del condenSador

volver

entálPico de un condenSador

En un condensador interesa pasar de vapor a líquido un fluido refrigerante a base de eliminar calor mediante un fluido refrigerador (aire o agua). Para calcular el flujo de calor en un condensador se aplica la ecuación de la primera ley de la termodinámica:

Vapor a condensar mR, hR1

Qe (−)

mF, hF2, T2 Fluido refrigerador

mF, hF1, T1 Condensado (líquido) mR, hR2

Sistema 1: Fluido refrigerante (R) o =m o $ ^h - h h & Qo = m o $ ^h - h h - Qo c - W R R2 R1 c R R1 R2 Sistema 2: Fluido refrigerador (F) o =m o $ ^h - h h & Qo = m o $ ^h - h h c m o $ c $ ^T - T h Qo c - W F F2 F1 c F F2 F1 F pF 2 1

9.5.2 caPacidad

del condenSador

La cantidad de calor que debe evacuar el condensador es siempre más elevada que la cantidad de frío producida en el evaporador. En efecto, en el transcurso de la compresión, el fluido absorbe en forma de energía calorífica la energía mecánica provista por el motor de accionamiento. Debe añadirse, a la cantidad de frío producida, el equivalente calorífico del trabajo de compresión para obtener la cantidad de calor que debe evacuar el condensador: Qo c = Qo e + Pc Qo c = Ae $ U $ LMTD = Ae $ U $ DTml c Ae $ U $ DTm siendo: Qc = potencia calorífica a evacuar en el condensador (W); Qe = potencia frigorífica del evaporador (W); Pc = potencia necesaria para la compresión del fluido (W); U = coeficiente global de transmisión de calor (W/m2 · K); Ae = área exterior de los tubos (m2); LMTD = diferencia de temperatura media logarítmica; DTm = diferencia media de temperatura.

9.5.3 coeficiente

global de tranSmiSión de calor

Aunque en cada zona de trabajo el condensador posee un coeficiente de transmisión propio, y los valores de estos coeficientes son muy diferentes, el proceso de transmisión de calor del fluido frigorígeno al medio de condensación es idéntico en las tres zonas. Consideraremos (ver figura) la sección de un tubo de condensador y tendremos (cualquiera que sea la zona de funcionamiento en que coloquemos esta sección de tubo): • En el interior del tubo: fluido frigorígeno en condición de mezcla líquido-vapor en proporción variable, pero con temperatura constante Tc, a velocidad v (m/s). • En el exterior del tubo: fluido refrigerador, con temperatura Tf, a velocidad vf (m/s); los dos fluidos circulan, generalmente, a contracorriente. • Separación de las dos corrientes de fluido: pared metálica de espesor e (mm) bañada en sus dos caras por los fluidos que se hallan en circulación, cuyas temperaturas son Tc y Tf, de forma que en todos los puntos del evaporador:

Tf < Tc

vf

Tf

e v

Tc

La pared del tubo se puede considerar un muro homogéneo y, desde el punto de vista de transmisión de calor, el intercambio se hará: •

Por convección del fluido frigorígeno en la superficie interna del tubo.

•

Por conducción a través de la pared metálica del tubo.

•

Por convección de la superficie exterior del tubo al medio condensante.

En la práctica, la pared interior del tubo estará recubierta por una película de aceite y, además existe siempre una cantidad de polvo atmosférico (condensador de aire) o de sarro (condensador de agua) que aumenta el espesor de la pared de separación sobre la cara exterior. Por tanto, el muro homogéneo se ha convertido en un muro compuesto.

vf

Tf

e3 e2 e1 Tc

v

El aceite, el sarro y el polvo son conductores de calor muy inferiores al metal, por lo que se procurará mantener lo más limpia posible la superficie bañada por el medio de condensación, eliminando de la forma más eficaz posible toda señal de sarro o de polvo. La resistencia global al paso del flujo calorífico será igual a la suma de las resistencias parciales de los diferentes elementos que constituyen la pared: U=

1 1 = RT R1 + R2 + gRn

En estas nuevas condiciones, se tienen los siguientes parámetros: •

Coeficiente de convección del fluido frigorígeno (hi).

•

Coeficiente de conductividad térmica de la película de aceite (l1) de espesor (e1).

•

Coeficiente de conductividad térmica del tubo (l2) de espesor (e2).

•

Coeficiente de conductividad térmica del sarro o del polvo (l3) de espesor (e3).

•

Coeficiente de convección del medio a enfriar (he).

Para el caso de un condensador sucio: 1 1 e e e 1 = + 1+ 2+ 3+ U hi l1 l2 l3 he Los valores más frecuentes de U para cada tipo de condensador pueden tomarse de los catálogos de los fabricantes o en valores aproximados de la tabla siguiente: Grupo Condensadores de aire Condensadores de agua Condensadores evaporativos

Tipo

U (W/m2 · K)

Circulación natural

9 a 12

Circulación forzada

24 a 30

Multitubulares horizontales

700 a 1.100

De tubos lisos

240 a 350

De tubos aleteados

120 a 180

9.5.4 área

SuPerficial del condenSador

La capacidad de un condensador varía directamente con el área de la superficie exterior, siempre y cuando no varíen el coeficiente global de transmisión de calor (U) y la LMTD: Qo c (m2) Ae = U $ LMTD

9.5.5 caudal

máSico de fluido condenSante

El fluido condensante, en contacto con el condensador, presenta entre sus temperaturas de entrada T1 y de salida T2 una diferencia: DT = T2 - T1 La potencia disipada de cualquier condensador está directamente relacionada con el caudal de aire que circula sobre el serpentín del condensador: o $ c $ ^T - T h & m o = Qo c = m p 2 1 cAudAl

Qo c Qo c (kg/s) = cp $ ^ T2 - T1h cp $ DT

dE AguA

Si condensamos por agua, el caudal másico y volumétrico de agua será igual a: Qo c o = (kg/s) m w cpw $ DT o m Qo c (m3/s) Vo w = w = ρw ρw $ cpw $ ∆T cAudAl

dE AirE

Si condensamos por aire, el caudal másico y volumétrico de aire será igual a: o = m a

Qo c (kg/s) cpa $ DT

o m Qo c (m3/s) Vo a = a = ρa ρa $ cpa $ ∆T

EjEmplo 2 Sea un condensador de tubo liso por cuyo interior circula agua y por su exterior amoníaco que condensa a 40 ºC, siendo la descarga del compresor a 140 ºC. El agua entra a 25 ºC y sale a 30 ºC. Tomaremos un condensador con coeficiente global de transmisión de calor U = 850 W/m2 · K y potencia calorífica Qc = 58 kW. Determinar el caudal de agua de condensación necesario y la superficie total del condensador. LMTD =

DT1 - DT2 15 - 10 = = 12, 3 ºC 15 DT ln e 1 o ln c m 10 DT2

Qo c = U $ A $ LMTD = A =

Qo c 58.000 = = 5, 54 m2 U $ LMTD 850 $ 12, 3

o $ c $ DT & m o = Qo c = m pw

58 = 2, 77 kg/s = 9.990 L/h 4, 18 $ ^30 - 25h

9.6 torreS

de refrigeración y condenSadoreS evaPorativoS

volver

9.6.1 funcioneS

de la torre de refrigeración

El calor absorbido por el evaporador debe ser expulsado a la atmósfera. En general, los sistemas de acondicionamiento de aire y refrigeración de más de 700 kW (200 ton) utilizan el agua como medio para expulsar el calor, y la mayoría de estas instalaciones utilizan torres de refrigeración para la expulsión última del calor a la atmósfera. La torre de refrigeración es el mejor sistema cuando se desea limitar el consumo de energía primaria. En los sistemas por compresión, la torre de refrigeración debe expulsar más calor del que absorbe el evaporador. En un sistema de acondicionamiento de aire, la torre de refrigeración expulsa un 25% más de calor (calor de compresión) que el correspondiente a la capacidad del evaporador. La figura siguiente muestra un sistema básico con torre de refrigeración.

35 ºC

Torre de refrigeración

30 ºC

12 ºC Condensador: 1.250 kW

Bomba: 215 L/h · kW

Evaporador: 1.000 kW

Bomba: 170 L/h · kW

Carga

7 ºC

En los procesos de enfriamiento por aire, la extracción de calor se efectúa, prácticamente en su totalidad, bajo la forma de calor sensible. En cambio, en los procesos de enfriamiento evaporativo puede haber una pequeña transferencia en forma de calor sensible (hasta un 10 ó 15%) y fundamentalmente una gran transformación en calor latente (85 a 90%), que es función de la evaporación de una reducida porción del agua en circulación.

En los procesos de enfriamiento evaporativo se aprovecha el calor latente de vaporización del agua, calor que ha de absorber para realizar su cambio de estado pasando de líquido a vapor. El calor latente varía según la temperatura en la que se realiza el cambio de estado, pero para los márgenes normales entre los que trabajan las torres de refrigeración, puede considerarse un valor medio de entre 2.500 kJ/kg y 2.600 kJ/kg. Por ejemplo, para una temperatura de 30 ºC, el calor latente de vaporización es: Dhfg = 2.501 + 1, 805 $ T = 2.501 + 1, 805 $ 30 = 2.555 kJ/kg Los equipos de enfriamiento evaporativo utilizables representan numerosas ventajas y algunos inconvenientes en comparación con los de solo aire: •

Requieren menor espacio en planta (50% a 30% menos).

•

Reducen el consumo de energía eléctrica (hasta un 30% a 50%).

Pero, en contrapartida, los sistemas de enfriamiento evaporativo requieren un cierto consumo de agua y un control de sus vertidos. Además se requiere de un tratamiento del agua (limpieza y desinfección), siendo las operaciones de limpieza laboriosas. Por último, estos sistemas están sujetos a una estricta reglamentación sanitaria.

9.6.2 comPonenteS

!

de una torre de refrigeración

Los principales elementos que componen una torre de refrigeración son: Envolvente. Salida del aire

Material de relleno. Sistema de circulación del aire. Sistema de distribución de agua.

Separador de gotas

Separador de gotas. Bandeja de recogida.

Ventilador

Agua del condensador Envolvente

Relleno

Entrada del aire Bandeja de recogida de agua (piscina)

9.6.2.1 envolvente

Agua al condensador

y PiScina

Los materiales con los que está construida la torre deben ser resistentes al entorno en el que éstas funcionan (viento, peso de los componentes y del agua de la torre, sol, bajas temperaturas, vibración del ventilador, etc.). Normalmente, las torres pequeñas (se transportan ya montadas) se fabrican en acero galvanizado, fibra de vidrio o FRP (poliéster reforzado con fibra). Las torres metálicas necesitan de un mayor mantenimiento periódico, mientras que las de materiales plásticos son apropiadas en atmósferas corrosivas.

9.6.2.2 material

de relleno

El material de relleno favorece el íntimo contacto del agua con el aire, aumentando el intercambio térmico. Mantiene el agua en contacto con el aire el mayor tiempo posible. El material utilizado es el cloruro de polivinilo (PVC) o el poliéster reforzado con fibra (FRP). El agua se esparce por la superficie mientras el aire pasa por encima. Este tipo de material puede tener conductos pequeños por donde pasa el aire.

9.6.2.3 SiStema

de circulación de aire

De acuerdo con los tipos de circulación del aire, las torres de enfriamiento se clasifican en torres de tiro natural (atmosféricas) y en torres de tiro mecánico. En las torres de tiro natural la circulación del aire es por convección natural. En las torres de tiro mecánico la circulación del aire a través de la torre se realiza por la acción de un ventilador. torreS

de tiro natural

Las torres de tiro natural no utilizan ningún elemento mecánico (ventilador) para crear un caudal de aire a través de la torre. El aire se mueve de forma horizontal y el agua cae verticalmente (flujo cruzado). Son torres de gran altura y pequeña sección transversal. No están equipadas con relleno para mejorar la transferencia de calor. Dependen de los vientos dominantes, por lo que deben instalarse en lugares muy despejados, sin obstáculos. La velocidad del viento debe ser igual o superior a 8 km/h. Si la velocidad promedio del aire es baja, los costes fijos y de bombeo aumentan en relación a una torre de tiro mecánico y no compensa el ahorro del coste de ventilación. Provoca enormes pérdidas de agua.

No se recomienda su uso en sistemas que requieran temperaturas exactas y fiables de agua fría. Actualmente, las torres de tiro natural están en desuso. torreS

de tiro mecánico

Las torres de tiro mecánico utilizan uno o varios ventiladores para mover el aire por la torre. De este modo su rendimiento térmico tiende a una mayor estabilidad, y es afectado por menos variables psicrométricas, que las torres atmosféricas.

! son

lAs dE mAyor EmPlEo y lAs

únicAs

quE

intErEsAn

En

lA

industriA dE lA rEFrigErAción y El AcondicionAmiEnto dE AirE.

La presencia de ventiladores proporciona un medio para regular el caudal de aire (variando las revoluciones) para compensar los cambios atmosféricos y las condiciones de carga. En estas torres se puede controlar de forma precisa la temperatura del agua de salida.

• torreS de tiro forzado (Por imPulSión). Se caracterizan por altas velocidades de entrada de aire y bajas velocidades de salida. De acuerdo con esto, son extremadamente susceptibles a la recirculación y se considera, por tanto, que tienen menor estabilidad en sus prestaciones que las torres de corriente inducida. Debido a que los ventiladores están localizados en la corriente de aire frío de entrada, pueden ser objeto de fuertes heladas en climas fríos, desequilibrándose. Normalmente, se equipan con ventiladores centrífugos, que aunque requieren el doble de potencia que los axiales, tienen la ventaja de trabajar a altas presiones estáticas, por lo que pueden instalarse en interiores, incorporando conductos de aire. • torreS de tiro inducido (Por aSPiración). Tienen una velocidad del aire de descarga 3 ó 4 veces mayor que la velocidad de entrada de aire, con ésta aproximándose a 0,22 m/s. Por tanto, hay una pequeña tendencia a crearse una zona de presión reducida en las entradas de aire solo por la acción del ventilador. El ventilador (centrífugo o axial) se encuentra en la descarga, aspirando el aire del interior de la torre. La localización del ventilador en la corriente de aire caliente (que sigue en movimiento incluso con el ventilador desconectado) proporciona una excelente protección contra la formación de hielo en los componentes mecánicos.

9.6.2.4 SiStema

de diStribución de agua

Para obtener las máximas prestaciones de las torres es preciso que el agua a refrigerar se reparta uniformemente sobre el relleno, mediante la utilización de pulverizadores.

! Es

imPortAntE quE lA distribución

dEl cAudAl dE AguA sEA corrEctA y EquilibrAdA.

9.6.2.5 SeParador

Si la torre tiene dos o más celdas donde se distribuye el agua, a cada una se le debe suministrar igual cantidad de agua para que la torre funcione de manera apropiada. En este caso se utiliza un colector de distribución para repartir el agua y válvulas de equilibrado.

de gotaS

El separador de gotas reduce el arrastre de agua en forma de minúsculas gotas, en la corriente de aire. Se coloca de forma que obligue al aire a chocar contra sus caras dejando así adheridas las gotas en suspensión. De esta forma no se daña el álabe del ventilador.

9.6.2.6 bandeja

de recogida

La bandeja de recogida de agua se encuentra en el punto más bajo de la torre y recolecta el agua para, posteriormente, enviarla de vuelta al condensador. Cuando la bandeja de recogida está ubicada en lugares muy fríos, debe incorporar algún sistema de protección contra la congelación (una resistencia eléctrica en instalaciones pequeñas o un serpentín con agua caliente en las más grandes). En la zona más baja de la bandeja se suelen depositar sedimentos que deben limpiarse. A menudo se usa un filtro de malla para proteger la bomba. La tubería de retorno puede tener también un filtro desmontable. Válvula

Interruptor de flotador

solenoide

Protección del flotador

Agua de red Filtro

9.6.3 claSificación 9.6.3.1 torreS

de laS torreS de refrigeración

de refrigeración de circuito abierto

La ventaja principal de este tipo de torre es que el intercambio es intenso debido a que el agua de condensación libera el calor de manera latente como consecuencia de la evaporación de una parte de ella, por lo que el rendimiento es mayor. La principal desventaja es que al perder agua por evaporación hay que reponer una cantidad de agua mayor. Al evaporarse más agua, aumenta la concentración de sales y otras sustancias en la misma, disminuyendo su capacidad calorífica. Para evitar esto, se realzan purgas periódicas de agua, sustituyendo el agua con alta concentración de sales con agua de la red. Esto provoca, además del gasto de agua, más incrustaciones. Por tanto, en este tipo de torres de refrigeración, el tratamiento del agua y la limpieza son básicos para el buen funcionamiento del sistema a largo plazo. La aplicación de una torre de circuito abierto es mejor cuanto más baja es la humedad relativa del ambiente.

Tubo para sangrado

Entrada del gas caliente Condensador Salida del líquido

Desviación

Bomba

Torre de refrigeración

Entrada de agua de red

9.6.3.2 torreS

de refrigeración de circuito cerrado

Este tipo de torre comporta algo menos de eficacia que el sistema abierto; no obstante, reduce el problema de la corrosión y la suciedad en el circuito primario de la torre. Consiste en sustituir el relleno por una batería de serpentines de tubo liso por los que circula el fluido a refrigerar. Un segundo circuito auxiliado por una pequeña bomba, incorporada al aparato, recoge agua de la bandeja de la torre y la distribuye por encima de la batería, que al estar caliente, aumenta la temperatura del agua iniciándose la evaporación.

Bomba de circulación (pulverización) Torre de refrigeración

Entrada del gas caliente

Condensador

Desviación

Entrada de agua de red

Salida del líquido

Bomba

Las ventajas de este tipo de torre son las siguientes: • El circuito de agua de condensación es cerrado: no hay peligro de corrosión ni de incrustaciones al circular siempre la misma agua libre de sales y de oxígeno. • El gasto de agua es bajo, al tener solo que reponer la del circuito primario que es un volumen significativamente menor. • Los gastos de mantenimiento son reducidos al quedar las labores más significativas reducidas al circuito primario. •

Reducen el riesgo de proliferación de legionela.

9.6.3.3 condenSadoreS

evaPorativoS

(condenSadoreS

de calor latente)

El condensador evaporativo es exactamente una torre de circuito cerrado por cuya batería se hace circular el gas caliente procedente de un compresor frigorífico. Esencialmente se trata de una combinación de condensador y torre de refrigeración en una sola unidad. Entrada del gas caliente (del compresor) Bomba de circulación (pulverización)

Salida del líquido (al recipiente de líquido)

Condensador evaporativo

Entrada de agua de red

Al entrar en contacto el agua y el aire en la superficie del intercambiador de calor, se produce una evaporación. El agua al evaporarse absorbe calor latente del refrigerante que circula por el serpentín. Debido a que el agua se evapora en la superficie del intercambiador de calor, se reduce la cantidad de agua y de aire necesarios para realizar la condensación, en comparación con los condensadores de aire y agua tradicionales. La eficiencia de un condensador evaporativo es elevada, debido a la intensidad del intercambio térmico.

9.6.4 temPeraturaS

caracteríSticaS de laS torreS de refrigeración

Aunque se tiene algo de transferencia de calor sensible del agua hacia el aire, el efecto de enfriamiento en la torre es debido fundamentalmente a la evaporación de una parte del agua cuando ésta cae desde la parte superior. Para que se produzca el proceso de enfriamiento del agua, la temperatura del agua debe ser superior a la temperatura de bulbo húmedo del aire (Th). Cuanto menor sea la temperatura del bulbo húmedo del aire que llega a la torre, mayor será la efectividad en el enfriamiento de la torre. Si el aire está saturado, será imposible enfriar el agua.

! unA lA

torrE cAsi PErFEctA rEduciríA

tEmPErAturA

dEl

AguA

hAstA

AlcAnzAr lA dE bulbo húmEdo, PEro sEríA dE un tAmAño EnormE.

En la práctica no es posible enfriar el agua hasta la temperatura del bulbo húmedo del aire. En la mayoría de los casos, la temperatura del agua que sale de la torre está comprendida entre 4 ºC y 6 ºC por encima de la temperatura del bulbo húmedo del aire que llega a la torre (en este caso se dice que la temperatura de salida del agua de la torre se aproxima en 4-6 ºC a la temperatura de bulbo húmedo).

La diferencia de temperatura entre la temperatura del agua que sale de la torre de refrigeración y la temperatura del bulbo húmedo del aire que entra a la torre, se llama “acercamiento” o “aproximación” (a). La temperatura de salida del agua de la torre Tws se determina según: Tws = Th + a En la mayoría de los sistemas de refrigeración, la temperatura de diseño para el agua saliente de la torre es de Tws = 30 ºC. En los climas cálidos, donde la temperatura de bulbo seco podría ser de 35 ºC y la temperatura de bulbo húmedo de 26 ºC, la torre de refrigeración puede reducir la temperatura del agua hasta que tenga una diferencia de solo 4 ºC con respecto a la temperatura de bulbo húmedo del aire exterior. Cuando la temperatura de bulbo húmedo es de 26 ºC, la temperatura del agua saliente de la torre sería de 30 ºC. A la reducción de temperatura experimentada por el agua que pasa a través de la torre (diferencia de temperaturas entre el agua de entrada Twe y de salida Tws) se le llama “rango” de la torre. Para mantener el equilibrio entre el sistema de agua del condensador, el “rango” debe ser siempre igual al aumento de temperatura del agua en el condensador. La eficacia de una torre de refrigeración depende de las condiciones atmosféricas y varía, evidentemente, de acuerdo con la estación. Se expresa por la fórmula: E=

Twe - Tws Twe - Th

donde: Twe = temperatura de entrada del agua; Tws = temperatura salida del agua; Th = temperatura húmeda del aire entrante. La eficacia puede variar entre el 40% y el 90%. Los valores prácticos utilizados en torres de refrigeración son los siguientes:

• Diferencia entre la temperatura de entrada del agua a la torre (caliente) y la temperatura de salida del agua de la torre (rango): Tws - Twe = 4 ºC a 6 ºC. • Diferencia entre la temperatura de condensación y la temperatura de salida del agua de la torre: Tcond - Tws = 5 ºC a 7 ºC. • Diferencia entre la temperatura de salida del agua de la torre y la temperatura del bulbo húmedo (aproximación): Tws - Th = 3 ºC a 7 ºC. • Diferencia entre la temperatura de condensación y la temperatura del bulbo húmedo (torres de refrigeración): Tcond - Th = 14 ºC a 20 ºC. • Diferencia entre la temperatura de condensación y la temperatura del bulbo húmedo (condensadores evaporativos): Tcond - Th = 12 ºC a 16 ºC. Con un condensador evaporativo se consigue una mayor capacidad frigorífica por parte del compresor, con un menor consumo energético.

9.6.5 conSumo

de agua

9.6.5.1 evaPoración,

Pérdida de arraStre y Sangrado

Además del agua perdida por “evaporación” en la torre de enfriamiento, también hay pérdidas por el agua “arrastrada por la corriente de aire” y por “sangrado”. • evaPoración. El agua que se pierde por evaporación es de aproximadamente el 1% (entre 0,85% y 1,25%) del caudal de recirculación por cada 6 ºC de salto térmico de dicho caudal. Otro valor práctico es: 1,6 L/h por cada 1.000 kW. • Pérdida de arraStre. Una cantidad mínima de agua en forma de gotas pequeñas, es sacada por el aire que pasa a través de la torre. La cantidad de pérdidas por arrastre en una torre depende del diseño de la torre y de la velocidad del viento. • Sangrado o vaciado. Es un tiradero continuo de un cierto porcentaje del agua que circula a fin de evitar mayores concentraciones de sólidos minerales disueltos y otras impurezas en el agua del condensador. Sin el sangrado, la concentración de sólidos minerales disueltos en el condensador crecería muy rápidamente como resultado de la evaporación que se tiene en la torre de enfriamiento. La tubería de sangrado se coloca en el tramo de agua caliente (tubería procedente del condensador), después de la bomba, cerca de la parte superior de la torre, de tal manera que el sangrado se efectúa solo cuando la bomba está funcionando.

Tubo para sangrado

Entrada del gas caliente Condensador Salida del líquido

Desviación

Bomba

Torre de refrigeración

Entrada de agua de red

Con agua de suministro de la red pública, que se introduce en la bandeja inferior de la torre, se reemplazan las pérdidas de agua por evaporación, arrastre y sangrado. Se puede estimar la tasa o consumo de aporte de agua total. Sumando a la evaporación el consumo debido a purgas, arrastre y eventuales fugas, se dan valores prácticos para el consumo total en torres y condensadores evaporativos de entre 2 a 4 L/h / 1.000 kW.

9.6.5.2 cálculo

del conSumo de agua

Se puede calcular el consumo de agua mediante las siguientes expresiones: •

Caudal de agua evaporada (Vevap):

Vo evap ^L/hh =

calor a disipar calor latente de vaporización

=

kcal/h 580 kcal/L

• Pérdidas por arrastre de gotas (Varr): Con un separador de gotas de calidad aceptable, este caudal será como máximo de un 0,1% del caudal en recirculación: Vo arr ^L/hh = caudal de agua en recirculación^L/hh $ 0, 0001 •

Caudal de vaciado o purga (Vvac): Vo evap Vo vac ^L/hh = N-1

N=

concentración de sales deseada concentración de sales de agua de aporte

La suma de las cantidades anteriores, constituye el gasto mínimo de agua preciso para el funcionamiento de cualquier torre. Por tanto el consumo total de agua (Vtotal) es: Vo total ^L/hh = Vo evap + Vo arr + Vo vac

Dispositivos

de expansión

10

Contenidos 10.1 Funciones de los dispositivos de expansión 10.2 Sobrecalentamiento 10.3 Principio de funcionamiento de una VET 10.4 Válvula de expansión termostática con equilibrado interno de presión 10.5 Válvula de expansión termostática con equilibrado externo de presión 10.6 Válvula de expansión termostática limitadora de presión 10.7 Válvula de expansión termostática de carga cruzada 10.8 Colocación del bulbo remoto de la VET 10.9 Dosificador de tubo capilar

Índice

10.1 funcioneS

de loS diSPoSitivoS de exPanSión

volver

Los dispositivos de expansión (dispositivos de control de flujo refrigerante) constituyen la separación entre la parte de alta y baja presión del circuito frigorífico. En estos aparatos, el fluido frigorígeno entra en estado líquido y bajo la presión de condensación (con sus pérdidas de carga); a su paso a través del orificio calibrado experimenta una caída de presión y se evapora parcialmente enfriándose, por lo que sale en forma de mezcla líquido-vapor, siendo más rica en vapor a medida que se reduce la presión de vaporización. La función de cualquier dispositivo de control del flujo refrigerante es doble:

1.

Inyectar al evaporador la cantidad justa y necesaria de fluido frigorígeno para absorber la aportación de calor procedente del medio a enfriar.

2.

Mantener un diferencial de presión entre los lados de alta y baja presión del sistema que permita vaporizar el refrigerante bajo las condiciones de baja presión deseadas y, al mismo tiempo, efectuar la condensación a la presión de alta.

!

10.2 Sobrecalentamiento

Los dispositivos de expansión pueden ser:

• Válvula de expansión termostática, (sobrecalentamiento constante).

VET

• Válvula de expansión automática, VEA (presión constante). • Dosificador de tubo capilar. • Válvula de flotador (en evaporadores inundados).

volver

!

DEfinición

Sobrecalentamiento: cantidad de calor sensible absorbida por el refrigerante después de que todas las gotas de refrigerante líquido se han convertido en vapor.

El ajuste del sobrecalentamiento depende de las características de funcionamiento del sistema. Las unidades de acondicionamiento de aire son susceptibles de sufrir problemas de caudal de aire y de filtros sucios que pueden provocar que el evaporador inunde el compresor, por lo que es conveniente que se tenga un sobrecalentamiento alto que proporcione un buen margen de seguridad para el compresor. Los congeladores tienen que aprovechar lo más posible el evaporador para eliminar el calor del espacio enfriado. En este caso interesa un sobrecalentamiento bajo, que garantice un evaporador lo más inundado posible y, por lo tanto, más eficiente. Los refrigeradores de media temperatura operan mejor con un punto intermedio de sobrecalentamiento, situado entre los otros dos sistemas: Sistema

Sobrecalentamiento

Acondicionamiento de aire

8 ºC

Refrigeración a temperatura media

6 ºC

Refrigeración a baja temperatura

3 ºC

! PArA

cAlculAr El sobrEcAlEntAmiEnto sE dEbEn

utilizAr mAnómEtros y tErmómEtros PrEcisos y tomAr lAs mEdidAs dE PrEsión cErcA dE dondE sE tomEn lAs dE tEmPErAturA.

La temperatura de la tubería de aspiración debe tomarse en el bulbo de la válvula de expansión en la salida del evaporador. La medida de la presión de aspiración debería tomarse en ese mismo punto o muy cerca de él. Algunos técnicos instalan un empalme de acceso de presión en la tubería de

aspiración, en la salida del serpentín. Si el compresor se encuentra a menos de 1,5 metros de la salida del evaporador, se puede utilizar la lectura de presión en la válvula de mantenimiento de aspiración. Sin embargo, si el compresor está muy alejado del evaporador o existe un acumulador en la tubería de aspiración o hay muchos codos, la caída de presión podría ser diferente. Si el sistema de tuberías de aspiración está correctamente dimensionado, la caída de presión no será mayor de 14 kPa, por lo que el error que se produce al tomar la presión en la válvula de mantenimiento de aspiración no es muy significativo. Las lecturas de presión y temperatura se deben efectuar para las condiciones de diseño con una tolerancia de 3 ºC. Por ejemplo, si el compartimento de una cámara está diseñada para trabajar a 2 ºC, no hay que medir el sobrecalentamiento hasta que la temperatura del compartimento no se encuentre por debajo de 5 ºC.

10.3 PrinciPio

de funcionamiento de una

vet

volver

La VET regula automáticamente el caudal de refrigerante, en función de la carga del sistema, de forma que el rendimiento del evaporador sea máximo. Además, protege al compresor de la entrada de líquido, ya que mantiene constante el sobrecalentamiento. La válvula de expansión termostática se compone de: • cuerPo de la válvula. Pieza mecanizada con extremada precisión, hecha de bronce o latón estampado (de acero inoxidable para NH3), que contiene al resto de los componentes y fija la válvula al circuito de tuberías de refrigeración.

• membrana o diafragma. Separa el cuerpo del aparato en dos partes asegurando la estanquidad entre ambas. El diafragma está hecho de un metal muy fino. • aguja y aSiento. La aguja va unida a la membrana por medio de un vástago, formando un conjunto aguja-membrana. El tamaño de la aguja y del asiento determina la cantidad de refrigerante que pasará para una caída de presión determinada. • reSorte de regulación. El resorte es una de las tres fuerzas que actúan sobre el diafragma: eleva el diafragma y cierra la válvula. La tensión del resorte viene configurada de fábrica para un sobrecalentamiento de 4 ºC a 6 ºC. • tornillo de regulación. Está protegido por una tapa de protección. Normalmente, una vuelta completa del vástago puede cambiar el ajuste de sobrecalentamiento en unos 2 ºC. Girando el dispositivo y haciendo que entre en la válvula (en sentido horario), aumenta la tensión del muelle para cerrarla, por tanto, menor será la cantidad de refrigerante que entre en la válvula y mayor el sobrecalentamiento. • la PoSición del váStago ajuStado de fábrica eS de aProximadamente la mitad de Su recorrido. Para obtener esta posición cuando se sospecha que alguien ha manipulado el vástago, hay que seguir los siguientes pasos: 1) Girar el vástago en el sentido de las agujas del reloj hasta que no se pueda más; 2) Contar el número de vueltas que da el vástago en el sentido contrario a las agujas del reloj hasta que no se pueda más; 3) Girar el vástago en el sentido de las agujas del reloj un número de vueltas igual a la mitad de las anteriores. • filtro de malla. El filtro de malla muy fina protege a la aguja de las impurezas que puedan deteriorarla o perjudicar su buen funcionamiento. • bulbo SenSor. El bulbo, que contiene refrigerante en estado líquido-vapor, va unido al cuerpo de la válvula de expansión a través de un tubo capilar. El bulbo se encarga de detectar qué temperatura hay en el extremo final del evaporador y de transmitirla, convertida en presión, a la parte superior del diafragma.

El asiento de la válvula está fijo en el cuerpo de ésta y el diafragma mueve la aguja. Uno de los lados del diafragma obtiene su presión del bulbo, mientras que el otro la obtiene del evaporador. El diafragma se mueve hacia arriba y hacia abajo en respuesta a tres fuerzas (presiones) diferentes. Estas tres fuerzas son: •

F1: fuerza ejercida por la presión aportada por el bulbo remoto.

•

F21: fuerza (regulable) ejercida por el resorte de regulación.

•

F22: fuerza ejercida por la presión en el evaporador. Diafragma (membrana)

Presión del resorte regulable (F21)

Entrada refrigerante Filtro

Presión gas bulbo (F1)

Bulbo

Presión del evaporador (F22)

Aguja y vástago

Salida refrigerante

orte Res able ul reg

Tornillo regulable

En la parte superior del diafragma actúa la fuerza de apertura F1, que es el resultado de la acción de la presión del fluido del bulbo pb ejercida sobre la superficie exterior Ae del diafragma, o sea, F1 = pb · Ae. Esta fuerza de apertura se ejerce verticalmente, de arriba hacia abajo, sobre la aguja, y tiene como resultante: F1 = pb · Ae (1) En la parte inferior del diafragma actúan las fuerzas de cierre, que son: la fuerza del resorte de regulación F21 y la fuerza F22 ejercida sobre la superficie interior Ai del diafragma por la presión de vaporización pe, o sea, F22 = pe · Ai. Estas fuerzas de cierre se ejercen verticalmente, de abajo hacia arriba, sobre la aguja, y tienen como resultante: F2 = F21 + F22 = F21 + pb · Ae (2) La comparación de las igualdades (1) y (2) nos muestra que: •

Si F1 es superior a F2, la válvula de expansión se encuentra abierta.

•

Si F2 es superior a F1, la válvula de expansión se encuentra cerrada.

Bajo una determinada regulación de la tensión del resorte, la fuerza de empuje de éste F21 es constante. En régimen permanente, la presión de vaporización pe puede considerarse también constante, por lo tanto, F22 es constante. La inversión del predominio de las fuerzas F1 y F2 en uno u otro sentido, se obtiene solo modificando el valor de F1 y como la superficie Ae es constante, esta modificación del valor de F1 solo puede provocarse por la variación de la presión desarrollada por el fluido contenido en el bulbo, pb. El sobrecalentamiento necesario para lograr el equilibrio con una VET depende de la tensión que se tenga en el resorte. Al aumentar la tensión en el resorte F21 aumenta el sobrecalentamiento; y al disminuir ésta, disminuye el sobrecalentamiento.

10.4 válvula

de exPanSión termoStática con equilibrado

interno de PreSión

10.4.1 funcionamiento normaleS

volver en régimen Permanente.

condicioneS

de carga

La característica de operación de la VET resulta de la interacción de tres fuerzas independientes: la presión en el evaporador (p22), la presión ejercida en el resorte (p21), y la presión ejercida por la mezcla de líquido vapor que se tiene en el bulbo remoto (p1). Supóngase que la válvula funciona en equilibrio (régimen permanente). El evaporador trabaja en una aplicación de temperatura media y justo antes del punto de desconexión. La presión manométrica en el evaporador (p22) es de 134 kPa (1,34 bar) y el refrigerante utilizado, el R-134a, se vaporiza a -6 ºC (la temperatura de la cámara es de 2 ºC). Fuelle o diafragma Punta y asiento

Presión del bulbo (p1): -1 ºC; 1,82 bar (man)

A

Filtro

Presión evaporador (p22): -6 ºC; 1,34 bar (man) Líquido- vapor Presión resorte (p21): 0,48 bar (man) -6 ºC; 1,34 bar (man)

Resorte Tornillo de ajuste

-6 ºC; 1,34 bar (man) -1 º C; 1,82 bar (man) Bulbo remoto

Líquido- vapor

Vapor sobrecalentado -1 ºC; 1,34 bar (man)

Sobrecalentamiento = 5 ºC C

Líquido- vapor B

-6 ºC; 1,34 bar (man)

La válvula de expansión mantiene 5 ºC el sobrecalentamiento, por lo que la temperatura de la tubería de aspiración es de -1 ºC. Supóngase que se ajusta la tensión en el resorte para ejercer una presión (p21) de 0,48 bar, de modo que la presión total que tiende a cerrar la válvula es 1,82 bar, que es la suma de p22 y p21 (1,34 + 0,48). Si se ignora la caída de presión en el evaporador, podrá suponerse que la temperatura y la presión del refrigerante son las mismas en todas las partes del evaporador donde se tenga una mezcla de líquido-vapor. Sin embargo, en algún punto B cerca de la salida del evaporador, se vaporizará todo el líquido de la mezcla y el refrigerante en dicho punto será vapor saturado. A medida que el vapor refrigerante va desde B hasta C (final del evaporador), éste continúa absorbiendo calor de los alrededores, aumentando su temperatura y permaneciendo constante la presión. En este caso, el vapor refrigerante se sobrecalienta 5 ºC, de -6 ºC hasta -1 ºC, desde el punto B hasta el punto C donde está localizado el bulbo remoto. La temperatura de la mezcla líquido-vapor del bulbo es la misma que la del vapor sobrecalentado de la tubería, por tanto, tendrá una presión (p1) de 1,82 bar, que es la presión que se ejerce en el diafragma a través del tubo capilar (fuerza total que tiende a abrir la válvula). Bajo estas condiciones, la fuerza que tiende a abrir la válvula es igual a la fuerza que tiende a cerrarla: p22 + p21 = p1 & p21 = 1, 82 - 1, 34 = 0, 48 bar y la válvula estará en equilibrio, hasta que un cambio de sobrecalentamiento en la aspiración desequilibre las fuerzas y cause que la válvula se mueva en una u otra dirección.

Temperatura de la cámara

2 ºC

Temperatura de vaporización

-6 ºC

Sobrecalentamiento

5 ºC

Temperatura bulbo (1,82 bar)

-6 ºC + 5 ºC = -1 ºC

10.4.2 aumento cámara)

en la carga del SiStema

(Se

introducen alimentoS en la

Al introducir en la cámara alimentos con una temperatura superior, éstos calientan el aire del interior de la cámara, aumentando la carga en el serpentín. El refrigerante del interior del serpentín hierve más rápido, aumentando la presión de aspiración. El último punto de mezcla líquido-vapor (B’) está más alejado del extremo final del evaporador que el punto anterior B, por lo que el serpentín no recibirá suficiente refrigerante líquido. El recorrido desde B’ hasta C es más largo, causando un sobrecalentamiento mayor de 5 ºC (por ejemplo, 8 ºC), aumentando la presión del bulbo, causando una mayor abertura de la válvula y, por tanto, un aumento de refrigerante líquido hacia el evaporador: p22 + p21 1 p1 & 1, 53 + 0, 48 = 2, 01 bar 1 2, 38 bar

Fuelle o diafragma

Presión del bulbo (p1): 4 ºC; 2,38 bar (man)

Punta y asiento

A

Presión evaporador (p22): -4 ºC; 1,53 bar (man) Líquido- vapor

Filtro

Presión resorte (p21): 0,48 bar (man) -4 ºC; 1,53 bar (man)

Resorte Tornillo de ajuste

Líquido- vapor -4 ºC; 1,53 bar (man)

4 ºC; 2,38 bar (man)

Líquido- vapor

Bulbo remoto

B’

Vapor sobrecalentado 4 ºC; 1,53 bar (man)

C

Sobrecalentamiento = 8 ºC

Este aumento de refrigerante líquido, reduce el sobrecalentamiento hasta el valor requerido de 5 ºC. Sin embargo, cuando nuevamente se ha restablecido el equilibrio, la temperatura y presión de vaporización son mayores que antes. Temperatura de la cámara

7 ºC

Temperatura de vaporización

-4 ºC

Sobrecalentamiento

8 ºC

Temperatura bulbo (2,38 bar)

-4 ºC + 8 ºC = 4 ºC

10.4.3 diSminución cámara)

en la carga del SiStema

(Se

retiran alimentoS en la

Al retirar alimentos de la cámara, desciende la carga en el serpentín. El refrigerante del interior del serpentín hierve más lentamente, disminuyendo la presión de aspiración. El último punto de

mezcla líquido-vapor (B’’) está más cerca del extremo final del evaporador que el punto anterior B, por lo que el serpentín comenzará a inundarse de refrigerante líquido. El recorrido desde B’’ hasta C es más corto, causando un sobrecalentamiento menor de 5 ºC (por ejemplo, 4 ºC), disminuyendo la presión del bulbo, causando una menor abertura de la válvula y, por tanto, una disminución de refrigerante líquido hacia el evaporador: p22 + p21 2 p1 & 1, 17 + 0, 48 = 1, 65 bar 1 1, 53 bar Fuelle o diafragma

Presión del bulbo (p1): -4 ºC; 1,53 bar (man)

Punta y asiento

A

Presión evaporador (p22): -8 ºC; 1,17 bar (man) Líquido- vapor

Filtro

Presión resorte (p21): 0,48 bar (man) -8 ºC; 1,17 bar (man)

Resorte Tornillo de ajuste

Líquido- vapor -8 ºC; 1,17 bar (man)

-4 ºC; 1,53 bar (man) Bulbo remoto

Líquido- vapor

Vapor sobrecalentado -4 ºC; 1,17 bar (man)

C

Sobrecalentamiento = 4 ºC

-8 ºC; 1,17 bar (man) B’’

Si esta condición perdura durante cierto tiempo, el termostato apagará el compresor, porque la temperatura del aire de la cámara se reduce hasta el punto de corte fijado. Temperatura de la cámara

1 ºC

Temperatura de vaporización

-8 ºC

Sobrecalentamiento

4 ºC

Temperatura bulbo (1,17 bar)

-8 ºC + 4 ºC = -4 ºC

10.5 válvula

de exPanSión termoStática con equilibrado

externo de PreSión

volver

La VET con equilibrado interno se utiliza en evaporadores pequeños de un solo circuito. Cuando el circuito de tuberías en el evaporador es demasiado largo, aumenta la caída de presión, por lo que una VET con equilibrado interno daría un error en la medida de la presión en el punto donde está situado el bulbo. Además, cuando se tiene lugar una caída de presión excesiva (más de 35 kPa), se utilizan múltiples circuitos de tuberías en paralelo en el evaporador para disminuir dicha caída de presión. Por tanto, en evaporadores grandes y con múltiples circuitos, se utilizan VET con equilibrado externo, que eliminan la influencia de las pérdidas de presión en el evaporador. De no ser así, se tendría un mayor sobrecalentamiento en la tubería de aspiración a fin de que la válvula llegue a la condición de equilibrio, reduciendo la superficie efectiva de enfriamiento del evaporador. Veamos qué ocurre en un evaporador donde se tiene una caída de presión excesiva en el serpentín y se utiliza una VET con equilibrado interno de presión.

Fuelle o diafragma

Presión del bulbo (p1): -1 ºC; 1,82 bar (man)

Punta y asiento

A

Presión evaporador (p22): -6 ºC; 1,34 bar (man) Líquido- vapor

Filtro

Presión resorte (p21): 0,48 bar (man) -8 ºC; 1,17 bar (man)

Resorte

-9 ºC; 1,09 bar (man)

Tornillo de ajuste

Líquido- vapor B

-1 ºC; 1,82 bar (man)

-7 ºC; 1,01 bar (man)

Bulbo remoto Líquido- vapor

Vapor sobrecalentado -4 ºC; 1,17 bar (man)

C

Sobrecalentamiento = 8 ºC

-5 ºC; 0,93 bar (man)

En este caso, el evaporador tiene una caída de presión de 0,48 bar (1,34 - 0,86), lo que está provocando que el evaporador esté subalimentado. Temperatura de la cámara

2 ºC

Temperatura de vaporización

-6 ºC (1,34 bar)

Sobrecalentamiento real

8 ºC

Sobrecalentamiento (desde inicio del evaporador)

5 ºC

Temperatura bulbo (1,82 bar)

-6 ºC + 5 ºC = -1 ºC

Es evidente que un sobrecalentamiento de 8 ºC es el necesario para proporcionar una temperatura de -1 ºC en la aspiración, que es la necesaria en el punto de contacto con el bulbo para que la válvula se mantenga en equilibrio. A fin de satisfacer la necesidad de un sobrecalentamiento mayor, la vaporización del líquido deberá efectuarse antes, de manera que una parte considerable de la superficie del evaporador será inefectiva. Hay que tener en cuenta que el evaporador trabaja más eficientemente cuando tiene la máxima cantidad posible de refrigerante sin que éste inunde el compresor. En la figura siguiente se aprecia una válvula de expansión termostática con compensación externa. 0,86 bar (man)

1,34 bar (man)

A

-6 ºC; 1,34 bar (man)

0,48 bar (man)

-7 ºC (saturado); 1,25 bar (man) -8 ºC (saturado); 1,17 bar (man) -9 ºC (saturado); 1,09 bar (man) -10 ºC (saturado); 1,01 bar (man)

-6 ºC (saturado); 1,34 bar (man) -11 ºC (saturado); 0,93 bar (man)

-6 ºC; 0,86 bar (man)

C

Sobrecalentamiento

B

Aunque de ninguna manera un compensador reduce la caída de presión en el evaporador, sí permite, en cambio, usar toda la superficie efectiva del evaporador. Obsérvese en la figura anterior que la válvula compensada externamente está construida tal que la presión del evaporador (p22), la cual actúa sobre el diafragma de la válvula, es la presión de salida del evaporador en lugar de la de entrada. Esto se efectúa aislando completamente al diafragma de la válvula de la presión de entrada del evaporador. Temperatura de la cámara

2 ºC

Temperatura de vaporización

-6 ºC (1,34 bar)

Sobrecalentamiento real

5 ºC

Sobrecalentamiento (desde inicio del evaporador)

0 ºC

Temperatura bulbo (1,34 bar)

-6 ºC + 0 ºC = -6 ºC

Debido a que la presión del evaporador (p22) es la presión a la salida del evaporador, el efecto de la caída de presión en el evaporador es neutralizado a tal punto que el grado de sobrecalentamiento necesario en la aspiración para operar la válvula es aproximadamente el mismo que para el caso en que se despreciaba la caída de presión. Una VET con equilibrado externo se utilizará siempre en un evaporador que disponga de distribuidor. Únicamente los serpentines de varios circuitos utilizan distribuidores. El compensador externo se debe conectar después del bulbo sensor de la VET, para evitar una posible entrada de líquido dentro del tubo compensador proveniente del evaporador. La mayoría de los evaporadores multicircuito presentan en sus distribuidores una caída de presión de unos 240 kPa. Por tanto, la presión del evaporador es aproximadamente 240 kPa menor que la presión que sale de la VET.

10.6 válvula PreSión

de exPanSión termoStática limitadora de

volver

Una VET convencional tiene dos inconvenientes:

1.

Cuando se tiene una carga fuerte (descenso caliente), se obtiene una presión y temperatura excesiva en el evaporador, sobrecargando el motor del compresor.

2.

Durante el arranque de los ciclos del compresor, se abre por completo, sobrealimentando al evaporador, permitiendo en muchos casos la entrada de líquido a la tubería de aspiración con el posible daño del compresor.

Estas dificultades de operación pueden subsanarse usando VET construidas con dispositivos limitadores de la presión, que funcionan estrangulando el flujo de líquido que va hacia el evaporador, quitando el control de la válvula al bulbo remoto cuando la presión en el evaporador aumenta hasta un máximo predeterminado. Esta presión máxima de operación (MOP),

puede limitarse, por ejemplo, mediante un resorte, que actúa como un eslabón sólido, colocado entre el diafragma y el vástago de la válvula. Cuando la presión en el evaporador es menor que la tensión del resorte, la válvula funciona como una VET convencional; sin embargo, cuando la presión en el evaporador sea mayor que la tensión a la cual fue ajustada el resorte, éste se comprimirá y el flujo de refrigerante hacia el evaporador será estrangulado (quitándole el control al bulbo remoto), hasta que la presión en el evaporador sea menor que la tensión del resorte; el resorte vuelve a actuar como un eslabón sólido regresando nuevamente el control al bulbo remoto. Generalmente, la VET limitadora de presión se selecciona con una MOP de 34 kPa a 68 kPa por encima de la presión de vaporización en condiciones de carga normal.

10.7 válvula

de exPanSión termoStática de carga cruzada

volver

La carga termostática es la sustancia existente dentro del bulbo sensor que responde a la temperatura existente en el tubo de salida del evaporador, para crear una presión de mando en el interior de la válvula; puede estar cargado con: • carga convencional. El fluido remoto es el mismo refrigerante usado en el sistema (sistemas de media y alta temperatura). • carga cruzada. El fluido remoto es otro refrigerante cuyo punto de ebullición sea algo inferior al del refrigerante del sistema (sistemas de baja temperatura). Aunque las válvulas de expansión que tienen su bulbo cargado con el mismo refrigerante del sistema son adecuadas para casi todas las aplicaciones de media y alta temperatura, por lo general, no son adecuadas para aplicaciones de baja temperatura. La figura siguiente muestra la curva presión-temperatura para un determinado refrigerante. Obsérvese que la carga en presión por grado de temperatura disminuye considerablemente a medida que disminuye la temperatura del refrigerante. Por lo tanto la cantidad de sobrecalentamiento necesario para causar un aumento deseado de presión en el bulbo remoto, es mucho mayor a temperatura baja que a alta. Presión absoluta 400 kPa

300 kPa

200 kPa

100 kPa

0 kPa −40 ºC

−30 ºC

−20 ºC

−10 ºC

Temperatura de vaporización

0 ºC

+10 ºC

Por ejemplo, para una temperatura de -5 ºC, un cambio de temperatura 2,5 ºC causará un cambio de 33 kPa, mientras que para -30 ºC, un cambio de temperatura de 7 ºC causará el mismo cambio de 33 kPa. Obviamente, cuando el bulbo de la válvula de expansión se carga con el mismo refrigerante del sistema, la cantidad de sobrecalentamiento necesario para impulsar la válvula tendrá un valor excesivo para el caso de bajas temperaturas, volviéndose inefectiva una gran parte de la superficie del evaporador. Por tanto, para aplicaciones en temperatura baja, una buena práctica consiste en utilizar una válvula de expansión que tenga su bulbo cargado con algún otro fluido que sea distinto del que se tiene en el sistema. En general, será un fluido cuyo punto de ebullición sea algo inferior al del refrigerante del sistema, de tal manera que el cambio de presión en el bulbo por grado de sobrecalentamiento en la aspiración sea más adecuado a la temperatura de operación de la válvula. Esto permitirá funcionar a la válvula con una cantidad normal de sobrecalentamiento en la aspiración. Las válvulas de expansión cuyos bulbos están cargados con fluidos diferentes al refrigerante del sistema, se llaman válvulas de carga cruzada, porque la curva p-T del fluido del bulbo, cruza a la curva de p-T del refrigerante del sistema. En la figura siguiente, la curva p-T del fluido en el bulbo es algo más plana que la del fluido del sistema, de modo que a medida que aumenta la presión en el evaporador, se necesita tener una gran cantidad de sobrecalentamiento en la aspiración para lograr tener la válvula en equilibrio. Presión absoluta

Curva fluido sistema

400 kPa

300 kPa

200 kPa

Curva fluido bulbo

100 kPa

0 kPa −40 ºC

−30 ºC

−20 ºC

−10 ºC

0 ºC

+10 ºC

Temperatura de vaporización

Las válvulas de expansión de carga cruzada no solo se usan en aplicaciones de baja temperatura; también se usan frecuentemente en aplicaciones donde se desee limitar la presión y donde exista un sobrecalentamiento variable. Debido a que la válvula de carga cruzada trabaja satisfactoriamente solo dentro de un rango específico de temperaturas, se necesitan diferentes tipos de cargas cruzadas para los diferentes rangos de temperatura. Para su selección, debe indicarse el rango de temperatura de operación deseada.

10.8 colocación

del bulbo remoto de la

vet

volver

El funcionamiento adecuado de la VET depende de la localización e instalación adecuada del bulbo remoto que debe estar abrazado con firmeza (usando grapas metálicas) a un tramo

horizontal del tubo de aspiración, cerca de la salida del evaporador, y de preferencia dentro del espacio refrigerado. La superficie del tubo de aspiración deberá estar limpia para poder realizar un buen contacto térmico. El bulbo una vez montado en la tubería, se aislará térmicamente para evitar la influencia del ambiente exterior.

El bulbo remoto no debe localizarse en una tubería de aspiración con trampa o forma de U. El aceite puede hacer trampa en el tubo de aspiración a la salida del evaporador, causando pérdidas por sobrecalentamiento y provocando una operación irregular de la válvula debido al efecto alterno de secado y llenado que se produce en la trampa, que resultaría en un aumento del sobrecalientamiento, causando pérdidas en la instalación. Si el montaje horizontal resulta imposible, podrá fijarse verticalmente sobre el tramo ascendente de dicha tubería, después de una trampa de aceite (sifón). Según sea el diámetro del tubo, la posición del bulbo sobre un tubo horizontal, será diferente dependiendo de la presencia eventual de gotitas de líquido que perturbarían la información del valor del recalentamiento. Se instalará en una posición de entre la 1 y las 4 horas (zona más fría) conforme están situados los números en la esfera de un reloj; si se coloca a las 6 horas (parte inferior del tubo), detectará el aceite existente en el circuito, y si se coloca a las 12 horas (parte superior de la tubería), detectaría solo gas (zona más caliente).

1.

Para tubos de aspiración de 3/8” a 5/8”, a la 1 hora.

2.

Para tubos de aspiración de 3/4” y 7/8”, a las 2 horas.

3.

Para tubos de aspiración de 1” y 1 1/8”, a las 3 horas.

4.

Para tubos con diámetros superiores, a las 4 horas.

10.9 doSificador 10.9.1 finalidad

de tubo caPilar

volver

y deScriPción

El tubo capilar es el elemento de expansión más sencillo y barato. Se denomina capilar porque está constituido por un finísimo tubo de 0,5 a 2,5 mm de diámetro interior y una longitud de 0,5 a 5 m. Al pasar a través del tubo capilar, el líquido refrigerante pierde presión a causa de la fricción y desaceleración del fluido, transformándose una parte en vapor. La

longitud y el diámetro del tubo juegan un papel determinante cuando se intenta establecer la relación entre la presión alta y la presión baja que se desea obtener en el circuito frigorífico.

! hAbituAlmEntE

sE

montA

FormA dE buclE EnrollAdo dE A

200 mm

En

50

dE diámEtro.

A diferencia de las VET, las presiones del sistema se igualan rápidamente, debido a que el tubo capilar queda abierto, pasando refrigerante del condensador al evaporador, donde permanece hasta que nuevamente se inicia el ciclo, pudiendo entrar líquido en el compresor. Las VET requieren un receptor y refrigerante extra, mientras que los sistemas de tubo capilar no. Lo que sí debe tener un sistema con tubo capilar es un depósito para la acumulación del líquido a la entrada del compresor para evitar el golpe de líquido.

10.9.2 PrinciPio

de funcionamiento

El refrigerante entra en el tubo capilar a una presión de condensación pc, que se va reduciendo a temperatura constante Tc, hasta que llega a la presión de saturación ps a esta temperatura. En este punto (punto de ebullición o de burbujeo), comienza la vaporización (condición líquidovapor) a lo largo de la longitud del tubo, bajando aún más su presión (y temperatura), hasta alcanzar la presión de vaporización pe. ps pc

Líquido subenfriado del condensador

!

Filtro secador

pe

Longitud líquida

Longitud líquido-vapor

Mezcla líquido-vapor hacia el evaporador

Las principales variables que afectan el funcionamiento del tubo capilar son:

• Sus dimensiones: longitud y diámetro. • Sus presiones: de entrada (condensación) y de salida (vaporización). • El subenfriamiento del líquido a su entrada del tubo.

El diámetro y la longitud del tubo son los que determinan el caudal de líquido (kg/min) que pasará a través del tubo para una caída de presión determinada. p c = 1.200 kPa

p e = 150 kPa 0,9 kg/min

50 cm p c = 1.200 kPa

p e = 150 kPa 0,7 kg/min

1m

Cuanto más largo es el tubo, o más pequeño es su diámetro interior, más baja será la presión cuando el refrigerante salga de la tubería y entre en el evaporador. El dimensionado de los tubos capilares es crítico, especialmente su diámetro. Una diferencia de 5 milésimas de pulgada, de un diámetro de 0,026” a 0,031”, puede duplicar el caudal de refrigerante al evaporador. Sin embargo, el caudal de los tubos capilares depende tanto de su longitud como de su diámetro. Los fabricantes de tubos capilares han definido la combinación necesaria de diámetro interno y longitud del tubo para conseguir una determinada capacidad de refrigeración. A continuación se muestran dos tablas de dimensionamiento para tubos capilares, para los refrigerantes R-134a y R-404A. Selección de tubos capilares para compresores de alta temperatura, R-134a Te

-10 ºC 25 ºC

Tamb

-5 ºC

32 ºC

0 ºC

25 ºC

32 ºC

25 ºC

+5 ºC 32 ºC

CV

L

D

L

D

L

D

L

D

L

D

L

D

1/6

2,1

0,8

2,8

0,8

1,55

0,8

1,95

0,8

1,1

0,8

1,45

1/5

1,1

0,8

1,6

0,8

1,55

1

0,95

0,8

1,1

1

1/4

1

1

1,3

1

2,7

1,2

0,9

1

1,95

3/8

1,9

1,2

2,55

1,2

1,4

1,2

1,75

1,2

1/2

1,2

1,2

1,5

1,2

2,85

1,5

1,1

1,2

3/4

1,4

1,5

1,7

1,5

1,05

1,5

1,3

1,5

1

1,05

1,5

1,35

1,5

0,9

1,5

1½

2,7

2

3,4

2

2,4

2

2

1,25

2,2

1,6

2,2

1,1

2,2

1,85

2

25 ºC

L

D

0,8

1

0,8

1,4

1

1,05

1

1,2

2,45

1,2

1,85

1,2

1

1,2

1,3

1,2

0,9

1,2

2

1,5

2,6

1,5

1,85

1,5

0,95

1,5

1,65

2

1,15

2

1,3

2

L

32 ºC

1,55

1,45

D

1,2

1,5

L = longitud (m); D = diámetro interior (mm)

Selección de tubos capilares para compresores de baja temperatura, R-404A -40 ºC

Te Tamb

25 ºC

-35 ºC

32 ºC

25 ºC

-30 ºC

32ºC

25 ºC

-25 ºC

32 ºC

25 ºC

32 ºC

CV

L

D

L

D

L

D

L

D

L

D

L

D

L

D

L

D

3/8

1,4

0,8

2,25

0,8

2,2

1

3,2

1

1,6

1

2,1

1

1,2

1

1,55

1

1/2

1,2

1,2

1,75

1

2,35

1

1,25

1

1,65

1

0,9

1

1,25

1

5/8

2,05

1

1,4

1

1,9

1

0,95

1

1,3

1

1,8

1,2

2,8

1,2

1,85

1,2

1,1

1,2

1,65

1,2

0,95

1,2

1,25

1,2

1,95

1,2

2,8

1,5

1,2

1,2

2,3

1,5

1,8

1,5

1

1,2

0,95

1,5

1,55

1,5

3/4 1¼

2,1

1,2

1¾

1,2

1,2

2

1,2

L = longitud (m); D = diámetro interior (mm)

1,35

1,5

Los sistemas que emplean un tubo capilar funcionan bien cuando se utilizan para almacenar productos ya refrigerados. No responden bien a las variaciones de carga en el evaporador, ya que al aumentar ésta, aumentará el sobrecalentamiento. Un sistema de tubo capilar tarda más en bajar la temperatura que un sistema con VET. Un sistema que use tubo capilar, tendrá su máxima eficiencia solo para ciertas condiciones de operación fijadas, para otras, la eficiencia del sistema será algo menor a la máxima. Sin embargo, debe indicarse que el tubo capilar es hasta cierto grado autocompensante y si está debidamente diseñado y aplicado, dará servicio satisfactorio para un rango razonable de condiciones de operación. Por ejemplo, cuando aumenta la carga en el evaporador (aumenta la temperatura ambiente), el refrigerante líquido se vaporizará en el evaporador más rápido de lo que el capilar es capaz de suministrar. El evaporador quedará limitado, mientras que el exceso de líquido se acumulará en la parte final del condensador a la entrada del tubo capilar (mayor subenfriamiento). Esta limitación en el evaporador causa una disminución de la presión de vaporización, mientras que en el condensador habrá un aumento de la presión de condensación. Esta presión más alta en el condensador obliga a que pase más refrigerante por el tubo capilar y, por tanto, aumenta la capacidad de flujo en el tubo capilar. En el caso contrario, a medida que disminuye la carga del sistema, el evaporador quedará sobrealimentado (peligro de posible regreso de líquido al compresor), mientras que disminuye la presión de condensación (menor subenfriamiento), pudiendo entrar al tubo capilar refrigerante en estado líquido-vapor, de tal manera que disminuye la capacidad de flujo en el tubo capilar (reducción de la capacidad del sistema).

10.9.3 carga

de refrigerante

Los fabricantes de sistemas de tubo capilar establecen la cantidad de refrigerante que debe haber en la unidad para un funcionamiento adecuado, sin que el compresor resulte dañado. La cantidad específica de refrigerante se denomina carga crítica. Los fabricantes recomiendan medir el refrigerante en estos sistemas con balanzas de precisión. En condiciones nominales de funcionamiento (temperatura ambiente exterior de 35 ºC), un sistema cargado correctamente mantendrá un sobrecalentamiento de 5 ºC al final del serpentín. Si la unidad está sobrecargada, podría haber un retorno de flujo al compresor tanto en el caso de condiciones de carga baja en el evaporador como en condiciones de carga alta en el condensador. Además, aumenta la presión de descarga y el consumo eléctrico. Si la unidad tiene poca carga, no refrigerará correctamente. Además, el compresor se sobrecalienta, provocando un enfriamiento inadecuado del motor, que puede llegar a quemarse. También ocasiona altas temperaturas de descarga, dañando el plato de válvulas. Por ejemplo, un sistema con un 10% menos de refrigerante, disminuye su eficiencia en un 20%, por lo que deberá funcionar un 20% más de tiempo para lograr el enfriamiento requerido. El método para la determinación de la carga de refrigerante es el del sobrecalentamiento a la salida del evaporador, que indirectamente controla también el subenfriamiento: • SiStema con deficiencia de refrigerante. El evaporador no se utiliza completamente. El sobrecalentamiento es excesivo: 20 ºC - 1 ºC = 19 ºC. Aspiración

Vapor refrigerante sobrecalentado 20 ºC 10 ºC

Compresor

Líquido 100% saturado

refrigerante a lo largo

1 ºC

del evaporador

1 ºC Tubo capilar

Temperatura del

1 ºC

• SiStema con carga correcta de refrigerante. El evaporador se utiliza completamente. El sobrecalentamiento es correcto: 6 ºC - 1 ºC = 5 ºC. Vapor refrigerante Aspiración

sobrecalentado 6 ºC

Compresor

Líquido 100% saturado

1 ºC

Temperatura del

1 ºC

refrigerante a lo largo

1 ºC

del evaporador

1 ºC Tubo capilar

10.9.4 aPlicacioneS El tubo capilar se utiliza en lugares donde la carga es relativamente constante. Es un dispositivo muy económico, por lo que se suele utilizar en los equipos pequeños de refrigeración comercial (compartimentos compactos) y en los equipos domésticos de acondicionamiento de aire. Al ser un dispositivo abierto, no evita que el líquido pase al lado de baja presión del sistema durante el ciclo de paro, nivelándose las presiones. Esto tiene la ventaja de reducir el par de arranque del motor del compresor.

Aparatos

de regulación y accesorios

11

Contenidos 11.1 Aparatos de automatismo 11.2 Reguladores de temperatura 11.3 Reguladores de humedad 11.4 Presostatos de regulación y protección 11.5 Válvulas reguladoras de presión 11.6 Válvulas del circuito frigorífico 11.7 Circuito de aceite 11.8

Accesorios:

recipiente de líquido, acumulador de succión,

filtros y visores

Índice

11.1 aParatoS

de automatiSmo

volver

Los aparatos de automatismo se pueden dividir en: • aParatoS de presión.

de regulación.

Termostatos, presostatos, higrostatos, válvulas reguladoras

• aParatoS de Protección. Presostatos (alta, baja, alta y baja, diferenciales), válvulas (arranque, retención, seguridad), relés térmicos y/o magnetotérmicos. • aParatoS

de control.

Termómetros, manómetros, higrómetros, psicrómetros.

• aParatoS de Señalización. Amperímetros, voltímetros, vatímetros, señalización óptica (luces piloto: verde, rojo), señalización sonora (bocinas, timbres).

11.2 reguladoreS

de temPeratura

volver

El principal regulador de la temperatura es el termostato. Tiene por función la regulación de la temperatura (generalmente la del recinto en el cual se instala) mediante una acción “todonada”. Su misión es controlar la puesta en marcha y paro de algún elemento, para poder mantener las condiciones deseadas de temperatura. La detección de temperatura se lleva a cabo mediante un elemento sensible: • Dilatación de un sólido, líquido o vapor, en los termostatos electromecánicos. • Variación de una resistencia, en los termostatos electrónicos. Normalmente, los termostatos que monitorean el aire de retorno (temperatura media del compartimento), tienen un diferencial de temperatura (diferencia de temperatura entre la “conexión” y la “desconexión”) comprendido entre 2 ºC y 3 ºC. Este diferencial impide los ciclos cortos del compresor y permite que la mayoría de los refrigeradores para temperatura media se autodescongelen durante el ciclo de inactividad (paro), ya que los ventiladores del evaporador funcionan continuamente, haciendo circular el aire. Si la temperatura de un refrigerador es de 4 ºC, y el termostato tiene un diferencial de 2 ºC, cuando la temperatura del compartimento baje a 2 ºC (4 ºC - 2 ºC = 2 ºC), el termostato apaga el compresor. Cuando la temperatura suba a 4 ºC, lo vuelve a poner en marcha. En el caso de evaporadores de refrigeradores compactos, debido a que presentan un diferencial de temperatura entre 8 ºC y 11 ºC, para una temperatura del compartimento de 4 ºC, el serpentín tendría una temperatura entre -4 ºC y -7 ºC. A esta temperatura la escarcha se acumula cuando el compresor está funcionando. En este caso, muchos fabricantes colocan el sensor del termostato en las aletas del evaporador, por lo que el termostato reacciona a la temperatura del serpentín y no a la del aire del compartimento. Un termostato de estas características tiene que presentar un diferencial amplio (entre 8 ºC y 11 ºC) que es igual al DT de la propia unidad. Si la temperatura de una unidad compacta es de 4 ºC con un DT de 11 ºC, y el termostato tiene un diferencial de 11 ºC, cuando la temperatura del compartimento baje a 2 ºC, siendo la temperatura de vaporización de -9 ºC (2 ºC - 11 ºC = -9 ºC), el termostato apaga el compresor. Cuando la temperatura suba a 4 ºC, lo vuelve a poner en marcha. En este caso, el termostato

tendría el punto de “conexión” a 4 ºC y el punto de “desconexión” a -9 ºC. Este diferencial amplio del termostato evita la formación de escarcha en el evaporador. Las cámaras refrigeradoras también pueden mantenerse libres de escarcha de la misma manera utilizando un termostato con un bulbo sensor remoto. Si la temperatura de un refrigerador es de 2 ºC con un DT de 6 ºC, y el termostato tiene un diferencial de 6 ºC, cuando la temperatura del compartimento baje a 0 ºC, siendo la temperatura de vaporización de -6 ºC (0 ºC - 6 ºC = -6 ºC), el termostato apaga el compresor. Cuando la temperatura suba a 2 ºC, lo vuelve a poner en marcha. Un termostato utilizado en cámaras de congelación es el termostato para final de desescarche, que interrumpe la alimentación eléctrica de las resistencias de desescarche instaladas en el evaporador. Algunos de estos termostatos incluyen un retardo para la puesta en marcha de los ventiladores del evaporador, ya que al final del desescarche se pondrá en marcha el compresor durante un tiempo, y a continuación, cuando el evaporador ya esté frío, pondrá en marcha los ventiladores, evitando de esta forma que el calor provocado por las resistencias durante el desescarche sea transmitido al ambiente de la cámara.

11.3 reguladoreS

de humedad

volver

Los higrostatos (humidistatos) regulan, entre dos límites previamente determinados, la humedad relativa (grado higrométrico) de un recinto refrigerado. Es un mecanismo sensible a la humedad relativa y capaz de medirla enviando una señal si detecta una desviación con el punto de consigna. Existen dos tipos de higrostatos: • higroStato con elemento SenSible deformable. Su elemento sensible puede ser un haz de cabellos desengrasados o una lámina de película celulósica. • higroStato de reSiStencia. El elemento sensible (hilo de plata) se comporta como una resistencia eléctrica, cuyo valor varía de acuerdo con la humedad del aire. Los higrostatos se emplean en los secaderos y en toda instalación en que se desee mantener la humedad relativa dentro de límites precisos, como por ejemplo en instalaciones de acondicionamiento de aire (salas de informática). Los higrostatos ponen en marcha dispositivos de deshidratación o dispositivos de humidificación, según sea el tipo de instalación que regulan (aparatos “todo o nada”).

11.4 PreSoStatoS

!

de regulación y Protección

Funciones de los presostatos: • Función

dE rEgulAción dE lA mArchA:

Presostatos de baja presión. Presostatos de alta presión. • Función

dE ProtEcción:

Presostatos de baja presión. Presostatos de alta presión. Presostatos diferenciales. • Función

dE rEgulAción dE lA mArchA y dE ProtEcción:

Presostatos combinados de alta y baja presión (baja presión para la marcha y alta presión para la protección).

volver

Los elementos internos que componen un presostato son similares a los de un termostato: dispositivos de regulación del régimen de funcionamiento y regulación del diferencial. El dispositivo de ruptura brusca puede ser mecánico o magnético. El órgano sensible (fuelle) se conecta al tubo de aspiración por medio de una pieza embutida taladrada con un agujero de pequeño diámetro.

Los presostatos, según su función, pueden ser: •

De rearme manual (función de protección).

•

De rearme automático (función de regulación).

En los presostatos se distinguen dos magnitudes o ajustes:

1. 2.

Presión de conexión o cut in (regulable). Diferencial (fijo o regulable): salto entre la presión de conexión y de desconexión.

11.4.1 PreSoStato

de baja PreSión

El presostato de baja presión abre el circuito eléctrico cuando la presión del sistema disminuye por debajo de la de “desconexión”, y cierra el circuito cuando la presión del sistema sube por encima del ajuste de la de “conexión”. El presostato de baja presión se utiliza principalmente con las siguientes finalidades: • como aParato de Protección (Seguridad). Detener el compresor en el caso de un descenso anormal de la presión de aspiración y volver a poner éste en marcha cuando han quedado establecidas las condiciones normales de marcha. Además, protege al compresor de daños debidos a la pérdida de refrigerante. • como aParato regulador de la marcha. Apagar el compresor al terminar el ciclo de evacuación. Se precisa de una válvula solenoide en la línea de líquido, que combinada con el termostato controle el paso de refrigerante hacia el evaporador. • como aParato regulador de temPeratura. Regular indirectamente la temperatura de un compartimento refrigerado en función de la presión de vaporización. Los más utilizados en este caso son los de rearme automático, dado que una baja presión de aspiración no representa una situación de tanto peligro para el compresor como una alta presión en el circuito de alta, en cuanto a lo que concierne a la presión. El presostato de baja presión está formado por dos escalas: • Ajuste principal, que es la escala de “conexión” (cut-in). • Diferencial, que restada al ajuste principal, da la presión de “desconexión”. Las escalas son orientativas y se han de comprobar con el manómetro. La presión de “conexión” (a la cual arranca el compresor) será la correspondiente a la temperatura que debe haber en el recinto a enfriar. Si es inferior, tendremos falsas arrancadas y, si es superior, el compresor no arrancará hasta que la temperatura de la cámara no sea elevada. Es importante ajustar correctamente el diferencial, debido a que: •

Presión de “conexión” y “desconexión” muy próximas: ciclo corto del compresor.

• Presión de “conexión” y “desconexión” muy alejadas: sobrecalentamiento del compresor antes de apagarse. El presostato de baja presión se utiliza en dos aplicaciones en refrigeración: protección de baja carga y regulación de la temperatura ambiente.

11.4.1.1 PreSoStato

de baja PreSión aPlicado como Protección de baja carga

En este caso, la regulación del presostato no asegura el mantenimiento de la temperatura de la cámara, que debe obtenerse por medio de un aparato adicional (termostato). El presostato detiene el compresor en el caso de un descenso anormal de la presión de aspiración, provocado,

por ejemplo, por la obturación imprevista del circuito de baja presión. Al pararse de esta forma el compresor, la presión sube lentamente dando lugar a la nueva puesta en marcha de éste. Actúa, pues, como dispositivo de “protección” evitando, por ejemplo, la entrada de aire en el circuito frigorífico. Así, por ejemplo, si los ventiladores del evaporador se detienen por una avería, la presión de baja disminuye y se corre el riesgo de que el compresor pueda aspirar refrigerante en estado líquido al no haber encontrado calor suficiente en el serpentín como para efectuar su total vaporización. En este caso el presostato de baja detecta la bajada de presión y pararía el funcionamiento del compresor. El presostato de baja presión se ajusta para que corte a un valor por debajo de la presión de operación típica del evaporador.

DIFF.

CUT-IN 0,2

4

18

0,7 Bar Bar

RANGE 8

2

4 7,5

28 Bar

EjEmplo 1

Supóngase un refrigerador de media temperatura (5 ºC). El termostato tiene un diferencial de 3 ºC, por lo que el compartimento puede alcanzar 2 ºC (5 ºC - 3 ºC = 2 ºC), aunque podría ser que en algún momento alcanzase 1 ºC. Si el DT del evaporador es de 8 ºC, cuando la temperatura del compartimento sea de 1 ºC, el serpentín se encontrará a -7 ºC (1 ºC - 8 ºC = -7 ºC). Para el R-134a, la presión mínima a la cual cabría esperar que el evaporador funcione será de 125 kPa. Por tanto, el corte de baja presión deberá establecerse por debajo 125 kPa y por encima de la presión atmosférica (0 kPa). Un ajuste que corte el compresor a 50 kPa evitará que se forme un vacío en el lado de baja presión del sistema, por ejemplo, en el caso CUT-IN DIFF. de que se produzca una pérdida de refrigerante. El ajuste de 4 0,2 “conexión” debe ser una presión que se encuentre por debajo de la temperatura más alta que se espera que el refrigerador 2 pueda tener durante un ciclo típico e inferior al punto de 4 0,7 “conexión” del termostato, que es de 5 ºC (que corresponde a 250 kPa de presión). El presostato de baja presión debería Bar 7,5 ajustarse para que se activara a unos 240 kPa. Resumiendo, el presostato de baja presión se debe ajustar para Bar “desconectar” a 50 kPa y “conectar” a 240 kPa, que implica un diferencial de 190 kPa. Este diferencial evita que el compresor realice ciclos de corta duración. Cut-out

is

Cut-in

minus

Differential

Presión de corte

es

Presión de arranque

menos

Diferencial

0,5 bar

es

2,4 bar

menos

1,9 bar

Si en esta misma instalación se quiere regular el presostato de baja para la recogida de refrigerante en el receptor durante las paradas por termostato, se puede ajustar el diferencial a 220 kPa, para que la presión de “desconectar” sea de 20 kPa (siempre por encima de la presión atmosférica). La presión de “conectar” no varía (240 kPa).

11.4.1.2 PreSoStato

de baja PreSión aPlicado como un termoStato

En los refrigeradores compactos y en expositores se suele utilizar el presostato de baja presión para mantener la temperatura del compartimento, además de actuar como un mecanismo de seguridad en caso de pérdida de refrigerante. Un presostato de baja presión que actúa como un regulador de temperatura es muy similar al uso de un termostato que tenga un bulbo sujeto al serpentín del evaporador. El presostato de baja presión detecta la presión del refrigerante, la cual está estrechamente relacionada con la temperatura de vaporización. Esta disposición

mantiene una temperatura precisa en el expositor y permite que el evaporador se autodescongele completamente antes de que el compresor vuelva a ponerse en marcha. Solo los sistemas con válvulas VET pueden emplear presostatos de baja presión como reguladores de temperatura, porque sus lados de alta y baja presión no se igualan durante el periodo de inactividad. Cuando el presostato de baja presión alcanza el punto de “desconexión”, el compresor se apaga. Cuando aumenta la temperatura del compartimento, aumenta la presión en el evaporador que será por el presostato de baja presión, que arrancará el compresor en el momento que alcance el punto de “conexión”. Si no se dispone de una información más precisa por parte del fabricante del equipo, se pueden utilizar los siguientes ajustes generales para los refrigeradores compactos:

1.

Ajustar la presión de “conexión” equivalente a la temperatura que se desee mantener en el compartimento.

2.

Ajustar la presión de “desconexión” equivalente a la temperatura mínima del compartimento menos el DT del evaporador (8 ºC a 11 ºC).

La configuración del presostato de baja presión descrita en el ejemplo anterior es solo para protección de baja carga, para evitar que se produzca un vacío en el sistema. El mismo presostato puede configurarse para operar el compresor con el fin de mantener la temperatura en el interior del refrigerador y servir, al mismo tiempo, como protección de baja carga. Utilizando las mismas temperaturas, 1 ºC y -7 ºC (DT = 8 ºC), como condiciones de operación, puede ajustarse el presostato de baja presión para “desconectar” el sistema cuando la baja presión alcance 125 kPa, que corresponde a una temperatura del serpentín de -7 ºC. Cuando el compresor se detiene, el aire del refrigerador hará que se eleve la temperatura del serpentín desde -7 ºC a 1 ºC (con una presión de 204 kPa). A medida que suba la temperatura del refrigerador, se elevará la del refrigerante. Cuando la temperatura del aire se incremente hasta 5 ºC, la del serpentín debería ser 5 ºC y tener una presión 250 kPa. Este podría ser el punto de activación del presostato de baja presión. Los ajustes serían “desconectar” a 125 kPa y conectar a 250 kPa. Esto representa un diferencial de 125 kPa y mantendría una temperatura del refrigerador de entre 1 ºC y 5 ºC. Se podría decir que se está utilizando el refrigerante del serpentín del evaporador como termostato.

Una de las ventajas de este tipo de disposición de control es que no existen cables de interconexión entre el interior del refrigerador y la unidad de condensación.

11.4.2 PreSoStato

de alta PreSión

! si

sE

usA

un

tErmostAto

PArA

controlAr lA tEmPErAturA dEl AirE En El rEFrigErAdor, Es nEcEsArio tEndEr

un

PAr

dE

cAblEs

EntrE

lA unidAd dE condEnsAción y El

El presostato de alta presión protege al compresor de las altas intErior dEl rEFrigErAdor. presiones (condensadores sucios, problemas de ventilador, sobrecarga, aire muy caliente), “desconectando” el compresor cuando las presiones alcanzan valores por encima del ajuste del presostato, y volviendo a “conectarlo” al restablecerse las condiciones normales de funcionamiento. Además de la regulación de la marcha, estos presostatos aseguran el control de la presión de condensación al poner en marcha o detener los ventiladores del condensador. Los componentes son similares a los presostatos de baja presión. Se modifican solo las gamas de regulación y los diferenciales con la inclusión de resortes más fuertes. En la mayoría de las unidades de refrigeración, cualquier cosa que haga que se supere la temperatura máxima de condensación de 68 ºC dañará al compresor. La presión de “conexión” es aproximadamente 345 kPa menor que la presión de “desconexión”. El presostato de alta presión puede ser reinicializado automática o manualmente. El presostato con reinicialización manual proporciona una mejor protección a los equipos, pero el presostato

con reinicialización automática puede evitar que se echen a perder los alimentos, permitiendo al compresor funcionar a cortos intervalos. En los presostato de alta presión con reinicialización manual, pulsar el botón de reinicio no arrancará de nuevo el compresor hasta que la presión del sistema haya disminuido hasta su valor de “conexión”.

11.4.2.1 PreSoStato

de alta PreSión aPlicado como elemento de Seguridad

Cuando el presostato trabaja como elemento de seguridad, su misión es desconectar eléctricamente la instalación ante una presión de descarga excesiva que pudiera poner en peligro la vida del compresor. Su rearme puede ser manual o automático. En general, un condensador enfriado por aire, opera con una temperatura de condensación 17 ºC por encima de la temperatura ambiente del aire. Si la temperatura ambiente del aire puede llegar a alcanzar un valor máximo de 43 ºC, el condensador estará a 60 ºC. Si el sistema utiliza R-134a, la presión de condensación será de 1.582 kPa. El presostato de alta presión debe ajustarse, en este caso, para que “desconecte” a 1.600 kPa. RANGE La “conexión” debe estar por encima de la presión correspondiente a la temperatura ambiente de 43 ºC. Si 8 se detiene el compresor y el ventilador exterior continúa funcionando, la temperatura dentro del condensador 18 alcanzará rápidamente la temperatura ambiente. Para un sistema con R-134a, la presión descenderá a 1.001 kPa (43 ºC). Si el presostato de alta presión 28 se ajusta para “conectar” el sistema a 1.200 kPa, el Bar compresor podría volver a entrar en funcionamiento con un diferencial suficientemente seguro de 400 kPa (“desconexión” 1.600 kPa - “conexión” 1.200 kPa = “diferencial” 400 kPa).

11.4.2.2 PreSoStato

DIFF. 6 4 2 Bar

de alta PreSión aPlicado como control de condenSación

Cuando el presostato trabaja como automatismo para el control de la condensación, su misión será poner en marcha y parar el funcionamiento de los ventiladores según sea la presión de alta de la instalación, consiguiendo una temperatura de condensación lo más uniforme posible. En este tipo de montaje los presostatos serán de rearme automático. Es frecuente en invierno, al estar el condensador más frío, que la temperatura de condensación baje excesivamente, lo cual hará descender la presión en el circuito de alta y esto repercutirá en que también baje la presión en el circuito de baja, con lo que el refrigerante aparte de evaporarse a una temperatura más negativa de la prevista, también disminuye su presión de inyección en el evaporador. Todo esto da como resultado un menor rendimiento en la instalación. Al no encontrar el termostato la temperatura de corte debido a que el evaporador está insuficientemente alimentado, la instalación realizará ciclos muy largos de funcionamiento con la consiguiente acumulación de escarcha en su superficie. Ante esta situación es recomendable instalar un control de condensación, con el fin de asegurar una presión de condensación lo más estable posible durante todas las estaciones del año. Este montaje se realiza con un presostato de alta presión con rearme automático, instalado en el tubo de descarga entre el compresor y el condensador.

El presostato debe tener la escala de corte (RANGE) y la de diferencial (DIFF) para poder regular los márgenes de presiones donde deban funcionar los ventiladores. Supóngase que en una instalación con R-134a se desea que la temperatura de condensación mínima en invierno sea de 30 ºC, lo que corresponde a una presión de 917 kPa. La máxima temperatura de condensación se sitúa en 55 ºC (1.392 kPa). El presostato de alta presión se regulará para que “desconecte” a 1.400 kPa y la escala diferencial será de 450 kPa (“desconexión” 1.400 kPa - “conexión” 950 kPa = “diferencial” 450 kPa). En invierno los ventiladores estarán parados hasta que en el circuito de alta presión no se alcancen los 1.400 kPa. A partir de este punto, los ventiladores entrarán en funcionamiento bajando la presión al refrigerante hasta que descienda a 950 kPa, a partir de esta presión se desconectarán de nuevo los ventiladores haciéndola subir de nuevo y de esta manera poderla mantener en el circuito de alta presión dentro de unos valores que aseguren un funcionamiento aceptable en invierno.

11.4.3 PreSoStato

RANGE

DIFF. 6

8

4

18

2 Bar

28 Bar

combinado

Para simplificar los circuitos eléctricos, los dos presostatos pueden reunirse en una misma caja que incorpora el conjunto de los dos mecanismos. El presostato combinado se compone de dos elementos sensibles, por lo que tendremos entonces dos fuelles conectados a su toma particular de presión: el de alta y el de baja presión. En todos los presostatos combinados construidos de esta forma, el diferencial de alta presión viene regulado de fábrica y no puede regularse sobre la propia instalación.

CUT-IN 4

0,2

18

0,7 Bar

7,5 Bar L-P: low pression

11.4.4 PreSoStato

8

2

4

RANGE

DIFF.

28 Bar H-P: high pression

diferencial de aceite

El presostato diferencial de aceite se utiliza para parar el compresor en el caso de lubricación defectuosa, cuando ésta se efectúa por medio de bomba. Mide la diferencia entre la presión de aspiración en el cárter del cigüeñal y la presión de descarga de la bomba de aceite para determinar la presión neta del aceite. La presión neta del aceite tiene que estar comprendida entre 70 kPa y 400 kPa, no es habitual que disminuya por debajo de 70 kPa durante la puesta en marcha del compresor. Para evitar falsas activaciones el presostato diferencial incorpora un temporizador de 120 segundos que retarda la desconexión del compresor. Si la presión no ha alcanzado al menos una presión de 70 kPa en dicho periodo de tiempo, el presostato desconecta el compresor y el presostato tiene que reinicializarse manualmente.

11.5 válvulaS 11.5.1 válvula

!

reguladoraS de PreSión

reguladora de PreSión de evaPorador

En cualquier sistema frigorífico, a medida que disminuye la carga, también disminuye la presión de vaporización. La válvula EPR se instala en la tubería de aspiración, en la salida del evaporador. El fuelle sensor de la válvula EPR se encuentra en el lado de la válvula correspondiente al evaporador. La válvula EPR nunca se queda completamente cerrada mientras que el compresor está funcionando.

DEfinición

válvula

volver

reguladora de PreSión de

(Evaporator prEssurE rEgulator, Epr): control mecánico que evita que la presión (y temperatura) de vaporización baje de un valor mínimo predeterminado, independientemente de lo baja sea la presión en la tubería de aspiración.

evaPorador

La válvula EPR está diseñada para proveer un medio preciso y económico de balancear la capacidad del sistema con la demanda de la carga térmica durante los periodos de baja carga, y/o para mantener diferentes temperaturas (presiones) de evaporador en sistemas con evaporadores múltiples a diferentes temperaturas (supermercados). A medida que la carga térmica del evaporador se incrementa, la válvula EPR abre por encima de su presión de ajuste. Cuando la carga térmica del evaporador disminuye, la válvula EPR cierra y modula para mantener el ajuste de presión de la válvula. Las aplicaciones son:

1.

Mantener una temperatura de evaporador mínima para evitar la escarcha en serpentines de aire y un mejor control de la humedad.

2.

Regular de la temperatura del evaporador en vitrinas refrigeradas para alimentos (sistemas de evaporador único y evaporadores múltiples).

3.

!

Regular de la temperatura del evaporador en enfriadoras de agua.

inFormAción

nEcEsAriA PArA sElEccionAr unA válvulA

EPr:

• Tipo de refrigerante. • Capacidad de diseño del evaporador. • Temperatura de vaporización. • Temperatura (o presión) de vaporización mínima. • Caída de presión disponible en la válvula.

La válvula EPR regula el paso de refrigerante para conseguir la presión correspondiente a la temperatura que se quiera conseguir en la cámara aunque el compresor aspire por debajo de ésta. Por ejemplo, si en un sistema con R-134a se desea que la temperatura de vaporización no descienda de 134 kPa (-6 ºC) y el compresor en un momento determinado aspira a 60 kPa la válvula se regula a 134 kPa bar para conseguir la temperatura deseada.

La EPR se usa mucho en sistemas de enfriamiento de agua y salmuera para evitar el congelamiento durante los periodos de carga mínima. El evaporador no descenderá por debajo de la temperatura de congelación. Cuando se arranca el sistema, la válvula EPR está completamente abierta. La VET regula la entrada de líquido refrigerante en el evaporador. Cuando el refrigerante se enfría hasta el punto al que se ha ajustado la válvula EPR, ésta comienza a dejar pasar un lento flujo de refrigerante. Si el ajuste está

ligeramente por encima del punto de congelación, la válvula dejará pasar el flujo suficiente como para evitar que el evaporador se congele, hasta que el termostato responda y apague el sistema. Esta válvula se parece a las de retención, porque mantiene el refrigerante en el evaporador, evitando que la presión de vaporización baje de un punto predeterminado. La EPR también se utiliza cuando se tiene un compresor con varios evaporadores que operan a temperaturas diferentes. Se instala una válvula EPR en la tubería de aspiración de cada uno de los evaporadores de temperatura más alta. Esta disposición evita que descienda la presión de los evaporadores de más temperatura, mientras que el compresor continúa operando para satisfacer al evaporador más frío. En los sistemas de evaporador múltiple, donde todos los evaporadores operan a la misma temperatura, puede instalarse un único regulador en la aspiración principal para controlar la presión en todos los evaporadores.

11.5.2 válvula

! lA

válvulA

EPr

tAmbién sE utilizA En

AquEllos cAsos En quE El comPreSor eS

de

mayor

Potencia

que

loS

evaPoradoreS; dE EstA mAnErA sE PuEdE consEguir En El EvAPorAdor lA PrEsión AdEcuAdA PArA AlcAnzAr lA tEmPErAturA dEsEAdA En lA cámArA.

reguladora de PreSión del cárter

La válvula reguladora de presión del cárter (Crankcase Pressure Regulator, CPR), se asemeja bastante a la válvula EPR, pero tiene una función diferente. La válvula CPR también se encuentra en la tubería de aspiración, pero normalmente se sitúa cerca del compresor (para eliminar la influencia de las pérdidas de carga en la tubería de aspiración), en lugar de en la salida del evaporador. El fuelle sensor de la válvula CPR se encuentra en el lado de la válvula correspondiente a la aspiración del compresor y normalmente dispone de un orificio manométrico en el lado de la válvula correspondiente al evaporador. La válvula CPR protege el motor del compresor contra sobrecargas debidas a temperaturas de vaporización elevadas. Esta válvula se emplea para evitar que el compresor de baja temperatura se sobrecargue durante un arrastre en caliente, que puede tener lugar:

1.

Cuando el compresor ha estado apagado durante un periodo de tiempo suficientemente largo y se ha incrementado la temperatura de la cámara.

2. 3.

Durante el arranque (puesta en marcha) con una cámara caliente.

Después del desescarche (por gas caliente o inversión de ciclo), debido al aumento de la presión de aspiración.

En cualquiera de estos casos, la temperatura en la cámara influye sobre la presión de aspiración. Cuando la temperatura es alta, la presión de aspiración también (y, por tanto, la densidad del gas). La válvula CPR actúa directamente sobre la presión de aspiración del compresor, independientemente de la presión de vaporización. La válvula CPR permanece cerrada siempre que la presión a la salida sea superior a un valor predeterminado. Cuando la presión disminuye, empieza a modular el paso de refrigerante. Supóngase un congelador de helados que se mantiene a -23 ºC con una temperatura de vaporización de -34 ºC. Las presiones de aspiración de este sistema con R-507 se encuentran entre 181 kPa (a -23 ºC) para el punto de “conexión” del termostato y a 80 kPa (a -34 ºC) antes de la “desconexión”. Después de la descongelación, el evaporador se ha calentado hasta unos 10 ºC, lo que eleva la presión de aspiración a unos 746 kPa en el arranque. La presión inicial después de la congelación es más de cuatro veces mayor que cuando arranca durante el ciclo de congelación normal (746/181 ≈ 4). Si en el arranque del compresor solo puede manejar presiones de unos 215 kPa, la válvula CPR se puede ajustar para permitir una presión máxima de 215 kPa a la entrada del cárter del cigüeñal, incluso aunque la presión de aspiración que entre en la válvula sea de 746 kPa.

Otro método para evitar la sobrecarga del compresor es la instalación de una válvula de expansión limitadora de la presión. No se debe instalar una válvula limitadora de presión o una válvula CPR a menos que sea absolutamente necesario. Restringir la presión de aspiración durante un descenso caliente significa que la temperatura del evaporador tardará más en descender después de cada arranque.

11.5.3 válvula

reguladora de caPacidad del comPreSor

La válvula reguladora de capacidad (válvula desviadora del gas caliente o válvula by-pass de descarga) tiene por finalidad disminuir la producción frigorífica del compresor efectuando automáticamente un “by-pass” entre la descarga y la aspiración, limitando así a un valor mínimo previamente ajustado, la presión de aspiración del compresor. En lugar de entrar en la tubería de aspiración, el gas de descarga podría conectarse a la entrada del evaporador. De esta forma, el gas caliente no solo impediría que se sobrecalentara el compresor, sino que también evitaría que el evaporador se enfriara demasiado. La válvula reguladora de capacidad proporciona un control de capacidad al compresor durante periodos de baja carga, manteniendo la presión de aspiración mínima para prevenir el congelamiento del evaporador o el trabajo en vacío del compresor. Por tanto: •

Evita los paros continuos de compresor que reduce la vida del mismo.

•

Mantiene unos consumos eléctricos estables.

• Evita que se reduzca excesivamente la presión de aspiración debido a la reducción de la carga térmica, y que el aceite del compresor entre en ebullición. La válvula reguladora de capacidad se intercala entre la tubería de descarga y la de aspiración, lo más cerca posible al compresor y, con preferencia, después del separador de aceite. Tienen el inconveniente de recalentar los vapores de aspiración.

11.6 válvulaS 11.6.1 válvulaS

del circuito frigorífico

volver

Solenoide

Las válvulas solenoide (magnéticas) se utilizan para la regulación de fluido refrigerante en la línea de líquido, gas caliente o aspiración. También se colocan en tuberías de agua y de salmuera en vez de válvulas de cierre manuales, para asegurar la operación automática. Constan de una bobina electromagnética cuyo núcleo móvil incorpora en un extremo el vástago y punzón que abre o cierra el paso de refrigerante (líquido o gas). Estas válvulas pueden ser válvulas solenoide cerradas al reposo de la bobina (válvulas normalmente cerradas, NC), que son las más empleadas en refrigeración, o válvulas solenoide abiertas al reposo de la bobina (válvulas normalmente abiertas, NA).

Las válvulas solenoide pueden accionar directamente un circuito de fluido, o bien utilizarse como válvulas solenoide pilotos de otras de sección grande (válvulas principales) montadas en los circuitos que han de interrumpirse o abrirse (válvula inversora de 4 vías). Los movimientos del disco obturador (punzón) están sujetos a que la bobina esté con tensión o sin ella, por lo que su accionamiento brusco no le permitirá (en general) tomar más que dos posiciones (válvulas “todo o nada”): apertura total o cierre total. También existen válvulas solenoide de acción progresiva que, unidas a reguladores electrónicos, pueden regular de forma modular (entre 0 V y 20 V) la potencia frigorífica del compresor, particularmente el caudal de fluido admitido en la aspiración del compresor. La puesta bajo tensión, o fuera de tensión, se consigue por medio de un automático auxiliar con contactos eléctricos (presostato, termostato, higrostato). Si se acciona por medio de un termostato, según la temperatura deseada, conecta o desconecta la bobina magnética de la válvula abriendo o cerrando el paso de refrigerante necesario al evaporador. Las válvulas solenoide pueden instalarse en tuberías verticales pero funcionan mejor cuando se instalan sobre horizontales, debiéndose poner en sentido vertical. Las válvulas solenoide no pueden colocarse en la parte inferior de la tubería, ya que ésta no se cerraría completamente. La forma más efectiva para impedir la migración del refrigerante durante el ciclo de inactividad consiste en emplear un solenoide de evacuación instalado en la tubería de líquido. La válvula detiene el fluido líquido y el compresor expulsa todo el refrigerante que queda del evaporador de la tubería de aspiración. Se trata de una válvula NC, que cuando se energiza se abre, permitiendo el paso de refrigerante líquido. También se emplean válvulas solenoide para el desescarche de evaporadores a través del gas caliente procedente de la descarga del compresor, inyectándolo durante la apertura de la válvula entre la salida de la expansión y la entrada del evaporador.

11.6.2 válvulaS

!

de retención

DEfinición

válvula de retención: dispositivo que solo permite el flujo de fluido en una dirección. Se utiliza para evitar que el refrigerante retroceda dentro de una tubería.

Las válvulas de retención se utilizan en instalaciones con descongelación por gas caliente y por inversión de ciclo. En este último caso, el uso de la válvula de retención no permite el paso de líquido en una dirección y sí en la contraria, obligando al líquido refrigerante a pasar por la válvula de expansión de la batería que actúa de evaporador, y evitando el paso por la válvula de expansión en la batería que actúa de condensador.

Las válvulas de retención deben montarse de forma que el fluido circule normalmente en el sentido de la flecha, no deben provocar pérdidas de carga apreciables. La diferencia de presión entre las dos caras de la válvula es del orden de 0,030 bar para su apertura y de 0,050 bar a 0,075 bar en la apertura completa. La conexión puede realizarse por medio de racores o con bridas soldadas a las tuberías.

11.6.3 válvulaS

de alivio

(PurgadoreS)

Las válvulas de alivio tienen el objetivo de liberar refrigerante en un sistema cuando la presión sube hasta un punto predeterminado. Hay dos tipos diferentes de válvulas de alivio de refrigerante: las válvulas con muelle, que pueden volver a su posición de reposo, y las válvulas de un único uso (tapones fusibles), que no vuelven a cerrarse.

• válvula de alivio de tiPo muelle. Protege al sistema de altas presiones que podrían producirse si fallara el ventilador del condensador o si no estuviera disponible la alimentación de agua en un sistema enfriado por agua. Está diseñada para volver a asentarse después de que se reduzca la presión. La salida de la válvula dispone de una rosca que, de ser necesario, pueda conectar la válvula mediante una tubería al exterior del edificio. • válvula de alivio de un único uSo (taPón fuSible). Libera presión al alcanzarse una temperatura determinada. Está diseñada con un parche de cobre soldado sobre un agujero en la tubería de cobre mediante una suelda de baja temperatura. Normalmente este tipo de dispositivo nunca liberará la presión, a menos que se produzca un incendio. Este mecanismo evitará que la carcasa del compresor experimente altas presiones y pueda romperse durante un incendio (la carcasa del compresor tiene una presión de trabajo de 1.000 kPa). Otra función de las válvulas de alivio es eliminar los gases no condensables que pueda haber en el circuito (aire y/o elementos gaseosos liberados por los aceites o por los refrigerantes), que hacen aumentar la presión de descarga. Estos aparatos son para uso específico en las máquinas industriales y, especialmente, en las instalaciones de amoníaco.

11.6.4 válvulaS

de mantenimiento del comPreSor

Los compresores herméticos, semiherméticos y abiertos de mediana y gran potencia acostumbran a llevar instaladas válvulas de servicio (o mantenimiento) tanto en la aspiración como en la descarga, del tipo que se muestra en la figura siguiente. Racor presostato

Toma de presión

Vástago

Hacia el circuito frigorífico

Cuadradillo para accionamiento del vástago

Junta Hacia el compresor

Sombrerete (tapa)

Prensaestopas

Las válvulas de mantenimiento de aspiración y de descarga del compresor son de concepción muy particular y es importante que los técnicos conozcan bien su funcionamiento. De forma general, una válvula de mantenimiento comprende los siguientes elementos: • Cuadrillo de maniobra, accionable mediante una llave de carraca. • Vástago de la válvula, que debe mantenerse libre de herrumbre. • Sombrerete (tapa) provisto de junta, destinado a cubrir el cuadradillo de maniobra del vástago; se utiliza como refuerzo del prensaestopas, para evitar fugas. •

Entrada/Salida de vapores, de unión soldada o de rosca.

• Entrada/Salida para enroscar directamente al compresor (que fija rígidamente al mismo tiempo la válvula en el compresor). •

Unión macho ¼”, destinada a recibir un presostato.

• Unión macho ¼”, que sirve para la toma de presión, para la conexión de un manómetro o para otro tipo de intervención (unión provista de un capuchón).

Las válvulas de mantenimiento nunca pueden estar totalmente cerradas, debido al diseño del asiento de la válvula, pueden estar en posición posterior, frontal y central, y se utilizan para: 1. Aislar el compresor de cara al mantenimiento o sustitución. 2. Comprobar las válvulas de láminas del compresor 3. Comprobar las presiones del sistema (orificio manométrico).

11.7 circuito 11.7.1 retorno

de aceite

volver

de aceite en laS inStalacioneS con comPreSoreS múltiPleS

En los sistemas frigoríficos, el aceite está siempre en contacto con el refrigerante en el interior del cárter de los compresores para asegurar la buena lubricación de éstos. Cierta cantidad de este aceite, mezclada con el refrigerante en estado gaseoso, se encontrará en la descarga del compresor. Se hace necesario separarlo para devolverlo al cárter del compresor, por medio de un separador de aceite situado en la tubería de descarga. En el caso de una instalación con compresores múltiples, el aceite separado debe alojarse en un depósito de aceite antes de restituirlo a cada uno de los compresores a través de líneas de retorno de aceite individuales. Debe instalarse una válvula tarada en la parte alta del depósito de aceite, unida a la tubería de aspiración, para mantener una diferencia de presión entre el depósito de aceite y los cárteres. Esta disposición garantiza una alimentación regular y permanente en los circuitos de retorno de aceite hacia los compresores. El aceite que vuelve a los cárteres de los compresores debe filtrarse previamente. El control de la circulación y del estado del aceite se obtiene por medio de un visor de aceite. Finalmente, la reintegración del aceite a los cárteres de los compresores se asegura por el regulador de nivel de aceite que garantiza el mantenimiento de un nivel óptimo. 2

6

1

5 4

7 ∆P

3

sistEmA dE rEgulAción dE AcEitE: 1. Compresor; 2. Separador de aceite; 3. Depósito de aceite; 4. Filtro de aceite; 5. Visor; 6. Regulador de nivel; 7. Válvula tarada

11.7.2 SeParador

de aceite

La única manera de asegurar que la cantidad mínima de aceite llega a todos los puntos de engrase, es la lubricación de los compresores frigoríficos a base de una superabundancia. Esta superabundancia implica la fuga de aceite en los compresores frigoríficos. El aceite tiene tendencia a ocupar una parte del volumen del evaporador reservado para el fluido frigorígeno y, por tanto, queda reducida una parte de su superficie útil.

La función del separador de aceite es garantizar el retorno del aceite que es impulsado fuera del compresor con el refrigerante a través de la tubería de descarga. Se instalan en la descarga de los compresores, lo más cerca posible a éstos. La separación del aceite del fluido frigorígeno puede obtenerse por: •

Cambios bruscos de dirección del flujo.

• Reducción brusca de la velocidad (aumento de la sección). •

Por tanto, la separación se produce separando la mezcla aceite-gas por gravedad o decantación, cayendo el aceite al fondo y retornándolo de nuevo al cárter del compresor. La eficacia de estos tres procedimientos se completa con el enfriamiento de los vapores que, al aumentar la viscosidad del aceite, favorecen su separación.

11.7.3 filtro

Para seleccionar un separador de aceite hay que tener en cuenta: • La potencia frigorífica. • La naturaleza del fluido frigorígeno. • Las temperaturas de vaporización y de condensación.

de aceite

! En

!

Choques sobre las paredes.

El AcEitE Es dondE sE AcumulA

En mAyor mEdidA lA contAminAción.

El filtro de aceite proporciona filtración y secado del aceite. Es un excelente auxiliar para la descontaminación y protección de los sistemas de refrigeración. Se localiza en la línea de retorno de aceite, entre el separador de aceite y el compresor. Los filtros pueden ser:

•

Filtros de aceite monobloque o compactos.

•

Filtros desmontables con cartuchos reemplazables.

El filtro de aceite protege al compresor de lodos y otros contaminantes que pueden dañar válvulas, cilindros, pistones, etc. Además, asegura el buen funcionamiento de los dispositivos de regulación, principalmente, el del regulador de nivel de aceite.

11.7.4 dePóSito

acumulador de aceite

El depósito de aceite se instala verticalmente en la tubería de aceite después del separador de aceite y encima de los compresores. Su finalidad consiste en asegurar una cantidad de aceite separada del fluido frigorígeno por el separador de aceite y redistribuir este aceite (por gravedad) a los cárteres de los compresores por medio de reguladores de nivel de aceite. Es especialmente necesario en sistemas centralizados.

11.7.5 regulador

de nivel de aceite

Va equipado con un sistema de flotador. El nivel de aceite en el regulador corresponde exactamente al del cárter DEfinición del compresor. Cuando el nivel de aceite pasa por encima regulador de nivel de aceite: consiste del previsto, el mecanismo abre el orificio de admisión de en una boya que suministra aceite al aceite que proviene del depósito de aceite y alimenta el cárter del compresor en su medida cárter del compresor. Al subir dicho nivel, el mecanismo justa, en instalaciones frigoríficas con va cerrando progresivamente el orificio de admisión de compresores múltiples. aceite. Un visor permite visualizar el aceite en el cárter. El empleo del regulador de nivel de aceite hace posible:

!

• Instalación de compresores a diferentes alturas, unos encima de otros. • Montaje en paralelo de compresores de potencias frigoríficas diferentes. • Funcionamiento independiente de cada compresor montado en paralelo.

11.8 acceSorioS 11.8.1 reciPiente

volver

o recePtor de líquido

El recipiente de líquido se emplea siempre que la instalación utiliza válvula de expansión como dosificador. Asegura que el elemento de expansión, situado más adelante, reciba el fluido frigorígeno en estado totalmente líquido. Está situado a la salida de la unidad condensadora. Tiene dos funciones ineludibles y una función opcional (pero recomendable): • Acumular líquido refrigerante cuando la válvula de expansión reduzca el caudal hacia el evaporador. De esta manera se mantiene el condensador con un mínimo de líquido en su interior y no aumenta peligrosamente la presión de condensación. • Garantizar un flujo continuo de líquido a la válvula de expansión (no existe en el caso de la expansión conseguida mediante capilar). • Almacenar todo el fluido de la instalación durante las operaciones de mantenimiento o recuperación (opcional).

En los condensadores enfriados por agua del tipo de inmersión o multitubulares, el propio condensador hace a la vez de recipiente de líquido. El recipiente de líquido debe estar situado en una posición más baja que el condensador, para que el refrigerante tenga un incentivo para fluir hacia él de manera natural. Puede estar situado de forma vertical u horizontal, dependiendo de la instalación. El refrigerante debe penetrar por la parte superior del recipiente y debe ser extraído del fondo. Esto se consigue con un sifón si la tubería está en la parte superior.

11.8.1.1 válvula

maeStra del recePtor

La válvula maestra se localiza en la salida del receptor, en el propio tanque, tiene importancia de cara al mantenimiento porque, cuando el mecanismo de la válvula está en posición frontal, el refrigerante no puede salir del receptor. Si se opera el compresor con esta válvula cerrada, todo el refrigerante será bombeado hacia el condensador y el receptor (la mayor parte aquí). A continuación, pueden cerrarse las otras válvulas del sistema y el lado de baja presión de éste puede ser abierto para mantenimiento. Este procedimiento resulta útil para sustituir los filtros secadores, el evaporador y la válvula solenoide. Además, sirve para ajustar los controles de baja presión o para reparar cualquier pieza o fuga del receptor hacia el compresor. Por supuesto, tiene que evacuarse esa parte del sistema antes de volver a abrir la válvula maestra. La válvula maestra tiene un orificio de mantenimiento al que puede conectarse un distribuidor manométrico. Cuando se encuentra en posición central, el orificio permitirá medir la presión existente en la tubería de líquido. Cuando se encuentra en posición frontal, y se está realizando un bombeo de vacío en el sistema, este orificio manométrico se encuentra en el lado de baja presión del sistema. Puede ser difícil quitar el conducto del manómetro después de completar la reparación si hay presión en la tubería de líquido, a menos que se coloque la válvula maestra en posición posterior.

11.8.1.2 cálculo

del recePtor de líquido

La carga completa del sistema solo llenará el 80% del receptor, cuyo tamaño depende de los requisitos del sistema. Recorridos largos de tuberías pueden requerir una capacidad del receptor mayor, especialmente si el solenoide de evacuación está situado en la unidad condensadora. En este caso, todo el refrigerante de la tubería de líquido tiene que ser bombeado al receptor antes de que el compresor deje de funcionar. Las unidades que utilizan válvulas reguladoras de alta presión, necesitan más refrigerante para inundar el condensador cuando la temperatura ambiente es fría. Cuando las condiciones ambiente son más cálidas, el receptor se utiliza para almacenar el exceso de refrigerante. El volumen mínimo del receptor puede establecerse en 1,25 veces el volumen del mayor evaporador que exista en la instalación.

DIFF.

CUT-IN 0,2

4

18

0,7 Bar Bar

RANGE 8

2

4 7,5

28 Bar

EjEmplo 2

Determinar la capacidad de un recipiente de líquido con refrigerante R-134a. La temperatura de condensación es de 35 ºC y la temperatura de evaporación de -5 ºC. El volumen del evaporador más grande es de 150 dm3. La densidad del refrigerante R-134a a estas diferentes temperaturas es: A -5 ºC: r = 1,312 kg/dm3 A +35 ºC: r = 1,168 kg/dm3 La cantidad de refrigerante en el evaporador, será: ^150 m3h $ ^1, 312 kg/dm3h = 198, 8 kg Con un sobredimensionamiento del 25%, se tiene: 1, 25 $ ^196, 8 kgh = 246 kg Dado que el recipiente recibe líquido directamente del condensador, la densidad que debemos considerar para determinar el volumen es la correspondiente a 35 ºC. Así pues: V=

m 246 kg = = 210 dm3 r 1, 168 kg/dm3

Con este valor buscaríamos un recipiente en el catálogo del fabricante.

11.8.2 acumulador

de aSPiración

El acumulador de aspiración, llamado también “recipiente contra golpes de líquido” o “separador de partículas líquidas”, tiene por objeto evitar la aspiración accidental de fluido no evaporado en el compresor. Este acumulador de aspiración se coloca en la línea de aspiración de la instalación, lo más cerca posible del compresor. No debe estar aislado, para que cualquier líquido que contenga pueda llegar a vaporizarse. Es un elemento que se monta en instalaciones con una probabilidad elevada de que el compresor aspire líquido refrigerante durante su funcionamiento. Éstas pueden ser: • bombaS de calor. Como el evaporador está situado en el exterior (temperaturas bajas), hay momentos en que recibe poco calor (no todo el refrigerante líquido se evapora), existiendo el peligro de compresión húmeda. Por otra parte, cuando se realiza el desescarche de la unidad exterior, debido a que se detienen los ventiladores de la unidad interior (para no extraer calor del local), como el refrigerante recibe poca cantidad de calor, puede salir en estado líquido del evaporador. • inStalacioneS que realizan el deSeScarche Por gaS caliente. En este caso, en el momento del desescarche se introduce en el evaporador gas refrigerante de la descarga del compresor. Este gas funde la escarcha, pero al mismo tiempo sufre una condensación. El compresor puede aspirar el líquido producido.

11.8.3 filtroS

SecadoreS

El filtro secador (deshidratador) tiene la función fundamental de protección en una instalación frigorífica, pudiendo cumplir las siguientes funciones:

•

Absorber la humedad contenida en el circuito frigorífico.

•

Recoger las impurezas que puedan circular con el refrigerante.

•

Reducir el grado de acidez en la instalación. Los filtros secadores se colocan en la tubería de líquido o en la tubería de aspiración. También se encuentran en la entrada de muchos aparatos de automatismo, formando un conjunto. Deben instalarse lo más cerca posible de la válvula de expansión. El sentido de paso del fluido se indica por medio de una flecha. Cuando se abre el sistema para repararlo o añadir refrigerante, existe la posibilidad de que entre humedad en el sistema. La humedad queda atrapada en el desecante del filtro secador. El filtro secador puede conservar más humedad a temperaturas bajas que a más altas. Un filtro secador frío que esté próximo a su capacidad de almacenar agua proporcionará algo de su humedad cuando la tubería se caliente. Los filtros secadores deben sustituirse cuando el sistema se abra para realizar reparaciones.

11.8.3.1 filtroS

SecadoreS Para la tubería de líquido

El filtro secador puede estar situado en cualquier lugar de la tubería de líquido, después de la válvula maestra. Cuanto más cerca se encuentre del dosificador, mejor limpiará el refrigerante antes de que éste entre en el orificio del dosificador. Cuanto más cerca se encuentre de la válvula maestra, más fácil será realizar su mantenimiento. La instalación más recomendada es en posición vertical descendente según la dirección del líquido, ya que se obliga a que todo el refrigerante pase a través del secador, y se evita la formación de polvo molecular, el cual podría llegar a taponar la salida. En bombas de calor, se montan filtros secadores reversibles diseñados para la circulación del líquido en doble sentido, pudiéndose montar en cualquier posición. Los filtros secadores de la tubería de líquido deben sustituirse cuando la caída de presión en ellos es demasiado alta. En los filtros situados en la tubería de líquido es difícil medir esta caída de presión, porque no disponen de tomas de presión. Para obtener una medida precisa, se debe emplear un buen termómetro electrónico dual provisto de dos termistores. Si existe una diferencia de temperatura, existe una caída de presión. Una diferencia de 2 ºC es aproximadamente igual a una caída de presión de 70 kPa. Cuando la diferencia de temperatura sea mayor de 2 ºC, es conveniente cambiar el filtro de la tubería de líquido. Algunos técnicos dicen comprobar las restricciones del filtro secador colocando sus manos sobre la entrada y la salida del mismo. Realmente, se ha demostrado que la mayoría de las personas no pueden detectar una diferencia de temperatura de menos de unos 6 ºC entre sus manos. Esta diferencia de temperatura se traduce en una diferencia de presión de unos 200 kPa. La caída de presión de un filtro indica una acumulación de suciedad en el sistema, pero no indica el nivel de humedad. Es posible que no exista una caída de presión y el filtro esté lleno de agua hasta su capacidad. Una mirilla de tipo indicador de humedad resultará útil; cuando detecte humedad en el sistema, se debe cambiar el filtro. Sin embargo, el sistema puede estar seco cuando se comprueba por la mañana que hace frío y luego presentarse húmedo cuando se libera la humedad durante las primeras horas más cálidas de la tarde.

11.8.3.2 filtroS

SecadoreS Para la tubería de aSPiración

En instalaciones donde se tengan problemas con la humedad es aconsejable montar un segundo filtro secador en la línea de aspiración que, además, protegerá al compresor. Estos filtros tienen una pérdida de carga menor que los que son para tubería de líquido. Los filtros secadores de la tubería de aspiración son más efectivos eliminando la humedad del sistema que los filtros de la tubería de líquido. La humedad se condensa fácilmente en la tubería de aspiración y el filtro secador de aspiración la atrapa sin problemas. Cuando se instala un nuevo compresor, puede colocarse un filtro secador en la tubería de aspiración para limpiar el refrigerante y el aceite antes de que lleguen al compresor. Se recomienda el uso de filtros secadores en la tubería de aspiración para eliminar los altos niveles de ácido después de que un compresor se haya quemado. El filtro secador debe sacarse cuando el sistema esté limpio. En ningún caso, debe dejarse en el sistema un filtro de aspiración temporal durante más de tres días. Si los filtros de aspiración están instalados de forma permanente, deben revisarse regularmente para comprobar la caída de presión. Cuando la caída de presión en un filtro secador es excesiva, debe sustituirse. Casi todos los filtros secadores para la tubería de aspiración tienen algún medio de comprobar la caída de presión entre los núcleos. Basta una pequeña caída de presión para hacer que la de aspiración baje hasta el punto de incrementar la tasa de compresión, reduciendo la eficiencia del compresor. La caída de presión en la tubería de aspiración es más crítica que en la de líquido. El valor máximo para filtros secadores de aspiración instalados de forma permanente es de unos 14 kPa para refrigeradores y de 7 kPa para congeladores.

11.8.4 viSoreS

!

de líquido

Sus funciones son las siguientes:

DEfinición

viSor de líquido: mirilla de vidrio que se coloca en la tubería de líquido de la instalación.

• indicador de la carga de refrigerante de la inStalación. Un visor de líquido en el que aparezcan burbujas puede estar indicando falta de refrigerante.

• indicador de humedad. Cuando poseen testigo indicador de humedad (pastilla de sal química higroscópica), éste cambia de color. Un color verde indica que el refrigerante está exento de humedad; un color verde pálido indica que hay restos de humedad, y se tendrá que cambiar el filtro; y un color amarillo indica que el refrigerante contiene humedad, y se tendrá que deshidratar la instalación a través de vacíos y barridos de nitrógeno, para posteriormente cambiar el filtro secador. • indicador de una obStrucción en el filtro deShidratador. Cuando el visor se instala a continuación del filtro deshidratador, sirve para detectar las obstrucciones que éste pueda sufrir. En caso de existir obstrucción aparecen burbujas en el visor.

Al primer momento de instalado un visor o en la puesta en marcha de una instalación vacía de refrigerante, es normal que el color indicador de humedad sea amarillo, debido a la humedad existente en el circuito. Una vez realizado el vacío y carga de refrigerante teniendo la instalación en marcha, su color cambia a verde, debido a la acción del filtro secador.

Diseño

de tuberías de refrigerante

Contenidos 12.1 Criterios generales de diseño 12.2 Pérdidas de carga 12.3 Tuberías utilizadas en refrigeración 12.4 Determinación del diámetro de las tuberías 12.5 Presión máxima de utilización 12.6 Retorno de aceite al compresor 12.7 Aislamiento térmico de tuberías

Índice

12

12.1 criterioS

generaleS de diSeño

volver

Existen ciertos principios básicos sobre el diseño y tendido de tuberías de refrigerante que deben tenerse en cuenta con el fin de obtener una instalación óptima: • Las líneas deben ser lo más cortas y directas posible. Esto, además de reducir el coste, reduce las pérdidas de presión; de lo contrario, se reduciría la capacidad térmica y, por tanto, se aumentaría el consumo energético de la instalación. • El número de accesorios debe ser el mínimo posible. De esta forma, además de reducir la posibilidad de fugas, se disminuyen las pérdidas de presión. • Las tuberías deben tener una ligera pendiente en el sentido de circulación del fluido hacia el condensador, favoreciendo el retorno de aceite al compresor. • Las tuberías que así lo requieran deben aislarse térmicamente, para evitar ruidos y vibraciones, así como cualquier absorción de calor del medio ambiente. La tubería de aspiración debe ir aislada exteriormente. La tubería de descarga solo se aislará en caso de ser “bomba de calor”. La tubería de líquido no debe aislarse. • El aceite en las tuberías de gas, aspiración o descarga, debe ser arrastrado por velocidad. En el tramo ascendente, la velocidad mínima necesaria es de 5 m/s. En el tramo horizontal, la velocidad mínima necesaria es de 2,5 m/s. • En las tuberías de gas ascendentes, aspiración o descarga, deben colocarse sifones distanciados de 3 a 5 metros, a fin de que el aceite ascendente no pierda su energía potencial en cada parada.

12.2 PérdidaS 12.2.1 exiStencia

de carga

volver

de laS PérdidaS de carga

La circulación del fluido en el interior de una tubería da lugar a pérdidas de carga cuyo valor depende de cierto número de factores: • Factores inherentes al fluido en circulación: velocidad, viscosidad, densidad, etc. • Factores inherentes a la tubería: naturaleza del tubo, rugosidad, accidentes, etc.

Estas pérdidas de carga (dinámicas), se traducen en un descenso de la presión del fluido en circulación, por lo que se comprueba lo siguiente: • tubería de aSPiración. La presión del fluido a la derecha de la válvula de servicio de aspiración del compresor es más baja que la presión a la salida del evaporador. • tubería de deScarga. La presión del fluido a la entrada del condensador es más baja que la presión a la salida del compresor. • tubería de líquido. La presión a la llegada a la válvula de expansión es más baja que la presión a la salida del recipiente de líquido. Los efectos perjudiciales de las pérdidas de carga se traducen en: •

Reducción de la producción frigorífica.

•

Aumento de la relación de compresión.

•

Disminución del efecto frigorífico y del rendimiento global de la máquina.

• Posibilidad de funcionamiento defectuoso en los dispositivos de control de flujo refrigerante que alimentan a los evaporadores.

12.2.2 influenciaS

de laS PérdidaS de carga

Las temperaturas y presiones que reinan en los puntos característicos del circuito se obtienen por medio de manómetros y termómetros convenientemente dispuestos. La figura siguiente muestra las pérdidas de presión equivalentes en los distintos tramos de tubería. Condensador

3 Líquido (subenfriamiento)

la aSPiración

2

Descarga

Recipiente de líquido 4

0,5 ºC a 1 ºC

en

1 ºC a 2 ºC

(evaPorador

Compresor

5

1 Evaporador

1 ºC

Aspiración (sobrecalentamiento)

y tubería de aSPiración)

En esta parte del circuito es donde los efectos de las pérdidas de carga son más nefastos para el funcionamiento de la máquina: • La presión de aspiración pas corresponde a una temperatura ficticia de aspiración Tas inferior a la temperatura de vaporización Te. • El volumen específico v1 de los vapores aspirados en 1 es superior al de los vapores que hubieran sido aspirados sin pérdidas de carga a la presión pe. en

la deScarga

•

(tubería

de deScarga, condenSador)

La presión de descarga pdes es superior a la presión de condensación pc (que corresponde

a la presión de descarga sin las pérdidas de carga).

• Este aumento de presión en 2, unido al descenso de la presión de aspiración en 1, aumenta el valor de la relación de compresión, disminuyendo el rendimiento volumétrico, disminuyendo la producción frigorífica de la máquina. en

el líquido

(condenSador-válvula

de exPanSión)

• Disminuye la presión del fluido admitido en la válvula de expansión (p4) disminuyendo el caudal de ésta y la presión a continuación de la válvula. • Riesgo de vaporización parcial en el punto 4 si la pérdida de carga desde 3 y 4 es importante, que se puede compensar con un subenfriamiento eficaz.

12.2.3 velocidad

de circulación del fluido

En un fluido que circula dentro de una tubería bajo determinadas condiciones de temperatura y de presión, las pérdidas de carga dependen de los factores siguientes: •

Velocidad de circulación del fluido (v).

•

Diámetro interior de la tubería (D).

•

Longitud de la tubería (L).

•

Rugosidad de la tubería (e).

•

Viscosidad cinemática del fluido en las condiciones de circulación (n).

tubería

de líquido

El dimensionado de esta línea no es tan crítico como el de las líneas de aspiración o de descarga, ya que el refrigerante líquido y el aceite se mezclan con facilidad. Si el sistema cuenta con un recipiente de líquido, este tramo se divide en dos partes: • Tubería de líquido propiamente dicha (condensador-recipiente de líquido). La pérdida de carga en esta tubería deberá ser despreciable para evitar la acumulación de líquido en el condensador. La velocidad del líquido será de 0,2 m/s a 0,4 m/s. • Tubería de alimentación de líquido (recipiente de líquido-válvula de expansión). El líquido que circula por ella se encuentra subenfriado y es imprescindible que no presente vaporización es este tramo (flash-gas) lo que perturbaría el funcionamiento de la válvula de expansión. De manera general, es necesario mantener la velocidad del líquido en la tubería siempre por debajo de 1 m/s (entre 0,5 m/s y 1 m/s). tubería

de aSPiración

Es la más crítica en el dimensionado. Al estar fríos los vapores aspirados, el aceite en circulación es más viscoso, por tanto, será necesario adoptar una serie de precauciones para permitir su retorno al compresor. La velocidad del gas debe ser lo suficientemente alta como para llevar el aceite al compresor en recorridos horizontales y en recorridos verticales con flujo de gas ascendente. Al mismo tiempo la pérdida de carga debe ser mínima para evitar penalizar la capacidad del compresor y para aumentar la potencia requerida: •

Tubería de aspiración horizontal o descendente: 3 m/s (mínimo).

•

Tubería de aspiración vertical ascendente: 5 m/s (mínimo).

Para evitar ruidos excesivos, la velocidad debe ser inferior a 15 m/s. Para facilitar el retorno de aceite, los tramos horizontales deben tener una pendiente del 2%, con caída hacia el compresor. En los tramos descendentes u horizontales con pequeña inclinación no es tan importante la velocidad, ya que la gravedad mantiene la circulación del aceite. La velocidad en línea vertical ascendente se comprobará a la carga mínima; si cae por debajo de los 5 m/s se requerirá una doble tubería.

Circulación 0% < Qe < 100% Compresor

Circulación 60% < Qe < 100%

Evaporador situado más bajo que el compresor

Sifón de aceite si Qe < 60%

Cuando los compresores están equipados con dispositivos de regulación de potencia, a carga parcial la velocidad del vapor es más reducida; en este caso, para no bajar de la velocidad mínima (5-6 m/s), se preverá fraccionar la tubería de aspiración en dos tramos ascendentes (ver figura siguiente). El tubo de diámetro menor (60-100%) del conjunto de doble subida se dimensiona de forma que asegure el retorno del aceite cuando el sistema trabaja a su mínima capacidad. El segundo tubo (0-100%) se dimensiona de forma que su sección complemente a la del tubo de menor diámetro proporcionando entre los dos las pérdidas de presión correctas cuando el sistema trabaja a plena carga. Entre ambos tubos verticales es aconsejable instalar un sifón, de forma que se llene de aceite a cargas bajas, haciendo que el refrigerante y el aceite retornen solamente por el tubo de menor diámetro. Además, en el caso de que la tubería de aspiración sea vertical ascendente, debe realizarse un sifón en la base del tramo vertical y sifones intermedios cada 3 metros aproximadamente, que tienen como finalidad retener el aceite cerca del compresor en los momentos de reposo; esto asegura que la mezcla refrigerante/líquido, no se asentará en el interior de la batería ya que reduciría la potencia que es capaz de suministrar (ver figura).

Tapón de aceite Compresor

Sifón =3m

Evaporador situado más bajo que el compresor

Una vez que el sifón está prácticamente lleno, la velocidad del refrigerante empuja el aceite subiéndolo hasta el siguiente sifón, donde se repite el proceso; de la misma forma los sifones también empujan cualquier cantidad de líquido que haya podido quedarse mezclado con el aceite. En el caso de que el evaporador esté situado por encima del compresor es importante que, durante la parada, no se vierta por gravedad todo su contenido de fluido frigorígeno en el compresor; es preciso por tanto, que la tubería de salida del evaporador ascienda por encima de sí misma, a fin de evitar un golpe de líquido en el arranque. Pero si el evaporador está situado encima, y se trata de una “bomba de calor”, sí será necesario la colocación de sifones, porque la tubería de aspiración corresponderá a la de descarga. En los casos donde sea difícil impedir el arrastre de líquido hacia la aspiración (inversión de ciclo, por ejemplo), será necesario un recipiente antigolpe de líquido en la aspiración del compresor. tubería

de deScarga

(gaS

caliente)

Se aplicarán los mismos criterios de velocidades mínima y máxima, que las de aspiración; aunque la pérdida de carga no es tan crítica en este caso. Los vapores descargados por el compresor son calientes, por tanto, el aceite arrastrado en esta tubería será muy fluido. Una velocidad del vapor superior a 5 m/s permitirá arrastrar fácilmente el aceite. La velocidad del vapor estará comprendida entre 5 y 20 m/s (10 m/s como media). Al ser la velocidad de descarga aproximadamente el doble que la de aspiración, serán necesarios diámetros de líneas menores en descarga que en aspiración.

En el caso de que el condensador esté situado varios metros por encima del compresor, será necesario un sifón en la descarga del compresor para evitar que, cuando pare, el aceite contenido en el tramo vertical retorne hacia la válvula de descarga del mismo, corriendo el riesgo de ocasionar un problema en el arranque. Pendiente (2%) Hacia el condensador

h Pendiente (2%)

Trampa de aceite

Compresor

Igualmente, si la línea es ascendente es necesario un sifón en la base y sifones intermedios cada 3-5 metros aproximadamente. comParación

de velocidadeS

Estas velocidades permiten calcular, conociendo el caudal másico del fluido frigorígeno, las secciones que deben adoptar las diversas tuberías, teniendo en cuenta el volumen másico dentro de la tubería en cuestión. La tabla siguiente señala las velocidades (en m/s) corrientemente adoptadas para los fluidos usuales: Fluido

Aspiración

Descarga

Líquido

Amoníaco (NH3)

15 a 20

15 a 25

0,5 a 1

Refrigerantes fluorados

5 a 15

5 a 20

0,5 a 1

12.2.4 PérdidaS tubería

de carga toleradaS

de líquido

Las pérdidas de carga en la tubería de líquido no deben sobrepasar 0,35 bar (5 psi) en total (pérdida de presión equivalente a una temperatura de 0,5 ºC a 1 ºC). Este valor no representa solamente las pérdidas de carga “dinámicas” sino la suma de las pérdidas de carga “dinámicas” y las “estáticas”. En efecto, si los evaporadores y, por lo tanto, las válvulas de expansión que los alimentan, se hallan a una altura h, en metros, por encima del nivel de líquido en el recipiente, la pérdida de carga total tendrá un valor de: ∆pt = ∆pd + ∆ps = ∆pd + γ $ h La presión antes de las válvulas de expansión (p4) será igual a: p4 = p3 - ∆pd - γ $ h donde: p3 = presión del líquido a la salida del condensador. Una pérdida de carga demasiado importante o una subida de cota de nivel muy grande en la línea de líquido ocasionaría un descenso de la temperatura de equilibrio líquido/vapor aunque la temperatura del líquido no varía. Por tanto habrá una vaporización de líquido si esta diferencia de presión es demasiado grande. Por ejemplo, considérese el R-134a para una temperatura de condensación de 40 ºC y un líquido subenfriado a 38 ºC. A 40 ºC, la presión de condensación es de 1.017 kPa, y a 37 ºC, la presión de equilibrio es de 963 kPa. La presión en toda la línea de líquido deberá por tanto ser superior a 937 kPa. Si la pérdida de carga en el deshidratador, el visor y la tubería es en total 30 kPa, será imperativo que la variación de presión ocasionada por la altura de la columna de líquido sea inferior a:

Dps = p3 - p4 - Dpd = 1.017 - 937 - 30 = 50 kPa lo que corresponde a una diferencia de nivel de 5 metros. Es necesario en este caso que la tubería de alimentación de líquido no sobrepase 4 m por encima del nivel de líquido existente en el recipiente si se desea evitar problemas de vaporización. Si por cualquier razón la diferencia de nivel fuese mayor, sería preciso subenfriar un poco más el líquido, por ejemplo, con un intercambiador de calor instalado entre la línea de líquido y la aspiración. Es conveniente que el líquido tenga un subenfriamiento de entre 5 ºC y 10 ºC. Este subenfriamiento puede conseguirse en los equipos de “solo frío” aislando térmicamente juntas las líneas de líquido y aspiración. La máxima longitud aislada se debe limitar a 15 m, debido al aumento de temperatura por sobrecalentamiento de los vapores en la línea de aspiración, que pueden perjudicar el rendimiento del equipo. En los equipos de “bomba de calor” no es factible dicha solución, debiéndose recurrir a otros métodos como puede ser, introducir más carga de refrigerante en la unidad o enfriar la línea de líquido. Cuando la línea de líquido es descendente el subenfriamiento está asegurado, ya que en este caso en vez de pérdida de presión, el peso de la columna de refrigerante hace que ésta sea mayor que a la salida del condensador. Aquí el problema que se presenta es evitar una excesiva sobrepresión en la entrada del sistema de expansión. tubería

de aSPiración

La tubería de aspiración es la que debe presentar menor pérdida de presión, que debe limitarse a una caída de temperatura equivalente a 1 ºC. Hay que tener en cuenta que, para una misma caída de presión, a temperaturas de vaporización más bajas se tienen mayores caídas equivalentes de temperatura. Por ejemplo, con R-507, una bajada de temperatura de -9 ºC a -10 ºC supone una caída de presión de 0,15 bar; mientras que una bajada de temperatura de -39 ºC a -40 ºC, supone una caída de presión de 0,06 bar, o lo que es lo mismo, para obtener una caída de presión de 0,15 bar, la temperatura tiene que bajar de -37,5 ºC a -40 ºC. Esta conversión de las pérdidas de carga en caída equivalente de temperatura permite determinar, en función de la temperatura de vaporización, la pérdida de carga admisible en la tubería de aspiración. Teniendo en cuenta el ejemplo, los valores tolerados para las pérdidas de carga en la aspiración varían en proporciones muy importantes (1 ºC a 6 ºC). La tubería de aspiración debe aislarse siempre ya que suele estar a una temperatura inferior a la del ambiente que la rodea, por lo que puede condensar. Además, si el trazado es muy largo y pasa por zonas “calientes”, como salas de calderas, la transmisión de calor puede falsear la potencia que se espera que proporcione el equipo. tubería

de deScarga

Normalmente, las pérdidas de carga de estas tuberías no deben exceder de 0,15 bar (2 psi), salvo si deben utilizarse velocidades de gas elevadas para arrastrar el aceite en el interior de los tubos y evitar su decantación. Es el caso de los tubos de descarga verticales, en los que el aceite decantado correría el riesgo de caer por sEríA unA buEnA PrácticA limitAr lA gravedad en la culata del compresor lo que puede evitarse PérdidA dE cArgA A unA tEmPErAturA colocando una válvula de retención en esta tubería. EquivAlEntE A 1-2 ºc.

!

En general, la línea de descarga no debe aislarse ya que no es perjudicial que se disipe el calor desde su superficie. No obstante, si discurre por el interior del espacio acondicionado, o está instalada dentro de un conducto (conductos de servicio de los edificios) sí que debería aislarse. También, si se procede a recuperar el calor de los gases calientes, la línea de descarga debe aislarse para que ceda el máximo de energía al sistema de recuperación. Una última razón para aislar la línea de descarga es la seguridad, ya que trabaja a temperaturas entre 60 ºC y 80 ºC, que pueden provocar quemaduras severas si se tocan.

12.2.5 cálculo

de la Pérdida de carga

En una tubería, la fricción (o rozamiento) es proporcional a la carga de velocidad del flujo y a la relación de la longitud con el diámetro de la tubería. Esto se expresa en forma matemática como la ecuación de Darcy-Weisbach: Hc = f $

L v2 $ D 2$g

donde: Hc = pérdida de energía debido a la fricción (N · m/N o m); L = longitud de la tubería (m);

D = diámetro de la tubería (m); v = velocidad promedio del flujo (m/s); f = factor de fricción (adimensional). 1

2 Hc

z1

z2 p1

v

p2

D

∆ pL = p2 − p1

L

La ecuación de Darcy-Weisbach se utiliza para calcular la pérdida de energía debido a la fricción en secciones rectilíneas y largas de tubos redondos. El empleo de ábacos permite generalmente determinar la pérdida de carga por metro de tubería, siendo suficiente multiplicar por la longitud de la tubería para tener la pérdida de carga o de presión del circuito. La pérdida de carga por unidad de longitud será: J=

Hc 1 v2 ^mca/m o mmca/mh = f$ $ D 2$g L

La ecuación de Darcy-Weisbach puede ponerse en función del caudal circulante, ya que el caudal que fluye por una conducción circular a plena sección está ligado al diámetro y a la velocidad media por la ecuación de continuidad: D2 4 $ Vo &v= Vo = v $ S = v $ π $ 4 π $ D2

12.3 tuberíaS

utilizadaS en refrigeración

volver

En general, las tuberías utilizadas en refrigeración son las siguientes: •

Tuberías de acero: circuitos frigoríficos con refrigerante amoniaco (NH3),

•

Tuberías de cobre: circuitos frigoríficos con refrigerantes halocarbonados.

El cobre no debe emplearse en circuitos de refrigeración con amoníaco, por ser fácilmente atacado por éste.

12.3.1 tuberíaS

de acero

El tubo de acero negro se manufactura según distintos procesos: • El tubo con soldadura (longitud normal: 6 m), obtenido por doblado de planchas y posterior soldadura longitudinal (la hoja pasa entre rodillos sucesivos y se unen los tubos posteriormente por soldadura eléctrica).

• El tubo sin soldadura (longitud normal: 6 m), obtenido por extrusión (estirado) o por un proceso combinado de perforación y laminación en caliente, obteniéndose paredes interiores muy lisas. Es de mejor calidad aunque más caro que el anterior. El tubo sin soldadura soporta mejor la presión que su homólogo con soldadura. Características físicas del acero Densidad (kg/m3)

7.850

Temperatura de fusión (ºC)

1.540

Coeficiente de dilatación lineal (mm/m · ºC)

0,0116

Resistencia a la tracción (MPa)

500

Alargamiento (%)

22

Límite elástico (MPa)

195

La tubería de acero se denomina por el diámetro interior en pulgadas o en milímetros. La denominación en pulgadas tiene un valor más comercial que científico y, en general, no coincide con el valor real de una pulgada que es de 25,4 mm. Tuberías de acero estirado (Acero comercial) DN mm

pulgadas

Diámetro exterior (mm)

Espesor (mm) s/norma DIN 2440

Diámetro interior (mm)

6

1/8”

10,2

2,00

6,2

8

¼”

13,5

2,35

8,8

10

3/8”

17,2

2,35

12,5

15

½”

21,3

2,65

16,0

20

¾”

26,9

2,65

21,6

25

1”

33,7

3,25

27,2

32

1 ¼”

42,4

3,25

35,9

40

1 ½”

48,3

3,25

41,8

50

2”

60,3

3,65

53,0

65

2 ½”

76,1

3,65

68,8

80

3”

88,9

4,05

80,0

90

3 ½”

101,6

4,05

93,5

100

4”

114,3

4,50

105,3

125

5”

139,7

4,85

130,0

150

6”

165,1

4,85

155,4

12.3.2 tuberíaS

de cobre

La tubería de cobre tiene una composición prácticamente pura (99,90 a 99,92% de Cu) con pequeñas cantidades de fósforo residual (cobre rojo) que facilita la soldadura. Tiene excelentes características: resistencia a la corrosión, maleabilidad, ductilidad y pérdidas de carga reducidas. Resiste la corrosión, tanto de los líquidos que puedan circular por su interior como la debida a los agentes exteriores, aire, humedad o elementos constructivos que entren en contacto con él. En contacto con el agua, se recubre con rapidez de una fina película de óxido, que lo protege. Además, reacciona mejor con los bicarbonatos solubles, dando lugar a menos carbonatos y, por

tanto, a menos incrustaciones. La maleabilidad y ductilidad del cobre permiten una cómoda manipulación. Por el contrario, al cobre le afecta: el yeso (atención a empotrados), las aguas amoniacales y sulfurosas. Se puede proteger con fundas de PVC (en exterior) o con pinturas bituminosas (en interior). Características físicas del cobre Densidad (kg/m )

8.940

Temperatura de fusión (ºC)

1.083

Coeficiente de dilatación lineal (mm/m׺C)

0,0165

3

Duro

Recocido

Carga de rotura R (kg/mm )

32

22

Alargamiento (%)

3a5

28 a 30

18 - 34

8

2

Límite elástico (kg/mm ) 2

Su precio económico tanto en el material como en la mano de obra para pequeños diámetros hace que sea un material muy apropiado en pequeñas instalaciones. Para diámetros superiores a 54 mm, el aumento de precio, no solo de la tubería, sino también de los accesorios, es elevado, siendo recomendable otro tipo de material. En todos los casos el tubo de cobre se fabrica por laminación en caliente (por estirado o por extrusionado). Los tubos de cobre se comercializan de dos formas: •

Cobre duro (martilleado). Disponibles en barras rígidas de 5 metros.

•

Cobre blando (recocido). Disponibles en rollos de 50 metros, hasta Dext = 22 mm. Tubería de cobre: normativa ASTM B280 y EN12735-1:2001 Rollos

Rígida

Diámetro nominal

ASTM B280

EN12735-1

¼”

0,76

0,80

5/16”

0,76

0,80

3/8”

0,81

½”

ASTM B280

EN12735-1

0,80

0,76

0,80

0,81

0,80

0,76

0,80

5/8”

0,89

0,80

0,76

0,80

¾”

0,89

0,80

0,81

0,80

7/8”

1,14

1,00

0,81

1,00

1”

0,89

1,00

1 1/8”

0,89

1,00

1 3/8”

1,07

1,25

1 5/8”

1,27

1,25

2 1/8”

1,47

1,25

2 5/8”

1,65

1,65

3 1/8”

1,78

1,65

3 5/8” 4 1/8”

2,50 2,79

2,50

La tabla siguiente resulta de mucha utilidad para obtener los diámetros interiores exactos (en mm) de las tuberías de refrigerante, según el diámetro nominal en pulgadas (in). DN (in)

Dext (mm)

e (mm)

Dint (mm)

¼”

6,35

0,8

4,75

3/8”

9,52

0,8

7,92

½”

12,7

0,8

11,1

5/8”

15,87

0,8

14,27

¾”

19,05

0,8

17,45

7/8”

22,22

1

20,22

1”

25,4

1

23,4

1 1/8”

28,57

1

26,57

1 3/8”

34,92

1,25

32,42

1 5/8”

41,27

1,25

38,77

2 1/8”

53,97

1,25

51,47

2 5/8”

66,67

1,65

63,37

Las uniones de tubería de cobre a sus accesorios pueden realizarse mediante: • Soldadura blanda Por caPilaridad. Es el proceso más empleado por su rapidez y efectividad. La unión, después de ser preparada, es sometida a elevadas temperaturas (320 ºC) y rellenada por material de aportación (varilla de estaño-plata: 96,5 Sn y 3,5 Ag) que corre por toda la unión (capilaridad), gracias a un decapante. • Soldadura fuerte caPilar. Cuando los esfuerzos a soportar sean grandes, se aumenta el contenido de plata (del 30 al 50% Ag). • unioneS abocardadaS. El abocardado consiste en ensanchar el extremo del tubo para obtener un collarín que servirá de tope para la tuerca y de apoyo para la junta.

12.4 determinación

del diámetro de laS tuberíaS

volver

Los diámetros de las tuberías se determinan gráficamente a partir de diagramas y ábacos para una instalación de potencia determinada. Para ello, primero hace falta valorar: •

Potencia que debe aportarse a los evaporadores Qe.

•

Temperatura de vaporización del fluido: Te.

•

Longitud de cada tubería: Ll, Ld, La.

•

Las pérdidas de carga admisibles: Dpl, Dpd, Dpa.

12.4.1 comProbación

de la velocidad.

método

SimPlificado

En algunas ocasiones suele utilizarse como media complementaria o directamente como único criterio de dimensionado de tuberías. Conviene no sobrepasar los valores establecidos para los diferentes tramos y refrigerantes, de modo que el parámetro velocidad, que es el más importante, no dé lugar a pérdidas de carga superiores a los valores máximos recomendados. Sabiendo que el caudal másico es: o = m

Qo e (kg/s) qe

se puede calcular el caudal volumétrico multiplicando por el volumen específico: o $ v (m3/s) Vo = m 1 Y conocido el diámetro de la tubería (D, en metros), la velocidad será: Vo Vo = A $ v & v = = A

Vo

(m/s)

D2 π$ 4

Debiéndose obtener valores inferiores a los establecidos anteriormente.

EjEmplo 1 Una cámara frigorífica que funciona con refrigerante R-134a tiene un evaporador de 50 kW de capacidad con una temperatura de vaporización de -10 ºC. La temperatura de condensación es de 45 ºC. El sobrecalentamiento en el evaporador (1r) es de 5 ºC y en la entrada del compresor (1) también es de 5 ºC. El subenfriamiento en la entrada de la válvula de expansión (5) es de 5 ºC. Las propiedades termodinámicas se dan en la tabla siguiente. Dimensionar la tubería de líquido y la de aspiración. Despreciar las pérdidas de presión.

PArámEtros

Punto

p (bar)

T (ºC)

h (kJ/kg)

v (m3/kg)

1r

2,01

-5

396,79

1

2,01

0

401,02

0,1044

4

11,60

45

263,90

0,00089

5

11,60

40

256,43

6

2,01

-10

256,43

básicos dE cálculo

qe = h1r - h6 = 396,79 - 256,43 = 140,36 kJ/kg o = m

30 Qo e = = 0, 214 kg/s 140, 36 qe

o $ v = 0, 214 $ 0, 1044 = 0, 0223 m3 /s Vo 1 = m 1 o $ v = 0,214 $ 0, 00089 = 0, 00019 m3 /s Vo 4 = m 4 tubEríA

dE líquido:

Suponiendo una velocidad de 0,5 m/s:

Vo 0, 00019 A= 4 = = 0, 00038 m2 = 3, 8 cm2 (tubo de 1”: 4,3 cm2) v 0, 5 tubEríA

dE AsPirAción:

Suponiendo una velocidad de 8 m/s:

Vo 0, 0223 A= 1= = 0,00279 m2 = 27, 9 cm2 (tubo de: 2 5/8”: 31,52 cm2). v 8

12.4.2 cálculoS

de tuberíaS mediante ábacoS

Los ábacos permiten determinar los diámetros de las tuberías de cobre, en función de las potencias frigoríficas correspondientes y de las pérdidas de carga admisibles. En el AnExo A6 se facilitan los ábacos para los refrigerantes R-134a y R-404A.

Las pérdidas de carga que figuran en los diagramas son las pérdidas de carga unitarias expresadas en kPa/m (103 Pa/m o 0,01 bar/m). El proceso de cálculo se detalla en la figura siguiente: Q e = Potencia frigorífica (kW) Tubería de aspiración

Te

A

∅A

Tubería de descarga ∅D

D

Tubería de líquido L

∅L

Condensando a 30 ºC Condensando a 40 ºC

Tc

Condensando a 50 ºC

Después de seleccionar el ábaco relativo al fluido frigorígeno utilizado en la instalación:

1.

Buscar en la escala superior de la parte derecha del diagrama la potencia frigorífica Qe valorada en kilovatios (kW).

2.

Bajar desde este punto una perpendicular al eje de las abscisas hasta su intersección con la línea recta de la “tubería de líquido” (L). Esta perpendicular se ha cruzado antes con la línea de la “tubería de aspiración” (A) correspondiente a la temperatura de evaporación (Te) y con la línea de la “tubería de descarga” (D) correspondiente a la temperatura de condensación (Tc).

3. Desde estos 3 puntos (A, D y L), se trazan paralelas al eje de las abscisas, las cuales cortan el haz de líneas rectas correspondientes a los valores entre 3/8” y 6 1/8”.

4.

Buscar en el ábaco inferior izquierda, la temperatura de condensación Tc (interpolando, si es necesario, entre las temperaturas anotadas a +30 ºC, +40 ºC o +50 ºC) anotando en esta línea las pérdidas de carga unitarias (j) de las tuberías de aspiración, de descarga y de líquido deducidas las pérdidas de carga máximas toleradas por cada una de estas temperaturas.

5.

Elevar a partir de estos puntos perpendiculares al eje de las abscisas, que cortarán respectivamente las paralelas trazadas anteriormente en los puntos ØA, ØD, ØL y que indicarán los diámetros de las tuberías que deben adoptarse.

Casi siempre, las intersecciones se encuentran entre dos líneas de diámetro diferente; se adoptará el diámetro superior a fin de introducir en el cálculo final y para cada tubería los “accidentes del recorrido” y determinar la longitud equivalente Le a cada uno de ellos.

EjEmplo 2

1/2

Determinar, mediante el uso del ábaco de caída de presión, el diámetro de las tuberías de aspiración, descarga y líquido de la instalación que se define a continuación. Potencia frigorífica: 30 kW Fluido frigorígeno: R-134a Temperatura de vaporización: Te = -10 ºC Temperatura de condensación: Tc = 40 ºC Las longitudes de las tuberías son las siguientes: • Tubería de aspiración: 40 metros • Tubería de descarga: 40 metros • Tubería de líquido: 35 metros Límites permitidos de caídas de presión: • Tubería de aspiración: 0,06 bar (6 kPa) • Tubería de descarga: 0,15 bar (15 kPa) • Tubería de líquido: 0,35 bar (35 kPa) Se comienza el cálculo, determinando la caída de presión por metro de tubería: • Tubería de aspiración: 6 kPa / 40 m = 0,15 kPa/m • Tubería de descarga: 15 kPa / 40 m = 0,37 kPa/m • Tubería de líquido: 35 kPa / 35 m = 1 kPa/m Utilizando el ábaco de caída de presión para el refrigerante R-134a (ver AnExo A6), se dimensionan las tuberías de refrigerante:

EjEmplo 2

2/2

• Tubería de aspiración: 2 1/8” • Tubería de descarga: 1 3/8” • Tubería de líquido: 5/8”

12.5 PreSión

máxima de utilización

volver

La presión máxima de utilización del tubo de cobre puede calcularse aplicando: p=

2 $ sadm $ e D

donde: e = espesor del tubo (mm); D = diámetro interior del tubo (mm); p = presión máxima de utilización (bar); sadm = fatiga máxima en daN/mm2 impuesta al metal y calculada a partir de la tensión de rotura sr del tubo recocida (22 daN/mm2, o sea, 2.200 daN/cm2; teniendo en cuenta

un coeficiente de 5 en esta fórmula, sadm = 440).

EjEmplo 3 Calcular la presión máxima de utilización de un tubo de cobre recocido cuyo diámetro nominal es de 3/4” (Di = 17,45 mm; e = 0,8 mm). p=

2 $ sadm $ e 2 $ 440 $ 0, 8 = = 40, 34 bar 17, 45 D

12.6 retorno

de aceite al comPreSor

12.6.1 ProblemaS

volver

ocaSionadoS Por un mal retorno de aceite

Los efectos principales de la acumulación de aceite en el circuito frigorífico son:

1. 2.

Falta de aceite en el compresor, que puede ocasionar problemas de lubricación. Obstrucción del circuito frigorífico, con la consiguiente pérdida de eficiencia.

Una posible razón para un bajo retorno de aceite puede ser el empleo de un lubricante de viscosidad alta. Si el retorno de aceite es un problema, podría ser útil probar con el grado más bajo de viscosidad recomendado por el fabricante. condenSador. Si el refrigerante no es capaz de mezclarse con el lubricante en estado líquido, éste se irá almacenando en el condensador. Problemas: 1) El compresor se queda sin aceite. 2) Se disminuye la superficie del condensador (se reduce su capacidad provocando altas presiones y temperaturas de condensación). En estos casos (NH3, por ejemplo) es obligatorio instalar un separador de aceite. tubería de líquido. Si la mezcla no es total, existe peligro de que circule aceite libre por la tubería de líquido, provocando tapones de aceite en el elemento de expansión. evaPorador. Es aquí donde comienzan los problemas: 1) El lubricante permanece líquido, separándose del refrigerante que está en forma vapor. 2) El aceite a baja temperatura aumenta su viscosidad, quedándose en el evaporador ocupando un espacio destinado al refrigerante reduciéndose de esta forma la capacidad del mismo. 3) El lubricante que se acumula en el evaporador no retorna al compresor haciéndolo peligrar.

12.6.2 medidaS velocidad

Para garantizar el retorno del aceite

del vaPor refrigerante

La velocidad del vapor refrigerante tiene que ser suficiente para poder arrastrar el aceite en toda la tubería de aspiración (3,5 m/s en tramos horizontales y 7,5 m/s en verticales). La velocidad tampoco debe ser excesiva para evitar pérdidas de presión elevadas (no debe superar los 15 m/s). Esto se logra con un diámetro adecuado de la tubería.

uSo

del Sifón en la tubería de aSPiración

Es en la tubería de aspiración donde se producen los mayores problemas de retorno de aceite. Por esta razón, es en esta línea donde se deben tomar las mayores medidas para permitir la fluidez del lubricante del evaporador al compresor. El sifón en la tubería de aspiración es un recurso sencillo y de muy bajo coste para garantizar el arrastre del aceite por el refrigerante hacia el compresor. Para realizar esta función, el sifón se convierte en una trampa donde se acumula el lubricante provocando una reducción del diámetro de la tubería. Refrigerante hacia el compresor

Refrigerante del evaporador

Aceite acumulado

El efecto resultante es el aumento de la velocidad de los vapores de refrigerante, lo que provoca que se arrastre el aceite acumulado en el sifón. evaPorador Por encima del comPreSor. La gravedad contribuirá al retorno de aceite; sin embargo, se debe colocar un sifón para limitar la migración del líquido refrigerante al compresor en las paradas. Si se ha previsto la parada del sistema en vacío por el método pump down (parada por baja presión mediante el cierre de la válvula solenoide en la línea de líquido accionada por termostato ambiente), no es necesario colocar un sifón.

Evaporador situado más alto que el compresor

Sifón

Compresor

evaPorador en el miSmo nivel que el comPreSor. Las tuberías tendrán pendiente hacia el compresor, siendo recomendable un sifón a la salida del evaporador.

Evaporador situado a nivel del compresor d

Compresor

Sifón

evaPorador Por debajo del comPreSor. Se instala un sifón a la salida del evaporador para garantizar un buen retorno de aceite puesto que hay que vencer la fuerza de gravedad.

Compresor

Evaporador situado más bajo que el compresor

Sifón

Si la diferencia de nivel es considerable, se deberán instalar sifones cada 3 m.

Compresor

3m

Sifón

Evaporador situado más bajo que el compresor

Sifón

Sifón

caPacidad frigorífica del SiStema variable. El caudal de refrigerante en la tubería de aspiración dependerá de la demanda de potencia. Cuando la instalación funciona con una capacidad reducida, el caudal de refrigerante será mínimo en una tubería con diámetro exagerado. Esto provoca una caída de velocidad de los gases en la aspiración que no podrá arrastrar el aceite. La solución será utilizar el doble tubo vertical.

1. funcionamiento a Plena caPacidad. Máximo caudal de refrigerante. El refrigerante circulará prioritariamente por la tubería de mayor diámetro. 2. funcionamiento con la mínima demanda. Mínimo caudal de refrigerante. Cae la velocidad en la tubería de mayor diámetro, acumulándose aceite en el sifón. Al quedar sellado el sifón,

el refrigerante circula por la tubería de menor diámetro con la velocidad suficiente para arrastrar el aceite a través de la misma.

Tubería de menor diámetro Compresor Tubería de mayor diámetro Evaporador

Sifón

La tubería de mayor diámetro se conecta a la aspiración por la parte superior para impedir que cuando se trabaje a capacidad reducida el aceite drene y se acumule en ese tubo. uSo

del Sifón en la tubería de deScarga

El problema se presenta en las paradas, con el condensador situado por encima del compresor. El aceite puede descender por gravedad hacia la descarga del compresor. En el arranque podría producirse un golpe de líquido o quedar la válvula de descarga con gotas de aceite, afectando su rendimiento. Se recomienda: •

Colocar una válvula de retención en la tubería de descarga.

• Colocar una válvula electrónica que corte el paso de refrigerante en la parada, o un sifón en la descarga del compresor.

Condensador situado más alto que el compresor

Compresor Sifón

uSo

del Sifón en la tubería de líquido

En la tubería de líquido no existen problemas de arrastre de aceite debido a que el refrigerante y el lubricante forman una misma sustancia. Aunque su diámetro se debe calcular rigurosamente para garantizar una circulación adecuada del refrigerante.

12.7 aiSlamiento

térmico de tuberíaS

12.7.1 tranSferencia

volver

de calor Por conducción a travéS de una tubería

La conducción de calor por una tubería a través de una longitud L es: 2 $ π $ λ $ L $ ^ Ti - Toh 2 $ π $ λ $ L $ ^ Ti - Toh Qo = = ln ^ro /rih ln ^Do /Dih L

Perfil de temperaturas

Ti > To

ri To

Q

Ti

ro

λ

donde Ti es la temperatura interior (in) en el radio ri, To es la temperatura exterior (out) en el radio ro, y Di y Do son los diámetros interno y externo del tubo. En esta ecuación se supone que el calor es positivo si fluye hacia fuera, y negativo si fluya hacia adentro. La resistencia térmica del sistema que se ve en la figura es: RT =

Ti - To ln ^ro /rih (K/W) = oQ 2$π$λ$L

y la resistencia térmica por metro de longitud sería: RL =

ln ^ro /rih (m · K/W) 2$π$λ

La transferencia de calor a través de un tubo, por metro, es: qo L =

Qo 2 $ π $ λ $ ^ Ti - Toh = L ln ^ro /rih

Si el espesor de la pared cilíndrica es mucho menor que el radio interior, de forma aproximada, puede calcularse el flujo de calor según la ecuación más sencilla: 2 $ π $ rm $ λ $ L $ ^ Ti - Toh Qo = e siendo: rm =

^ro + rih

2

= radio medio de la pared; e = ro - ri = espesor de la pared. Esta simplificación

equivale a considerar la pared cilíndrica como si fuera plana y de superficie igual a la media entre la interior y exterior. Si

rm r 2 5 (poco error); si m 2 10 (despreciable). e e

Si la pared está compuesta por una serie de capas de distintos materiales, podemos tratarla de forma similar a la pared plana y utilizando el símil de la asociación de resistencias en serie (ver figura); para el caso de tres capas, obtenemos:

RL1 =

ri

ln ^r1 /rih ln ^r2 /r1h ln ^ro /r2h ; RL2 = ; RL3 = 2 $ π $ λ1 2 $ π $ λ2 2 $ π $ λ3

r1 ro

r2

Como se trata de resistencias en serie: / RL = RL1 + RL2 + RL3 , el coeficiente total de transmisión de calor referido a la unidad de longitud será: KL =

1

/ RL

=

2$π (W/m · K) ln ^r1 /rih ln ^r2 /r1h ln ^ro /r2h + + λ1 λ2 λ3

y el calor transmitido a través de una superficie cilíndrica será: Qo = KL $ L $ ^ Ti - Toh (W)

12.7.2 tranSferencia tubería

de calor Por conducción-convección a travéS de una

En una tubería, la resistencia térmica total es: / R T =

1 ln ^ro /rih 1 + + hci $ Ai 2 $ π $ λ $ L hco $ Ao

siendo: Ai = 2 $ π $ ri $ L , el área interior, y Ao = 2 $ π $ ro $ L , el área exterior. hci y hco son los coeficientes de convección interior y exterior respectivamente. Por tanto, la resistencia térmica total, por unidad de longitud, es:

/ RL = ^/ R Th $ L =

1 ln ^ro /rih 1 + + 2$π$λ 2 $ π $ ro $ hco 2 $ π $ ri $ hci

El coeficiente de transmisión global por unidad de longitud es: UL =

1

/RT

=

2$π 1 ln ^ro /rih 1 + + λ ri $ hci ro $ hco

La transferencia de calor por unidad de longitud del tubo es: qo L =

DTtotal Qo = / RL L

Y finalmente, el flujo de calor a lo largo de todo el tubo es: Qo = UL $ L $ ^ Ti - Toh

EjEmplo 4 Una tubería de R-134a a una térmico de 30 flujo de calor

cobre de 3/4” de diámetro nominal 0,8 temperatura de -10 ºC. La tubería está mm de espesor. Si la temperatura del del refrigerante al ambiente por metro

1/2 mm de espesor transporta refrigerante aislada con una capa de aislamiento aire ambiente es 15 ºC, calcular el lineal de longitud de tubería. Datos:

Conductividades térmicas: lcobre = 348 W/m2 · K; lais = 0,035 W/m2 · K; Coeficientes de convección interior y exterior: hci = 5.800 W/m2 · K y hco = 12 W/m2 · K. Una tubería de cobre de 3/4” presenta los siguientes diámetros y radios:

EjEmplo 4

2/2

Diámetro interior: 17,45 mm

Radio interior: 8,725 mm

Diámetro exterior: 19,05 mm

Radio exterior: 9,525 mm

Diámetro exterior con aislamiento: 79,05

Radio exterior con aislamiento: 39,525 mm

hco

L =1 m Ti >To

Ti

ri

ro

h ci

T1

r1

T1 Q

To

λ

La resistencia térmica total del tubo por unidad de longitud es:

/RL = RL refrigerante + RL cobre + RL aislamiento + RL aire =

=

1 2 $ π $ ri $ hci

+

ln ^r1 /rih ln ^ro /r1h 1 + + = 2 $ π $ λcobre 2 $ π $ λaislamiento 2 $ π $ ro $ hco

ln ^9, 525/8, 725h ln ^39, 525/9, 525h 1 1 + + + 2 $ π $ 0, 009525 $ 5.800 2 $ π $ 348 2 $ π $ 0, 035 2 $ π $ 0, 039525 $ 12

/RL = 0, 00288 + 0, 00004 + 6, 66454 + 0, 33573 = 7, 00 m $ K/W Como se puede apreciar en la anterior fórmula la resistencia térmica con mayor peso es la del aislamiento. En la práctica esta resistencia es la única que se suele considerar en los cálculos, despreciando el resto de resistencias, sobre todo la de la tubería. El flujo de calor del vapor de agua hasta el aire exterior es: qo L =

Trefrigerante - Taire - 10 - 15 DTtotal = = = - 3, 57 W/m 7, 00 /RL /RL

El resultado es negativo, debido a que el calor fluye desde el exterior al interior del tubo.

12.7.3 Prevención

de condenSacioneS en tuberíaS fríaS

Cuando una tubería conduce un fluido a una temperatura inferior a la del ambiente exterior, esté o no aislada térmicamente, la superficie exterior de la misma estará a una temperatura inferior a la del aire en contacto y habrá condensación superficial siempre que esta temperatura sea igual o inferior a la temperatura de rocío del mismo. El agua líquida puede difundir a través del aislante, si lo hay, y llegar a la superficie metálica de la tubería. Te

1 Twca Twsa Ti

2

En la figura adjunta se ha representado la variación de la temperatura entre el interior y exterior de una tubería por la que circula un fluido a una temperatura inferior a la del aire ambiente (Ti < Te). Si se compara la distribución

de temperaturas de la tubería no aislada (1) con la de la tubería aislada (2) se ve que la temperatura de la superficie exterior en contacto con el aire es menor

cuando la tubería está desnuda (Twsa < Twca). En consecuencia el riesgo de condensación será

mayor en tuberías no aisladas. En tuberías aisladas, si hay condensación superficial y no hay una barrera que lo impida, el agua pasa al interior del aislante y la conductividad aumenta; al aumentar la conductividad disminuye la temperatura superficial, condensa mayor cantidad de agua y el proceso se acelera. Cuando el agua llega a la superficie metálica, se encharca en los huecos que quedan entre el aislante y la tubería, su evaporación es difícil puesto que está a baja temperatura y no está en contacto con el aire, se oxida y puede llegar a perforarse. Para evitar esta situación se recomienda adoptar una serie de precauciones: •

Pintar la tubería metálica, una vez limpia, con varias capas de pintura antioxidante.

•

Evitar, en lo posible, huecos entre la tubería y el aislante.

• Evitar al máximo discontinuidades entre las distintas piezas de aislante y si hay cortes realizar las uniones de forma tal que no queden canales por donde pueda pasar el agua condensada (mediante colas especiales). •

Impermeabilizar la superficie exterior.

• Calcular un espesor de aislante que garantice que la temperatura superficial nunca será inferior a la de rocío del aire circundante en las condiciones más extremas. Llamando Twe a la temperatura superficial exterior (re = rais), debe cumplirse que: Twe - Te Ti - Te = Raire, int + Rtub + Rais + Raire, ext Raire, ext Twe - Te Ti - Te = 1 1 1 ln ^rtub /rih ln ^re /rtubh + + + 2 $ π $ λais 2 $ π $ re $ hce 2 $ π $ re $ hce 2 $ π $ re $ hce 2 $ π $ λtub

12.7.4 eSPeSor

de aiSlamiento en tuberíaS Según el

rite

Con la finalidad de respetar un ahorro energético mínimo, el reglamento de instalaciones térmicas en los edificios (RITE) establece unos espesores mínimos (ver tablas adjuntas) referidos a un aislante de conductividad 0,040 W/m · K medida a 10 ºC. Cuando se utilicen materiales de conductividad térmica distinta a lref = 0,040 W/m · K a 10 ºC,

se considera válida la determinación del espesor mínimo aplicando las ecuaciones: Temperatura máxima del fluido (ºC)

Diámetro exterior (mm)

-10 a 0

> 0 a 10

> 10

D ≤ 35

30

20

20

35 < D ≤ 60

40

30

20

60 < D ≤ 90

40

30

30

90 < D ≤ 140

50

40

30

140 < D

50

40

30

Espesores mínimos de aislamiento (mm) de tuberías y accesorios que transportan fluidos fríos que discurren por el interior de edificios

Temperatura máxima del fluido (ºC)

Diámetro exterior (mm)

-10 a 0

> 0 a 10

> 10

D ≤ 35

50

40

40

35 < D ≤ 60

60

50

40

60 < D ≤ 90

60

50

50

90 < D ≤ 140

70

60

50

140 < D

70

60

50

Espesores mínimos de aislamiento (mm) de tuberías y accesorios que transportan fluidos fríos que discurren por el exterior de edificios

Para superficies de sección circular (tuberías): e=

D l D + 2 $ eref $ =EXP e $ ln o - 1G 2 lref D

donde: lref = conductividad térmica de referencia a 10 ºC (0,04 W/m · K); l = conductividad

térmica del material empleado, en W/m · K; eref = espesor mínimo de referencia, en mm;

e = espesor mínimo del material empleado, en mm; D = diámetro interior del material aislante, coincidente con el diámetro exterior de la tubería, en mm; ln = logaritmo neperiano (base 2,7183...); EXP = número neperiano elevado a la expresión entre paréntesis.

EjEmplo 5 Por una tubería de 7/8” instalada en el interior circula un refrigerante a -10 ºC. Según el RITE, el espesor para una conductividad de 0,04 W/m · K, sería de 30 mm. Si la conductividad de nuestro aislamiento es de 0,031 W/m · K, calcular el espesor adecuado. e=

D l D + 2 $ eref 22, 22 0, 033 22, 22 + 2 $ 30 o - 1G = 19, 52 cm $ =EXP e $ ln $ =EXP e $ ln o - 1G = 0, 04 22, 22 2 lref D 2

Por lo tanto, sería suficiente con un aislamiento de 20 mm de espesor.

Tratamiento

frigorífico de los alimentos

Contenidos 13.1

Componentes

13.2

Deterioro

13.3

Conservación

13.4

Congelación

13.5

Criogenia

13.6

Liofilización

13.7

Tratamiento

13.8

Secaderos

13.9

Tratamiento

de los alimentos

y descomposición de los alimentos

mediante refrigeración

frigorífico de carnes

de embutidos

frigorífico de la carne de aves

13.10 Tratamiento frigorífico de pescados 13.11 Tratamiento frigorífico de huevos 13.12 Tratamiento frigorífico de productos lácteos 13.13 Tratamiento frigorífico de frutas y verduras

Índice

13

13.1 comPonenteS

de loS alimentoS

volver

Los componentes orgánicos que integran todo ser vivo están constituidos por 11 elementos: oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, calcio, fósforo, azufre, potasio, sodio, cloro y magnesio. Además de éstos, existen otros en pequeñas cantidades: hierro, silicio, aluminio, cobre, zinc, estaño, yodo, etc. Los glúcidos (hidratos de carbono) son elementos cuyos componentes principales son el carbono, el hidrógeno y el oxígeno. Sus elementos más simples son los azúcares. Los lípidos (grasas) contienen también los tres componentes principales que poseen los glúcidos. Son insolubles en agua y tienen poca densidad. Las proteínas tienen como mínimo cuatro componentes; además del carbono, el oxígeno y el hidrógeno, se encuentra el nitrógeno. En muchas ocasiones contienen azufre y fósforo y constituyen la estructura principal de los alimentos. Las proteínas se descomponen por el calor (o por el frío) a determinadas temperaturas. Las proteínas, junto con los azúcares, son elementos muy importantes para la nutrición y desarrollo de las bacterias; es decir, cuando las bacterias actúan sobre las proteínas, originan una degradación que como resultado da lugar a derivados nitrogenados de naturaleza orgánica (purinas y amoníaco) y en otros elementos tóxicos de carácter desagradable. Cuanto menor sea la cantidad de agua que contiene un alimento, menores serán los problemas que presente su conservación. Las carnes, pescados, verduras, frutas frescas, etc., con altos contenidos en agua, presentan a temperatura ambiente grandes problemas de conservación que se resuelven gracias a la aplicación del frío. En promedio, los alimentos tienen un contenido en agua del 60% al 90% de su peso total, por tanto, la pérdida de agua supone una pérdida muy importante en su peso.

! En

El Estudio dE lAs APlicAcionEs

FrigoríFicAs hAy quE rEsAltAr El agua como comPuEsto PrEsEntE En todos los AlimEntos.

Si enfriamos por debajo de 0 ºC, el agua empieza a solidificar y aparecen cristales de hielo, pero queda parte del agua en estado de sobrefusión (líquida). En el caso de los vegetales, la máxima cristalización del agua se produce entre -0,5 ºC y -5 ºC, por lo que éste es el límite térmico que habrá que salvar. Una solución es conservar los alimentos por encima de 0 ºC, pero a estas temperaturas los tiempos de conservación son menores debido a que los procesos de fermentación continúan. Debido a la diversidad en la composición de los alimentos, no se puede generalizar el establecimiento de una temperatura ideal para su tratamiento frigorífico. En general, se adoptó una temperatura de -18 ºC como término universalmente aceptado para el caso de congelación de alimentos animales.

13.2 deterioro

y deScomPoSición de loS alimentoS

volver

La conservación de alimentos previene o retarda su deterioro y su descomposición.

! •

El objetivo de la conservación de alimentos es doble: Conservar el producto alimenticio en condiciones comestibles.

• Conservar el producto alimenticio tanto como sea posible con una alta calidad en cuanto a: apariencia, olor, sabor y contenido vitamínico.

Cualquier deterioro que cause un cambio detectable en la apariencia, olor o sabor de un alimento fresco, reduce su valor comercial, representando una pérdida económica. Por ejemplo, los vegetales marchitados o las frutas pasadas de madurez, aunque pueden seguir siendo comestibles, su apariencia ha sufrido un cambio indeseable, que reduce su precio.

Los vegetales frescos, las frutas y los jugos de frutas son los productos alimenticios que sufren mayor contenido de pérdidas en vitaminas. Aunque la pérdida de vitaminas no es aparente, muchos procesadores de alimentos (panaderos, lecheros), agregan vitaminas a sus productos para reemplazar aquellas que se pierden durante el proceso. El deterioro y la descomposición de los alimentos comestibles son causados por una serie de transformaciones químicas que se dan después de la recolección o de la matanza. Estos cambios químicos son provocados por agentes internos y externos. • agenteS internoS. Son fermentos (enzimas) naturales los cuales son inherentes en todos los organismos orgánicos. • agenteS externoS. Son microorganismos que crecen en la superficie de los productos alimenticios (bacterias, levaduras, mohos). Cualquiera de estos agentes por sí solo es capaz de causar la destrucción total del producto alimenticio, pero en casi todos los casos de descomposición están involucrados los dos agentes. A temperatura ambiente el desarrollo de los microorganismos se incrementa mucho más deprisa, causando alteraciones rápidas en los alimentos. Además, estos agentes pueden multiplicarse si se encuentran en un medio nutritivo favorable (carne, pescado). Si el producto alimenticio se conserva adecuadamente, mediante un proceso de refrigeración, la actividad de estos agentes destructores puede ser eliminada o controlada con eficacia. El frío detiene su evolución, aunque no los mata. Por tanto, los microorganismos que existan cuando un alimento entre en un frigorífico, son como mínimo los que habrá a la salida del mismo. Existen microorganismos capaces de reproducirse incluso a temperaturas de 0 ºC y menores, aunque la velocidad de reproducción se ve muy frenada. Con la congelación (temperaturas por debajo de -18 ºC), las reacciones bioquímicas y enzimáticas que degradan los alimentos quedan bloqueadas, pudiendo conservarse hasta varios meses. Dependiendo del tiempo invertido en alcanzar dicha temperatura, los productos se pueden clasificar como congelados o ultracongelados.

13.2.1 enzimaS Existen diferentes clases de enzimas y cada una se especializa en producir solo una reacción química específica. Por ejemplo, la enzima lactasa convierte la lactosa (azúcar en la leche) en ácido láctico. Este proceso particular se llama fermentación del ácido láctico y es el principal factor que produce el “agriamiento” de la leche. Las enzimas se encuentran en los tejidos celulares de todas las plantas y animales. Son producidas por las células para ayudar en las diferentes actividades vivientes de la célula: respiración, digestión, crecimiento y reproducción. Las enzimas pueden ser catabólicas (consumen células muertas) o anabólicas (mantienen las células vivas de los tejidos). Las enzimas son las responsables del deterioro y descomposición de todos los materiales orgánicos (putrefacción de la carne, pescado, frutas y vegetales). Por tanto, excepto en los casos en donde la fermentación o putrefacción es una parte del proceso, la acción enzimática debe ser eliminada por completo o fuertemente inhibida. Las enzimas se eliminan a temperaturas superiores a 70 ºC, por tanto, la cocción de alimentos las destruye por completo. Pero a temperaturas bajas, las enzimas son muy resistentes y su actividad puede continuar lentamente aun a temperaturas menores de -18 ºC. Sin embargo, la velocidad de la reacción química disminuye cuando baja la temperatura.

! lA

Acción EnzimáticA Es muy FuErtE con

lA PrEsEnciA dE oxígEno librE

(como

En

El AirE) y disminuyE cuAndo sE disminuyE El suministro dE oxígEno.

13.2.2 microorganiSmoS

!

Los microorganismos más conocidos son:

DEfinición

• Bacterias.

microorganiSmoS: seres vivos de una sola célula que pueden constituirse en elementos útiles si se los sabe utilizar, pero que en otras ocasiones se transforman en elementos completamente perjudiciales.

• Hongos: Levaduras y Moho. Los microorganismos se alimentan de hidratos de carbono, grasas, albúmina, contenidos en los alimentos, cuyo metabolismo produce modificaciones desagradables en los alimentos. Los frutos son atacados preferentemente por mohos, mientras que las carnes, los pescados y los huevos son deteriorados por bacterias.

Los microorganismos son agentes de fermentación, putrefacción y destrucción, esto puede ser tanto benéfico como dañino para los humanos. • inconvenienteS de loS microorganiSmoS. Su crecimiento sobre la superficie de los alimentos comestibles causa cambios químicos que alteran su sabor, olor y apariencia, si continuan durante un periodo largo, pueden hacer inservible el alimento para su consumo. Además, algunos microorganismos segregan sustancias venenosas (toxinas) que son peligrosas para la salud, causando envenenamiento, enfermedades y a veces la muerte. • funcioneS útileS de loS microorganiSmoS. Su acción destructora es indispensable para el ciclo de la vida, debido a que es necesario el deterioro y descomposición de todos los tejidos muertos para dejar paso a la nueva vida y crecimiento.

13.2.2.1 bacteriaS

!

DEfinición

bacteriaS: seres unicelulares responsables de gran parte de las enfermedades de las personas y de los animales.

Las bacterias, de la misma forma que afectan a animales y personas, alteran y atacan a los alimentos. Las bacterias necesitan humedad así como también alimentarse para desarrollar sus actividades. Casi todas las especies (excepto las esporas bacteriales) pueden destrozarse con facilidad al secarse pudiendo sucumbir en unas pocas horas. La radiación ultravioleta (luz solar directa) cuando se combina con un proceso de secado, proporciona un excelente medio para controlar el crecimiento de las bacterias.

Las sustancias antibacterianas son capaces de luchar contra las bacterias; dichas sustancias tienen fundamentalmente dos orígenes: • tiPo químico (deSinfectanteS y antiSéPticoS). El antiséptico se aplica sobre un organismo vivo, pudiendo ser su acción de tipo exterior o interior. Su acción se realiza sobre las bacterias, pero no afecta a los organismos sobre los que actúa. El desinfectante actúa exclusivamente sobre las bacterias que se hallen en las partes exteriores al organismo vivo (se utilizan en locales o en partes externas de los alimentos). Tienen una acción higienizadora o preventiva. Una cámara frigorífica, para desinfectarse bien, debe estar un cierto tiempo sin producir frío. • origen biológico (antibióticoS). Los antibióticos son derivados de ciertas especies de hongos y pueden también usarse como desinfectantes. Son capaces de mejorar la conservación de la carne y el pescado alargando su duración, inyectando los antibióticos en los animales antes de su sacrificio, con lo que se consigue que se distribuyan por toda su masa muscular. La temperatura óptima para casi todas las bacterias está entre 24 ºC y 38 ºC. Mediante la aplicación de un choque térmico por encima de 100 ºC, no solo se impide el desarrollo de las bacterias, sino que se eliminan definitivamente. Debido a que el calor afecta a la estructura de

los alimentos, este procedimiento solo es aplicable en determinados casos (conservas en lata). El frío, por el contrario, no esteriliza los alimentos, es decir, no suprime la capacidad vital. Los gérmenes que existían seguirán existiendo pero sin facultad de desarrollo, quedando aletargados mientras se mantiene el frío. Las bacterias son necesarias en el procesamiento de ciertos alimentos fermentados y de otros artículos. Por ejemplo, son las responsables de la fermentación del ácido láctico necesario en el procesamiento de escabeches, aceitunas, café, y de ciertos productos obtenidos de la leche (mantequilla, queso, suero de la leche y yogurt), y de la fermentación del ácido acético necesario para la producción de vinagre y de varios alcoholes. La acción bacterial es también útil en el procesamiento de otros artículos tales como cuero, linos, cáñamo y tabaco, y en el tratamiento de desperdicios industriales de composición orgánica.

13.2.2.2 levaduraS

!

o eSPumaS

DEfinición

Al igual que con las bacterias, las levaduras son agentes de fermentación y deterioro.

levaduraS: plantas simples de una única célula, de la familia de los hongos.

Como las bacterias, las levaduras requieren de aire, alimento y humedad para su crecimiento. Las levaduras son sensibles a la temperatura, prefiriéndolas moderadas. En general, las levaduras no son resistentes a condiciones desfavorables como lo son bacterias. Las esporas de levadura, al igual que las de bacterias sí son resistentes y pueden soportar durante largos periodos condiciones adversas. Las levaduras transforman los azúcares en alcohol y dióxido de carbono. Aun cuando son destructivas con los alimentos frescos (frutas y granos), la fermentación alcohólica producida por la levadura es esencial en las industrias panificadora, cervecera y vinatera.

13.2.2.3 mohoS

!

DEfinición

Los mohos son de estructura más complicada que la de las bacterias y levaduras.

Aunque los mohos son menos resistentes que las bacterias a temperaturas altas, son más tolerantes a temperaturas bajas, crecen libremente a temperaturas próximas al punto de congelación del agua. El crecimiento del moho es inhibido por temperaturas menores a 0 ºC; le afecta más la carencia de humedad libre que la baja temperatura. El crecimiento de todos los mohos cesa con temperaturas inferiores a -12 ºC. mohoS: plantas simples de una única célula, de la familia de los hongos.

Las condiciones interiores de las cámaras frigoríficas de almacenamiento son apropiadas para el crecimiento del moho, en especial en la temporada de invierno. Este problema puede resolverse manteniendo una buena circulación de aire en la cámara.

13.2.3 deSarrolloS

bacteriológicoS

! El

moho

El

ProcEsAmiEnto

dE

dE

quEsos

lA

Es

y

dE

En

muchA

utilidAd

ciErtos

En

tiPos

Producción

dE

Antibióticos tAlEs como lA PEnicilinA.

Para la duración y conservación de los productos que se desee refrigerar mediante técnicas frigoríficas, se deben cumplir tres reglas fundamentales:

1.

Los productos deben estar inicialmente en estado sano. Se deben vigilar las condiciones higiénicas de todo el proceso de almacenamiento, manipulación, etc.

2.

La refrigeración debe ser adecuada y precoz, y mantener la temperatura constante.

3.

Hay que mantener de forma continuada la “cadena del frío” desde el origen hasta el final de la conservación.

En el caso de las carnes, las troceadas tienen un mayor riesgo de contaminación que las carnes en canal (piezas grandes), ya que la relación “superficie exterior/volumen” de las piezas es mayor en las primeras. El tiempo de conservación de la carne depende de la temperatura de almacenamiento (ver tabla): Intervalo de temperatura 20 ºC a 25 ºC 10 ºC a 15 ºC 5 ºC 0 ºC

Tiempo de conservación 2 4 8 12

a a a a

3 días 5 días 9 días 13 días

El desarrollo bacteriológico aumenta con la temperatura, sobre todo por encima de los 4 ºC, lo que conlleva a putrefacciones superficiales que echan a perder el producto. Por ejemplo, la temperatura mínima de crecimiento de la salmonella oscila entre 6 ºC y 8 ºC.

13.3 conServación

mediante refrigeración

volver

La temperatura adecuada para conservar adecuadamente los alimentos depende del tipo de producto almacenado y del periodo de tiempo que deben estar almacenados. Los productos alimenticios, para fines de conservación, se pueden agrupar en: • ProductoS vivoS, en el tiemPo de diStribución y almacenamiento (frutaS y vegetaleS). Presentan una protección contra la invasión de microbios. El problema de su conservación es el de mantenerlos con vida y retardar la actividad enzimática natural a fin de retrasar la rapidez de la maduración. Los vegetales y las frutas, antes de la cosecha, han recibido un suministro continuo de alimento de la misma planta. Después de la recolección, siguen teniendo mucha vida debido a que tienen almacenado algo de alimento. El objetivo que se pretende refrigerando estos productos es detener el proceso de vida retardando la actividad enzimática. • ProductoS Sin vida (carne, aveS de corral y PeScado). Son mucho más susceptibles a la contaminación y destrucción microbiana, requiriendo un método de conservación más riguroso. El problema de su conservación consiste en proteger al tejido muerto contra las fuerzas de putrefacción y deterioro, tanto enzimáticas como microbiales. El principal factor que limita el tiempo de almacenamiento de los productos animales, tanto en estado congelado o no congelado, es la rancidez. La rancidez se debe a la oxigenación de la grasa animal. El tiempo de almacenamiento depende en gran medida de la descomposición de la grasa. La grasa de res es más estable que la de puerco o pescado, por lo que su tiempo de almacenamiento es considerablemente mayor.

13.4 congelación

volver

Los alimentos congelados deben consumirse inmediatamente después de su descongelación, ya que las enzimas y microorganismos no son destruidos por la baja temperatura. La temperatura a la que empieza la congelación depende del contenido en sales, azúcar y ácidos de los líquidos celulares. Está comprendida entre -1 ºC y -3 ºC, para la mayor parte de carnes y pescados, siendo algo superior para frutas y verduras. En los alimentos, al igual que en las soluciones salinas, cuando se alcanza el punto de congelación del agua solo se solidifica parte de ella. El líquido que permanece sin congelar se enriquece en sustancias, produciéndose un descenso en el punto de congelación.

En el tejido conjuntivo de la carne se desarrollan los primeros cristales de hielo. En la congelación lenta, el agua sale de las células y se solidifica en los espacios intercelulares en grandes cristales de hielo, que dañan las células. Posteriormente, cuando se descongela, el fluido sale al exterior arrastrando parte del sabor, color y aroma de los alimentos.

Célula

Cristales de hielo

CONGELACIÓN RÁPIDA

CONGELACIÓN LENTA

En la congelación rápida, la formación de hielo se inicia igualmente en los espacios intercelulares, pero difunde tan lentamente el agua que no puede alcanzarse el estado de equilibrio sin formación de hielo en el interior de las células. A partir de la misma cantidad de agua se forma un número mucho mayor de cristales de hielo, sustancialmente más pequeños, que se distribuyen casi uniformemente por todo el tejido. Cristales pequeños y numerosos

13.5 criogenia

!

DEfinición

criogenia: física de la baja temperatura, estudia el comportamiento de los materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Cristales grandes y poco numerosos

volver En términos prácticos, la criogenia representa el uso de gases con muy bajo punto de ebullición. Los gases empleados para los procesos de congelación criogénica de alimentos son el nitrógeno líquido (LIN) y el dióxido de carbono líquido (CO2). Ambos son incoloros e insípidos, pudiendo ser pulverizados directamente sobre los alimentos sin efectos adversos de contaminación para los mismos.

El nitrógeno se obtiene en forma líquida a presión atmosférica a una temperatura de -196 ºC. Para que se mantenga a baja temperatura y en forma líquida se almacena en un depósito aislado térmicamente al vacío y a bajas presiones que oscilan entre 2 bar y 6 bar con sus correspondientes puntos de vaporización de -190 ºC a -177 ºC. El nitrógeno líquido al vaporizar y transformarse en gas absorbe 198 kJ/kg de calor latente. Este gas liberado en el cambio de estado a -196 ºC se calentará en contacto con el medio hasta una temperatura determinada absorbiendo una cantidad de calor sensible. Si se aprovecha el gas frío hasta una temperatura de -18 ºC, el calor sensible sería de 180 kJ/kg. Por tanto, 1 kg de nitrógeno líquido es capaz de liberar 378 kJ. El CO2 en forma líquida se almacena en recipientes a presión entre 15 bar y 20 bar. Su temperatura de vaporización a presión atmosférica es de -78,5 ºC. El calor absorbido por 1 kg de CO2 líquido al cambiar de estado es de 280 kJ/kg y de 45 kJ/kg al pasar de gas frío a -78,5 ºC a gas a -18ºC. Por tanto, 1 kg de CO2 líquido es capaz de liberar 325 kJ. La congelación criogénica (ultracongelación) de alimentos se realiza principalmente mediante nitrógeno líquido, debido a su gran capacidad frigorífica y su inocuidad, que permite utilizarlo en cualquier proceso, ya que no reacciona, debido a que es un gas inerte. La congelación criogénica se caracteriza por ser un sistema que ofrece una congelación ultrarrápida, permitiendo alcanzar las bajas temperaturas que reducen o eliminan la actividad microbiana o enzimática que degradan los alimentos en menor tiempo. Además, al aumentar la velocidad de congelación, se observa un menor deterioro en la estructura del alimento al incrementar el número de cristales y disminuir su tamaño.

13.6 liofilización

!

volver

DEfinición

liofilización: forma de secado en la que se congela previamente el producto húmedo y se provoca que el hielo sublime directamente a fase vapor, en condiciones de vacío (baja presión), extrayendo dicho vapor sin permitir su fusión.

Cuanto menor es la temperatura de conservación, menores son los fenómenos de fusión del hielo y menor es la influencia del agua. Si la “cadena del hielo” se rompe y se varía, congelando y descongelando los productos, éstos se deterioran con mucha facilidad. Si somos capaces de eliminar el agua de manera adecuada para que no influya en los productos, conseguiremos mantener éstos sin alteración durante un tiempo prácticamente ilimitado.

!

congElAr ⇒ sEcAr

Presión (mbar) Líquido 1.013 Sólido 6,103

Triple punto

Por sublimAción

consErvAr

⇒

⇒

hidrAtAr

PArA consumir

La ventaja de la liofilización es que el producto mantiene su valor nutritivo (conserva proteínas, vitaminas, etc.) en mucho menor peso (10% del producto original), y tiene una larga vida. La desventaja es el elevado coste del equipo y su funcionamiento, y la lentitud del proceso.

La liofilización se aplica en la industria farmacéutica (antibióticos, sueros, vacunas, en formas inyectables o bebibles 0,0098 100 T (ºC) previamente rehidratadas a partir de los polvos) y en la industria alimentaria (cafés, zumos, sopas preparadas, pescados, verduras). El proceso de la liofilización presenta cuatro etapas: Gas

1.

Preparación. Los productos deben estar limpios y troceados a un tamaño que presente la mayor superficie y tenga el mínimo espesor, para facilitar la transmisión del calor y la salida del vapor de agua. Los pescados y carnes se cortan en filetes de poco espesor. Las frutas se cortan en rodajas (plátanos) o se trituran.

2.

Congelación. Las temperaturas finales de congelación dependen de cada producto (-20 ºC y -70 ºC). La congelación debe ser rápida para evitar la formación de cristales de hielo de excesivo tamaño y evitar que queden líquidos intersticiales sin congelar, ya que al sublimar entrarían en ebullición, estropeando el producto.

3. Secado. Se realiza en dos fases: a) Sublimación (secado primario): eliminar el hielo del producto a una temperatura por debajo del punto de congelación; b) Deserción (secado secundario): mediante calor a 45-75 ºC, hasta conseguir una humedad inferior al 2%; este proceso de extracción puede realizarse al vacío. 4.

Envasado y conservación. Los envases son herméticos para que no permitan la entrada de aire que siempre contiene humedad que deterioraría el producto.

13.7 tratamiento

frigorífico de carneS

volver

Las variedades más frecuentes de carne en un matadero frigorífico son el ganado bovino, porcino y ovino. El cerdo tiene una capa de grasa mayor que las carnes de bovinos y ovinos, con

lo que las condiciones del aire de enfriamiento variarán sensiblemente. Después del sacrificio, es necesario refrigerar las carnes para evitar su putrefacción debida a la interrupción de la circulación sanguínea, con lo que, los tejidos dejan de recibir oxígeno y las bacterias anaerobias empiezan a desarrollarse. Al cabo de unas 8 horas después del sacrificio, los tejidos quedan sin defensas contra la acción de las bacterias, traduciéndose en una rápida putrefacción de la carne. Una refrigeración precoz permite asegurar una buena calidad de la carne. La refrigeración consiste en disminuir la temperatura de la carne hasta un nivel ligeramente por encima del punto de congelación (unos -0,4 ºC), en la que el agua de constitución se mantiene líquida. El procedimiento consiste en realizar un oreo rápido en una o varias etapas. La temperatura normal de conservación de las carnes de buey, ternera, cerdo, etc., oscila entre +2 ºC y +4 ºC, siendo el límite comercial de esta conservación de 2 a 3 semanas. La humedad relativa depende de la variedad de la carne, mayor en el cerdo (90%) y menor en bovinos y ovinos (del orden del 85%). Para su congelación, las carnes pasan de 18 a 24 horas en una cámara de preenfriamiento a una temperatura de 0 ºC a -1 ºC, introduciéndose luego en cámaras de congelación desde -10 ºC a -25 ºC. El tiempo de duración de la congelación a base de serpentines enfriadores con circulación natural (congelación lenta), sin aire forzado, es el siguiente: Carne de buey (-15 ºC a -20 ºC)

3 a 4 días

Carne de cordero (-12 ºC a -15 ºC)

2 a 3 días

Carne de cerdo (-8 ºC a -10 ºC)

3 a 4 días

La congelación rápida de la carne que haya permanecido a -1 ºC en la cámara fría, se obtiene en 20/22 horas en un túnel recorrido por una fuerte corriente de aire a -25 ºC. La evaporación comprobada durante la operación de congelación arrastra una pérdida de peso bastante apreciable, que varía del 1,5% al 3%. Las temperaturas de conservación de la carne congelada deben hallarse dentro de los siguientes límites: Conservación de poca duración

-6 ºC a -7 ºC

Conservación de larga duración

-9 ºC a -18 ºC

La salida y transporte de la carne congelada debe efectuarse tomando precauciones para evitar la descongelación, aun la superficial, y antes de entregarla al consumo será preciso proceder a la descongelación. El tiempo de descongelación será de 3 a 4 días, pasados los cuales es preferible mantener la carne a una temperatura de 2 ºC a 4 ºC para permitir su maduración, que no se ha desarrollado en el curso de la congelación y conservación.

!

Después de realizado el oreo rápido, la carne puede tomar distintos cambios:

a. Destino a la venta inmediata, con distribución a los comercios destinatarios. b. Despiece en las salas adecuadas a tal fin. c. Conservación en cámaras para su posterior distribución y comercialización.

En cuanto al despiece, se procede a trocearla, cortándolas en lonjas (bistecs) o por piezas elementales, separando las partes mejores, empaquetándolas en bandejas transparentes. Los residuos o partes no tan vistosas se transforman en carnes picadas o para los embutidos. Estas operaciones se realizan a unos 12 ºC con poco movimiento de aire. Un aspecto importante en la refrigeración es la necesidad de una buena circulación del aire

entre las carnes y por tanto una separación adecuada de las mismas en la cámara. Una cámara excesivamente cargada disminuiría la velocidad de refrigeración. Esto define lo que se llama densidad de carga o de estiba (en otros productos). En las cámaras de conservación (almacenamiento) para carne congelada, las densidades de carga pueden ser mayores que en las cámaras de carne refrigerada, ya que las necesidades frigoríficas asociadas a la circulación del aire disminuyen. Los valores más usuales se dan en la tabla siguiente: Conservación de carne refrigerada

Conservación de carne congelada

Carne de buey colgada

300 a 350 kg/m

Carne de buey

400 a 500 kg/m2

Carne de cordero colgada

150 a 200 kg/m2

Carne de cordero

400 a 500 kg/m2

Carne de cerdo colgada

300 a 350 kg/m2

Carne de cerdo

350 a 500 kg/m2

13.8 Secadero

2

de embutidoS

13.8.1 condicioneS

volver

de temPeratura y humedad relativa

Los secaderos son locales cerrados donde se dispone de un acondicionamiento de aire a la temperatura y humedad relativa más adecuados. Temperatura óptima en el secadero

+12 ºC a +14 ºC

Humedad relativa

75%

Pérdida de agua durante la evaporación

25% a 30% de la carga

Duración del tratamiento

20 a 25 días

El acondicionamiento de aire a la temperatura y humedad exigidas se consigue con la combinación de un sistema frigorífico y otro de calefacción. El aire enfriado a +8 ºC en el frigorífico, al pasar por un aerotermo se calienta a +12 ºC y se rebaja su humedad relativa. La carga de embutidos durante el secado se calcula en 30 kg/m2 a 50 kg/m2. Uno de los factores más importantes en un secadero es la distribución de aire, ya que de la misma depende el que se obtenga un secado homogéneo en todo el producto, y por tanto una mercancía con una excelente calidad final. No conviene fuertes corrientes de aire, que activan la desecación de los embutidos sin darle tiempo para su maduración.

13.8.2 elaboración

del jamón curado

Antes del curado del jamón existe una fase de preparación (selección de las piezas, contenido graso, etc.) y otra de salazonado que tiene una duración aproximada de 17/20 días por kg de peso, a una temperatura de +4 ºC y una humedad relativa entre un 85% y un 95%. En el curado del jamón existen tres fases, que son:

Post-salado (30/45 días)

Temperatura: +2 ºC a +4 ºC Humedad relativa: 80% a 85% Merma: 7% a 9%

Secado (30/45 días)

Temperatura: +13 ºC a +14 ºC Humedad relativa: 75% a 80% Merma: 10% a 12%

Estufaje (10/15 días)

Temperatura: +28 ºC a +35 ºC Humedad relativa: 60% a 70% Merma: 3%

13.9 tratamiento

frigorífico de la carne de aveS

volver

13.9.1 refrigeración Las canales se enfrían por inmersión en tanques que contienen hielo picado o agua fría sin hielo, por aspersión de agua fría o por circulación de aire frío.

! En EuroPA

sE utilizA El EnFriAmiEnto húmEdo PArA

lA congElAción dE AvEs y El EnFriAmiEnto con AirE

• refrigeración Por hielo Picado. Las canales se PArA lA rEFrigErAción. En nortEAméricA cAsi todAs mantienen en los tanques durante 4-24 horas, lAs AvEs sE EnFríAn Por métodos húmEdos. tiempo durante el cual las bacterias pueden multiplicarse sobre las canales y en el agua. El enfriamiento en baño de hielo en tanques estáticos ha sido reemplazado por otros métodos de enfriamiento de pollos, aunque todavía se utiliza en el enfriamiento final de pavos. • refrigeración Por inmerSión. Las canales se sumergen y agitan en agua con ayuda de agitadores mecánicos haciéndolas pasar a través de uno o más tanques. La temperatura de las canales, que al principio es de 30 ºC, se reduce hasta unos 4 ºC a 6 ºC. Para que la temperatura del refrigerante (de 0 ºC a 2 ºC) permanezca invariable, una máquina instalada al lado del refrigerador le suministra hielo continuamente, entre 0,5 kg y 1 kg de hielo por kg de ave. El agua templada consumida, decanta por el borde del tanque. La refrigeración en agua no solo contrarresta las pérdidas de peso, sino que por el contrario provoca la adsorción de agua en la superficie de las canales. La cantidad de agua adsorbida aumenta con el tiempo de permanencia de las canales en el agua. Temperaturas altas y el movimiento forzado del agua son también causa de mayor adsorción. El aumento de peso de las aves acuáticas es menor (2,5%) que las aves de gallinero (4%), debido a que las primeras presentan una capa de tejido adiposo bajo la piel. • refrigeración Por aSPerSión o Pulverización de agua helada. Las canales colgadas de la cadena de transporte pasan por un túnel donde son pulverizadas con agua a 0 ºC. Su temperatura baja a 4 a 6 ºC en unos 35 minutos. El lavado y la refrigeración resultan más satisfactorios, pero la adsorción de agua queda muy reducida. Como la refrigeración por pulverización va unida a un consumo considerable de agua, lo cual puede acarrear dificultades a los grandes mataderos para preparar y enfriar a 0 ºC el volumen necesario de agua, se puede combinar este método con el de la refrigeración por aire. En tal caso, las canales se enfrían primero hasta una temperatura de unos 18 ºC mediante pulverización con agua a 10-12 ºC, y a continuación hasta 5 ºC en el túnel de aire. • refrigeración con aire frío. Este sistema puede emplearse también como método único, es decir, sin combinarlo con el de las pulverizaciones. En la refrigeración por aire falta el efecto de limpieza y por eso existe el peligro de desecación de las canales, las cuales adquirirían así muy mal aspecto y sufrirían, por tanto, una merma de calidad. Como la refrigeración por corriente de aire frío dura más tiempo que la realizada por inmersión en agua, es preciso desecar primero la superficie interna y externa de las canales, que están húmedas a causa del lavado, a fin de impedir en lo posible el desarrollo de gérmenes. Por tanto, una instalación de refrigeración por aire consta de dos secciones, una de desecación y otra de enfriamiento. En la primera, el aire es más frío y seco (50% de humedad relativa) para provocar la evaporación de la humedad de las canales en 15 a 20 minutos. En la segunda, el aire se encuentra a una temperatura entre -1 ºC y -8 ºC, con una humedad relativa del 90-95%. Se reduce la temperatura de las canales hasta 0 ºC a 4 ºC. La duración de la refrigeración oscila entre 40 minutos y 12 horas.

13.9.2 congelación Mientras que la carne de ave refrigerada tiene una vida útil de unos 12 días, la carne de ave congelada a unos -18 ºC no se deteriora en absoluto a consecuencia de la actividad bacteriana.

La congelación puede hacerse por exposición en túneles o cámaras con una corriente de aire frío, por inmersión en una salmuera fría, por exposición a gases licuados (nitrógeno o CO2), por contacto con placas frías o por combinaciones de estos métodos. La velocidad a la que se produce el descenso de temperatura (de 0 ºC a -5 ºC) en la carne tiene gran importancia para la calidad del producto. De ella depende el tamaño de los cristales de hielo que se forman en los tejidos. En este intervalo, se congela el 75% del agua presente en ella y se forman también los mayores cristales de hielo dentro del tejido muscular. Por tanto, es necesario abreviar todo lo posible este tiempo, sobre todo entre la temperatura de -1,5 ºC (punto de congelación de la carne) y la de -5 ºC. • congelación Por corriente de aire. El método tradicional consiste en congelar en un túnel de corriente de aire las canales depositadas en cajones. Los tiempos de congelación varían entre 24 y 72 horas, según la especie de ave y las condiciones de congelación. La temperatura del aire en la congelación de canales de aves oscila entre -30 ºC y -50 ºC, y su velocidad de 3 a 16 m/s. A una temperatura de -35 ºC, se logra la congelación de un pollo de tamaño medio, en aire a baja velocidad, en 6 horas. Si se mueve el aire a unos 3 m/s, se logra el mismo efecto en 3 horas. A una temperatura de -25 ºC, se duplican los tiempos.

! si

sE

utilizAn

cAjAs

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conviEnE quE tEngAn PErForAcionEs.

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sE quitA lA tAPA dE lAs cAjAs, El

tiEmPo dE congElAción PuEdE rEducirsE muy biEn cAsi A lA mitAd.

• congelación Por inmerSión en líquidoS. La congelación de las canales se realiza con un líquido que no se congela a las temperaturas utilizadas para congelar las aves y que, a la vez, resulta inocuo para el producto (posibilidad de contacto directo) y las instalaciones (no corroe las partes metálicas). En la práctica se utilizan como baños o pulverizados soluciones acuosas de sales (NaCl, CaCl2) o bien compuestos orgánicos (propilenglicol, alcohol metílico). Las soluciones salinas proporcionan mejores condiciones para la transmisión térmica, especialmente a bajas temperaturas; sin embargo, son más corrosivas que los compuestos orgánicos. Las canales deben estar empaquetadas en una envoltura resistente e impermeable. Estas canales se sumergen en un extremo del tanque, y la corriente del líquido las transporta lentamente hacia el otro extremo. Los paquetes congelados se lavan después con agua y se comprueba si la solución ha penetrado en alguno de ellos.

13.9.3 almacenamiento

de laS canaleS

Si el consumo tiene lugar dentro de los 3 ó 4 días siguientes a la preparación de las aves, la temperatura podrá mantenerse a unos +4 ºC. Para una conservación más larga (2 ó 3 semanas), la temperatura debe bajarse de 0 ºC a -1 ºC. El almacenamiento de las aves congeladas debe realizarse en cámaras a temperaturas que oscilan de -20 ºC a -30 ºC. El tiempo de almacenamiento depende de la temperatura a la que se encuentre la cámara frigorífica (ver tabla). Temperatura de almacenamiento

Tiempo de almacenamiento

-10 ºC

6 meses

-15 ºC

12 meses

-20 ºC

15 meses

-30 ºC

18 meses

! lA

humEdAd rElAtivA idEAl Es dEl

unA

humEdAd

FAvorEcE humEdAd

El

rElAtivA

más

EnmohEcimiEnto

rElAtivA

más

bAjA

90%;

ElEvAdA y

ActivA

unA lA

dEsEcAción.

13.10 tratamiento

Los periodos largos de conservación de los productos ultracongelados exigen no solo temperaturas bajas constantes, sino también una mercancía de buena calidad y, sobre todo, un empaquetado adecuado y sin defectos.

frigorífico de PeScadoS

volver

13.10.1 refrigeración El pescado es un animal de sangre fría que está adaptado a la temperatura de su hábitat (el océano), donde son frecuentes temperaturas de 5 ºC, e incluso inferiores en aguas profundas. Solo las aguas superficiales o tropicales tienen temperaturas más altas. Esto significa que su flora bacteriana (causante del deterioro) tiene también su óptimo desarrollo a esas temperaturas. Lo mismo ocurre con la actividad enzimática. Es importante mantener el pescado a temperaturas muy bajas lo antes posible. A partir de 5 ºC, por cada grado menos que se mantenga un pescado, se incrementa en un 10% su tiempo de conservación útil. Para la conservación del pescado en unas condiciones de frescura y dureza se aconseja una temperatura de 0 ºC a -1 ºC con una humedad relativa del 90%. En estas condiciones el pescado se conserva durante 15 ó 20 días con una presentación agradable. Para el cálculo de la densidad de estiba (almacenaje) se considera de 350 a 400 kg/m3. Para este tipo de cámaras de humedad relativa alta, se deben instalar desagües suficientes y disponer de equipos que permitan una fácil limpieza. Las paredes y suelos deben ser de material impermeable con esquinas de cantos redondeados. Son instalaciones en las que se circula con botas de agua ya que el suelo, sin llegar a un encharcado continuo, está permanentemente mojado por lo que también debe ser antideslizante.

13.10.2 congelación Es importante la velocidad de congelación de la que depende la dimensión de los cristales de hielo que se forman en los tejidos como consecuencia de la cristalización del agua de constitución. Cuanto más grandes sean estos cristales más se producirán roturas de la membrana celular que trae consigo la descongelación. Se utilizan dos sistemas para la congelación de pescados: congelación seca (en atmósfera enfriada) y congelación húmeda (congelación en salmuera). • congelación Seca. La congelación seca se obtiene sometiendo al pescado a corrientes de aire frío a una velocidad de 2 a 3 m/s, y a una temperatura entre -15 ºC y -30 ºC. En estas condiciones se produce una desecación del pescado que puede llegar al 8% del peso inicial. La humedad relativa debe mantenerse entre el 90 y el 95%. • congelación

húmeda.

La congelación húmeda puede efectuarse de tres maneras:

a. Por contacto directo con la salmuera (a -20 ºC) en movimiento dentro de recipientes de metal perforados. b. Por contacto indirecto con la salmuera (entre -25 ºC y -40 ºC), colocando el pescado en recipientes cerrados. c. Por lluvia de salmuera nebulizada (a -20 ºC) finamente atomizada.

13.11 tratamiento

frigorífico de huevoS

volver

13.11.1 refrigeración Debido a la producción continua de huevos, las oscilaciones de producción de unas épocas a otras no son mayores del 10%; esto da lugar a que la mayoría de los huevos se consuman frescos y sin apenas tiempo de almacenaje. Sin embargo, siempre existen stocks (sobre todo con destino a la industria) que requieren un tratamiento frigorífico. Para obtener una conservación óptima, se recomiendan temperaturas de +0,5 ºC a +3 ºC, con una humedad relativa del 82%. Existe la tendencia de bajar la temperatura hasta -0,5 ºC, aunque resulta peligroso debido a que está próxima a la de congelación del huevo (-0,6 ºC). En estas condiciones, se pueden conservar los huevos durante 5 ó 6 meses. Después de este tiempo, los huevos no pueden consumirse pasados por agua, pero sí en tortilla, prolongándose entonces el almacenamiento hasta 8 a 10 meses. El problema del huevo, aparte de la rotura por su fragilidad, está en la permeabilidad de su cáscara, que permite la entrada de microorganismos, sobre todo de mohos, con mucha facilidad. A medida que la humedad relativa aumenta, la posibilidad de contaminación aumenta también, por lo que se recomienda una humedad relativa inferior al 90%. Pero, a medida que la humedad relativa disminuye, las pérdidas de masa (peso) aumentan. Humedad relativa

Pérdidas de peso

95%

0,17%

90%

0,28%

80%

0,42%

El lavado del huevo para su limpieza está prohibido, salvo en el momento previo al uso, porque al arrastrar la capa externa, mucilaginosa, elimina una película protectora. En cambio, un procedimiento útil es el aceitado, parafinado o recubrimiento con una solución cálcica para mejorar la impermeabilización. Con ello se pueden utilizar humedades relativas más bajas (80%), con lo que la proliferación de mohos queda resuelta y las pérdidas de peso no se producen. El aceitado o el parafinado deben ser inmediatos a la puesta. Para el cálculo de refrigeración de estas cámaras, el promedio de peso de una docena de huevos es de 700 gramos. Se calculan de 10 a 13 cajas de 30 docenas por metro cúbico de volumen (300 docenas/m3), es decir, alrededor de 230 kg/m3 a 250 kg/m3.

13.11.2 congelación El huevo se congela líquido, sin cáscara (claras, yemas o claras y yemas mezcladas), lo que permite el aprovechamiento de huevos defectuosos en cuanto a su forma o tamaños no comerciales. El aprovechamiento del huevo roto o rajado es problemático debido a que la contaminación es muy fácil y muy grave. Las instalaciones de congelación hacen que el huevo pase por diversas manipulaciones, como se detalla en la tabla siguiente: Recepción

10 ºC a 12 ºC

Miraje (separar los que presenten fisuras)

-

Enfriamiento previo

0 ºC

Lavado (eliminación de gérmenes)

-

Cascado (separación de claras y yemas)

10 ºC a 12 ºC

Pasteurizado

60 ºC a 63 ºC

Envasado (en bidones de metal)

10 ºC a 12 ºC

Congelación (en túnel)

-30 ºC a -40 ºC

Almacenamiento (hasta 1 año)

-18 ºC

13.12 tratamiento

frigorífico de ProductoS lácteoS

volver

13.12.1 leche La recogida de la leche se hace a temperaturas de unos 37 ºC a 38 ºC. Para evitar que los gérmenes, que están siempre presentes, se multipliquen, la temperatura de la leche debe bajarse hasta unos 3 ºC a 5 ºC. Se deben alcanzar los 10 ºC dentro de la primera hora siguiente al ordeño, y los 4 ºC dentro de la segunda. Posteriormente, lo ideal es mantener la temperatura de la leche entre los 0 ºC a 2 ºC. Los centros manipuladores de la leche pueden ser centrales lecheras o industrias elaboradoras de derivados (yogures, quesos, mantequillas, etc.). La legislación española (y la europea) exige que la leche se suministre al consumidor en envases unitarios (unidades de consumo) y con la garantía higiénico-sanitaria y de calidad que precisa de un tratamiento (pasteurización, esterilización). Normalmente a su llegada a la central, se procede a un enfriamiento rápido de la leche, para pasarla inmediatamente a depósitos más o menos individualizados. Este enfriamiento suele realizarse a través de intercambiadores de calor (sistemas cerrados), que garanticen el menor contacto con el medio externo, para evitar que la leche se contamine. Tras el tratamiento térmico que sufre la leche, interesa un enfriamiento rápido, que va a ir seguido del envasado; posteriormente, el frío puede o no ser necesario. Cuando la leche se esteriliza, no precisa que se use del frío para su conservación. La esterilización mata todo tipo de germen presente, garantizando a temperatura ambiente una relativamente larga conservación del producto. Cuando se trata de leches pasteurizadas, que por su mayor valor nutricional y sabor más natural acostumbran a tener cada vez mayor demanda, el frío es absolutamente necesario. Esto es así, porque la pasteurización es una higienización a no muy alta temperatura durante un tiempo más o menos largo, que únicamente debilita a los posibles gérmenes presentes evitando una multiplicación, pero que no puede ser garantizada más allá de 3-4 días.

13.12.2 queSo Uno de los destinos de la leche es la fabricación de derivados y uno de los más importantes es el queso. Para su elaboración se ha de partir de una leche pura o descremada, según los tipos, exenta de posibles contaminaciones medicamentosas (antibióticos) o de naturaleza extraña (pesticidas). Es muy importante este aspecto selectivo de la leche porque el abuso de antibióticos en la alimentación de las vacas ha dado lugar a tremendas irregularidades en la elaboración de quesos. Estos antibióticos bloquean los procesos fermentativos y dan lugar a una falta de cuajada o cuajadas irregulares y anormales. El queso es el resultado de un proceso de fermentación. El fermento “lab” o “cuajo” actúa dentro de unos márgenes de temperatura comprendidos entre 20 ºC y 60 ºC, estableciéndose su óptimo en 40 ºC. La elaboración de un queso requiere toda una serie de procesos: cuajado, desuero, salado, secado, maduración, mantenimiento. Si bien la coagulación y desuero tienen lugar a temperaturas más bien altas, el papel de la refrigeración llega cuando se procede a la maduración, que suele precisar de temperaturas entre 5 ºC a 10 ºC para los quesos de pasta blanda, y entre 12 ºC a 18 ºC para los quesos de pasta dura.

El mantenimiento debe cumplir los requisitos de conservar y limitar las pérdidas de peso. Una humedad relativa alta favorece el desarrollo de mohos, en algunos casos interesantes, al menos durante el proceso de maduración, pero indeseables durante la conservación. Por el contrario, una humedad relativa baja aumenta la pérdida de masa. Para los quesos frescos y blandos, la temperatura se sitúa próxima a 0 ºC con una humedad relativa del 85% al 90%. Para los quesos fundidos y de pastas duras, la temperatura se sitúa alrededor de los 15 ºC, con una posibilidad de conservación que puede ser bastante prolongada.

13.12.3 nata La nata, otro derivado de la leche, se forma espontáneamente en una leche natural dejada en reposo y es la consecuencia de la aglutinación de los microglóbulos de grasa, que se aglomeran en unidades de mayor volumen y suben a la superficie por su menor densidad. El contenido final de la nata en materia grasa varía, desde las poco grasas con solamente un 18%, hasta las denominadas “doble nata” con cantidades superiores al 50%, obteniéndose también natas con riquezas en grasa del 80%. La nata resulta un producto fácil presa de la flora microbiana, por lo que se debe manipular y mantener con sumo cuidado, extremándose las condiciones de higiene y limpieza a través de todo su proceso de elaboración, almacenamiento y manipulaciones a que se someta; es norma obligada por ello su higienización mediante la pasteurización o esterilización. A pesar de higienizada, el enorme riesgo de contaminación exterior no permite un almacenaje prolongado si no se somete a una refrigeración inmediata a su higienización, precisándose temperaturas de congelación para una conservación prolongada, ya que temperaturas de 7 ºC a 8 ºC no pueden garantizar un tiempo útil de mantenimiento en buen estado más allá de 24 horas y a 0 ºC a 2 ºC tampoco resulta útil mantenerla más allá de 72 horas. Es por ello, que una larga conservación es solo posible si se somete a un proceso de congelación lo más rápido posible, siempre tras el proceso de higienización, consiguiéndose tiempos de conservación más prolongados cuanto más baja sea la temperatura. Temperatura de congelación

Tiempo de congelación

-18 ºC

Hasta 6 meses

-24 ºC

Hasta 12 meses

-30 ºC

Hasta 18 meses

13.12.4 mantequilla La mantequilla es una continuación de la elaboración de la nata; tras higienizar la nata y enfriarla a 6 ºC a 8 ºC, se procede a su fabricación, adicionándole unos fermentos selectivos (levaduras) que provocan una fermentación (maduración), a una temperatura de 14 ºC a 16 ºC. Puede prescindirse de la primera fase de mantenimiento (6 ºC a 8 ºC), que es simplemente una fase de espera, si inmediatamente después de la fase de higienización se entra en el proceso de fabricación. También, pueden elaborarse mantequillas dejando actuar a los fermentos por más tiempo y/o a más concentración, incluso a temperaturas algo inferiores, de unos 10 ºC a 12 ºC, con lo que se obtienen mantequillas más aromáticas. Llegada esta fase, se detiene el proceso enfriando a 7 ºC a 8 ºC, para continuar luego de nuevo mediante un batido de la masa a unos 12 ºC, en el cual ésta se disgrega en pequeños grumos del tamaño de un guisante, que van a sufrir un batido con agua helada para eliminar el suero existente y aglutinar la masa, dando lugar a lo que es la mantequilla.

Temperatura de congelación

Tiempo de congelación

0 ºC a 2 ºC

Hasta 1 mes

-18 ºC

Hasta 8 meses

-24 ºC

Hasta 12 meses

-30 ºC

Hasta 15 meses

13.12.5 yogur El yogur puede considerarse como una conserva de leche. Su origen es búlgaro y lo mismo que otras leches modificadas por fermentación ácida, su consumo está muy extendido en las zonas caucásicas, y divulgado en todo el mundo. El yogur se consigue mediante adición de gérmenes específicos entre los que se encuentran los bacilos del tipo bulgáricus que se siembran en leches enteras o descremadas, algo concentradas y se sitúan a 45 ºC con lo que su desarrollo tiene lugar, deteniéndose el proceso cuando se ha llegado al grado de acidez deseado, por enfriamiento a 5 ºC. La acidez se debe al ácido láctico. La conservación se realiza posteriormente de 2 ºC a 4 ºC por un periodo no superior a los 15 días.

13.13 tratamiento 13.13.1 faSeS

frigorífico de frutaS y verduraS

volver

de deSarrollo de laS frutaS y verduraS

! lA

PrinciPAl

cArActErísticA

dE

los vEgEtAlEs, tAnto FrutAs como vErdurAs, Es lA dE sEr AlimEntos muy PErEcEdEros.

faSe

En el desarrollo de los vegetales pueden distinguirse tres fases: el crecimiento, la maduración y la denominada senescencia (que empieza a envejecer).

de crecimiento

En la fase de crecimiento existe una gran multiplicación celular (aumento de peso y tamaño), que sigue realizándose en la maduración, enriqueciéndose de materias que le proporcionan los zumos que dan ese sabor especial a las frutas. En esta fase, al igual que en la fase de maduración, la fruta necesita una cantidad importante de agua y otros alimentos minerales, o de la luz, y que determinan el tamaño final de la misma. Las frutas constan de dos partes, una exterior (epidermis) y otra interior (pericarpio) más jugosa en general. La exterior puede ser gruesa (limón, naranja, plátano) o muy fina (pera, manzana, uva), y se comporta como una membrana celular con cierta permeabilidad. En los frutos frescos el agua está presente en una proporción del 80-90%, y en los frutos secos (avellana, almendra, etc.) es del 5% aproximadamente. Los aromas son muy importantes en las frutas desde el punto de vista comercial e industrial (extracción de esencias de frutas).

faSe

de maduración

El fruto, desde que inicia su formación hasta que madura, realiza una evolución, aumentando de tamaño gracias a las sustancias orgánicas y al agua. Es importante en este proceso el intercambio gaseoso, denominado respiración, en base a la cantidad de miligramos de dióxido de carbono (mg de CO2) que se desprende de un fruto en un tiempo dado.

Hay que distinguir el proceso respiratorio (con consumo de oxígeno), del proceso fermentativo (sin consumo de oxígeno). Una temperatura baja hace que la intensidad respiratoria se vea muy disminuida, aunque no llegue a desaparecer totalmente. Este factor crece muy rápidamente con la temperatura y puede llegar a valores muy altos cuando el fruto entra en una fase de maduración denominada periodo climatérico (ver figura).

Intensidad respiratoria

Multiplicación celular

Crecimiento celular

Fase climatérica

Tiempo

El proceso de maduración, una vez empezado ya no puede pararse, por lo que se precisa coger el fruto a punto de dar comienzo dicho periodo.

faSe

de SeneScencia

Finalmente, se produce una evolución en la tercera fase que conduce a una desintegración del producto. Los frutos pueden alcanzar la fase de senescencia cuando aún están en el árbol, o después, una vez arrancados del mismo. En esta fase se acelera la coloración y a partir de este instante el proceso de maduración ya no puede detenerse ni siquiera por un tratamiento frigorífico. Lo que sí puede hacerse es retardar el periodo climatérico, proporcionando un adecuado nivel de temperatura y una atmósfera con baja proporción de oxígeno y mayores proporciones en anhídrido carbónico.

13.13.2 congelación

de frutaS

Como en todo tratamiento frigorífico se deben tener en cuenta las premisas generales de: producto sano, frío precoz, frío continuo, temperatura constante. Se considera un producto sano el que está exento de defectos, parásitos o cualquier alteración, así como el que se encuentre en una fase de maduración óptima (fase de maduración inicial o premaduración avanzada), es decir, frutos maduros pero no blandos, en plenitud aromática, porque no avanzará su proceso evolutivo y se mantendrá tal y como lo recolectemos. En lo que respecta a la congelación, existen dos grupos de frutas: • Frutas que no se colorean después de la congelación (frambuesas, melones). Pueden congelarse en seco, directamente en sus embalajes. • Frutas que alteran su color después de la congelación (albaricoques, cerezas, fresas, melocotones, peras, manzanas, ciruelas). La congelación debe hacerse al abrigo del oxígeno del aire en presencia de un cuerpo reductor, que es normalmente el azúcar, en forma de jarabe. La mayor parte de las frutas se congelan en una solución de jarabe o almíbar a temperaturas entre -12 ºC y -15 ºC, aunque actualmente se emplean los sistemas de aire forzado a una temperatura que varía de -25 ºC a -35 ºC. Para la conservación se mantienen a temperaturas de -18 ºC, pudiendo durar fácilmente un año.

Tiempo de congelación, según temperatura (en meses) -18 ºC

-24 ºC

-30 ºC

Albaricoque (en medio azucarado)

12

18

>18

Cereza (en medio azucarado)

12

18

>18

Frambuesa

12

18

>24

Frambuesa (en medio azucarado)

18

24

>24

Fresa

12

18

>24

Fresa (en medio azucarado)

18

24

>24

Melocotón (en medio azucarado)

12

18

>24

Zumos de frutas

24

24

>24

Brócoli

15

24

>24

Cebolla

10

18

>18

Col Bruselas

15

24

>24

Coliflor

15

24

>24

Espárragos

15

24

>24

Espinacas

18

24

>24

Guisante

18

24

>24

Judía tierna

18

24

>24

Patatas fritas

24

24

24

6

12

>12

18

24

>24

8

24

>24

Pimiento Zanahoria Champiñón

Las frutas no se congelan enteras, salvo las de tamaño pequeño (ciruelas, cerezas, fresones), sino que se trocean en porciones de formas atractivas (cubo, esféricas, medias lunas) y se les añaden elementos preservadores (ácido ascórbico, ácido cítrico, azúcares).

13.13.3 congelación

de verduraS y hortalizaS

Las verduras (guisantes, judías verdes, espinacas, espárragos), antes de su congelación, se han de someter previamente a unos procesos de limpieza, pelado en algunos casos (pimientos), troceado casi siempre, selección y acondicionado general, que de ordinario se hacen mecánicamente. La congelación de verduras y hortalizas va siempre precedida de un “blanqueamiento”, inactivación de fermentos indeseables que puedan alterar los productos por modificaciones de aromas o colores (ennegrecimiento). En el caso de verduras y hortalizas consiste en un escaldado (por inmersión o al vapor), que idealmente debería realizarse a una temperatura de 80 ºC a 93 ºC, pero que de ordinario se hace más bien hacia los 100 ºC. Este escaldado mantiene el color propio de la verdura u hortaliza, hecho interesante desde el punto de vista comercial. El escaldado también se comporta en cierto modo como esterilizante. Colabora en la eliminación por disolución y arrastre con agua de sustancias endógenas indeseables (nitritos, nitratos, oxalatos y pesticidas). Facilita el posterior envasado, permitiendo un llenado de los envases más completo (sin burbujas de aire). El blanqueado supone por otra parte una pérdida de carbohidratos (una inmersión de un minuto de guisantes puede suponer una disminución de un 6-7% de la tasa de azúcares en su agua de

constitución) y vitaminas. El producto absorberá parte del agua, lo que si comercialmente puede parecer mejor por el aumento de peso que supone, va en detrimento de un buen mantenimiento porque se formarán más cristales de hielo que al dilatarse pueden deteriorar paredes celulares, más débiles porque han perdido elasticidad al haberse lisado por el calor. Al descongelar, esta agua añadida puede favorecer la polución microbiana. La fase sucesiva al blanqueo es la de un enfriamiento rápido, que evita una contaminación microbiana. Este enfriamiento puede hacerse por: inmersión en agua fría o enfriamiento por corriente de aire con agua pulverizada. El mejor sistema sería el enfriamiento por corriente de aire seco, si no fuera porque ocasiona pérdidas de peso superiores al 10%. El proceso sucesivo es el del envasado del producto en envases impermeables, que debe hacerse en “unidades de consumo” (envases orientados a ser consumidos de una sola vez), para no tener la necesidad de abrirlos y recongelarlos, o disponer el sobrante en el congelador, porque en el mejor de los casos se va a producir una desecación perjudicial. Una vez envasado (de preferencia en envases de poco diámetro), se procede a una congelación rápida, con ayuda de una rápida corriente de aire a temperaturas entre -25 ºC y -35 ºC, durante 2 a 3 horas, para efectuar después su conservación a -18 ºC. También se puede congelar en túneles de nitrógeno líquido, que conduce a una inmovilización del agua de constitución y a cristalizar en forma de cristales pequeños y muy numerosos, que no lesionan los tejidos y permiten una conservación más prolongada. Muchas legumbres (guisantes, judías verdes) se congelan de ordinario por el sistema IQF (Individual Quick Freezing), sin envasar y en cinta continua sobre lechos fluidificados en los que avanzan flotando sobre corriente de aire enfriado a muy baja temperatura, envasándose a su salida.

13.13.4 refrigeración

de frutaS y verduraS

Una característica del mundo vegetal es que conservar en su estado natural significa conservar un producto “vivo”, que sigue respirando, que sigue evolucionando biológicamente, aún separado de la planta. Los frutos maduran separados de la planta y este hecho tiene la suficiente importancia como para limitar una conservación prolongada, en la que por una parte el fruto sigue en fase de maduración y, por otra, de conservación. La dificultad de un mantenimiento a largo plazo está en que para muchos de ellos la congelación no constituye su ideal y la refrigeración tiene un carácter limitativo. Se puede consumir una carne que lleve años congelada, pero esto no se ha solucionado para el caso de los tomates o las peras. Los vegetales tienen una alta proporción de agua y la cristalización ocasiona en los frutos serios problemas. Este exceso de agua en un medio con una humedad relativa baja hace que se ceda fácilmente al medio, con el consiguiente deterioro. Además, el alto contenido en agua facilita el desarrollo de hongos. El hecho de ser elementos vivos, permite que al situarlos en condiciones de bajas temperaturas (sin llegar a las de congelación) de lugar a que los procesos biológicos resulten ralentizados y tengan lugar en un tiempo más prolongado, lo que supone un alargamiento de su vida útil. Sus reservas glucídicas duran más y se ve ampliado su periodo de conservación. Se calcula que 1 día de vida a 25 ºC equivale a 2 días a 15 ºC, a 4 días a 10 ºC, a 8 días a 4 ºC, y a 16 días a 0 ºC. Esto es, que un fruto tendrá un tiempo de conservación 16 veces mayor si la diferencia de temperatura a que se mantiene es de 25 ºC. Como la fruta suele introducirse en las cámaras a una temperatura media de 20 a 25 ºC, es conveniente que esta temperatura baje hasta 4 ºC a 8 ºC en unas 12-14 horas. En consecuencia, se precisa una gran potencia frigorífica. Asimismo, se recomienda que la densidad de estiba (almacenaje) sea más bien baja (200 a 250 kg/m3), con el fin de que el aire pueda penetrar por los huecos entre la fruta y asegurar así una buena circulación. Si se dispone de cámaras únicamente destinadas a enfriamiento, debido a que después se

debe trasladar la fruta a las cámaras de almacenaje, es preferible que sean bajas (4-5 metros), para evitar una alta paletización que dificulta el manejo. Por el contrario, en las cámaras de almacenamiento a largo plazo se preferirán las cámaras altas (hasta 9 metros), ya que se van a manejar poco y se aprovechará mejor el espacio. La fruta durante el almacenaje sigue respirando, por lo que habrá un enriquecimiento en la cámara de CO2, que hay que eliminar para evitar la asfixia de los frutos. Por otra parte expelen aromas y también en muchos casos etileno. Las precauciones elementales son las de almacenar un solo tipo de frutas en cada cámara y la de procurar una simple aireación, suficiente con abrir de vez en un ProblEmA A EvitAr Es El dE lAs PérdidAs dE cuando la puerta para comprobar el estado de lo PEso ExcEsivAs, quE ProvocAn El ArrugAmiEnto dE almacenado, con lo que la renovación de aire es lA PiEl. PArA EvitArlo, sE mAntiEnE unA humEdAd suficiente para la eliminación del exceso de CO2. rElAtivA AltA, AunquE Ello obliguE A mAntEnEr unA

!

vigilAnciA más cuidAdA quE controlE lA invAsión

dE mohos. Las temperaturas oscilan alrededor de los 0 ºC, sin graves problemas aunque se llegue a temperaturas discretamente negativas. El agua contenida en las frutas es abundante en solutos, principalmente azúcares, que soportan sin congelarse temperaturas ligeramente inferiores al punto de congelación del agua; sin embargo, no se pueden mantener temperaturas de este orden de forma continuada sin riesgos de congelación.

Sensibilidad al hielo y punto de congelación de algunas frutas y verduras Muy sensibles

Congelación (ºC)

Medianamente sensibles

Congelación (ºC)

Poco sensibles

Congelación (ºC)

Espárragos

-1,1

Manzanas

-2,2

Remolachas

-2,8

Plátanos

-1,1

Uvas

-2/-4

Zanahorias

-1,1

Judías verdes

-1,1

Peras

-2,2

Coliflores

-1,1

Pepinos

-0,5

Melocotones

-1,7

Salsifis

-1,7

Berenjenas

-1,1

Lechugas

-0,5

Espinacas

-1,1

Limones

-2,2

Cebollas

-1,1

Coles (viejas)

-0,5

Patatas

-1,7

Coles (nuevas)

-0,5

Nabos

-0,5

Tomates

-1,1

Apios

-1,1

En la tabla siguiente se indican las temperaturas, humedades relativas y tiempo de conservación de algunas frutas: Fruta

Temperatura

Humedad relativa

Tiempo

Manzanas

0 ºC a 4 ºC

85%

1 a 2 años

Peras

1 ºC a 3 ºC

85% a 90%

3 meses

Uvas

-1 ºC a 0 ºC

85%

2 a 3 meses

Naranjas

1 ºC a 3 ºC

85% a 90%

1 mes

Ciruelas

0 ºC a 0,5 ºC

90%

7 semanas

Albaricoques

0 ºC a 1 ºC

85%

2 a 3 semanas

Cerezas

-1 ºC

90%

5 semanas

Plátanos verdes

12 ºC a 13 ºC

90% a 95%

2 a 3 semanas

Plátanos maduros

13 ºC

90% a 95%

1 semana

El tratamiento de verduras y hortalizas viene a constituir un capítulo aparte. Para las frutas se ha recomendado una recolección en estado de premaduración. Esto es válido también para algún tipo de hortaliza como el tomate; pero en general las verduras y hortalizas se cosechan para almacenamiento en régimen de frío en su punto de consumo. Naturalmente que su tiempo de conservación suele ser más limitado, especialmente para las de alto contenido en agua, que muy frecuentemente llega a más del 90%. Como en el caso de las frutas, la variedad y grado de maduración influyen en los resultados de la conservación. Uno de los problemas que presentan las verduras y hortalizas es que, precisamente por ese alto contenido en agua, así como también por la relación masa-superficie, las pérdidas de agua y, por tanto de peso, son más fáciles. Por ello se requiere un alto grado de humedad en las cámaras, con el inconveniente de la proliferación de mohos. También su menor consistencia hace que resulten sensibles a la presión por amontonamiento. Las verduras, tras la recolección, se someten a un enfriamiento previo a su almacenaje (en esto no se diferencian de las frutas), pero entre los sistemas de enfriamiento específico, hay que citar tanto el hydro-cooling como el vacuum-cooling. • hydro-cooling. Consiste en la inmersión de la verdura en agua enfriada o bien un rociamiento con la misma; esta agua puede o no ser reciclada, en todo caso a través de un filtro. También, puede aplicarse a la verdura y hortaliza en forma de spray mezclado con aire, lo que supone un ahorro de agua. Con cualquiera de estos sistemas se logra un enfriamiento más rápido que con el convencional de aire forzado y, sobre todo, se limitan mucho las pérdidas de peso (incluso se puede llegar a hablar de ganancia). Es un procedimiento que puede llevarse a cabo en el punto de producción a fin de enfriar el producto rápidamente y no cuando han pasado varias horas o ha llegado a destino y se trata de un sobrante que se quiere mantener en buenas condiciones para el día siguiente. Es algo frecuente que se rieguen las verduras sobrantes de venta, pero en este caso se trata de una manipulación no autorizada ni correcta, porque se pretende una presentación comercial mejorada y no un preenfriamiento para tratamiento frigorífico ulterior. En cualquier caso deben estar envasadas correctamente (envases nuevos, limpios y no deteriorables al empaparse con agua) y si se usan envases recuperables, que sean limpios y desinfectados. • Vacuum-cooling (refrigeración Por vacío). Procedimiento en el que las verduras se someten a un vacío inmediato a la recolección. Debido a su alto contenido en agua, la evaporación de una pequeña parte de su agua produce un enfriamiento suficiente para considerarse como preenfriado útil. Es más eficaz en verduras de hoja, con alta relación superficie/masa (lechuga, escarola, acelgas, espinacas, etc.). Algunos equipos permiten el enfriado de la carga en el camión. El sistema está más divulgado en Estados Unidos que en Europa.

frutoS

troPicaleS y SubtroPicaleS en régimen de frío

El plátano se diferencia del resto de los frutos, ya que nunca puede situarse a temperaturas por debajo de 10 ºC a 12 ºC, pues sufriría alteraciones irreversibles. Tampoco se puede recoger maduro, su alteración resultaría inmediata y no soportaría el tiempo de transporte. Por el contrario, tiene la ventaja de que cogido en estado de premaduración, llega a madurar perfectamente separado de la planta. Se debe aprovechar el mayor tiempo posible en la planta a fin de que adquiera el máximo de desarrollo. Su maduración total acontece a los 120 días de la floración, pudiéndose situar el momento de recogida entre 80-100 días. Una instalación típica para madurar plátanos, debe tener 4 ó 6 cámaras independientes para escalonar la salida y programar un tiempo de maduración en cada una de ellas, lo que permitirá ofrecer todos los días plátanos maduros. Colabora a la maduración un grado de humedad lo más alto posible que se consigue con humidificadores que distribuyen agua pulverizada y también liberando determinados hidrocarburos como el etileno, en dosis mínimas (100 ppm) que se regulan fácilmente y que facilita el comercio especializado.

El aguacate, según variedades llega a tolerar temperaturas de 8 ºC y en algún caso de 5 ºC, pero las variedades de verano no soportan temperaturas por debajo de los 10 ºC a 12 ºC. Para las variedades que toleran el frío, la posibilidad de prolongación de mantenimiento en cámaras refrigeradas es mayor (puede llegarse hasta un mes). Para su maduración se recomiendan temperaturas de unos 15 ºC, pudiendo llegar hasta los 25 ºC; temperaturas superiores alteran desfavorablemente el sabor del fruto Los mangos pueden conservarse a temperaturas de 10 ºC a 12 ºC hasta 2 a 3 semanas. Las temperaturas de maduración son altas, de 18 ºC a 24 ºC. La piña, recogida antes de su maduración puede mantenerse 1 a 3 semanas a 8 ºC a 12 ºC. La fruta que va madura puede almacenarse de 7 ºC a 8 ºC.

13.13.5 uSo

de atmóSferaS eSPecialeS: atmóSfera controlada

(ac)

Las frutas desprendidas del árbol, continúan desarrollando toda una serie de procesos biológicos (respiración), que permiten precisamente recolectarla antes de su maduración y así lograr un periodo más largo de conservación. Este proceso, lleva al fruto a la maduración y, si continúa, a su destrucción a través de procesos fermentativos, algunos de los cuales se aprovechan industrialmente como en el caso de la obtención de bebidas alcohólicas. El hecho de mantenerlos en régimen de frío retarda dicho proceso, en el cual el fruto toma oxígeno (O2) de la atmósfera y expulsa dióxido de carbono (CO2): C6 H12 O6 + 6O2 = 6H2 O + 6CO2 fenómeno en el que la cantidad de CO2 asimilado es igual a la de O2 expulsado y que expresado en lo que se llama cociente respiratorio (CR) viene a ser la unidad: CO2 =1 O2 Este cociente sirve para distinguir un proceso respiratorio de uno fermentativo, en el que también intervienen el CO2 y el O2, pero según otra reacción, que da lugar a alcoholes: C6 H12 O6 = 2C2 H5 OH + 2CO2 En este caso, la glucosa (C6 H12 O6 ) da lugar a un alcohol (C2 H5 OH) y el CR será: CO2 2 = =3 O2 0 lo que significa que no hay oxígeno consumido. La diferencia entre el proceso respiratorio y el fermentativo está en que si bien en ambos hay un elemento residual que es el CO2, en el respiratorio hay además H2O, y también que la formación de alcoholes tienen lugar en el mismo tejido, mientras que tanto el agua como el CO2 no quedan incluidos en el tejido. La tecnología de la atmósfera controlada (AC) consiste en almacenar frutos en un recinto frigorífico en el que se sustituye su atmósfera inicial, caracterizada por una concentración de O2 = 21%, y una concentración de CO2 = 0,03%, por una atmósfera más pobre en oxígeno y más rica en anhídrido carbónico, manteniéndose un control preciso de las concentraciones de dichos gases durante el almacenamiento. En caso de aplicarse una modificación de la composición gaseosa en la atmósfera pero no existir control y regulación precisos de concentraciones de gases, se habla de atmósfera modificada (AM). Los principales frutos en que se ha demostrado su utilidad práctica han sido en las manzanas y también, más limitadamente, en las peras. Y así como para una conservación tradicional se

recomienda una recolección bastante precoz, para dejar que durante el almacenaje frigorífico la maduración vaya lentamente sucediendo, en este caso, la recolección debe ser menos precoz, porque la maduración va a tener lugar con mayor lentitud. La principal recomendación a partir de los años 90 ha consistido en usar niveles de O2 más bajos que en décadas anteriores, dando lugar a las “atmósferas con bajo oxígeno”. En sentido estricto, hoy día se suelen distinguir las siguientes tipologías de AC: • Estándar: 5,0% > O2 > 3,0%. • Bajo Oxígeno: 3,0% > O2 > 2,0%. • Muy Bajo Oxígeno: 1,9% > O2 > 1,2% El nivel de CO2 va en función de la tolerancia del producto (0,8% a 3%). Hay que seleccionar un nivel de CO2 lo más alto posible para lograr su efecto positivo en la reducción del metabolismo del fruto y una reducción de costes de absorción del CO2. Los beneficios derivados de la aplicación la atmósfera controlada (AC) en almacenamiento de manzanas y peras son esencialmente los siguientes: • Menor pérdida de peso en el producto. • Proceso evolutivo hacia maduración más lento. • Menor emisión de etileno. • Limitación del desarrollo microbiológico, tanto microbiano como de mohos. • Mayor vida útil de comercialización a la salida de la cámara. • Mejor calidad: textura, contenido de ácidos y azúcares, color de epidermis, etc. Sin embargo, también se pueden presentar inconvenientes derivados de una mala aplicación de dicha tecnología: alteraciones en el sabor, pardeamiento externo o interno. En resumen, con la técnica AC se amplían los objetivos comerciales del almacenamiento frigorífico convencional. Por otra parte, habrá que evaluar el coste económico adicional que supone, y la consiguiente rentabilidad de la inversión. En general, el tratamiento en AC requiere un seguimiento preciso y viene a suponer un coste de un 25% más.

Cámaras frigoríficas. Construcción y

aislamiento térmico

Contenidos 14.1 Almacenes para refrigeración 14.2 Almacenes congeladores 14.3 Unidades de exhibición (vitrinas, arcones, botelleros) 14.4 Construcción de cámaras frigoríficas 14.5 Determinación del espesor de aislamiento

Índice

14

14.1 almaceneS 14.1.1 tiPoS

Para refrigeración

volver

de almaceneS

Los almacenes para refrigeración se pueden dividir en tres categorías: • almacén de corto tiemPo. Enfriamiento y almacenamiento a temperatura por encima del punto de congelación. En general, se trata de establecimientos de venta al por menor (salida rápida del producto para su venta). Los periodos de almacenamiento varían de 1 a 2 días (en algunos casos hasta 1 ó 2 semanas). • almacén de largo tiemPo. Enfriamiento y almacenamiento a temperatura por encima del punto de congelación. En general, son utilizados por mayoristas y como bodegas de almacenamiento. El periodo de almacenamiento depende del tipo de producto almacenado y de las condiciones de éste al llegar al almacén; pueden ser de 7 a 10 días para productos delicados (tomate maduro, melón, brécoles) y hasta 6 u 8 meses para productos duraderos (cebollas, carnes ahumadas). • almacén congelador. Enfriamiento y almacenamiento a temperaturas entre -12 ºC y -24 ºC, siendo la temperatura de -18 ºC la más frecuentemente usada. Se utilizan para almacenar por periodos largos alimentos que se pueden pudrir. Sin embargo, algunos alimentos frescos tales como el tomate resulta dañino someterlos a un proceso de congelación y por lo mismo deberá evitarse su congelación.

14.1.2 condicioneS

de almacenamiento

Existen tablas (ver AnExo A5), donde se recomiendan las condiciones de almacenamiento para periodos de corto y largo tiempo, así como también el tiempo máximo de almacenamiento. Estos datos son experimentales y deben respetarse si se quiere mantener un nivel alto en la calidad del producto durante su almacenamiento.

14.1.3 temPeratura

del almacén

La temperatura óptima de almacenamiento para casi todos los productos es ligeramente superior a la temperatura de congelación del mismo. Algunas frutas y vegetales son muy sensibles a las temperaturas de almacenamiento y son susceptibles de las llamadas enfermedades por frío cuando están expuestas a temperaturas por encima o por debajo de las que se consideran críticas de almacenamiento. Por ejemplo, las frutas cítricas cuando se almacenan a temperaturas relativamente altas desarrollan picadura en la corteza, y cuando se almacenan por debajo de la temperatura crítica se escaldan (bronceado de la corteza) y se ablandan. Los plátanos cuando se almacenan a temperatura inferior a 13 ºC sufren daño en su corteza. Para casi todas las variedades de manzana la mejor temperatura de almacenamiento es de -1 ºC a 4 ºC, sin embargo, algunas variedades se escaldan con temperaturas de almacenamiento inferiores a 2 ºC.

14.1.4 humedad

relativa y velocidad del aire

Una de las principales causas del deterioro de alimentos frescos no empaquetados (carnes, pollos, pescado, frutas, vegetales, quesos y huevos), es la pérdida de humedad en la superficie del producto por evaporación (deshidratación). En los vegetales, la deshidratación provoca arrugamiento y marchitamiento, con pérdidas tanto de peso como de vitaminas. En las carnes, quesos, etc., la deshidratación causa decoloración, encogimiento y mala apariencia. Los huevos pierden humedad (y peso) a través de los poros del cascarón.

!

La diferencia de presión del vapor entre el producto y el aire de sus alrededores depende de la humedad relativa y de la velocidad del aire en el espacio del almacén. Con humedad lA dEshidrAtAción ocurrE siEmPrE relativa baja y velocidad alta del aire, aumenta la diferencia de quE lA PrEsión dEl vAPor dEl valores de presión, deshidratándose más el producto. Por tanto, Producto Es mAyor quE lA PrEsión dEl una humedad relativa del 100% con aire estancado sería ideal vAPor dEl AirE dE los AlrEdEdorEs. para prevenir deshidratación. Pero con estas condiciones aumentaría el crecimiento de hongos y la formación de bacterias. Además, una buena circulación del aire en el espacio refrigerado y alrededor del producto es necesaria para la adecuada refrigeración del mismo. La humedad del aire y la velocidad del mismo en el espacio refrigerado no son críticas cuando el producto está envasado en depósitos a prueba de vapor. Algunos productos, tales como frutas secas, tienden a ser higroscópicos requiriendo humedades relativas bajas.

14.1.5 almacenamiento

de ProductoS diverSoS y mezcladoS

Para el mantenimiento de las condiciones óptimas de almacenamiento se requiere que cada producto tenga su propio almacén. Este caso solo se presenta cuando se almacenan cantidades grandes de un solo producto. En la mayoría de los casos, por economía, resulta ser práctico tener diferentes productos refrigerados en un almacén común. Solo se pueden almacenar conjuntamente los productos que requieran aproximadamente las mismas condiciones de almacenaje. En este caso, la temperatura de almacenamiento sería la máxima de todos los productos; de esta forma se minimizan los daños a los productos más sensibles. Otro problema derivado del almacenaje de productos diferentes en el mismo almacén es la absorción y/o cesión de olores y sabores de algunos productos. Los productos lácteos son en particular muy sensibles para absorber olores y sabores de otros productos. Por otra parte, las patatas imparten sabores a otros productos almacenados, por lo que nunca deberán almacenarse con frutas, huevos, productos lácteos o con nueces.

14.1.6 condicioneS

del Producto a la entrada del almacén

Uno de los factores principales para determinar el tiempo de almacenamiento de un producto refrigerado es la condición que tiene el producto al entrar en el almacén. En el caso de frutas y vegetales, deben almacenarse solo los que estén en buen estado, desechándose los que estén golpeados o dañados (pellejo roto). Además, las frutas y vegetales que van a refrigerarse deberán de cortarse antes de su completa maduración, ya que la maduración continúa aún después de la recolección. El tiempo de almacenaje para frutas y vegetales en completa madurez es muy corto, aun bajo las mejores condiciones de almacenamiento, debiendo ser enviados directamente al mercado para evitar tener pérdidas excesivas. Debido a que un producto empieza su deterioro después de la cosecha o de la matanza, el producto deberá ser enfriado hasta la temperatura de almacenamiento tan pronto como sea posible después de cosechado o matado. Los productos que vayan a trasladarse a grandes distancias para su almacenamiento, deben preenfriarse y embarcarse en un transporte refrigerado.

14.1.7 Preenfriamiento

del Producto

El preenfriamiento se distingue del producto almacenado en que éste llega al cuarto de enfriamiento o preenfriador a temperatura alta (por lo general a la temperatura de la recolección o de la matanza), y debe ser enfriado tan rápidamente como sea posible hasta la temperatura de almacenaje para después pasarlo al almacén frigorífico.

14.2 almaceneS

congeladoreS

volver

Para conservar un producto en su estado fresco original por periodos relativamente largos, se congelan almacenándose a unos -18 ºC. Aunque -18 ºC es por lo general adecuado para almacenaje de poco tiempo (ventas menudeo), -22 ºC es la temperatura más adecuada cuando se va a tener almacenado por tiempo largo (ventas mayoreo). Ya que los materiales de empaquetado no proporcionan una completa protección contra la deshidratación, deberá conservarse alto el valor de la humedad relativa (85% a 90%) en los almacenes congeladores, sobre todo en los de almacenamiento para periodo largo. El apilamiento del producto debe permitir la circulación adecuada del aire a su alrededor, porque esto, además, elimina la posibilidad de que el producto absorba calor de las paredes calientes.

! tAmbién

Es

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Productos

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AlmAcEnAdos

PArEdEs dEl AlmAcén.

y

los lAs

Los productos que se pueden congelar incluyen, además de los conservados en estado fresco (vegetales, frutas, carne, pollo, pescado y huevos sin cascarón), los preparados (pasteles, helados y una gran variedad de alimentos preparados y precocinados).

Los únicos productos que pueden congelarse son los de alta calidad y que se encuentren en buenas condiciones. Algunos productos no son apropiados para su congelación debido a que se obtendría un producto de baja calidad.

14.2.1 métodoS

de congelación

Los productos alimenticios pueden congelarse de forma lenta o rápida. En la congelación lenta se coloca el producto en el cuarto de temperatura baja y se deja congelar lentamente (convección natural). La temperatura de los congeladores lentos se mantiene entre -18 ºC a -40 ºC. 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 las condiciones del congelador. Algunos productos típicos que son congelados en forma lenta son carne de res y puerco, en canales, pollos en cajas, frutas en cajas y huevos (claras, yemas o enteros) en cajas de 5 a 15 kg. La congelación rápida se obtiene en cualquiera de las tres formas siguientes: • congelación Por corriente de aire. Se utilizan los efectos combinados de temperatura baja y velocidad alta del aire para producir una rápida transferencia de calor al producto. Es importante que el aire pueda circular libremente alrededor de todas las partes del producto. Los equipos de congelación pueden colocarse en el suelo o quedar suspendidos en el techo. También se utilizan túneles de congelación con bandas transportadoras o carros de movimiento lento; el producto no congelado se coloca en un extremo del túnel, llegando congelado al otro extremo del túnel. • congelación Por contacto indirecto. Se utilizan congeladores de puertas donde el producto es colocado encima de placas metálicas a través de las cuales se hace circular el refrigerante. Debido a que el producto está en contacto térmico directo con la placa refrigerada, la transferencia de calor del producto se efectúa principalmente por conducción, de modo que la eficiencia del congelador dependerá de la cantidad de superficie de contacto. Este tipo de congelador es muy útil sobre todo cuando se desea congelar pequeñas cantidades de producto. • congelación Por inmerSión. Se obtiene introduciendo al producto en una solución de salmuera (cloruro de sodio o azúcar) de baja temperatura. La transferencia de calor es rápida y el producto es congelado totalmente en un periodo muy corto de tiempo. El producto se congela en unidades individuales en lugar de hacerlo en forma masiva. Si la salmuera es el

cloruro de sodio, puede haber una excesiva penetración de sal en el producto. Por otra parte, cuando la fruta se congela 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.

14.2.2 diferenciaS

entre la congelación ráPida y la congelación lenta

Los productos de congelación rápida casi siempre son superiores a los de congelación lenta. Las ventajas de la congelación rápida con respecto a la congelación lenta son:

1.

Los cristales de hielo formados son mucho más pequeños y, por lo tanto, causan menos daño a las células (menor rotura celular).

2.

Siendo el periodo de congelamiento mucho más corto, hay menos tiempo para difusión de las sales y para la separación del agua en forma de hielo.

3.

El producto es fácilmente enfriado debajo de la temperatura a la cual las bacterias, mohos y levaduras no pueden tener crecimiento con lo que se evita la descomposición durante la congelación.

En casi todos los productos la formación de cristales de hielo se inicia a -1 ºC, y aunque algunos fluidos muy concentrados permanecen aún sin congelarse a -45 ºC, casi todos los fluidos se solidifican cuando la temperatura del producto baja hasta -4 ºC. La zona de máxima formación de cristales de hielo está comprendida entre -1 ºC y -4 ºC y desde el punto de vista de la calidad del producto, es deseable que la transferencia del calor se efectúe en forma rápida y en el límite de esta zona, particularmente en frutas y vegetales.

14.3 unidadeS

de exhibición

(vitrinaS,

arconeS, botelleroS)

volver La principal función de una unidad de exhibición (expositor), es la de exhibir el producto de consumo en la forma más atractiva posible con el fin de estimular las ventas. En muchos casos esto no es necesariamente compatible con proporcionar las condiciones óptimas de almacenaje para el producto que está siendo exhibido. Por tanto, el tiempo de almacenamiento del producto exhibido frecuentemente está muy limitado (alrededor de una semana). Las unidades de exhibición pueden ser de dos tipos: 1. Las de autoservicio (self-service), en las que directamente el cliente se sirve a sí mismo. Estas unidades son muy populares en supermercados y en tiendas de venta al por menor en establecimientos de autoservicio. 2. Las de servicio, en las que el cliente es atendido por un empleado. Estas unidades se usan en tiendas pequeñas de comestibles, mercados, panaderías, etc. Las unidades de autoservicio son de dos tipos: abiertas y cerradas. Las abiertas, se usan para exhibir carnes, vegetales, frutas, alimentos congelados, helados, productos lácteos, etc. Las unidades pueden instalarse junto a una pared o bien en partes aisladas.

!

DEfinición

arconeS: muebles cerrados con tapa (acristalada) en la parte superior; en general, se utilizan para la congelación.

Los botelleros se destinan al enfriamiento de toda clase de bebidas carbónicas, cerveza, etc.; tienen acceso por la parte superior. Cada alimento tiene asociada una temperatura óptima a la que debe ser refrigerado. La temperatura del expositor recomendada para algunos productos habituales es:

Verduras

4 ºC

Lácteos

2 ºC

Carne

-2 ºC

Bebidas congeladas

-20 ºC

Alimentos congelados

-23 ºC

Helados

-27 ºC

14.4 conStrucción 14.4.1 dimenSión

de cámaraS frigoríficaS

volver

y conStrucción del comPartimento de la cámara

El tamaño de las cámaras viene dado por las dimensiones exteriores de longitud, anchura y altura. La primera dimensión que se suele especificar es la más corta de entre la longitud y la anchura y por último se indica la altura (por ejemplo: 4 m x 5 m x 3 m). El suelo de la cámara puede estar en la planta baja (hormigón sobre tierra) o sobre un forjado de hormigón. En cámaras de refrigeración (2 ºC), el suelo del edificio puede aprovecharse si está en la planta baja, sin necesidad de aislarlo, debido a que la temperatura de la tierra por debajo de las baldosas normalmente es constante e igual a 13 ºC. La pequeña diferencia de temperatura entre la tierra y la del refrigerador requiere poca capacidad de refrigeración adicional. Si el suelo está sobre un espacio ocupado (oficinas, aparcamiento, etc.), se debe aislar de la cámara, para evitar serios problemas como pueden ser: • Pérdidas importantes de energía. • Condensaciones de agua en el techo de la planta inferior.

! En

cámArAs

dE

congElAción

Es

obligAdo siEmPrE lA colocAción dE un AislAmiEnto.

Si no hubiese aislamiento, las temperaturas frías del compartimento congelarían la tierra que hay debajo de las baldosas. La tierra congelada se expandiría y elevaría, rompiendo el suelo de baldosas. Por tanto, todas las cámaras de congelación tienen que tener un suelo aislado, o bien puede montarse un aislamiento bajo las baldosas antes de verter el piso de hormigón.

Si se emplean carretillas pesadas sobre un suelo aislado, los paneles del suelo resultarán dañados en poco tiempo. Esto puede evitarse instalando planchas de aluminio de un espesor de 5 mm sobre los paneles del suelo en las áreas de mayor uso. En caso de disponer una solera de hormigón sobre el aislamiento, se deberán tener en cuenta los siguientes esfuerzos a los que estará sometida: • carga eStática. Debida a los productos almacenados (debe ser fijada exactamente, puede ser del orden de 4.000 kp/m2). Una carga estática de 6.000 kp/m2 supone un esfuerzo de compresión de 0,6 kp/cm2, que es admisible por la mayoría de los materiales utilizados en aislamiento de suelos: corcho, poliestireno de alta densidad. • carga dinámica. Ocasionada por el uso de carretillas elevadoras para la explotación de la cámara. Estas carretillas pueden suponer 4.000-5.500 kp en vacío, repartidos sobre las 4 ruedas. Aproximadamente, cuando la carretilla está cargada, las 2 ruedas delanteras pueden transmitir al suelo más de 2.000 kp cada una. Esta carga se transmite al suelo a través de una superficie pequeña. En estas condiciones, se puede evaluar el esfuerzo de compresión al que es sometido el aislante.

EjEmplo 1 La carga transmitida por una de las ruedas de una carretilla es de 2.000 kp. La base de apoyo de la rueda es de 15 cm x 5 cm. El espesor de la solera de hormigón es de 12 cm. Calcular la presión sobre el aislante térmico del suelo. Superficie de transmisión de la carga sobre el aislante (pirámide de 45º de inclinación): 12 cm

15 cm

12 cm

12 cm

45º

5 cm 12 cm

12 cm

45º

Longitud = 15 + 12 + 12 = 39 cm Anchura = 5 + 12 + 12 = 29 cm Superficie = 39 · 29 = 1.131 cm2 Por tanto, la presión sobre el aislante es de: p =

F 2.000 kp = = 0, 8 kp/cm2 A 1.131 cm2

Esta carga es admisible para la mayor parte de los materiales aislantes. Es necesario analizar el espesor de la solera de la cámara y su posible armadura.

Para absorber los esfuerzos de contracción se debe construir la solera según superficies cuadradas de 5 m x 5 m, previendo juntas de dilatación, con rellenos de siliconas. En cámaras pequeñas y medianas, sin elevadas cargas, puede ser suficiente una solera de hormigón de unos 20 cm de espesor, con un tiempo de fraguado de unos 28 días.

Tipo de material

Poliestireno expandido

Poliestireno extruido

Poliuretano

Corcho

Fibra de vidrio

14.4.2 aiSlamiento

Densidad (kg/m3)

Conductividad (W/m · K)

10 a 12

0,047

12 a 15

0,044

15 a 20 20 a 25

Resistencia a compresión Esfuerzo (kp/cm2)

Deformación (%)

0,038

0,88

9,9

0,035

1,03

6,6

25 a 40

0,033

2,50

-

25 a 30

0,034

1,80

6,8

30 a 50

0,027

3,70

7,6

28 a 32

0,023

1,10

8,2

32 a 40

0,020

1,60

6,7

40 a 80

0,020

5,00

4,5

90 a 110

0,043

1,50

-

110 a 150

0,037

2,50

-

13 a 20

0,048

0,05

-

20 a 50

0,037

0,10

-

50 a 100

0,036

0,15

-

térmico de la cámara

El aislamiento tiene por objeto reducir las ganancias de calor a través de paredes, techos y puertas. Se trata de hacer la cámara lo más adiabática posible, para mantener las condiciones interiores independientemente de las condiciones del exterior. La importancia del aislamiento es

mayor cuanto menor es la temperatura interior, por lo que debe prestarse especial atención a las cámaras de congelación. En este caso es muy importante, además, disponer de una adecuada protección contra la entrada de vapor de agua en el recinto.

En la actualidad, el material que más se utiliza en el aislamiento de las cámaras frigoríficas es el panel integral o “sándwich”, constituido básicamente por una lámina de material aislante (en general poliuretano) revestida por ambas caras con láminas de acero lacado. Estos paneles presentan la ventaja de su fácil ensamblaje.

Los principales problemas que presentan las cámaras frigoríficas, si no se tiene cuidado al diseñarlas, son los siguientes:

!

Las características básicas de los materiales aislantes que deben conocerse son:

•

La conductividad térmica.

de vapor, o por ser defectuosa su colocación.

•

La permeabilidad al vapor de agua.

•

La resistencia a la compresión y a los choques.

• Levantamiento del suelo en túneles de congelación.

• El comportamiento incombustibles).

• Condensaciones por falta de barrera

al

fuego

(que

sean

• Aparición de estalactitas en los techos. • Rotura de paredes de grandes dimensiones por falta de fijación de la carga o por soportar esfuerzos superiores a su resistencia.

14.4.3 barrera

de vaPor

El vapor de agua se difunde a través de cualquier sustancia: algunas le ofrecen mayor resistencia que otras, dependiendo esto de su estructura molecular. La migración de vapor entraña el peligro de que se condense agua entre la pared y el aislamiento interior, al que puede llegar a destruir. Los metales, por ejemplo, a partir de 0,1 mm de espesor, ofrecen una resistencia tan elevada (casi infinita) que el pasaje de vapores o gases se considera nulo. Una difusión del vapor de agua a través de una estructura es posible, si en ambos lados existen diferentes presiones parciales de vapor; esta diferencia se logra: • Idéntica temperatura y distinta humedad relativa entre el interior y el exterior. • Idéntica humedad relativa y distinta temperatura entre el interior y el exterior. • Distinta temperatura y humedad relativa entre el interior y el exterior.

En una cámara frigorífica, al estar el interior más frío y seco que el exterior, existe la tendencia a entrar vapor de agua en la cámara, por difusión. Para evitar esto debe colocarse una barrera de vapor en el lado caliente del aislante, especialmente en las cámaras de congelados, que deben reunir las siguientes condiciones: • Ser impermeable al paso del agua. • Ser continua. • Mantener sus propiedades en el tiempo.

14.4.4 PuertaS

frigoríficaS

Existen diferentes tipos de puertas: abatibles, correderas, de cascada (guillotina). La mayoría de las puertas son de montaje embutido, cierre automático y hermético. Esto significa que la puerta queda nivelada con la pared al cerrarse, las bisagras están diseñadas para que la puerta se cierre por sí sola, y cuando se cierra, las juntas de estanquidad presionan sobre el marco impidiendo que salga el frío.

Para que la puerta se cierre completamente, la mayoría disponen de un dispositivo (“cierrapuerta”) que la empuja hasta cerrarla, mediante un gancho y un muelle o pistón hidráulico (figura de la izquierda, arriba).

14.4.5 válvulaS

liberadoraS de PreSión

En la construcción de una cámara frigorífica se tiene en cuenta su diseño estructural (cargas, fuerzas por viento, etc.). Sin embargo, la estructura puede resultar dañada si no se consideran los cambios de presión dentro de la cámara, provocados por los cambios de temperatura interna. Durante la descongelación, el evaporador se calienta. El aire caliente ocupa más espacio que el aire frío. El aumento de presión en el interior de la cámara podría forzar la abertura de la puerta. Para evitar esto, se instala una válvula liberadora de presión (PRP, pressure relief port) colocada sobre el muro del panel. El PRP se abrirá ligeramente y permitirá la salida del exceso de presión, (figura de la izquierda, abajo).

14.4.6 alarmaS de emergencia Para PerSona atraPada en cámaraS frigoríficaS Este equipamiento dota a las cámaras frigoríficas a baja temperatura o con atmósfera controlada, con alarma óptica, acústica y alumbrado de socorro, como medida de seguridad contra el riesgo de un percance en el interior (bloqueo de puerta, accidente, corte de electricidad).

14.4.7 deScongelamiento

del SubSuelo

Si el subsuelo se congelara, se expandiría hacia arriba con fuerza suficiente para levantar y agrietar el suelo de la cámara frigorífica. Este efecto es conocido como “frost heave”. Para evitar el frost heave se utilizan los siguientes sistemas: • SiStema con circulación de glicol. Es el más usado cuando la superficie del suelo excede de 1.500 m2. El sistema consiste en colocar tuberías de PVC en forma de lazos que se conectan a una bomba por la cual circula una solución de glicol. El diámetro de la tubería es de 25 mm, que se cubre con 75 mm mortero. Es importante realizar una prueba de presión antes de colocar el mortero. Como en todos los sistemas mecánicos de calentamiento para suelo, debe introducirse un sistema de monitorización para asegurarse de que la temperatura del suelo esté por debajo de la temperatura de congelamiento (aproximadamente +5 ºC). • SiStema con calefactoreS eléctricoS. Es una buena opción cuando la superficie del suelo es menor de 1.500 m2. Los calefactores eléctricos se colocan debajo del aislamiento térmico, extendidos en el suelo en forma de parrilla. El cable proporciona unos vatios por metro (W/m) constantes independientemente de su longitud. Ello permite cortarlo a medida en obra en el momento de su instalación. La potencia necesaria para evitar la congelación del subsuelo de las cámaras frigoríficas no sobrepasa los 20 W/m2. Debido a que, por las inercias térmicas no se aconseja que la distancia entre cables calefactores sea superior a 500 mm y el cable es de 10 W/m, se instalan 2 m de cable por cada m2 de superficie de suelo.

14.5 determinación

del eSPeSor de aiSlamiento

volver

Para calcular el espesor que debe tener un determinado aislamiento térmico, se deben considerar los siguientes factores: • Temperaturas, interior y exterior. • Conductividad térmica del aislante. • Pérdidas máximas admisibles.

La tasa de transferencia de calor a través de una superficie plana, se calcula partiendo de la ley de Fourier de la conducción: Qo =

Te - Ti = U $ A $ ∆T e 1 1 1 $e + + o A he λ hi

donde: Qo = tasa de transferencia de calor (W); A = superficie (m2); U = coeficiente global de transmisión (W/m2 · K); Te = temperatura exterior (ºC); Ti = temperatura interior (ºC). Para disminuir Qo (manteniendo constante A y DT), el valor de U debe ser lo más bajo posible. De esta forma, la capacidad frigorífica del equipo frigorífico será menor. Por tanto, el empleo del aislamiento térmico en las cámaras frigoríficas se justifica de este modo. El flujo de calor (transferencia de calor por unidad de área) será: qo =

Qo = U $ DT (W/m2) A

En la práctica, para realizar un cálculo rápido se suele despreciar el coeficiente de convección, y solo se tiene en cuenta la conductividad térmica del aislante: 1 e = U l

Sustituyendo en la ecuación anterior, se tiene: qo =

Qo Qo λ = U $ ∆T & qo = = $ ∆T A A e

Y despejando el espesor e, queda: e=

λ $ ∆T qo

Las pérdidas máximas admisibles (el flujo de calor, qo ) se fijan de antemano. Usualmente se toman los valores siguientes: qo = 8 W/m2 , para conservación. qo = 6 W/m2 , para congelación. Los aislantes térmicos actuales disponen de un valor de conductividad casi estándar, que puede servir de referencia en muchos casos prácticos: l = 0, 035 W/m $ K . 0, 03 kcal/h $ m $ ºC Para establecer la diferencia de temperaturas, la temperatura interior de la cámara es conocida, pues se fija de entrada según las condiciones a las que debe someterse el género. La temperatura exterior, sin embargo, depende de la situación de la cámara. En el Reglamento de seguridad para instalaciones frigoríficas (RD 138/2011, de 4 de febrero), se representa un mapa de España (ver AnExo A8), donde se consideran 3 zonas climáticas con sus correspondientes temperaturas de diseño: Zona Climática

Temperatura de diseño

A

+32 ºC

B

+38 ºC

C

+43 ºC

Una vez determinada la diferencia de temperaturas, tomando este valor estándar de la conductividad y teniendo en cuenta los valores qo recomendados, se tiene: 7 W/m2 =

0, 035 $ DT (e = espesor, en m) e

De esta expresión se despeja el valor del espesor del aislante e, en cm: e = DT $

0, 035 $ 100 DT (e = espesor, en cm) = 7 2

Es decir, se obtiene una regla muy simple y válida para la mayoría de casos. Los espesores (en cm) más usuales de aislamiento térmico de cámaras frigoríficas, para un clima medio como el de España, son: Aplicaciones

Climatización 10 ºC a 13 ºC

Refrigeración 0 ºC a 2 ºC

Congelación -30 ºC

Suelos

6

6 - 10

16 - 20

Techos y muros exteriores

8 - 12

12 - 18

22 - 32

Tabiques entre cámaras frías

6

8

16 - 20

EjEmplo 2 Supóngase que se aísla una cámara de congelados, cuyo interior debe estar a -23 ºC con poliuretano de densidad 40 kg/m3, estimando una temperatura exterior máxima de +32 ºC. Calcular el espesor mínimo de aislamiento. De la tabla anterior, obtenemos la conductividad de este material: l = 0,020 W/m · K Como se trata de congelados, se estima un flujo de calor de: qo = 6 W/m2 Por tanto, el espesor mínimo de aislamiento es: e=

λ $ ∆T 0, 020 $ 632 - ^- 23h@ = = 0,18 m (200 mm) 6 qo

EjEmplo 3 Calcular la pérdida total debida a transmisión térmica de una cámara frigorífica que tiene unas dimensiones de 20 m x 20 m x 4 m. Está aislada con poliestireno expandido (l = 0,035 W/m · K) y ha sido calculada a partir de un flujo máximo de 7 W/m2. La temperatura interior de la cámara es de -22 ºC. Las temperaturas y superficies del suelo, techo y paredes, junto a las diferencias de temperatura a que dan lugar, se indican a continuación. Suelo

Te = 15 ºC

A = 400 m2

DT = 37 ºC

Techo

Te = 38 ºC

A = 400 m2

DT = 60 ºC

Muros

Te = 38 ºC

A = 80 m2

DT = 60 ºC

Los espesores para cada cerramiento, según la regla simplificada (e = DT/2), serán: Suelo

e = 37/2 = 18,5 cm (20 cm)

Techo

e = 60/2 = 30 cm

Muros

e = 60/2 = 30 cm

El flujo total de pérdidas reales en cada cerramiento es: λ 0, 035 $ 37 = 2.590 W Qo suelo = A $ $ ∆T = 400 $ e 0, 20 λ 0, 035 $ 60 = 2.800 W Qo techo = A $ $ ∆T = 400 $ 0, 30 e Qo muros S

y O

= A$

λ 0, 035 $ ∆T = ^4 $ 80h $ $ 60 = 2.240 W 0, 30 e

Pérdida total: Qo total = 2.590 + 2.800 + 2.240 = 7.630 W Superficie total: A total = 400 + 400 + 4 $ 80 = 1.120 m2 Flujo de calor medio de las pérdidas: Qo 7.630 qo medio = total = = 6, 8 W/m2 A total 1.120

EjEmplo 4 Una cámara frigorífica que quiere mantenerse a -20 ºC tiene una pared constituida por los siguientes elementos: 150 mm de poliuretano (l = 0,023 W/m · K), 140 mm de gero (l = 0,76 W/m · K) y 10 mm de mortero (l = 1,40 W/m · K). La temperatura exterior es de 35 ºC. Determinar las pérdidas de la pared si su superficie total es de 200 m2. Qo =

A $ ^ Te - Tih 200 $ 635 - ^- 20h@ 11.000 = = 1.599 W = 6, 88 0, 15 0, 14 0, 01 ep eg em 1 0, 13 + + + + 0, 04 + + + + 0, 023 0, 76 1, 40 hi lp lg lm he 1

Te = 35 ºC

Barrera de vapor, colocada como mínimo después del aislante

Ti = -20 ºC

La barrera de vapor se coloca como mínimo en un lugar que esté a una temperatura superior a la de saturación, para que no condense el aire húmedo que siempre entra a través de las paredes de la cámara. Además, si este aire húmedo se encuentra en el interior de la pared por debajo de 0 ºC, solidificaría, lo que haría reventar las paredes de la cámara.

EjEmplo 5 Determinar el flujo de calor a través de una pared, si la temperatura del aire interior de la cámara es -20 ºC, y la temperatura exterior es 30 ºC con 70% de humedad relativa. La pared está constituida por 20 cm de bloque de hormigón (l = 0,49 W/m · K) y 150 mm de espuma de poliuretano (l = 0,023 W/m · K). Determinar el perfil de temperaturas en los materiales, y analizar la problemática de posibles condensaciones de humedad.

Te = 30 ºC

Ti = -20 ºC

T1 Psicrométrico: HR = 70% y Te = 30 ºC ⇒ Tr = 24 ºC (temperatura de rocío) Qo Te - Ti 50 630 - ^- 20h@ = = 7, 04 W/m2 = = A 0, 15 0, 20 7, 10 1 ep eh 1 0, 13 + + + 0, 04 + + + 0, 023 0, 49 hi lp lh he

T2

Cálculo de la temperatura T1:

Qo T - Ti 6 T - ^- 20h@ & 7,04 = 1 & T1 = - 19, 1 ºC = 1 A 0, 13 1/hi

Cálculo de la temperatura T2:

Qo T - T1 6 T - ^- 19, 1h@ & 7,04 = 2 & T2 = 26, 8 ºC = 2 A 6, 52 ep /lp

Cálculo de la temperatura T3:

Qo T - T2 ^ T - 26, 8h & 7,04 = 3 & T3 = 29, 7 ºC = 3 A 0, 41 en /lh

T3

La barrera de vapor se instala en la parte más externa del aislante (la de más alta temperatura). Se instala, como mínimo, después del aislante, ya que es en el interior de éste donde se encuentra la temperatura de rocío (Tr = 24 ºC está entre T1 = -19,1 ºC y T2 = 26,8 ºC).

EjEmplo 6 En una cámara concreta se estropearon los paneles. Se optó por colocar nuevo aislamiento de 100 mm sobre el ya existente. Analizar si esta fue una solución adecuada. AislAmiEnto Primitivo: La temperatura dentro de la cámara era de 0 ºC. La temperatura de rocío, siendo la temperatura exterior de 30 ºC, es de 24 ºC. Por tanto, ésta fue la causa del deterioro del aislante, ya que dicha temperatura se encontraba dentro del mismo aislante. 30

T e = 30 ºC

24

T r = 24 ºC

20

10

0

T i = 0 ºC

-10

-20

AislAmiEnto nuEvo: Se quiso aprovechar el aislamiento primitivo que estaba en buen estado y, además, se pretendía que en el interior de la cámara hubiera una temperatura de -20 ºC. Para que no pasara otra vez el mismo problema de condensación del vapor de agua (debido a la temperatura de rocío), se instaló una barrera de vapor entre el aislante viejo y el nuevo. Al cabo de un tiempo volvió a ocurrir el mismo problema, ya que no se habían dado cuenta que el perfil de temperaturas había cambiado completamente. 30

Te = 30 ºC

24 20

Tr = 24 ºC

10 0 -10 -20

Ti = -20 ºC

8,4

caSo

7,2 6,0 4,8

Práctico

3,6 2,4 1,2 0 50

70

90

110

130

150

170

190

210

Se desea montar una cámara frigorífica, de dimensiones 50 m x 20 m x 6 m, y se tienen ofertas para instalar diferentes espesores, debiendo decidirse cuál de ellos será el óptimo económico, en base a un determinado plazo de amortización de 10 años. Para estimar el coste de la energía perdida, se considera que el EERestacional de la máquina puede aproximarse mediante la expresión: 2,5 + 0,05 · Tcámara; la tarifa de la compañía eléctrica es de 0,10 €/kWh. El coste indicado es

para cámaras construidas, incluyendo el montaje. Los coeficientes de transmisión superficial son: 9 W/m2 · K para el interior y 18 W/m2 · K. Se pretende analizar la relación existente entre

el espesor óptimo del panel y la temperatura de la cámara. Concretamente se pretende analizar cámaras a temperaturas de 0 ºC, -10 ºC, -20 ºC, -30 ºC, en una zona en la que la temperatura máxima es de 33 ºC y la mínima de 5 ºC. Poliuretano (40 kg/m2),

l = 0,025 W/mK

Espesor (mm)

Precio (€/m2)

60

36

80

42

100

48

125

54

150

60

175

66

200

72

€/año

Coste instalación

Coste funcionamiento equipos Espesor económico

El cálculo se efectuará para Tcámara = 0 ºC, y para un espesor e = 60 mm. Temperatura media exterior: Tm =

Tmáx - Tmín 33 + 5 = = 19 ºC 2 2

Coeficiente de eficiencia energética: EER = 2,5 + 0,05 · Tcámara = 2,5 + 0,05 · 0 = 2,5 Pérdidas de potencia por cerramiento: ∆T Qo T3 - T1 19 - 0 = = = = 7, 40 W/m2 A R 1 e 1 1 0, 06 1 + + + + 9 0, 025 18 hi λ he Potencia consumida: EER =

Qo refrigeración Pconsumida

& Pconsumida =

Qo refrigeración EER

=

7, 4 = 2, 96 W/m2 2, 5

Consumo de energía por m2 en un año: Qo m2 $ año

= 7, 40 $ ^24 $ 365h = 64.824 Wh/m2 $ año

Coste de funcionamiento: 64, 82

kWh 2

m $ año

$ 0, 10

1 kWh * $ = 2, 60 */m2 $ año kWh 2, 5 kWh

Coste total: 2, 60

* 2

m $ año

+ 3, 6

* 2

m $ año

= 6, 20 */m2 $ año

Espesor

análiSiS EsPEsor

del eSPeSor óPtimo del Panel

óPtimo PArA unA tEmPErAturA dE lA cámArA dE

0 ºc

Espesor (mm)

Coste instalación (€/año)

U (W/m2 · K)

Q/A (W/m2)

Coste funcionamiento (€/año)

Coste total (€/año)

60

3,6

0,3896

7,40

2,60

6,20

80

4,2

0,2970

5,64

2,00

6,20

100

4,8

0,2400

4,56

1,60

6,40

125

5,4

0,1935

3,68

1,30

6,70

150

6,0

0,1622

3,08

1,10

7,10

175

6,6

0,1395

2,65

0,90

7,50

200

7,2

0,1224

2,33

0,80

8,00

8,4

Total

7,2 Instalación

6,0 Coste €/año

4,8 3,6 2,4 1,2

Funcionamiento

0 50

70

90

110

130

150

170

190

210

Espesor (mm)

EsPEsor

óPtimo PArA unA tEmPErAturA dE lA cámArA dE

-10 ºc Q/A Coste funcionamiento (W/m2) (€/año)

Coste total (€/año)

Espesor (mm)

Coste instalación (€/año)

U (W/m2 · K)

60

3,6

0,3896

11,30

4,90

8,50

80

4,2

0,2970

8,61

3,80

8,00

100

4,8

0,2400

6,96

3,00

7,80

125

5,4

0,1935

5,61

2,50

7,90

150

6,0

0,1622

4,70

2,10

8,10

175

6,6

0,1395

4,05

1,80

8,40

200

7,2

0,1224

3,55

1,60

8,80

9,6

Total

8,4 7,2 Coste €/año

Instalación

6,0 4,8 3,6 2,4

Funcionamiento

1,2 50

70

90

110

130

150

170

190

210

Espesor (mm)

EsPEsor

óPtimo PArA unA tEmPErAturA dE lA cámArA dE

-20 ºc

Espesor (mm)

Coste instalación (€/año)

U (W/m2 · K)

Q/A Coste funcionamiento (W/m2) (€/año)

Coste total (€/año)

60

3,6

0,3896

15,19

8,90

12,50

80

4,2

0,2970

11,58

6,80

11,00

100

4,8

0,2400

9,36

5,50

10,30

125

5,4

0,1935

7,55

4,40

9,80

150

6,0

0,1622

6,32

3,70

9,70

175

6,6

0,1395

5,44

3,20

9,80

200

7,2

0,1224

4,78

2,80

10,00

13,8 12,0 Total

10,2 Coste €/año

8,4 6,6

Instalación

4,8 3,0

Funcionamiento

1,2 50

70

90

110

130

150

170

190

210

Espesor (mm)

EsPEsor

óPtimo PArA unA tEmPErAturA dE lA cámArA dE

-30 ºc

Espesor (mm)

Coste instalación (€/año)

U (W/m2 · K)

Q/A Coste funcionamiento (W/m2) (€/año)

Coste total (€/año)

60

3,6

0,3896

19,09

16,70

20,30

80

4,2

0,2970

14,55

12,70

16,90

100

4,8

0,2400

11,76

10,30

15,10

Espesor (mm)

Coste instalación (€/año)

U (W/m2 · K)

Q/A Coste funcionamiento (W/m2) (€/año)

Coste total (€/año)

125

5,4

0,1935

9,48

8,30

13,70

150

6,0

0,1622

7,95

7,00

13,00

175

6,6

0,1395

6,84

6,00

12,60

200

7,2

0,1224

6,00

5,30

12,50

22,2 19,2 16,2 Coste €/año

13,2

Total

10,2 7,2

Instalación Funcionamiento

4,2 1,2 50

70

90

110

130

150

170

190

210

Espesor (mm)

rEsumEn

dEl EsPEsor óPtimo

Temperatura (ºC)

Espesor óptimo (mm)

0

60

-10

100

-20

150

-30

200

200 175 150 Espesor óptimo (mm)

125 100 75 50 0

-5

-10

-15 Temperatura (ºC)

-20

-25

-30

Cálculo

de la carga de refrigeración

Contenidos 15.1

Carga

15.2

Densidad

15.3

Cargas

15.4

Ganancias

de calor a través de los cerramientos

15.5

Ganancias

de calor internas

15.6

Ganancias

de calor debidas a renovación de aire

15.7

Tiempo

15.8

Potencia

térmica de refrigeración de almacenamiento

debidas al enfriamiento del producto

de funcionamiento del equipo de refrigeración frigorífica total

Índice

15

15.1 carga

!

volver

térmica de refrigeración

Este calor extraído tiene como objetivos:

DEfinición

carga

• Enfriar

térmica de refrigeración o carga

el

producto

almacenado

en

la

cámara: Qo p

frigorífica: calor que debe extraerse de la cámara para mantener la temperatura interior de diseño.

• Contrarrestar las ganancias de calor a través de los cerramientos de la cámara: Qo t

•

Contrarrestar las ganancias de calor internas: Qo i

•

Contrarrestar las ganancias de calor debidas a renovación o infiltraciones de aire: Qo v

La potencia frigorífica total del evaporador de la máquina frigorífica debe ser igual a la suma de todos estos factores: Qo ev = Qo p + Qo t + Qo i + Qo v

Qt Q ev

Qp

Evaporador

Qi

Qv Producto

Aire exterior T e, HRe Aire

Aire interior T i, HRi

Las partidas que componen Qo p son: •

Qo p^ref h : Conservación del producto (enfriar sin llegar a congelar).

•

Qo p^conh : Congelación y eventual subenfriamiento.

•

Qo p^resh : Calor de respiración desprendido por ciertos productos.

•

Qo p^embh : Refrigeración del embalaje.

Las partidas que componen Qo t , estudiadas en el tema anterior, corresponden al calor aportado por paredes, techo y suelo. Las partidas que componen Qo i son: •

Qo i^moth : Calor aportado por motores y/o máquinas.

•

Qo i^perh : Calor aportado por personas (ocupantes eventuales de la cámara).

•

Qo i^lumh : Calor aportado por luminarias.

Todas las partidas se evalúan para un tiempo total de 24 horas, obteniéndose como unidad de medida el kJ/día. Para pasar a kW (kJ/s), se divide el resultado por 86.400 segundos: 1

kJ

1 día 1 kW = 86.400 día 86.400 s $

El resultado final se divide por el tiempo (horas) de funcionamiento del compresor, obteniéndose la potencia frigorífica horaria.

15.2 denSidad

de almacenamiento

volver

Antes de entrar en el cálculo de la carga de producto, se debe conocer el volumen de la cámara y la cantidad de producto a enfriar. Los volúmenes de las cámaras dependen de diversos factores: naturaleza del producto, cantidades a almacenar, embalajes utilizados, estanterías, pasillos interiores, etc.

!

Para determinar esta cantidad, se tienen dos posibilidades:

a. Que se especifique en el proyecto.

Para cámaras de mediana capacidad se pueden tomar los siguientes valores:

b. Que se tenga que estimar (caso más habitual).

Cámaras de conservación (hasta 0 ºC) Carne de buey colgada

300/350 kg/m2

Carne de cordero colgada

150/200 kg/m2

Carne de cerdo colgada

300/350 kg/m2

Frutas

200/250 kg/m3

Pescado

350/400 kg/m3

Huevos

300 docenas/m3

Cámaras de congelación de carne Buey

400/500 kg/m3

Cordero

400/500 kg/m3

Cerdo

350/500 kg/m3

En general, si no se disponen de datos más precisos, se puede considerar la siguiente densidad de almacenamiento: 200 kg/m3, en recintos con temperatura positiva 300 kg/m3, en recintos con temperatura negativa

Qt Q ev

Qp Qi Qv

EjEmplo 1

Calcular el volumen interior de una cámara frigorífica en la que se quiere almacenar 100 toneladas (100.000 kg) de fruta y verduras a 3 ºC. Vi = 100.000 kg $

Qt Q ev

Qp Qi Qv

1 m3 200 kg

= 500 m3

EjEmplo 2

Se dispone de una cámara de 5 m x 8 m x 4 m (Vi = 160 m3). ¿Cuál es la cantidad máxima de frutas y verduras que se puede almacenar a 2 ºC? M = 160 m3 $

200 kg 1 m3

= 32.000 kg

15.3 cargaS

debidaS al enfriamiento del Producto

15.3.1 conServación

volver

o refrigeración del Producto

Esta partida contempla el enfriamiento del producto desde la temperatura de entrada en la cámara hasta la temperatura final, por encima del punto de congelación: Qo p^ref h = cpr $ m $ ^ Tp - Tf h donde: cpr = calor específico del producto por encima del punto de congelación, en kJ/(kg · K);

m = masa de mercancía que ha de enfriarse, en kg/día; Tp = temperatura del producto al entrar

en la cámara, en ºC; Tf = temperatura del producto al final del enfriamiento, superior a la de congelación, en ºC. Existen tablas donde se muestra el calor específico del producto (cpr) antes de la congelación (ver

AnExo A5). Si no se conoce el producto, se puede utilizar aproximadamente un calor específico de 3,5 kJ/kg · K.

El valor de m lo debe especificar el proyecto o indicarlo el cliente, no obstante, en la mayoría de los casos, este valor es desconocido. Para su cálculo, se puede considerar el 10% de M (cantidad total almacenada en el recinto). La Tp es otro valor, normalmente desconocido; se aconseja utilizar los siguientes valores: 1. 25 ºC, en general. 2. 15 ºC, para pescado en cajas o género refrigerado anteriormente.

15.3.2 congelación

del Producto

Esta partida comprende 3 etapas de enfriamiento. La primera calcula el frío necesario para disminuir la temperatura de la mercancía desde la de entrada hasta la de congelación:

Qo p^con1h = cpr $ m $ ^ Tp - T0h donde: T0 = temperatura de congelación del producto, en ºC (las tablas indican el valor de T0; si no se indicara, utilizar T0 = -2 ºC). La segunda etapa representa el proceso de congelación, que al tratarse de un cambio de estado se realiza a temperatura constante: Qo p^con2h = L $ m donde: L = calor latente de congelación, en kJ/kg. El valor de L también se indica en las tablas, y si no fuese conocido se puede utilizar 272 kJ/kg. La tercera etapa es disminuir la temperatura del producto desde el punto de congelación hasta la deseable para su mantenimiento: Qo p^con3h = cpc $ m $ ^ T0 - Tch donde: cpc = calor específico por debajo del punto de congelación (en las tablas se especifican los valores de cpc; si este valor no fuese conocido, utilizar 1,9 kJ/kg · K); Tc = temperatura final del

producto, inferior a la de congelación, en ºC.

Por tanto, la carga total por congelación puede expresarse de la siguiente forma: Qo p^conh = Qo p^con1h + Qo p^con2h + Qo p^con3h

mantenimiento

de ProductoS congeladoS

En este caso, tan solo se considerará la extracción de calor para enfriar el producto por la pérdida de temperatura que pudiese haber tenido en el transporte y manipulación. Es decir, se supone que viene congelado. Para su cálculo, se utiliza la siguiente expresión: Qo lp^conh = cpc $ m $ ^ Tp - Tch donde: Tp = temperatura del producto al entrar en la cámara, inferior a la de congelación, en ºC; si el valor de Tp no es conocido, utilizar: Tp - Tc = 10 ºC.

15.3.3 calor

deSPrendido Por ciertoS ProductoS

Las frutas y verduras continúan su proceso de maduración en el interior de las cámaras, aportando un calor adicional denominado “calor generado por respiración”. Generalmente son cantidades bastante pequeñas, que se valoran según la ecuación: Qo p^resh = Lres $ m donde: Lres = calor de respiración del producto a la entrada, en kJ/kg (este valor aparece en las tablas; si se desconoce, utilizar 9,2 kJ/kg). Esta cantidad de calor depende de la temperatura del género. De esta forma, el género ya almacenado y el destinado a almacenarse tendrán una carga diferente: Qo p^resh = ^1, 675 $ Mh + ^Lr $ mh donde: 1,675 = coeficiente de respiración a utilizar para el producto almacenado, en kJ/kg.

15.3.4 enfriamiento

del embalaje

Si el producto se almacena en envases, se debe contabilizar el frío empleado en reducir su temperatura. El enfriamiento del embalaje se calcula según: Qo p^embh = ce $ me $ ^ Te - Tih donde: ce = calor específico del embalaje, en kJ/(kg · K); me = masa del embalaje, en kg;

Te = temperatura del embalaje al entrar en la cámara, en ºC (se considera igual a Tp); Ti = temperatura final del embalaje (temperatura interior de la cámara).

Si se desconoce el peso correspondiente al embalaje, puede hacerse una estimación porcentual relativa a la masa total de producto: Qo p^embh = 2, 72 $ 0, 05 $ m $ ^ Te - Tih = 0, 0136 $ m $ ^ Te - Tih donde: 0,05 = porcentaje de embalaje sobre el producto (5%); 2,72 = calor específico considerado del embalaje (madera), en kJ/kg · K.

Qt Q ev

Qp Qi Qv

EjEmplo 3

Calcular la carga de enfriamiento del producto en una cámara frigorífica de dimensiones 8 m x 12 m x 4 m (Vi = 384 m3), y con las siguientes características: Producto

Patata de cosecha

Temperatura de entrada del producto

Tp = 25 ºC

Temperatura de almacenamiento

Tr = 3 ºC

Calor específico (anexo A5)

cpr = 3,45 kJ/kg · K

Calor de respiración (anexo A5)

Lres = 7,1 kJ/kg

Cantidad almacenada (M) y cantidad a enfriar (m): M = 384 m3 $

200 kg 1 m3

= 76.800 kg

m = 0,10 $ M = 0, 10 $ 76.800 = 7.680 kg/día Cálculo del enfriamiento del producto: Qo p^ref h = cpr $ m $ ^ Tp - Tf h = 3,45 $ 7.680 $ ^25 - 3h = 582.912 kJ/día Cálculo del calor de respiración: Qo p^resh = ^1.675 $ Mh + ^Lres $ mh = ^1, 675 $ 76.800h + ^7, 1 $ 7.680h = 183.168 kJ/día Cálculo del enfriamiento del embalaje: Qo p^embh = 2, 72 $ 0, 05 $ m $ ^ Te - Tih = 2, 72 $ 0, 05 $ 183.168 $ ^25 - 3h = 548.039 kJ/día Cálculo de la carga del producto: Qo p = Qo p^ref h + Qo p^resh + Qo p^embh = 1.314.119 kJ/día = 15, 210 kW

Qt Q ev

Qp Qi Qv

EjEmplo 4

Calcular la carga del producto durante la congelación de 1.000 kg/día de pavo (despreciar embalaje) que entra a 10 ºC y se debe congelar a -20 ºC. Refrigeración hasta la temperatura de congelación (cpr = 2,98 kJ/kg · K, T0 = -2,8 ºC): Qo p^con1h = cpr $ m $ ^ Tp - T0h = 2, 98 $ 1.000 $ ^10 - ^- 2, 8hh = 38.144 kJ/día Congelación del pavo (L = 213 kJ/kg · K): Qo p^con2h = L $ m = 213 $ 1.000 = 213.000 kJ/día Enfriamiento del pavo a -20 ºC (cpc = 1,64 kJ/kg · K): Qo p^con3h = cpc $ m $ ^ T0 - Tch = 1,64 $ 1.000 $ ^- 2, 8 - ^- 20hh = 28.208 kJ/día Carga total del producto: Qo p^conh = Qo p^con1h + Qo p^con2h + Qo p^con3h = 279.352 kJ/día = 3, 23 kW

15.4 gananciaS

de calor a travéS de loS cerramientoS

volver

La entrada de calor por paredes, techo y suelo de la cámara es inevitable, pero puede reducirse eficazmente aislando toda la superficie del espacio refrigerado. El cálculo se realiza para cada superficie por separado, sumándolas después. Las ganancias de calor a través de los cerramientos (pared, techo o suelo), se calcula: Qo t = A $ U $ ^ Te - Tih donde: A = área exterior de la pared, techo o suelo, en m2; U = coeficiente global de transmisión de calor, en W/m2 · K; Te = temperatura exterior, en ºC; Ti = temperatura interior, en ºC; T’ = suplemento de temperatura en la pared o techo, en ºC. El calor que pasa a través de las distintas capas de un cerramiento se transmite por convección y conducción. El coeficiente global de transmisión de calor es: U=

1 1 e1 e2 e 1 + + +g+ n + ln he hi l1 l2

donde: hi = coeficiente de convección interior, en W/m2 · K ; e1, e2, …, en = espesores de las

distintas capas del cerramiento, en m; l1, l2, …, ln = conductividades respectivas de cada capa,

en W/m · K; he = coeficiente de convección exterior, en W/m2 · K.

En la práctica, los frigoristas solo tienen en cuenta la resistencia ofrecida por el aislamiento. Así pues, U se puede calcular de forma simplificada mediante: U=

l e

donde: l = conductividad térmica del aislante, en W/· K; e = espesor del aislante, en m. Por lo tanto, la cantidad de calor transmitido por unidad de tiempo a través de los cerramientos de una cámara frigorífica, es función de tres factores, según la ecuación: l Qo t = A $ $ ^ Te - Tih e

15.5 gananciaS 15.5.1 calor

de calor internaS

volver

aPortado Por motoreS

Es el calor debido al trabajo de motores y máquinas dentro de la cámara. El más típico es el calor causado por los motores de los ventiladores del evaporador, pero también se deben contar los motores de carretillas elevadoras. La expresión que se aplica es: t Qo i^moth = P $ 24 donde: P = potencia de todos los motores, en W; t = tiempo de funcionamiento, en horas.

15.5.2 calor

aPortado Por PerSonaS

El personal que almacena o manipula productos en una cámara frigorífica aporta calor, sobre todo si realiza un trabajo intenso. Este calor varía también en función de las características de cada individuo y de la temperatura en la cámara: Temperatura de la cámara (ºC)

Equivalente calorífico liberado por persona (W)

10

210

5

240

0

270

-5

300

-10

330

-15

360

-20

390

-25

420

Las cantidades obtenidas de la tabla anterior pueden ajustarse a una expresión: q = 270 - 6 · T donde: T = temperatura en el interior de la cámara, en ºC. Para calcular el calor aportado por las personas, hay que multiplicar q por el número de personas que se prevé en el espacio refrigerado y el tiempo promedio de permanencia: n$q$t Qo i^perh = 24 donde: n = número de personas; q = calor emitido por individuo y hora, en W; t = tiempo de permanencia, en horas/día.

15.5.3 calor

aPortado Por luminariaS

Si no se sabe con precisión la potencia eléctrica correspondiente a la iluminación, ésta puede determinarse, aproximadamente, considerando un nivel de iluminación de 12 W/m2:

f $ 12 $ A $ t Qo i^lumh = 24 donde: f = factor que tiene en cuenta el uso de fluorescentes (1,3 en fluorescentes y 1 en incandescentes); A = área dedicada al almacén, en m2; t = tiempo que permanecen encendidas las luces en el almacén, en horas. El tiempo t debe coincidir con el de Qi(per), ya que las luces están encendidas mientras trabaja el personal. En la práctica y para cámaras de almacenamiento, es difícil calcular Qi(per) y Qi(lum), ya que el factor tiempo distorsiona la realidad. Por tanto, se puede aplicar un factor que podría ser de un 10% para cámaras de refrigeración y de un 5% para cámaras de congelación.

Cámaras de refrigeración

Qo i^perh + i^lumh = 0, 10 $ `Qo p^ref h + Qo t + Qo vj

Cámaras de congelación

Qo i^perh + i^lumh = 0, 05 $ `Qo p^conh + Qo t + Qo vj

15.6 gananciaS

de calor debidaS a renovación de aire

volver

En el recinto refrigerado debe existir ventilación suficiente para sustituir periódicamente el aire viciado por aire fresco. Esta ventilación se realiza principalmente con el uso de las puertas de la cámara. Para el cálculo de esta carga se utiliza la siguiente expresión: Qo v = n $ Vi $ ^he $ re - hi $ rih donde: n = número de renovaciones de aire por día; Vi = volumen interior de la cámara, en m3;

he = entalpía del aire exterior, en kJ/kg; hi = entalpía del aire interior, en kJ/kg; re = densidad del

aire exterior (kg/m3); ri = densidad del aire interior (kg/m3).

15.7 tiemPo

de funcionamiento del equiPo de refrigeración

volver

En aplicaciones de refrigeración, la carga de enfriamiento total se calcula para un periodo de 24 horas, en unidades de kJ/día. Debido a que la capacidad del equipo de refrigeración se expresa en kW, se divide la carga total correspondiente al periodo de 24 horas entre el tiempo deseado de funcionamiento del equipo, que será menor de 24 horas. De esta manera, se tienen en cuenta los periodos de desescarche del evaporador. Para cámaras de temperatura positiva (por encima de 1 ºC) se utiliza el método de “ciclo de apagado” (desescarche “on-off”). Con este método, en general, se consideran 16 horas de funcionamiento diarias del equipo. Las otras 8 horas se utilizan para el desescarche. Esto quiere decir que el equipo de refrigeración debe tener suficiente capacidad para obtener en 16 horas de funcionamiento real el equivalente de 24 horas de enfriamiento. Para cámaras de temperatura negativa se requiere de algún tipo de calor suplementario para efectuar el desescarche (resistencias eléctricas, gas caliente, etc.). El desescarche por cualquiera de estos medios resulta ser mucho más rápido que con el método de “ciclo de apagado”. Por tanto, el tiempo de parada requerido es menor. En general, se consideran de 18 a 20 horas diarias de funcionamiento del equipo.

15.8 Potencia

frigorífica total

volver

Una vez calculadas todas las partidas solo queda sumarlas para obtener el total Qev. Es habitual

la práctica de aplicar un factor de seguridad aumentando Qev en un 10%, para prever posibles variaciones en la carga. Además hay que suponer un funcionamiento diario, que varía de 16 a 20 horas. Por ejemplo, tomando 16 horas, tenemos que la potencia frigorífica nominal sería: 24 o Qo F = $ `Qev + 0, 10 $ Qo evj 16 caSo Práctico

Consideremos una cámara para congelar pescado, preenfriado a 4 ºC, a razón de 25.000 kg/día. El embalaje consiste en cajas de madera (10% de la masa total, 2.500 kg/día). Las dimensiones exteriores de la cámara son (6 m x 9 m) x 3 m, aisladas con poliuretano (l = 0,020 W/m · K). Las condiciones exteriores son 32 ºC (zona climática A) y 70% de humedad relativa (he = 86,43 kJ/kg, re = 1,14 kg/m3). La temperatura interior de la cámara es de -23 ºC con

una humedad relativa del 95% (hi = -21,98 kJ/kg, ri = 1,41 kg/m3). La temperatura del suelo se considera de 15 ºC. Los evaporadores tienen 4 ventiladores accionados por motores de 150 W, funcionando 18 h/día. En la cámara trabajan 4 personas durante 3 h/día. Los datos del producto son:

EnFriAmiEnto

Temperatura de almacenamiento

-18 ºC / -29 ºC

Humedad relativa

90% / 95%

Duración en almacenamiento

6 meses / 12 meses

Punto de congelación

-2,2 ºC

incluyEndo congElAción y EvEntuAl subEnFriAmiEnto:

Qo p^conh

Refrigeración hasta la temperatura de congelación (m = 25.000 kg/día; cpr = 3,28 kJ/kg · K; Tp = 4 ºC; T0 = -2,2 ºC): t Qo i^moth = P $ 24 Qo p^con1h = cpr $ m $ ^ Tp - T0h = 3, 28 $ 25.000 $ ^4 - ^- 2, 2hh = 508.400 kJ/día = 5, 88 kW Congelación del pescado (L = 243 kJ/kg): Qo p^con2h = L $ m = 243 $ 25.000 = 6.075.000 kJ/día = 70, 31 kW Enfriamiento del pescado a -23 ºC (cpc = 1,75 kJ/kg · K; Tc = -23 ºC): Qo p^con3h = cpc $ m $ ^ To - Tch = 1, 75 $ 25.000 $ ^- 2, 2 - ^- 23hh = 910.000 kJ/día = 10, 53 kW

Total enfriamiento: Qo p^conh = Qo p^con1h + Qo p^con2h + Qo p^con3h = 5, 88 + 70, 31 + 10, 53 = 86, 72 kW EnFriAmiEnto

dEl EmbAlAjE:

Qo p^embh

Qo p^embh = ce $ me $ ^ Te - Tih = 2, 72 $ 2.500 $ ^4 - ^- 23hh = 183.600 kJ/día = 2, 12 kW EnFriAmiEnto

dE lA mErcAncíA:

Qo p

Qo p = Qo p^conh + Qo p^embh = 86, 72 + 2, 12088, 84 kW gAnAnciAs

dE cAlor A trAvés dE los cErrAmiEntos:

Qo t

Cálculo de la superficie de paneles y la superficie no aislada: Techo = 6 · 9 =

63 m2

Paredes = 2 · (6 · 3) + 2 · (9 · 3) =

90 m2

Total =

153 m2

Suelo = 6 · 9 =

63 m2

Determinación del espesor de los paneles: 6 W/m2 =

λ λ $ ∆T 0, 020 $ ^32 - ^- 23hh $ ∆T & e = = = 0, 183 m . 200 mm e 6 6

Cálculo de la pérdida total por transmisión: 0, 020 Qo techo = 63 $ $ ^32 - ^- 23hh = 346, 5 W 0, 200 0, 020 $ ^15 - ^- 23hh = 239, 4 W Qo suelo = 63 $ 0, 200 0, 020 Qo paredes = 90 $ $ ^32 - ^- 23hh = 495 W 0, 200 Qo t = 346, 5 + 239, 4 + 495 = 1.080, 9 W = 1, 08 kW cAlor

APortAdo Por los motorEs dEl EvAPorAdor:

Qo i^moth

t 16 Qo i^moth = P $ = ^4 $ 150h $ = 400 W = 0, 40 kW 24 24 cAlor

APortAdo Por lAs PErsonAs:

Qo i^perh

q = 270 - 6 $ T = 270 - 6 $ ^- 23h = 408 W 4 $ 408 $ 3 n$q$t Qo i^perh = = = 204 W = 0, 20 kW 24 24

cAlor

APortAdo Por lAs luminAriAs:

Qo i^lumh

f $ 12 $ A $ t 1, 3 $ 12 $ 63 $ 3 Qo i^lumh = = = 122, 85 W = 0, 12 kW 24 24 gAnAnciAs

dE cAlor intErnAs:

Qo i

Qo i = Qo i^moth + Qo i^perh + Qo i^lumh = 0, 40 + 0, 20 + 0, 12 = 0, 72 kW PérdidAs

Por EnFriAmiEnto y dEsEcAción dEl AirE dE rEnovAción:

Qo v

Volumen interior de la cámara (para un espesor de panel de 200 mm): Vi = ^6 - 0, 40h $ ^9 - 0, 40h $ ^3 - 0, 40h = 5, 6 $ 8, 6 $ 2, 6 = 125, 2 m3 Pérdidas por ventilación, considerando 6 renovaciones/día: Qo v = n $ Vi $ ^he $ re - hi $ rih = 6 $ 125, 2 $ ^86, 43 $ 1, 14 - ^- 21, 98h $ 1, 41h = 97.297 kJ/día = 1, 13 kW PotEnciA

o

FrigoríFicA totAl dEl EvAPorAdor:Qev

Qo ev = Qo p + Qo t + Qo i + Qo v = 88, 84 + 1, 08 + 0, 72 + 1, 13 = 91, 77 kW Se considera un tiempo de funcionamiento del equipo de 18 horas: 24 o 24 24 $ `Qev + 0, 10 $ Qo evj = $ ^91, 77 + 0, 10 $ 91, 77h = $ 100, 95 = 134, 60 kW Qo F = 18 18 18

Ejecución

y puesta en servicio de instalaciones frigoríficas

16

Contenidos 16.1 Montaje de instalaciones frigoríficas 16.2 Detección de fugas y pruebas de estanquidad 16.3 Gestión de refrigerantes: recuperación, reciclado y regeneración 16.4 Evacuación del sistema. Presencia de humedad 16.5 Carga de sistemas frigoríficos 16.6 Puesta en servicio

Índice

16.1 montaje 16.1.1 medioS

de inStalacioneS frigoríficaS

volver

técnicoS Para el montaje de una inStalación frigorífica

Los medios técnicos mínimos con los que debe contar un frigorista para la ejecución del montaje de máquinas y equipos de refrigeración son los siguientes:

1.

Juegos de herramientas: corta tubos, abocardador, juego de llaves fijas, llave de carraca, llave dinamométrica, escariador, alicates, juego de destornilladores, analizador (puente de manómetro) adecuado para los gases a manipular, peine para enderezar aletas, mangueras flexibles para la conexión y carga de refrigerante.

2.

Termómetro (precisión ±0,5%), con sondas de ambiente, contacto y de inmersión o penetración.

3. 4.

Equipos de protección individual, adecuados al trabajo a realizar. Máscaras de respiración con cartuchos filtrantes, cuando se trabaje con R-717.

Además, para la puesta en servicio de la instalación, se requiere del siguiente equipamiento:

5. 6. 7. 8.

Vacuómetro de precisión. Bomba de vacío de doble efecto. Detector portátil de fugas. Equipo de medida de acidez.

Es necesario que cada centro de trabajo cuente con los siguientes medios: •

Higrómetro (precisión ±5%).

•

Equipo de trasiego de refrigerantes.

•

Equipo básico de recuperación de refrigerantes.

• Equipo dosificador para cargar circuitos de instalaciones de menos de 3 kg de carga de refrigerante. •

Báscula de carga para instalaciones de menos de 25 kg.

•

Anemómetro.

•

Tenazas para precintado.

•

Juego de señalizadores normalizados para colocar en las tuberías correspondientes.

• Equipo para la limpieza de baterías evaporadoras y condensadoras, así como los líquidos adecuados para ello. •

Equipo de respiración autónoma.

•

Manómetro contrastado.

•

Termómetro contrastado.

16.1.2 faSeS 1. PlanoS

y PuntoS clave del montaje

neceSarioS Para el rePlanteo de la inStalación

El instalador frigorista, antes de proceder al montaje de la instalación, requiere de una serie de documentación técnica y los siguientes planos:

•

Plano de planta.

•

Plano del circuito de gas refrigerante.

•

Plano del circuito eléctrico incluido el esquema unifilar.

•

Plano del circuito eléctrico de maniobra.

•

Plano de la regleta de conexiones de la caja de maniobras.

2. Selección

de loS comPonenteS del SiStema

Para seleccionar cualquier elemento del sistema frigorífico, es necesario partir de los datos base y los resultados de los cálculos. La selección de las unidades (condensador, evaporador, etc.) se realizará mediante el uso de catálogos comerciales. Actualmente, la mayoría de los fabricantes de equipos disponen de herramientas de selección con programas informáticos de cálculo. En general, para instalaciones grandes, el compresor y el condensador se seleccionan por separado. En instalaciones pequeñas, forman lo que se denomina unidad condensadora. Se recomienda la instalación de obuses, uno en la tubería de descarga, otro a la salida del evaporador dentro de la cámara frigorífica y uno antes del compresor (de esta manera, se evita manipular la válvula de servicio). Cuando se selecciona el evaporador, se debe tener presente la separación de aletas que el fabricante recomienda, según la temperatura de trabajo del evaporador.

3. montaje

de la cámara frigorífica

Las fases para el montaje de la cámara frigorífica son: • Montar los paneles frigoríficos (piso, paredes y techo). La cámara tiene que quedar bien nivelada. Si son varios paneles de techo, conviene montarlos de forma independiente a las paredes de la cámara. • Montar la puerta, teniendo en cuenta hacia donde se quiere la apertura. Una vez fijada la puerta, se monta la maneta de apertura. • Montar el detector de fugas de gas refrigerante. Se colocará a 1,5 metros del suelo y por el lado de apertura de la puerta. •

Montar compuertas de presión en la cámara.

• Montar el sistema de emergencia. Consta de dos elementos, 1) el avisador (colocado en la parte externa de la cámara), y 2) el sistema emergencia (colocado en la parte interna y a una altura de 1,5 metros, en el lado donde se encuentra la apertura de la puerta). • Montar los aparatos de iluminación y el interruptor. El interruptor se monta en el exterior de la cámara, a la entrada (lado de apertura).

4. montaje

de loS elementoS del SiStema

Se consideran las siguientes fases para el montaje del sistema de refrigeración (circuito frigorífico): • montaje de la unidad condenSadora. La unidad condensadora se debe montar en un lugar donde el calor que produce afecte lo menos posible a la cámara frigorífica. Cuanto más cerca de la cámara, menos longitud de tubería y, por tanto, menores pérdidas de energía. Debe tener

suficiente ventilación exterior. Se colocará sobre una bancada soporte, de obra o metálica, con una altura mínima de 50 cm. Se debe montar sobre amortiguadores o antivibratorios y quedar perfectamente nivelada. • montaje del evaPorador. El evaporador se fijará al techo de la cámara o bien a la pared. Se fija con pernos o tornillos pasantes al exterior. Antes de fijar el evaporador, se marcará la altura de la salida de la tubería de aspiración y se realizará el taladro con el fin de pasar la tubería de aspiración, la tubería de líquido y la línea eléctrica. El sentido de circulación del aire forzado va de arriba hacia abajo, o de la pared hacia el centro de la cámara, por tanto, el evaporador se dejará a 5 cm de separación de de la pared o techo. En el caso de que no lleve obús el evaporador, conectar uno en la tubería de aspiración, para poder hacer lecturas con el manómetro de baja presión, sobre todo será útil a la hora de regular la válvula de expansión. • montar la válvula de exPanSión termoStática. La válvula de expansión se monta en la tubería de entrada al evaporador (tubería de líquido). • montar el termoStato. Se debe tener en cuenta que el bulto del termostato se colocará a la entrada del aire en el evaporador. • montar el circuito de tuberíaS de refrigerante. La unión a los elementos se realizará según la predisposición de los mismos, por soldadura o fijación con tuerca y abocardando el tubo. Se utilizarán las herramientas de estirado y abocardadores, y para doblar los tubos los dobladores de tubos; en el caso de que las dimensiones de las tuberías excedan de 5/8” o 3/4”, es conveniente utilizar codos del mismo diámetro. • montaje de la tubería de aSPiración. La tubería de aspiración va desde el compresor al evaporador, pasando por el depósito separador de partículas. • montaje de la tubería de líquido. La tubería de líquido va desde el condensador al evaporador. Entre medio se encuentran los siguientes elementos: recipiente de líquido, filtro deshidratador, válvula solenoide, visor y válvula de expansión termostática). • montaje de la tubería de deScarga. La tubería de descarga va desde el compresor al condensador. Es conveniente montar un obús de 1/4” a la salida del compresor. Montar el presostato de alta presión, mediante tubería de 1/4”. El Reglamento de Seguridad para Instalaciones Frigoríficas (RSIF), en su instrucción IF-06, especifica la separación máxima entre soportes de las tuberías, en función del material de las mismas (cobre o acero), según las tablas siguientes: Diámetro exterior (mm)

Separación (m)

15 a 22 ligera

2

22 a 54 media

3

54 a 67 media

4

Separación máxima entre soportes para tuberías de cobre Diámetro nominal (DN)

Separación (m)

15 a 25

2

32 a 50

3

65 a 80

4,5

100 a 175

5

200 a 350

6

400 a 450

7,5

Separación máxima entre soportes para tubería de acero

La instrucción IF-18 del RSIF, especifica que las tuberías de las instalaciones frigoríficas se deben identificar con señales (etiquetas adhesivas o placas) terminadas en punta para indicar el sentido del flujo. Cuando las puntas se colocan en ambos extremos, significa que la circulación del flujo es en ambos sentidos. El color de fondo de las señales, será el amarillo RAL 1021. Cuando se trate de refrigerantes inflamables, se pintará la punta en rojo RAL 3000. El estado del refrigerante se reflejará en las señales detrás de su punta con franjas transversales repartidas regularmente según el esquema siguiente: Tuberías de aspiración

azul RAL 5015

Tuberías de descarga

rojo RAL 3000

Tuberías de líquido

verde RAL 6018

En las instalaciones de compresión simple, de una etapa, en la señal figurará una franja transversal. En las instalaciones con más de una etapa de compresión las tuberías de cada etapa se diferenciarán poniendo en la etiqueta un número de franjas transversales igual al número de etapas correspondiente (una franja para la primera etapa, dos para la segunda, etc.). El tipo de refrigerante que circula por las tuberías se indicará con su número de identificación (anotación simbólica alfanumérica: R-717, R-744, R-404A) o por su fórmula química (NH3, CO2, etc.), en el caso de aceite se indicará con este nombre. Dependiendo del diámetro exterior de las tuberías y considerando su posible aislamiento térmico, se recomiendan la forma y dimensiones según plano y tabla siguientes:

b3

a1

a2

c

b2

c

c

R 134a

h

b1

a1

Tamaño

a1 · b1

a2

b2

b3

c

h

d

I

26 · 150

18

75

25

10

12

Hasta DN50

II

52 · 300

36

150

50

20

24

Superior a DN50

(Dimensiones en mm) d = diámetro exterior de las tuberías

N

EjEmplo 1

Señal para la identificación de la tubería de aspiración de la primera etapa de una instalación con amoníaco.

NH3

5. verificación

de la eStanqueidad del circuito frigorífico

Se aplicarán las presiones de prueba que recomienda el Reglamento de Seguridad para Instalaciones Frigoríficas, con nitrógeno (N2). El tiempo mínimo de verificación debe ser

de 30 minutos. Todas las válvulas de servicio tienen que estar abiertas. Hay que ajustar el manorreductor de la botella de nitrógeno a la presión de alta de prueba. En el caso de tener pérdidas, se verificará con el detector de fugas correspondiente en todos los puntos de unión, marcándose éstos cuando se encuentre una fuga. Una vez revisados todos estos puntos, se procederá a su reparación. Según el Reglamento de Seguridad para Instalaciones Frigoríficas, el valor mínimo para la presión máxima admisible se determinará de acuerdo con la presión de saturación del refrigerante para las temperaturas mínimas de diseño especificadas en la tabla siguiente. Condiciones ambientales Sector de alta presión con condensador enfriado por aire Sector de alta presión con condensador refrigerado por líquido Sector de alta presión con condensador evaporativo Sector de baja presión con intercambiador expuesto a temperatura ambiente Sector de baja presión con intercambiador expuesto a temperatura interior

T ≤ 32 ºC

32 ºC < T ≤ 38 ºC

38 ºC < T ≤ 43 ºC

55 ºC

59 ºC

63 ºC

Temperatura de salida del líquido + 13 K 48 ºC

48 ºC

48 ºC

32 ºC

38 ºC

43 ºC

27 ºC

33 ºC

38 ºC

Cuando los evaporadores puedan estar sometidos a altas presiones, como por ejemplo: durante el desescarche por gas u operación en ciclo inverso, se deberá utilizar la temperatura especificada para el sector de alta presión.

6. realización

del vacío del circuito frigorífico

Se utilizará una bomba de vacío (a ser posible de doble etapa) con su vacuómetro o en su caso el manómetro de baja presión. El vacío se realizará con todas las válvulas de servicio y solenoides abiertas. El tiempo de verificación del vacío de una instalación dependerá del tamaño de ésta, pero nunca deberá ser inferior a 30 minutos.

7. montaje

de la caja de automatiSmoS del SiStema

La caja de automatismos se puede colocar en el frontal de la cámara frigorífica o en una pared lo más cerca posible a la misma. Una vez colocada, se montan las canalizaciones y cajas de conexiones del sistema eléctrico.

8. montaje

de la línea de acometida

El proyecto, construcción, montaje, verificación y utilización de las instalaciones eléctricas, se ajustarán a lo dispuesto en el vigente Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT) y sus instrucciones técnicas complementarias. Los circuitos eléctricos de alimentación de los sistemas frigoríficos se instalarán de forma que la corriente se establezca o interrumpa independientemente de la alimentación de otras partes de la instalación, en especial, de la red de alumbrado (normal y de emergencia), dispositivos de ventilación y sistemas de alarma. Deberán incorporar protección diferencial y magnetotérmica por cada elemento principal

(compresores, ventiladores de los condensadores, ventiladores de los evaporadores, etc.) y por circuito de maniobra. Las instalaciones frigoríficas deberán estar protegidas contra contactos indirectos de la siguiente manera: a. Instalaciones centralizadas: cada elemento principal (compresor, condensador, evaporador y bomba de circulación de fluido) deberá estar debidamente protegido. b. Circuitos independientes constituidos por un único conjunto compresor, condensador y evaporador: será suficiente una única protección para el conjunto. c. Resistencias eléctricas de desescarche de todos los evaporadores: podrán estar protegidas por un único dispositivo, al igual que las de desagües. Todos los conductores estarán aislados y protegidos mecánicamente, según recomienda el Reglamento electrotécnico para baja tensión (REBT).

9. montaje

del SiStema de control y Potencia

Todos los elementos deben quedar señalizados, así como los puntos de conexionado y los conductores. Los circuitos eléctricos más habituales son los siguientes: •

Circuito de iluminación de la cámara.

•

Circuito de la resistencia y termostato en puerta de la cámara.

•

Circuito del sistema de emergencia en la puerta de la cámara.

•

Circuito del detector de gas refrigerante.

• Circuito de potencia del compresor, ventilador de refrigeración del compresor y térmicos de control del compresor, así como la resistencia del cárter (si la lleva) y su termostato. •

Circuito de potencia de los ventiladores del evaporador y resistencia de desescarche.

•

Circuito del termostato y válvula solenoide.

•

Circuito de los presostatos de baja y alta presión.

En los sistemas condensados por agua, además existirán los siguientes circuitos: •

Circuito de potencia de la bomba hidráulica.

•

Circuito de potencia del ventilador de la torre de refrigeración o condensador evaporativo.

•

Circuito del presostato de agua y termostato.

10. carga

de gaS refrigerante

La carga de gas refrigerante en el sistema, se realizará según el Reglamento de Seguridad para Instalaciones Frigoríficas.

11. Prueba

y regulación de loS PreSoStatoS

• Prueba del PreSoStato de alta PreSión. Bajar la presión, con el compresor en servicio y cargando gas refrigerante, hasta que pare el sistema; tarar el presostato de alta, elevando la presión un 20% por encima de la presión de carga. • regulación del PreSoStato de baja PreSión. Elevar la presión, hasta que pare el sistema; una vez comprobado su funcionamiento, regular el presostato de baja hasta el equivalente en presión de la temperatura de consigna.

12. regulación

de la temPeratura de conSigna del termoStato

Elevar la temperatura del termostato, hasta que desconecte la válvula solenoide; en el caso de rebasar la temperatura ambiente, cambiar la conexión del contacto eléctrico y repetir la operación. Ajustar el termómetro a la temperatura de consigna. El bulbo del termostato tiene que colocarse a la entrada del aire del evaporador.

13. regulación

del eScarche en el evaPorador

Primero hay que comprobar la estabilidad del evaporador y si está bien escarchado o no. Conectar el manómetro de baja presión en el obús que se encuentra a la salida del evaporador (tubería de aspiración). Verificar la estabilidad de la aguja del manómetro. En el caso de que oscile, está indicando que la válvula de expansión no funciona correctamente. Desde la puesta en servicio del sistema, se tiene que esperar un mínimo de 60 a 90 minutos, para realizar la verificación de escarche. Es importante que todo el bulbo esté en contacto con la tubería de aspiración y que esté instalado en la parte superior de la misma y, si es posible, en un tramo horizontal.

16.2 detección

de fugaS y PruebaS de eStanquidad

volver

Las fugas en un sistema de refrigeración dependen de si la presión del sistema en el punto de fuga es mayor o menor que la presión atmosférica, pudiendo ser: • hacia fuera (fuga de refrigerante hacia el exterior). Son menos serias, ya que generalmente solo se requiere que la fuga sea localizada, reparada y el sistema recargado con la cantidad adecuada de refrigerante. • hacia adentro (entrada de aire húmedo al SiStema). El aire y la humedad arrastrados hacia dentro del sistema, aumentan la presión y temperatura en la descarga y aceleran la corrosión. Además, después de la reparación de la fuga, el sistema deberá ser evacuado y deshidratado antes de ponerse en operación.

16.2.1 método

de detección de fugaS

Se pueden utilizar dos métodos de detección de fugas: • métodoS de detección directa. Identifican la ubicación exacta de las fugas. Al seleccionar el método directo más apropiado deben tenerse en cuenta las características particulares de la instalación, tales como la ventilación del entorno. • métodoS de detección indirecta. Se emplean cuando los parámetros analizados del equipo ofrecen información fidedigna sobre la carga de gases refrigerantes. Es conveniente recurrir a los métodos de medición indirecta en caso de que la fuga se desarrolle muy lentamente y el equipo esté instalado en un entorno bien ventilado, que dificulte la detección de los gases fluorados, y que pasen del sistema al aire ambiente.

métodoS

de detección directa

Los métodos de detección directa requieren la apertura del circuito de refrigeración, por lo que solo podrá realizarse por personal certificado. Estos métodos pueden ser: a. Dispositivos de detección de gases adaptados al fluido refrigerante del sistema. b. Aplicación de un fluido ultravioleta de detección o un tinte adecuado en el circuito. c. Soluciones de burbujas o espumas patentadas.

Los dispositivos de detección de gases mencionados en el apartado a) se controlarán cada 12 meses (dispositivos portátiles de detección de gases). Antes de procederse al ensayo de presión con un gas idóneo para los ensayos de presión (por ejemplo, nitrógeno sin oxígeno) destinados a controlar fugas, el refrigerante será recuperado del sistema en su conjunto por personal certificado para ello.

métodoS

de detección indirecta

Al objeto de detectar una fuga, el personal acreditado practicará un control visual y manual del equipo y analizará uno o varios de los siguientes parámetros: a. Presión.

!

b. Temperatura.

todA

c. Intensidad del compresor.

PreSunta

fuga

dE

gAsEs

FluorAdos dE EFEcto invErnAdEro dArá

d. Niveles de líquido.

lugAr

A

un

ExAmEn

PArA

detectarla mediante un método directo.

16.2.2 control

de fugaS Siguiendo un método de medición indirecta o

directa

Se controlarán sistemáticamente las siguientes partes de los equipos de refrigeración, aire acondicionado o bombas de calor: •

Soldaduras (unión del capilar).

•

Juntas cónicas (abocardados).

•

Válvulas (incluidos los vástagos).

! un

• Sellos (incluidos los colocados en secadores y filtros desmontables). •

Partes del sistema que pueden sufrir vibraciones.

•

Conexiones a dispositivos de seguridad o de funcionamiento.

•

Visores (visor de líquido, visor de aceite).

PrimEr método dE dEtEcción dE

FugAs sErá obsErvAr AtEntAmEntE El

ExtErior

dEl

circuito

PArA

dEscubrir lA PrEsEnciA dE trazaS de aceite FrigoríFico.

En la tabla siguiente se indica la periodicidad del control de fugas, que dependerá de la carga de refrigerante existente en cada circuito frigorífico. Aplicaciones FIJAS de gases fluorados

Frecuencia de controles mínima

Frecuencia de controles cuando existe un sistema de detección de fugas

Sistemas con carga ≥ 3 kg

12 meses

-

Sistemas con carga ≥ 30 kg

6 meses

12 meses

3 meses (*)

6 meses

Sistemas con carga ≥ 300 kg Aparatos reparados Sistemas sellados herméticamente con carga < 6 kg Sistemas con carga < 3 kg

1 control al mes de la reparación Exentos de controles

-

(*) El uso de un sistema de detección de fugas que, en caso de detección, alerte al operador, es obligatorio para las aplicaciones que contengan una carga de 300 kg o más.

Las instalaciones frigoríficas que contengan más de 300 kg de gases fluorados de efecto invernadero, deberán instalar sistemas de detección de fugas permanentes. Estos sistemas serán objeto de, al menos, un control cada 12 meses para garantizar su buen funcionamiento. Cuando exista y funcione correctamente un sistema de detección de fugas adecuado, la frecuencia de los controles se reducirá a la mitad.

16.2.3 Procedimiento

del control de fugaS y reParación de laS miSmaS

Según el Reglamento CE 1516/2007, establece un procedimiento para el control de fugas en los equipos fijos de refrigeración, aires acondicionados y bombas de calor, que contienen determinados gases fluorados de efecto invernadero, que se resume en el cuadro siguiente.

5

1 Control de los registros

Control de seguimiento

del equipo (Libro de registro)

(EN 1 MES) 2

Elección del método de control

3 Actualizar registros del equipo 4

3

Control de fugas

Control de fugas Método de medición indirecta

Método de medición directa SÍ

Reparación de fugas

¿Se han detectado fugas?

SÍ

¿Hay sospechas de fugas? NO

NO 6

Actualizar registros del equipo

Los pasos 1 a 3 deben realizarse en todos los casos. Si no se sospecha (métodos de medición indirecta) o no se detecta (método de medición directa) la existencia de ninguna fuga, para finalizar el proceso, actualice los registros del equipo (libro de registros) (paso 6). De detectarse fugas, éstas deben subsanarse lo antes posible, debiendo ser objeto de un control de fugas exhaustivo en el plazo de 1 mes a partir del momento de la reparación. Deberá centrarse en aquellas zonas en las que se hayan detectado y reparado fugas, así como en las zonas adyacentes en los casos en que se haya aplicado tensión durante la reparación. El control de supervisión cumplirá los requisitos de un control de fugas estándar. Cuando se detecte una fuga en equipos con carga de CFC y HCFC, la fuga deberá ser reparada en un plazo máximo de 14 días. En caso necesario, la reparación debe estar precedida por un bombeo o recuperación y seguido de un ensayo de estanquidad con nitrógeno sin oxígeno u otro gas secante idóneo para los ensayos de presión, seguido de evacuación, recarga y ensayo de estanquidad.

16.2.4 Prueba

de eStanquidad del SiStema con nitrógeno

El primer objetivo de esta prueba es comprobar la resistencia del sistema a las presiones de trabajo. Adicionalmente permite detectar las posibles fugas del sistema. El nitrógeno es un

gas que no cambia de forma apreciable con los cambios de temperatura, por lo que es el más adecuado para el procedimiento de prueba a presión. Nunca utilizar el aire, ya que al mezclarse con algunos refrigerantes bajo presión, puede dar lugar a una mezcla explosiva. Puente de manómetros

N

Evaporador

Botella de nitrógeno

Condensador Válvula de servicio de aspiración

Válvula de expansión

Válvula de servicio de descarga

Compresor

Para el R-717, la prueba de presión se puede realizar, también, con aire comprimido. Esto se debe a que el peligro de los ácidos resultantes de la reacción de la humedad con el refrigerante, es nulo, pues el amoníaco no produce ácidos agresivos en presencia de humedad. Por otra parte los compresores para amoníaco son abiertos y los devanados del motor eléctrico no están en contacto con el refrigerante ni con el aire utilizado en la prueba. Las especificaciones de los fabricantes de compresores muestran presiones de trabajo que muchas veces son inferiores a las de condensación. A menudo resulta conveniente realizar una prueba de presión de las tuberías, el condensador o el evaporador, con presiones superiores a las del compresor, entonces, éste puede aislarse y hacer una prueba de presión en el sistema con valores superiores. Cuando se realiza la prueba de presión, se debe observar que la presión del manómetro se mantiene constante. Si la aguja del manómetro ha descendido, querrá decir que hay una fuga. La duración de la prueba depende del tamaño de la instalación. Por ejemplo, un equipo pequeño puede necesitar solo 1 hora para asegurarse de que está libre de fugas, mientras que un sistema de 70 kW puede necesitar 12 horas. A mayor duración de la prueba, mayor seguridad de que no existe ninguna fuga. Para detectar fugas, se introduce una pequeña cantidad de refrigerante en el sistema con nitrógeno (hasta unos 70 kPa o 0,7 bar). La pequeña cantidad de refrigerante puede ser detectada con cualquier detector de fugas común.

16.3 geStión regeneración

de refrigeranteS: recuPeración, reciclado y

volver

16.3.1 real decreto 795/2010 Los hidrocarburos halogenados contribuyen al calentamiento de la atmósfera. Además, los compuestos que contienen cloro y/o bromo tienen un alto poder destructivo del ozono estratosférico. Esto ha obligado a que gran parte de estas sustancias hayan sido reguladas por

el Protocolo de Montreal (sustancias que agotan la capa de ozono) y por el Protocolo de Kioto (gases de efecto invernadero). Los dos Reglamentos siguientes incluyen limitaciones y prohibiciones de su uso, así como medidas para fomentar la contención de las emisiones y la recuperación de estos fluidos una vez finalizados los usos permitidos. • El Reglamento CE 842/2006 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 17 de mayo de 2006, sobre determinados gases fluorados de efecto invernadero. • El Reglamento CE 1.005/2009 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de septiembre de 2009, sobre las sustancias que agotan la capa de ozono, en aplicación a partir del 1 de enero de 2010. El Reglamento CE 1005/2009, especifica la necesidad de que el personal que utilice estas sustancias disponga de la cualificación necesaria. El Reglamento CE 842/2006, va mucho más allá, recogiendo un ambicioso programa de certificación del personal involucrado en la instalación, mantenimiento, control de fugas y recuperación de sistemas frigoríficos fijos. Si bien estos requerimientos ya son obligados al derivar de reglamentos europeos, para su mejor aplicación se han incorporado al ordenamiento jurídico español, a través del Real Decreto 795/2010, de 16 de junio, por el que se regula la comercialización y manipulación de gases fluorados y equipos basados en los mismos, así como la certificación a los profesionales que los utilizan. Sustancias que agotan la capa de ozono CFCs (R-12), HCFCs (R-22) CFCs (R Reguladas por el:

Gases fluorados de efecto invernadero HFCs (R -134a, R -410A)

Reguladas por el:

Protocolo de Montreal

Protocolo de Kioto

Reglamento 1.005/2009

Reglamento 842/2006

Real Decreto 795/2010: Comercialización y manipulación de gases fluorados y equipos basados en los mismos, así como la certificación de los profesionales que los utilizan

El Real Decreto 795/2010 establece la obligación de contar con un certificado expedido por los servicios de Industria de la Comunidad Autónoma correspondiente a aquellas empresas que, en relación con los equipos de refrigeración o climatización fijos con sistemas frigoríficos que emplean gases fluorados, realicen operaciones de: • inStalación. Conjunto de al menos dos piezas de equipos que contengan o se hayan diseñado para contener gases fluorados, con el fin de montar un sistema en su lugar de funcionamiento, independientemente de que sea necesario o no cargarlo tras el montaje. • mantenimiento o reviSión, incluido el control de fugaS, carga y recuPeración de refrigeranteS Todas las actividades que supongan acceder a los circuitos de sistemas existentes que contengan o se hayan diseñado para contener gases fluorados y, en particular, retirar una

fluoradoS.

o varias piezas del circuito o equipo, volver a montar una o varias piezas del circuito o equipo, así como reparar fugas. No tendrán tal consideración la manipulación de componentes que no afecten al confinamiento del fluido. • maniPulación

de contenedoreS de gaS.

Todas esas operaciones deberán ser realizadas únicamente por personal certificado, por lo que las empresas que se dediquen a la instalación o mantenimiento, deberán contar con personal debidamente certificado para la realización de estas operaciones, así como con los medios técnicos necesarios. No requieren certificación, el personal que únicamente manipule elementos de sistemas frigoríficos distintos del circuito que contiene el gas, tales como ventiladores, filtros y conductos de aire, tuberías de agua o refrigerantes secundarios no fluorados, etc.

16.3.2 refrigeranteS 16.3.2.1 cambio

y medio ambiente

climático y

Protocolo

de

Kioto

De la energía emitida por el Sol, una parte de ella es reflejada por la atmósfera terrestre, el resto llega a la Tierra produciendo el calentamiento de la misma. Este calor que emite la Tierra hacia el espacio en forma de rayos infrarrojos queda atrapado en la atmósfera impidiendo su salida. Este fenómeno se conoce como “efecto invernadero”. Este efecto se ve agravado por el tiempo de permanencia de los gases en la atmósfera. Por ejemplo, el CO2 (uno de los gases que mayor efecto invernadero produce) permanece en ella unos 500 años, el R-11 unos 55 años y el R-123 aproximadamente 2 años. Es lo que se llama tiempo estimado de vida para cada gas.

!

miEntrAs

mAyor sEA El tiEmPo dE

vidA EstimAdo dE un rEFrigErAntE, mAyor sErá su PotEnciAl dE EFEcto invErnAdEro.

Existe un efecto de calentamiento global natural que es inevitable y beneficioso. Gracias a él, en la superficie terrestre se garantiza una temperatura adecuada para las diferentes formas de vida. Cuando existe una aportación adicional de estos gases, originada por la actividad irracional del hombre el efecto es, entonces, negativo. En la técnica frigorífica, una instalación que trabaje con baja eficiencia contribuye a potenciar el efecto invernadero aunque no tenga fugas de refrigerante. La explicación está en que la baja eficiencia significa un mayor consumo de energía y, como consecuencia, una mayor emisión de CO2 por parte de las plantas generadoras de electricidad. Por esta razón, además de mantener

controladas las emisiones de refrigerante en las instalaciones, éstas deben trabajar con la más alta eficiencia. Para lograrlo se debe primar la calidad en todas las actividades: planificación, diseño, montaje y mantenimiento.

El Protocolo de Kyoto (diciembre de 1997), complementa y amplía el de Montreal, promocionando la investigación, desarrollo y aumento del uso de nuevas formas de energías renovables y de tecnologías de secuestro del dióxido de carbono (CO2), comprometiéndose los países firmantes a bajar sus emisiones expresadas en dióxido de carbono equivalente, de los gases de efecto invernadero (GEI) a un nivel no inferior al 5%, al emitido por cada país en 1990, en el periodo comprendido entre el año 2008 y el 2012. El Potencial de Calentamiento Atmosférico (PCA) o Global Warming Potencial (GWP) es el parámetro que mide el potencial de calentamiento atmosférico producido por 1 kg de toda sustancia emitida a la atmósfera, en relación con el efecto producido por 1 kg de dióxido de carbono (CO2), que se toma como referencia, sobre un tiempo de integración dado. Cuando el tiempo de integración es de 100 años se indica con PCA 100.

imPacto

Tipo de gas

Símbolo químico

GWP oPCA

Dióxido de carbono

CO2

1

Metano

CH4

21

Óxido nitroso

N2O

310

Hidrofluocarbonos

HFC

140 - 11.700

Perfluorocarbonos

PFC

6.500 - 9.200

Hexafluoruro de azufre

SH6

12.900

total equivalente Sobre el calentamiento atmoSférico

(teWi)

El TEWI (Total Equivalent Warming Impact) es un parámetro utilizado para evaluar el calentamiento atmosférico producido durante la vida de funcionamiento de un sistema de refrigeración, englobando la contribución directa de las emisiones del refrigerante a la atmósfera con la contribución indirecta de las emisiones de dióxido de carbono resultantes de consumo energético del sistema de refrigeración durante su periodo de vida útil. El TEWI ha sido concebido para determinar la contribución total del sistema de refrigeración utilizado al calentamiento atmosférico. Cuantifica el calentamiento atmosférico directo del refrigerante si se libera, y la contribución indirecta de la energía requerida para que el equipo trabaje durante su vida útil. Es válido únicamente para comparar sistemas alternativos u opciones de refrigerantes en una aplicación concreta y en un lugar dado. Para un sistema frigorífico determinado, el TEWI incluye: a. El impacto directo sobre el calentamiento atmosférico bajo ciertas condiciones de pérdida de refrigerante. b. El impacto directo sobre el calentamiento atmosférico debido a los gases emitidos por el aislamiento u otros componentes, si procede. c. El impacto indirecto sobre el calentamiento atmosférico por el CO2 emitido durante la generación de la energía consumida por el sistema. El factor TEWI podrá calcularse por medio de la siguiente formula, en la que los diferentes tipos de impacto están correspondientemente separados. TEWI = 6PCA $ L $ n@ + 6PCA $ m $ ^1 - αrecuperaciónh@ + 6n $ Eanual $ β@

6PCA $ L $ n@ = Impacto debido a pérdidas por fugas = PCAdirecto 6PCA $ m $ ^1 - arecuperaciónh@ = Impacto por perdidas producidas en la recuperación = PCAdirecto 6n $ Eanual $ b@ = Impacto debido a la energía consumida = PCAindirecto

donde: TEWI = contribución total por el efecto invernadero (kg de CO2); PCA = potencial de

efecto invernadero global (referido a CO2); L = fugas (kg/año); n = tiempo de funcionamiento del sistema (años); m = carga de refrigerante (kg); arecuperación = facto de recuperació (de 0 a 1); Eanual = consumo energético (kWh/año); b = emisión de CO2 (kg · kWh).

Este potencial de calentamiento atmosférico está determinado respecto del CO2 y se basa en un horizonte de tiempo de integración acordado de 100 años. El factor de conversión b expresa la cantidad de CO2 producido por la generación de 1 kWh.

N

EjEmplo 2

Calcular el TEWI de un sistema de refrigeración con R-134a (PCA 100 = 1.300) que tiene una capacidad de 30 kW y trabaja con una temperatura de vaporización de -10 ºC y una temperatura de condensación de +40 ºC. Se asume un porcentaje de fugas del 8% de la carga por año. El resto de características son las siguientes: m = 15 kg, L = 1,2 kg/año, Eanual = 15 kW · 6.000 h/año, b = 0,7 kg CO2/año, arecuperación = 0,80, n = 20 años. TEWI = 6PCA $ L $ n@ + 6PCA $ m $ ^1 - αrecuperaciónh@ + 6n $ Eanual $ β@ TEWI = 61.300 $ 1, 2 $ 20@ + 61.300 $ 15 $ ^1 - 0, 80h@ + 620 $ 90.000 $ 0, 7@ = 1.295.100 kg CO2

16.3.2.2 agotamiento

de la caPa de ozono y

Protocolo

de

montreal

Los hidrocarburos halogenados, además de contribuir al calentamiento de la atmósfera, presentan un alto poder destructivo del ozono estratosférico, lo que ha obligado a que estas sustancias se regulen por el Protocolo de Montreal (septiembre de 1987). La radiación solar ultravioleta es parte del espectro electromagnético emitido por el Sol, y de acuerdo a la longitud de onda, se clasifica en tres tipos: Radiación espectral (W/m2 · nm) 2.000

RADIACIÓN SOLAR EXTRATERRESTRE UV-A: No peligroso UV-B: Cáncer de piel (Absorbe la mayor parte) UV-C: Mortal (Absorción total por parte del O3)

C B

A

200 315 280 400 UV (7%)

500

700

2.600 Longitud de

V (47%)

IR (46%)

onda λ (nm)

• ultravioleta c (uv-c). Longitud de onda entre 100 y 280 nm. Es altamente dañina para los seres vivos, con su presencia no sería posible la vida en la Tierra. Esta radiación es totalmente absorbida por el ozono estratosférico, vapor de agua y gases (O2, CO2), de modo que en ningún caso alcanza la superficie terrestre. • ultravioleta b (uv-b). Longitud de onda entre 280 y 315 nm. Parte de esta radiación es absorbida por el ozono, pero el 10% alcanza la superficie terrestre y afecta a los seres vivos. Su efecto sobre las personas, aparte del bronceado, son: quemaduras, envejecimiento de la piel, cáncer de piel, conjuntivitis, etc. • ultravioleta a (uv-a). Longitud de onda entre 315 a 400 nm. Los efectos sobre las personas son similares a los producidos por los UV-B, pero se necesitan dosis unas 1.000 veces

superiores, por lo que proporcionalmente resulta menos perjudicial, aunque la intensidad que alcanza la superficie terrestre es muy superior a la UV-B. El ozono es una sustancia que constituye un filtro natural de la radiación solar ultravioleta (UV). De esta forma, al absorberla en las capas altas de la atmósfera, se evita que llegue a la superficie terrestre lo que permite el desarrollo de las diferentes formas de vida. El ozono (O3) se forma en la estratosfera por la incidencia de los rayos UV del Sol sobre las moléculas de oxígeno (O2), descomponiéndolas y formando dos átomos de oxígeno: O2 + UV → O + O (1) Uno de los átomos de O se une a una molécula de O2 formando el ozono (O3): O2 + O → O3 (2) O

O

O O

O

O

O

(1) O

O

O

O (2)

O O O

O

O

O

O

En 1974, dos investigadores de la Universidad de California, Mario Molina y Sherwood Rowland (ganadores del Premio Nobel de Química 1995), formularon la Teoría del Ciclo Catalítico del Cloro (Teoría química de la destrucción de la capa de ozono). Sus estudios de laboratorio demostraron que los CFC son poco estables ante la radiación UV-C, pues se produce una reacción fotoquímica que da lugar a la liberación de átomos de cloro (Cl): Cl3CF (R-12) + UV → Cl2CF + Cl (3)

F C F

Cl

F

(3)

Cl

C F

Cl

Cl

Los átomos de cloro que se liberan son muy reactivos y muchos de ellos colisionan con moléculas de ozono produciendo monóxido de cloro (ClO) y oxígeno molecular: Cl + O3 → ClO + O2 (4) O Cl

O

(4)

O

Cl

O O

O

Pero aquí no termina todo. El monóxido de cloro puede reaccionar con átomos de oxígeno producidos en la reacción (1), y se regenera así el cloro atómico: ClO + O → O2 + Cl (5) (5)

Cl

O O

O Cl

O

Se estima que un solo átomo de cloro liberado de un CFC puede dar origen a una reacción en cadena que destruya 100.000 moléculas de ozono. O O

F

O

Cl O

C

F

Cl

O

Cl

Cl

O

F F

O

O

C Cl

O

Para determinar en qué medida los diferentes gases refrigerantes influyen en este proceso se utiliza un indicador, el Potencial de Destrucción del Ozono (ODP), que nos indica la cantidad destruida por la emisión de un determinado refrigerante. Este índice toma como referencia el efecto que produce el R-11, al que se le asigna un ODP de 1.

16.3.3 recuPeración,

reciclado y regeneración

Las normas de muchos países prohíben a los técnicos dejar escapar conscientemente las sustancias refrigerantes al medio ambiente. Estas normas suelen excluir de la prohibición las pérdidas mínimas que necesariamente se producen con cualquier intento bien intencionado de recuperar, reciclar o eliminar de forma segura dichas sustancias.

16.3.3.1 recuPeración

de refrigerante

Es el proceso de extraer refrigerante en cualquier condición de un sistema y almacenarlo en un envase externo, sin procesarlo de ninguna forma. Este refrigerante puede estar contaminado con aire, con otro refrigerante, con nitrógeno, ácido, agua o partículas generadas al quemarse un motor. Un refrigerante recuperado no debe ser empleado en otro sistema a menos que se esté seguro de que está limpio. Si se ha extraído refrigerante del sistema y éste funciona, puede volverse a cargar el refrigerante en el mismo. Este es el caso de un sistema en el que se produce una fuga y que no tiene válvulas de servicio. Este refrigerante no puede venderse a otro cliente, sin antes limpiarse según las normas existentes.

16.3.3.2 reciclado

de refrigerante

Es el proceso de limpiar el refrigerante con ayuda de una recicladora, separando el aceite

y realizando una o más pasadas a través de dispositivos, como los filtros, que reduzcan la humedad, la acidez y la presencia de partículas contaminantes. Los filtros solo pueden usarse para eliminar ácido, partículas y humedad del refrigerante. El reciclado suele implicar la reinstalación del refrigerante en el aparato, que con frecuencia se produce in situ. El producto reciclado puede dar algún problema en caso de ser utilizado en instalaciones distintas a la de procedencia, ya que el proceso no garantiza la total eliminación de todos los residuos o impurezas.

16.3.3.3 regeneración

de refrigerante

Consistente en procesar refrigerante con el fin de alcanzar un rendimiento equivalente al de una sustancia virgen. La regeneración incluye los procedimientos de filtrado, secado, destilación y tratamiento químico, lo que implica el tratamiento en lugar distinto al de la instalación (planta de regeneración o reprocesamiento). Requerirá un análisis químico del refrigerante para determinar que se cumplen las especificaciones de producto apropiadas. Este refrigerante se recupera en el lugar de la instalación, se almacena en botellas normalizadas y se transporta a la planta de regeneración, donde se analiza químicamente y se determina si puede ser regenerado, si esto es posible, entonces, se puede vender.

16.3.4 métodoS

de recuPeración

El refrigerante puede extraerse de los sistemas en forma de vapor o de líquido, o en estado parcialmente líquido y parcialmente vapor. En el sistema circula también aceite lubricante junto con el refrigerante. Si se extrae el refrigerante en estado de vapor, es más probable que el aceite permanezca en el sistema. Esto resulta deseable por dos razones:

1.

Si el aceite está contaminado, puede que sea necesario manejarlo como residuo tóxico. En estos casos, es necesario adoptar muchas más precauciones y debe haber disponible un técnico con certificación para manejar los residuos tóxicos.

2.

Si el aceite permanece en el sistema, no será necesario medirlo y volverlo a introducir, ahorrando así tiempo y dinero. El técnico debe prestar una cuidadosa atención al manejar el aceite de cualquier sistema.

Los refrigerantes solo deben transferirse a botellas de refrigerante normalizadas, que suelen ser reconocibles por su color y por el tipo de válvula. Frecuentemente, tienen una parte superior de color amarillo o verde y el cuerpo gris y una válvula especial que permite añadir o extraer líquido o vapor de la botella. Ésta debe estar limpia y en un vacío profundo antes de iniciar el proceso de recuperación o reciclado. Se sugiere realizar una evacuación de la botella hasta 1.000 micras (1 mm Hg) antes de iniciar la recuperación. Con este vacío, se extraerá cualquier resto de refrigerante de alguna operación anterior.

16.4 evacuación 16.4.1 ProPóSito

del SiStema.

PreSencia

de humedad

volver

de la evacuación

Los sistemas de refrigeración se diseñan para operar de modo que solo circule por su interior refrigerante y aceite. Cuando se monta o repara un sistema, se introduce aire en su interior, éste contiene nitrógeno, oxígeno y vapor de agua (hidrógeno), que afectan al funcionamiento del sistema, causando varios problemas. El nitrógeno es un gas no condensable o incondensable, es decir, no sufrirá vaporización en el evaporador ni condensación en el condensador, ocupando en éstos un espacio que sería normalmente empleado para la condensación o vaporización. Esto hará que se incremente tanto la presión de descarga como la de aspiración.

El oxígeno también es un gas no condensable. Reacciona químicamente con los componentes de los refrigerantes pudiendo formar ácido fluorhídrico y ácido clorhídrico. Los ácidos provocan el deterioro de los componentes del sistema. Por un lado, deterioran el aislamiento del motor y, por tanto, el posterior quemado del mismo. Además, hacen que se deposite una capa de cobre, procedente del sistema, en el cigüeñal, haciendo que éste aumente de tamaño y se produzca agarrotamiento. La presencia de cobre hace que las superficies que sufren rozamiento se rayen y desgasten prematuramente. Estos ácidos pueden permanecer durante años en el sistema sin que se manifieste algún problema. La humedad contenida en el circuito puede producir los siguientes fenómenos:

! El

• obStruccioneS. En sistemas con temperatura de vaporización inferior a 0 ºC, la presencia de humedad de agua) contEnidA En El AirE quE (agua libre), crea bloques de hielo que se alojan en zonas PuEdE Existir En su intErior. donde el diámetro es menor: dispositivo de expansión. Esto provocaría constantes paradas por baja presión en el sistema, impidiendo que se alcance la temperatura deseada en el recinto a refrigerar. El congelamiento nunca ocurrirá en sistemas de acondicionamiento de aire (Tvap > 0 ºC), por lo que los de alta temperatura están más expuestos a corrosión PEor EnEmigo PArA un circuito

FrigoríFico Es lA humedad

(vaPor

debido a la humedad.

• deterioro del aceite lubricante. La humedad en contacto con el aceite en el cárter del compresor donde existen altas temperaturas, reduce las propiedades lubricantes del mismo. También provoca la descomposición del aceite generando lodos muy viscosos (hidratos), que serán arrastrados por el refrigerante a todo el circuito, adhiriéndose sólidamente a las superficies metálicas, y depositándose, sobre todo, en el dispositivo de expansión, produciendo obstrucciones. • corroSión. Todos los refrigerantes halogenados combinados con agua forman ácidos altamente agresivos que causan corrosiones en todos los elementos de la instalación, favorecen el chapeado del cobre (cobreado), atacan cojinetes, prensaestopas de ejes, etc. En el caso de compresores herméticos y semiherméticos, que son la mayoría, debido a que el refrigerante está en contacto con los devanados del motor eléctrico, los ácidos atacan la capa aislante que cubre los hilos de cobre del devanado (bobinado) del motor, que se irá deteriorando paulatinamente hasta dejar el cobre desnudo provocando un cortocircuito o quemado del motor.

16.4.2 cómo

evitar la PreSencia de humedad

La humedad se puede evitar y para ello solo hay que conocer sus vías de acceso y limitarlas. Puede entrar en el sistema por las siguientes vías: • tuboS. Los tubos de refrigeración, especialmente los de cobre, se comercializan secos y sellados para evitar la entrada del aire. • condicioneS climáticaS. En días húmedos o lluviosos el aire está cargado de humedad. Hay que mantener los materiales en contacto con el aire el menor tiempo posible. • a travéS del aceite. Todos los aceites son altamente higroscópicos, por lo que hay que tomar medidas para garantizar que estén en contacto con el aire solo el tiempo estrictamente necesario: las latas de aceite deben estar bien tapadas. Las precauciones se deben extremar para los lubricantes sintéticos POE y PAG, cuya capacidad de absorción de agua es superior a los minerales y alquilbencénicos. • durante la carga de refrigerante. En el momento de introducir el refrigerante, se corre el peligro de entrada del aire contenido en las mangueras de servicio. Se debe purgar correctamente el aire de las mangueras y del puente de manómetros.

Si se toman estas precauciones durante el montaje de la instalación, se habrá reducido considerablemente el peligro de entrada de humedad en el sistema. Aun así hay que tomar otras medidas, como la realización de un vacío correcto de la instalación.

16.4.3 creación

y medida del vacío

La operación de vaciado de la instalación además de extraer restos de aire, nitrógeno o de productos de limpieza contenidos en el circuito, provoca, a través de la depresión, que las trazas de agua que puedan quedar en sitios tan inaccesibles como el espacio entre hilos del devanado del motor, entren en ebullición y sean extraídas como vapor. Para crear un vacío se debe reducir la presión de un sistema por debajo de la presión atmosférica que, a nivel del mar y a 20 ºC, es de 101,325 kPa (760 mm Hg = 29,92 in Hg). Presión absoluta

Temperatura

psia

kPa

mm Hg

micras

in Hg

ºC

ºF

14,696

101,325

760,000

760.000

29,92

100

212

12,279

84,661

635,000

635.000

25,00

96

205

10,162

70,065

525,527

525.527

20,69

90

194

6,866

47,339

355,075

355.075

13,98

80

176

4,519

31,157

233,670

233.670

9,20

70

158

2,888

19,912

149,353

149.353

5,88

60

140

1,788

12,328

92,466

92.466

3,64

55

122

1,066

7,350

55,128

55.128

2,17

40

104

0,614

4,233

31,753

31.753

1,25

30

86

0,491

3,385

25,392

25.392

1,00

27

80

0,442

3,040

22,806

22.806

0,90

24

76

0,393

2,710

20,324

20.324

0,80

22

72

0,344

2,372

17,790

17.790

0,70

21

69

0,295

2,034

15,256

15.256

0,60

18

64

0,246

1,696

12,722

12.722

0,50

15

59

0,196

1,351

10,136

10.136

0,40

12

53

0,147

1,013

7,602

7.602

0,30

7

45

0,088

0,607

4,551

4.551

0,18

0

32

0,049

0,338

2,534

2.534

0,10

-6

21

0,0245

0,1689

1,2670

1.267

0,05

-14

6

0,0049

0,0338

0,2534

253,4

0,01

-30

-24

0,00245

0,0169

0,1267

126,7

0,005

-37

-35

0,00049

0,0027

0,0207

20,7

0,001

-51

-60

0,00024

0,0016

0,0124

12,4

0,0005

-57

-70

NOTA: psia · 2,035966 = in Hg; psia · 51,715 = mm Hg; psia · 51.715 = micras

16.4.4 bomba

de vacío

Antes de crear el vacío, conviene asegurarse de que la instalación no está bajo presión y que, por otro lado, no presenta fugas. Para crear el vacío es necesario disponer de: • Una bomba de vacío que posea prestaciones suficientes. • Un manovacuómetro (manómetro de vacío). • Un puente de manómetros (juego de manómetros de AP y BP). • Un juego de latiguillos perfectamente estancos.

Las bombas de vacío utilizadas en el campo de la refrigeración se fabrican con compresores rotativos. Las que producen un vacío más profundo son las bombas de vacío rotativas de dos etapas, éstas son capaces de reducir la presión hasta 50 micras, aunque el vacío normalmente requerido es de aproximadamente 250 micras. Para crear un vacío más rápidamente, se puede realizar la operación a partir de varias tomas de presión: en la aspiración y en la descarga del compresor. Puente de manómetros

Manómetro de vacío

Bomba de vacío

Condensador

Evaporador Válvula de

Válvula de

servicio de

servicio de

aspiración

descarga

Válvula de Compresor

expansión

Es esencial que el circuito en el que vamos a realizar el vacío se encuentre a una temperatura suficientemente alta para asegurar la ebullición del agua que debe eliminarse. Con presiones de 2.000 micras e inferiores, resultan adecuadas temperaturas ambiente de 21 a 26 ºC. No se recomienda la evacuación a temperaturas inferiores a 10 ºC.

16.4.5 tiPoS

de vacío

16.4.5.1 vacío

Profundo

Para realizar un vacío profundo es necesario reducir la presión del sistema entre 50 micras (0,0066 kPa) y 250 micras (0,033 kPa). Se recomienda en situaciones en las que se conoce que el sistema ha permanecido abierto un periodo de tiempo prolongado, o cuando se ha detectado humedad en el mismo. Para este tipo de vacío se necesita una bomba de doble efecto con un caudal elevado y un manovacuómetro para medir la depresión. Cuando se reduce la presión de un sistema a un nivel entre 50 y 250 micras y, ésta, permanece

constante, quiere decir que no hay ningún gas no condensable ni humedad dentro del sistema. Reducir la presión del sistema a 250 micras es un proceso muy lento.

16.4.5.2 evacuación

múltiPle

(triPle

vacío)

Para asegurar un vacío completo, se recomienda una evacuación triple, dos veces a 1.500 micras (0,20 kPa) y la última a 500 micras (0,066 kPa). El vacío deberá romperse lentamente añadiendo la cantidad suficiente de nitrógeno, para que la presión suba a 0 bar. La ruptura del vacío inicial con nitrógeno seco, hace que éste absorba y se mezcle con cualquier humedad y aire residuales, y con la evacuación siguiente se eliminará una mayor proporción de los contaminantes todavía existentes. Los contaminantes residuales se reducen a un nivel tan bajo que ya no constituirán un peligro para el sistema. La evacuación triple es interesante si la bomba de vacío no es de eficacia muy elevada (bomba de simple efecto), o si la duración de la evacuación no es adecuada para asegurar la evacuación completa. El triple vacío es el método recomendado cuando se sabe que el sistema no ha entrado en contacto con cantidades importantes de humedad. Se realiza con los manómetros normales de servicio. En este método la humedad no se elimina por el efecto del vacío, sino por la acción del nitrógeno seco que absorbe el agua libre, así como el vapor de ésta. En realidad, la función de la bomba de vacío es extraer el nitrógeno cargado de humedad. Inicialmente la bomba debe trabajar 10 minutos por cada 0,75 kW (1 CV) de potencia eléctrica del compresor, contado a partir del momento en que se alcanzan 1.500 micras. A continuación, se rompe el vacío con el nitrógeno durante 10 minutos. Seguidamente, se extrae con la bomba de vacío el tiempo necesario según la potencia eléctrica (siguiendo el criterio anterior). Se vuelve a romper el vacío con nitrógeno y después de 10 minutos se hace funcionar la bomba por última vez, en esta ocasión, se mantiene trabajando 20 minutos por cada 0,75 kW de potencia eléctrica después de haber alcanzado 500 micras.

16.5 carga

de SiStemaS frigoríficoS

16.5.1 criterioS

volver

de una carga correcta de refrigerante

Excepto en los acondicionadores autónomos compactos y algunos equipos partidos (“split”) de pequeña potencia, que ya vienen precargados de fábrica, después del montaje del equipo, las pruebas de estanquidad y el vacío correspondiente, habrá que realizar la carga de refrigerante necesaria, ya que si la cantidad contenida en el circuito es mayor o menor de la necesaria se producirán algunas anomalías en el funcionamiento. Un exceso de refrigerante no supone necesariamente un aumento de la potencia frigorífica; se traducirá en algunos o todos de los siguientes efectos:

1. Llenado del condensador con líquido, por tanto, mayor subenfriamiento y aumento de la presión y temperatura de condensación, lo que acarrea el descenso de la potencia frigorífica y un aumento excesivo de la potencia absorbida por el compresor (reducción del rendimiento del compresor). 2. Sobreintensidad, luego “quemado” del motor eléctrico, o como mínimo, un mayor trabajo del motor de accionamiento del compresor. 3.

Mayor temperatura en los gases de descarga del compresor, pudiendo descomponer el fluido y formar ácidos.

4.

Si la expansión del sistema se realiza por medio de un tubo capilar, aumentará el caudal de refrigerante a través del mismo. Esto provoca una mayor producción de vapor y como resultado un aumento de la presión en el evaporador. Por tanto, la temperatura de vaporización también se incrementará. El resultado es el aumento de temperatura del medio a refrigerar (aire o agua) y, por tanto, del recinto.

5.

Sobrecalentamiento corto a la salida del evaporador (expansionando con tubo capilar), con peligro de golpe de líquido en el compresor, por tanto, deterioro mecánico de éste. El golpe de líquido se produce en los arranques de la instalación, debido a la migración, en los periodos de parada, del fluido hacia el evaporador.

6.

Trabajo excesivo del compresor al aspirar una masa de refrigerante más densa, debido al aumento de la presión que ha sufrido en la zona de baja, reduciendo su volumen y, por tanto, aumentando el trabajo que tiene que realizar el compresor.

7. 8.

Inadecuado enfriamiento del compresor por los vapores aspirados.

Inapropiado retorno de aceite, y por lo tanto una mala lubricación del compresor (riesgo de agarrotamiento). La falta de refrigerante supone una disminución de la potencia frigorífica de la instalación y afecta de las siguientes maneras:

1.

Un descenso de la presión y temperatura de vaporización, y el consiguiente riesgo de producirse temperaturas inferiores a 0 ºC, en cuyo caso se formará hielo procedente del a posible presencia de humedad dentro del circuito.

2.

Una reducción del subenfriamiento a la salida del condensador, con lo que el líquido llega al elemento de expansión a una temperatura superior a la prevista. La calidad de líquido no estará al 100%, disminuyendo así la producción frigorífica.

3.

Escarchado parcial del evaporador, por no estar suficientemente alimentado de líquido refrigerante, y esta escarcha actuar como aislante en cuanto a la aportación del calor que transporta el aire de la cámara o recinto.

4. La disminución de la presión de aspiración dará lugar a una presión en el lado de alta también inferior a la normal. Sin embargo, aún en el caso de falta de refrigerante, en algunos casos podremos tener una presión de alta normal, que puede ser debido a una presencia de aire en el circuito. 5. 6.

Sobrecalentamiento largo (con tubo capilar), al tener menor efecto refrigerante.

Un aumento de temperatura en el recinto a enfriar. Si el recinto es una cámara frigorífica, posible deterioro de los alimentos almacenados.

7. Ciclos de funcionamiento ininterrumpidos por no llegar a la temperatura de corte en la que está calibrado el termostato, provocando aumento del consumo eléctrico. Tanto si existe un exceso o un defecto de refrigerante, en ambos casos obtendremos una disminución del rendimiento al reducirse la potencia frigorífica. Normalmente, los sistemas de refrigeración se diseñan de tal manera que, aun cuando la línea de succión sea de gran longitud, la caída de presión no exceda de 0,13 bar por cada 30 m de la línea. Entonces, una caída de presión anormal podría ser la causa de un funcionamiento pobre del evaporador. Para determinar la caída de presión entre el evaporador y la entrada del compresor, es necesario hacer dos mediciones:

1.

! •

Las indicaciones de una carga baja de refrigerante son: Burbujas en el visor de la línea de líquido.

• Excesivo o corto tiempo de trabajo del compresor. • Bajas necesidades de corriente (comprime gas a menos densidad).

Presión de vaporización (con un termómetro de contacto y utilizando la tabla p-T, como la de AnExo A3).

2.

Presión de aspiración a la entrada del compresor (lectura con el manómetro).

La diferencia entre estas dos mediciones es la caída de presión. Como regla práctica se puede decir que si la instalación funciona bien tendrá: •

La línea de aspiración fría (línea de baja).

•

La descarga o culata del cilindro muy caliente (línea de alta).

•

La salida del condensador tibia (línea de líquido).

Los criterios de una carga correcta de fluido frigorígeno son: • Falta de burbujas en el visor de líquido (se dice que no “burbujea”). • Presión de alta estabilizada. • Subenfriamiento normal del líquido a la salida del condensador: entre 3 y 11 ºC. • Presión de baja estabilizada; durante la carga de fluido frigorígeno la presión de vaporización del fluido aumenta de manera regular, luego se estabiliza. • Sobrecalentamiento normal en el evaporador (2 a 8 ºC); durante la carga, el sobrecalentamiento del vapor a la salida del evaporador es muy elevado; disminuirá y se estabilizará cuando se haya introducido la cantidad de fluido suficiente. • Nivel correcto de líquido en el recipiente de alta presión (si existe). En el caso de que la instalación no posea recipiente de líquido a la salida del condensador, habrá que ser más preciso en la carga de refrigerante buscando introducir en el sistema la cantidad exacta de fluido frigorígeno, sobre todo si la expansión es por tubo capilar.

16.5.2 indicadoreS

del fin de la carga de refrigerante

Es importante determinar el momento en que la carga del refrigerante que se está introduciendo se ha completado. Para ello existen una serie de indicaciones que individualmente, o de forma combinada, servirán de guía para conocer el estado de la carga del fluido frigorígeno durante el proceso. Los indicadores son los siguientes:

1.

PeSo

de la carga de refrigerante

Es un indicador que por sí solo es suficiente para completar una carga exacta de refrigerante, se utiliza una báscula, pues solo es necesario conocer la cantidad de refrigerante que necesita para ello la instalación. Esta información, en el caso de los equipos compactos y semicompactos que vienen cargados de fábrica, la debe facilitar el fabricante del equipo. • equiPo comPacto. Realizar el vacío de la instalación y con una báscula pesar la carga según las indicaciones del fabricante. • equiPo Partido. Realizar lo mismo que en el caso de un equipo compacto, pero hay que considerar el peso de la tubería de líquido, según su longitud: G = V^m3h $ ρ^kg/m3h =

π $ D2 $L$ρ 4

Por ejemplo, para el refrigerante R-410A, la densidad del refrigerante líquido (a 45 ºC) es: r = 963 kg/m3.

2.

PreSión

de vaPorización

Es un parámetro de gran importancia, porque nos indica la presión de trabajo de la zona de baja presión. Conociendo la temperatura del medio a enfriar, se determina la temperatura de vaporización. Con este dato se obtiene el valor de la presión de vaporización mediante las tablas de características de los refrigerantes o las escalas graduadas del manómetro de servicio de baja presión. El valor de la presión de vaporización irá aumentando a medida que se introduce el refrigerante en el sistema. Este valor se controla mediante el puente de manómetros a través del cual se realiza la carga. La presión de vaporización que se fija es la ideal para la época más calurosa del año, en el momento en que la instalación soporta la mayor carga frigorífica. Este método por sí solo no garantiza la carga exacta de refrigerante, puesto que la presión de vaporización depende de factores variables como puede ser la temperatura ambiente y la humedad relativa. Por tanto, la presión de vaporización es un indicador que se debe tener en cuenta combinado con otros para lograr la carga exacta de refrigerante. Cuando se emplea este método se debe ajustar la carga controlando el subenfríamiento. Con tubo capilar habrá que hacerlo por medio del sobrecalentamiento.

3.

conSumo

eléctrico del comPreSor

Es un indicador complementario a la presión del evaporador. Por sí solo nos puede indicar el momento en que se completa la carga de refrigerante, ya que su valor es variable con la temperatura del ambiente. Este método, en realidad, nos sirve para detectar un exceso de refrigerante cuando al alcanzar la presión de vaporización el consumo eléctrico sube por encima de la corriente nominal del compresor de acuerdo a la temperatura ambiente que se tenga en el momento de realizar la carga. Siempre teniendo en cuenta que no exista otra causa ajena a la carga de refrigerante que provoque el aumento del consumo de corriente.

4.

viSor

de líquido

Nos informa visualmente del nivel de líquido refrigerante en la instalación. Básicamente se observará el visor de líquido durante la carga, conjuntamente con la observación de la presión de vaporización (que es el indicador principal) y el consumo eléctrico del compresor. La desaparición de burbujas en el visor indica que se está alcanzando la carga correcta de refrigerante. Es recomendable instalar el visor en posición horizontal, ya que en vertical pueden aparecer burbujas siendo correcta la carga de refrigerante.

5.

Subenfriamiento

Es un indicador complementario a la presión de vaporización. Es especialmente útil en los sistemas con válvula de expansión termostática donde la carga de refrigerante no es crítica como en los sistemas de tubo capilar. Después del peso, es el indicador más fiable de que la cantidad correcta de refrigerante introducido se ha alcanzado. Para considerarse óptimo su valor debe oscilar entre 5 y 8 ºC de diferencia entre la temperatura de condensación y la de salida del condensador. Un valor mayor indica un exceso de refrigerante, y cero subenfriamiento una falta del mismo. La carga de refrigerante se puede dar por finalizada al ajustar un subenfriamiento adecuado.

6.

Sobrecalentamiento

Específicamente no es un indicador de la carga de refrigerante, pues su fin es garantizar la protección del compresor contra la compresión húmeda y los golpes de líquido. Puede ser útil al cargar equipos domésticos que son los que demandan, generalmente, una cantidad exacta de refrigerante por expansionar con tubo capilar. Cuando la condensación es por aire se debe tener en cuenta la temperatura exterior y ajustar según la tabla siguiente. Esto se debe a que las oscilaciones de temperatura ambiente provocan variaciones en la presión de condensación y como resultado varía la potencia frigorífica. En estos sistemas se debe cargar de manera que cuando la temperatura exterior sea elevada el sobrecalentamiento sea bajo, y viceversa. Temperatura exterior (ºC)

Sobrecalentamiento (ºC)

% consumo intensidad del compresor respecto a la nominal

18

16

84

21

15

85

24

14

86

27

12

87

30

10

88

33

8

90

36

5

92

39

3

95

En sistemas condensados por agua las temperaturas de condensación son más estables, estableciéndose un sobrecalentamiento de 4 ºC para dar la carga por finalizada.

7.

nivel

de llenado del dePóSito recibidor de líquido

Es un método fiable en grandes instalaciones donde se puede permitir cierto exceso de refrigerante. Es fácil de aplicar en aquellas instalaciones donde el depósito que recibe el líquido cuenta con un visor que nos permite determinar el nivel que alcanza el líquido en todo momento. Al introducir refrigerante en la instalación, cuando el nivel del líquido llegue a un nivel de 3/4 la altura del depósito, se considera que la carga de la instalación es correcta.

16.5.3 carga

de refrigerante en inStalacioneS

El criterio preferente para realizar la carga sigue siendo el peso de refrigerante que demanda la instalación. En caso de ser imposible aplicar este criterio, el logro de un subenfríamiento adecuado es un buen método. En caso de existir visor de líquido, se considerará que la carga es correcta cuando no se aprecien burbujas en el mismo. Estando la instalación en vacío se realizarán los siguientes pasos: • Introducción de refrigerante antes de poner en servicio la instalación. • Completar la carga con la instalación en servicio.

16.5.3.1 introducción

de refrigerante anteS de Poner en Servicio la inStalación

La carga de refrigerante comenzará con la instalación en vacío, aprovechando la presión negativa. Se conecta la botella de refrigerante a través la toma de baja presión del puente de

manómetros (ver figura). Después de purgar las mangueras para evitar la entrada de aire en el sistema, se abre la llave del manómetro y se rompe el vacío introduciendo refrigerante en el circuito frigorífico con la instalación parada. Puente de manómetros

Botella de refrigerante

Evaporador

Condensador Válvula de

Válvula de

servicio de

servicio de

aspiración

descarga

Válvula de expansión

Compresor

Con refrigerantes puros o mezclas azeotrópicas esta operación puede realizarse con el refrigerante en estado gaseoso, a través de la toma de baja presión. Si el refrigerante es una mezcla no azeotrópica, la carga se realizará en estado líquido, a menos que se vaya a introducir todo el refrigerante contenido en la botella. La carga se puede realizar en estado líquido si existe algún acceso entre el condensador y el elemento de expansión. Esta operación garantiza mayor rapidez de carga. Si no hay más remedio que utilizar la toma de baja presión situada en la aspiración del compresor, para evitar golpes de líquido, se procurará que éste expansione en la manguera antes de ser aspirado por el compresor, de esta forma, llegará al mismo en estado gaseoso. Esto se puede lograr aumentando la longitud de la manguera y la caída de presión del refrigerante. Combinando aumento de longitud con aperturas cortas en tiempo y amplitud de la llave del manómetro de baja, los resultados son mucho mejores.

16.5.3.2 comPletar

la carga con la inStalación en Servicio

Llega un momento en que no pasará más refrigerante de la botella al sistema, debido a que ha aumentado la presión dentro del circuito frigorífico mientras que ha disminuido en la botella. En este momento, se precisa la ayuda del compresor de la instalación para facilitar la extracción de refrigerante de la botella. Si es posible introducir todo el peso del refrigerante sin poner en servicio la instalación, este paso no se tendrá en cuenta. Con refrigerantes puros o mezclas azeotrópicas se introduce refrigerante en estado gaseoso a través de la válvula situada en la aspiración del compresor. Se va dosificando el refrigerante a intervalos regulares, dando tiempo a la instalación a recuperar la presión de vaporización. Una vez introducido el peso requerido, controlando la presión de vaporización, habrá finalizado la operación. En caso de no conocer el peso requerido se observará la ausencia de burbujas del visor controlando la presión de vaporización, para finalmente ajustar el subenfriamiento. Una vez alcanzada la presión correcta, se esperará a que la temperatura en el espacio a enfriar sea la de diseño.

Con mezclas no azeotrópicas se debe introducir refrigerante en estado líquido. Si se introduce a través de la válvula de aspiración, se realizará a intervalos cortos para dar tiempo a vaporizarse antes de llegar al compresor y evitar golpes de líquido. Se comprobará en todo momento que la temperatura del compresor sea lo suficientemente alta como para evaporar las gotas de líquido que pueda aspirar. En caso de que el compresor se enfríe demasiado se suspenderá la operación de carga hasta que recupere una temperatura suficiente. Si se ha creado un acceso en la línea de líquido, se podrá completar la carga en estado líquido (ver figura). Se debe cerrar la válvula (1) y abrir la (2) para que el compresor aspire el líquido refrigerante de la botella; éste circulará a través de la válvula de expansión para evaporarse en el evaporador y de esta manera ser aspirado por el compresor en estado gaseoso. Para mantener controladas las presiones de baja y alta, se debe cerrar, cada cierto tiempo, la válvula (2) y abrir la (1). De esta forma se restablece la circulación normal en el circuito recobrando la presión de alta su valor adecuado. Pasando un periodo prudencial de tiempo se vuelve a repetir la operación cuantas veces sea necesario hasta completar la carga. El presostato de alta se debe ajustar de manera que no actúe durante el proceso.

(1)

VET

Válvula

Visor de

Filtro

Válvula

solenoide

líquido

deshidratador

de corte manual

Válvula de corte agregada para la carga

Depósito de

(2)

líquido

de refrigerante Introducción de refrigerante a la instalación

Este método de carga del refrigerante en estado líquido empleado para las mezclas no azeotrópicas es aplicable para los refrigerantes puros y mezclas azeotrópicas con muy buenos resultados en cuanto a rapidez de carga.

16.6 PueSta

en Servicio

volver

Finalizado el montaje de la máquina frigorífica, se procede a su puesta en servicio hasta dejarlo en las condiciones normales de trabajo, verificando el correcto funcionamiento de todos los equipos y elementos de regulación y seguridad. Antes de poner en funcionamiento el equipo y en particular el compresor, se realizarán las siguientes verificaciones: • Verificación de la alimentación eléctrica. Número de fases, frecuencia y valor de la tensión. Comprobar el sentido de giro de los motores en equipos trifásicos. • Verificación de las conexiones eléctricas de los automatismos, que podrá realizarse sin que el compresor se ponga en servicio. • Verificar el suministro de los fluidos auxiliares (aire o agua), procediendo previamente a la puesta en servicio de estos circuitos (ventiladores o bombas).

• Verificar el calentador del cárter. Éste incorporará una resistencia eléctrica para mantener el aceite a una determinada temperatura. •

Verificación de la limpieza de baterías y de filtros, tanto de aire como de agua.

•

Verificación de las válvulas de agua y compuertas de aire.

• En el circuito frigorífico, las válvulas de aspiración, descarga y líquido estarán abiertas y las demás en su posición de funcionamiento.

Después de realizar las verificaciones preliminares, cerraremos la línea de alimentación de fuerza del contactor del compresor, donde conectaremos los manómetros de baja y alta en la aspiración y descarga, respectivamente, para verificar su funcionamiento.

Hacer una relación completa de datos de la operación para referirse a ellos en el futuro, y guardar en su archivo o en el del cliente. Dichos datos deben incluir la información completa de la placa de características del equipo frigorífico. Un ejemplo sería: •

Presión de aspiración.

•

Presión de descarga.

•

Presión de aceite (normal ≈ 2 bar).

•

Temperatura de aceite (máxima = 90 ºC).

•

Temperatura de descarga (máxima = 110 ºC).

•

Sobrecalentamiento del gas de aspiración (normal ≈ 5-7 ºC).

•

Subenfriamiento del líquido (normal ≈ 5-7 ºC).

•

Temperatura del aire o del agua de condensación (entrada y salida).

•

Temperatura del aire en la batería de expansión directa (entrada y salida: BH y BS).

•

Temperatura del agua fría (entrada y salida).

La temperatura del aceite deberá medirse en la superficie de la tapa de la bomba de aceite en el lado de descarga. La temperatura de descarga se tomará sobre la superficie de la línea de descarga y aproximadamente a una distancia del compresor correspondiente a 6 diámetros de la línea.

La temperatura de condensación debe ser: 1) Condensación por aire: unos 17 ºC por encima de la temperatura ambiente; 2) Condensación por agua: unos 5 ºC por encima de la temperatura de salida del agua del condensador. La presión de aceite siempre estará por encima de la del cárter del compresor. El nivel de aceite deberá comprobarse, procurando que éste sea visible y que no supere los 3/4 de la altura del visor. La temperatura del cárter estará comprendida entre 20 y 30 ºC por encima de la de ambiente. Una de las quejas más frecuentes durante la puesta en servicio es por causa de la baja presión de aspiración, y la parada del equipo al disparar el control de baja temperatura del refrigerante. Esto puede ser debido a: a. La presencia de aire en el circuito de agua de la unidad enfriadora. b. Insuficiente caudal de agua (comprobar la pérdida de carga a través de la unidad). c. El filtro de agua está atascado. d. Temperatura del agua inferior a la de diseño. e. Insuficiente caudal en las baterías de aire.

Detección

y solución de averías en instalaciones frigoríficas

17

Contenidos 17.1

Exploración

de una instalación frigorífica

17.2

Localización

de averías en una instalación frigorífica

17.3

Relación

de averías en el condensador

17.4

Relación

de averías en el evaporador

17.5

Relación

de averías en el elemento de expansión

17.6

Relación

de averías en el compresor

Índice

17.1 exPloración

de una inStalación frigorífica

volver

La exploración de una instalación tiene por objetivo detectar los síntomas de un fallo de la instalación. Para realizar un buen diagnóstico se deben seguir los siguientes pasos: •

Escuchar.

•

Ver.

•

Tocar.

•

Medir.

•

Analizar.

17.1.1 eScuchar Antes de actuar, en una instalación frigorífica, a quien primero hay que escuchar es al cliente, ya que permite orientar al técnico sobre cuál será la dirección de la exploración. En algún caso, se puede hacer directamente un diagnóstico, que se podrá confirmar mediante la medición de algunos parámetros de la instalación.

! hAy

quE rEcordAr El ProvErbio chino

quE dicE:

“tú

tiEnEs dos orEjAs y

unA solA bocA, Por tAnto, tú dEbErás EscuchAr dos vEcEs más quE hAblAr”.

Después del cliente, se procede a escuchar la instalación, ya que puede darnos algunas pistas para la realización de un primer diagnóstico: •

Ruido en el compresor: puede ser por falta aceite.

•

Ruido excesivo en el compresor: el compresor traga líquido.

•

Ruido de fatiga en el compresor: trabaja a una presión de condensación elevada.

• Casi no se oye el compresor: trabaja con presiones de condensación y de evaporación demasiado reducidas. •

La válvula de expansión silba: está obstruida, demasiado cerrada, o muy pequeña.

17.1.2 ver Observar bien la instalación frigorífica también nos puede dar algunas pistas: •

Trazas de aceite sobre una parte de la instalación: síntoma de fuga.

• Formación de escarcha no uniforme sobre el evaporador: sobrecalentamiento elevado (por falta de fluido, por obstrucción de la válvula de expansión, etc.). • Válvula de expansión cubierta de hielo (estando seco el evaporador): excesiva falta de fluido frigorígeno o tapón de hielo a la entrada de la válvula. • Escarcha alrededor del compresor: exceso de fluido frigorígeno o válvula de expansión demasiado abierta. • Comprobar el visor de aceite del compresor: el nivel debe ser normal y el color del aceite debe tener un color claro (un color oscuro indica la presencia de ácidos). • Comprobar el visor de líquido: el color del collarín externo indica la presencia de humedad (wet) o su ausencia (dry). Según el fabricante, el color es verde o azul en caso de circuito seco, pasando a amarillo o rosa en caso de circuito húmedo. • Comprobar el nivel de suciedad de los intercambiadores de calor (evaporador y condensador) y de los filtros de aire.

17.1.3 tocar La mano es un primer aparato de medida, cuya precisión depende de la experiencia del técnico. Tocando las diferentes partes de la instalación se puede evaluar: •

La temperatura de condensación.

•

El subenfriamiento en el condensador.

•

La temperatura de vaporización.

•

El sobrecalentamiento.

•

La temperatura de la carcasa del compresor.

La mano se encuentra a una temperatura comprendida entre 30 ºC y 34 ºC. Por tanto, una sensación de frío en la mano significa que el tramo palpado se encuentra a una temperatura inferior a 30 ºC. Es difícil evaluar diferencias de temperaturas menores de 3 ºC en temperaturas frías; sin embargo, las temperaturas comprendidas entre -1 ºC y -4 ºC sí que son fáciles de detectar debido a que estas superficies se encuentran con escarcha, y al tocarlas se fundirá fácilmente. No se deben tocar temperaturas por debajo de -15 ºC, pues la mano se pega al tubo, y existe riesgo de producirse quemaduras por frío. En cuanto a las temperaturas comprendidas entre 32 ºC y 50 ºC, se puede obtener un cierto grado de exactitud dependiendo de la experiencia del técnico. En este rango de temperaturas se encuentran las de condensación y las de subenfriamiento. Para evaluar temperaturas entre 45 ºC y 50 ºC, una técnica consiste en medir el tiempo que soporta la mano. Un tubo a 45 ºC está muy caliente pero se puede posar la mano sin quemarse. Sin embargo un tubo a 50 ºC está demasiado caliente y no se puede posar la mano más de 3 segundos. Para evitar quemaduras se recomienda posar la mano mediante ligeros toques.

17.1.4 medición 17.1.4.1 medida

! no

sE

dEbEn

tocAr

los

trAmos quE Están Por EncimA dE

50 ºc,

En PArticulAr lA

tubEríA dE dEscArgA.

de ParámetroS

de laS PreSioneS

El puente manométrico permite leer en el manómetro de baja presión la temperatura de vaporización y en el de alta presión la temperatura de condensación. De hecho, un manómetro indica una temperatura de cambio de estado. Es más sencillo razonar con temperaturas que con presiones, debido a que el razonamiento resulta el mismo para todos los fluidos, lo cual facilitará el análisis. La medida de la presión de condensación transformada en temperatura y la medida de la temperatura de los codos en medio del condensador permitirán, en caso de desviación, revelar la presencia de incondensables en el circuito.

17.1.4.2 medida

de laS temPeraturaS

Un termómetro con sonda de contacto y sonda de ambiente es indispensable para medir con precisión las temperaturas características del circuito frigorífico, de los circuitos de aire y de los circuitos de agua o de salmuera. • Una sonda de contacto situada próxima al bulbo de la válvula de expansión permitirá medir el sobrecalentamiento y su evolución. • El valor del subenfriamiento del líquido que sale del condensador dará una muy buena indicación de un exceso o de una falta de carga de fluido en el circuito.

La medida de las temperaturas de entrada y de salida de los fluidos externos al evaporador y al condensador darán una buena indicación de la suciedad, de la presencia de incrustaciones o de una falta de caudal en los intercambiadores.

17.1.4.3 medida

de la tenSión

Las tensiones de funcionamiento típicas de cualquier sistema de refrigeración tienen que encontrarse dentro de las especificaciones del fabricante (margen del 10% de la tensión especificada). Para un motor de 208/230 V, las tensiones, mínima y máxima, serán: Umín = 208 · 0,9 = 187 V Umáx = 230 · 1,1 = 253 V Si el motor estuviera especificado para 220 V, ese hubiera sido el valor tomado como base para ambos cálculos. Por ejemplo, si se mide 180 V (para el caso de 208/230 V) antes de encender el sistema, no debería ponerse en marcha, ya que la tensión caerá aún más cuando el motor empiece a consumir corriente. Si se mide 260 V, se puede intentar poner el compresor en marcha, ya que la tensión caerá ligeramente cuando se arranque su motor.

17.1.4.4 medida

de la intenSidad

Con la pinza amperimétrica se medirá fase por fase la intensidad absorbida por el compresor. Esto permite determinar si la intensidad absorbida es normal o no, y permite igualmente calcular la potencia absorbida en vatios: P = U · I · cos j (monofásico) P = 3 $ U $ I $ cos j (trifásico) siendo: P = potencia eléctrica absorbida (W); U = tensión entre fases (V); I = intensidad (A). En una primera aproximación se podrá estimar el cos j = 0,8. Cuando un motor está montado de tal forma que es imposible determinar cuáles son sus características eléctricas, se tiene que improvisar. Los sistemas de acondicionamiento de aire suelen mover un caudal aproximado de 200 m3/h (≈ 0,05 m3/s) por cada kW de capacidad (400 CFM/ton). Esto puede ayudar a determinar la intensidad del motor del ventilador interior, comparando la intensidad consumida por el ventilador en un sistema desconocido. Por ejemplo, la intensidad consumida por un compresor de un sistema de 10 kW mide unos 17 A (RLA, Rated Load Amps), cuando trabaja a 230 V (EER = 2,7): EER =

Qo F Qo F Qo F 10.000 &I= = = = 17 A EER $ U $ cos j 2, 7 $ 230 $ 0, 95 P U $ I $ cos j

El motor del ventilador para un sistema por conductos típico, que debe utilizar un sistema de 10 kW debe tener una potencia de 750 W (1.500 W/m3/s). La intensidad consumida por un motor de ventilador de 750 W es de 5,8 A (FLA, Full Load Amps), para 230 V (he = 70%, cos j = 0,8). Si el ventilador con el que se encuentra sobre el terreno está consumiendo una intensidad de 7,5 A, puede sospechar que se halla ante un problema: P = U $ I $ cos ϕ $ ηe & I =

P 750 = = 5, 8 A 230 $ 0, 8 $ 0, 70 U $ cos ϕ $ ηe

17.2 localización

de averíaS en una inStalación frigorífica

volver

Una vez que se ha escuchado, observado, tocado y medido, se está en condiciones de saber lo que no funciona en una instalación frigorífica. Siempre que la instalación tenga tomas de alta y baja presión, y acceso a las diferentes zonas del circuito donde instalar convenientemente los termómetros, el técnico deberá saber para el mantenimiento o bien para el seguimiento y diagnóstico de averías:

!

AntEs AnAlizAr los

dE

intErvEnir

conviEnE

corrEctAmEntE

síntomAs,

lo

quE

todos

PErmitirá

EstAblEcEr lA PrEscriPción.

1. Qué temperaturas y dónde las debe medir. 2. Qué valores de diferencia de temperatura son los correctos, según la instalación. 3. Si la diferencia de temperatura es alta o baja con respecto a la que se estima como normal, saber qué puntos hay que mirar en cada caso. Cuando una instalación funciona correctamente, tiene unos valores de presiones, consumos eléctricos, temperaturas y diferencia de temperaturas, que están dentro de unos valores estimados como normales según el proyecto. Cuando la instalación entra en avería, exterioriza su “dolencia” cambiando varios de estos valores. Hay que partir de la base de que ninguno de los cuatro componentes básicos de una instalación frigorífica (compresor, condensador, expansión y evaporador), trabajan independientemente, por lo que se analizará el funcionamiento de cada componente por separado y en conjunto, ya que una avería puede estar ocasionada por más de una causa. Las reclamaciones del usuario del equipo pueden clasificarse bajo el orden siguiente: •

El compresor no se pone en marcha.

•

El compresor enfría, pero no para o funciona demasiado tiempo.

•

El compresor no para y enfría poco o nada.

•

El compresor se para y se pone en marcha a intervalos muy cortos.

•

Hace demasiado frío.

•

Elevado consumo de corriente.

•

Se escarcha la línea de aspiración.

•

La protección de máxima intensidad se dispara.

•

Ruidos anormales.

Para determinar la causa de una avería deben hacerse las siguientes observaciones:

1. Temperatura de vaporización. No puede determinarse con exactitud, pero puede obtenerse una aproximación poniendo un termómetro en su superficie. 2. Presión de aspiración. Se efectúa en la entrada del compresor. Indica la temperatura aproximada de vaporización. Para obtener una temperatura de vaporización más exacta, se debe conocer la caída de presión en la tubería de aspiración. 3. Temperatura de condensación y Presión de descarga. Bajo condiciones normales de funcionamiento, la temperatura del refrigerante condensado estará alrededor de 15 a 20 ºC (17 ºC de media) más alta que la temperatura del aire que entra en el condensador refrigerado por aire, y de 11 ºC a 14 ºC más alta que el agua que entra en el condensador refrigerado por agua, cuando el equipo está en marcha.

Estas cifras corresponden a temperaturas de vaporización de +4 ºC a -6 ºC. Con temperaturas de vaporización más bajas, la temperatura y presión de alta también se reducen, y a la inversa, con temperaturas y presión de aspiración más altas, se elevan también las del lado de alta.

4. Temperatura interior de la cámara o recinto refrigerado. En un sistema con evaporadores por circulación natural de aire por gravedad, la diferencia entre la temperatura de vaporización y la del aire en la cámara o recinto refrigerado (DT), será de 8 a 12 ºC, y con evaporadores de aire forzado, de 5 a 8 ºC. Humedad relativa

DT

Humedad relativa

DT

98%

3,5 ºC

75%

8,5 ºC

95%

4 ºC

72,5%

9 ºC

90%

5 ºC

70%

9,8 ºC

85%

6 ºC

69%

10 ºC

81%

7 ºC

66,5%

11 ºC

80%

7,2 ºC

65%

11,5 ºC

77%

8 ºC

63%

12 ºC

5. Temperatura de subenfriamiento (salida condensador y entrada expansión). Normalmente, la temperatura de la línea de líquido es ligeramente superior a la temperatura del aire o del agua que sale del condensador. Si está mucho más caliente es debido, probablemente, a que está más llena de refrigerante en estado de gas que de líquido (mala condensación) o escasez de refrigerante en el sistema. Por otra parte, si la tubería está mucho más fría que la temperatura de salida del agua o aire del condensador, es debido a que el refrigerante está expansionando en la línea de líquido (tapón en el filtro secador, tubería demasiado pequeña, aplastamiento del tubo, alguna válvula de esta línea parcialmente cerrada).

6. Temperatura de sobrecalentamiento (salida evaporador y aspiración compresor). La temperatura de la línea de aspiración es normalmente un poco más baja que la del interior de la cámara, disminuyendo más a medida que aumenta la cantidad de refrigerante en circulación. Si esta tubería se encuentra mucho más fría que de costumbre, o bien está escarchando, indica que entra refrigerante líquido en la línea de aspiración. Esta circunstancia puede estar motivada por el funcionamiento anormal de la válvula de expansión que regula el paso de refrigerante. 7.

Saltos térmicos del aire y del agua. Temperatura de impulsión y retorno del aire (o agua) del evaporador y del condensador.

8. Consumo eléctricos. Se debe medir la intensidad de los diferentes motores eléctricos de la instalación frigorífica: compresor, ventiladores. 9. Ruido de la válvula de expansión. Normalmente, esta válvula es de funcionamiento casi silencioso, existiendo un ligero ruido debido al paso de refrigerante a través del orificio. Sin embargo, cuando pasa gas en lugar de líquido, se nota un ruido o silbido bastante notable, y si la válvula está completamente silenciosa, es señal evidente de que no pasa refrigerante a través de la misma. 10. Tiempo de funcionamiento. Deben tenerse en cuenta tanto los ciclos cortos, como los largos periodos de marcha continua, ya que ambos son la indicación de su funcionamiento anormal. 11. Ruidos anormales. Los ruidos anormales en el compresor, motor, transmisiones o en la válvula de expansión pueden servir de una buena indicación de la avería.

17.3 relación 17.3.1 análiSiS

de averíaS en el condenSador

volver

de funcionamiento del condenSador

1. Instalar el manómetro en la zona de alta, y leer la temperatura de condensación. (En el caso de no disponer de toma de presión en la zona de alta, instalar un termómetro debidamente aislado en uno de los codos del medio del condensador). 2. Tomar la temperatura de entrada del medio empleado para condensar (aire o agua). 3. Restar las dos temperaturas y analizar si la diferencia es alta o baja con respecto a las estimadas como normales. Si la diferencia de temperatura es normal, habrá terminado la inspección de este componente. Un condensador nuevo, hará que el refrigerante se condense a 52 ºC cuando el aire pase sobre él a 35 ºC. La presión de descarga debe corresponder a una temperatura no superior de 17 ºC por encima de la temperatura ambiente exterior. Esto debería corresponder a 31,14 bar para el R-410A, con una temperatura exterior de 35 ºC (35 ºC + 17 ºC = 52 ºC). Pero, a medida que envejece el condensador, se acumula suciedad en el serpentín exterior y la eficiencia del condensador disminuye, condensando a una temperatura superior (57 ºC). 35 ºC + 17 ºC = 52 ºC, temperatura de condensación

31,14 bar

8,08 bar

93 ºC Tubería de gas 52 ºC

Aire (35 ºC)

caliente

R-410A

Punto de líquido puro, comienzo de subenfriamiento

Un condensador de eficiencia normal condensa el refrigerante a una temperatura de 15 a 20 ºC por encima de la temperatura ambiente; por ejemplo, cuando la temperatura exterior es de 35 ºC, condensará el refrigerante a una temperatura de entre 50 y 55 ºC, con una presión de descarga, para estas temperaturas de condensación, de entre 29,71 y 33,39 bar, para el R-410A. Los equipos de acondicionamiento del aire de alta eficiencia pueden tener una presión de descarga de trabajo inferior. Su mayor eficiencia la obtienen mediante el uso de condensadores con mayor superficie de condensación y de compresores iguales o de mayor eficiencia. La temperatura de condensación puede bajar hasta 10 ºC por encima de la del ambiente exterior (35 ºC + 10 ºC = 45 ºC). Esto hace que la presión de descarga correspondiente se reduzca a unos 26,34 bar. Cuando se emplean condensadores grandes, se reduce la presión de descarga, con el resultado de un menor consumo de energía. Los condensadores de mayor eficiencia requieren el uso de algún tipo de regulación de la presión de condensación. Además, suelen utilizar una válvula de expansión termostática, ya que se puede obtener una cierta ganancia de eficiencia gracias a ello.

17.3.2 relación

?

de averíaS en el condenSador

diferencia

de temPeratura máS alta de lo normal

condenSación exceSiva)

(PreSión

y temPeratura de

Una presión y, por tanto, una temperatura de condensación excesiva puede ser debida a una anomalía en el medio empleado para condensar (aire o agua) o bien encontrarse en el sistema frigorífico. En ambos casos, la producción de líquido en este componente será defectuosa tanto sea por exceso como por defecto.

Síntoma de la avería: La instalación realiza ciclos ininterrumpidos o muy largos de funcionamiento; no se consigue tener la temperatura deseada en el recinto acondicionado. Primera comProbación: La primera inspección es comprobar la temperatura del filtro secador al tacto, encontrándose más caliente de lo normal (la temperatura normal es de templado al tacto). Esta sencilla comprobación delata que el condensador no es capaz de descargar el calor que transporta el fluido refrigerante. En algunas ocasiones, encontrar algo más caliente de lo normal la temperatura del filtro secador, no nos declara suficientemente el origen de la avería; por tanto, se tendrá que medir el subenfriamiento del líquido a la salida del condensador y comprobar su valor. En caso de tener visor de líquido después del filtro secador, se verán burbujas en la mirilla, debido a que parte del refrigerante que circula por su interior lo hace aún en estado gaseoso, causado por la mala condensación existente. La tubería de aspiración estará menos “fresca” de lo normal, debido al excesivo sobrecalentamiento que tienen los vapores aspirados por el compresor.

AvEríA

En El mEdio EmPlEAdo PArA condEnsAr

El origen de la avería en condensadores enfriados por aire puede ser debido a: 1. Suciedad en la superficie del condensador. 2. Motor del ventilador funcionando a bajas revoluciones, aspas rotas o deterioradas. 3. Acceso de aire al condensador restringido. 4. Aire de aspiración e impulsión comunicados. 5. Temperatura ambiente, donde está ubicado el condensador, demasiado alta. El origen de la avería en condensadores enfriados por agua puede ser debido a: 1. Suciedad en el interior de las tuberías (limpiar o sustituir). 2. Caudal de agua demasiado pequeño (aumentar caudal o regular la válvula). 3. Bomba de agua defectuosa o no funciona (reparar o sustituir). 4. Temperatura del agua muy alta (aumentar el caudal de agua).

AvEríA

En El sistEmA FrigoríFico

Si la avería se encuentra en el sistema frigorífico, su origen puede ser debido a: 1. Instalación demasiado llena de refrigerante (descargar refrigerante controlando que la presión de condensación sea la correcta y que el visor esté lleno de líquido). 2. Exceso de carga térmica (exceso de mercancías, personas, etc.). 3. Superficie del condensador demasiado pequeña. 4. Aire o incondensables circulando con el refrigerante. 5. Regulador de presión de condensación ajustado a una presión demasiado alta.

?

EjEmplo 1: temperatura de CondensaCión superior a la normal

Si el manómetro de alta presión mide 31,14 bar y la temperatura exterior es 27 ºC, la presión de descarga puede parecer demasiado elevada. La escala del distribuidor manométrico indica que el condensador está condensando a 52 ºC. Sin embargo, no debería condensar a más de 17 ºC por encima de la temperatura exterior (27 ºC + 17 ºC = 44 ºC), por lo que la temperatura de condensación es, en realidad, 5 ºC más alta. Las causas son: suciedad en el condensador o sobrecarga de refrigerante. 31,14 bar

27 ºC + 17 ºC =44 ºC

R-410A

52 ºC

Aire del exterior (27 ºC)

?

EjEmplo 2: temperatura exterior por enCima de las CondiCiones de diseño

Supóngase que al mediodía, al aumentar la temperatura exterior, la carga de calor en el interior aumenta. Esto puede hacer que la temperatura interior suba de 24 ºC hasta 26 ºC, con lo que el refrigerante se vaporizará más rápidamente. La presión de aspiración y el sobrecalentamiento aumentarán ligeramente, hasta 8,65 bar y 7 ºC, respectivamente. 8,65 bar

13 ºC

7 ºC de sobrecalentamiento

R-410A

Carga aumentada de aire de retorno

6 ºC

(26 ºC) 31,14 bar

6 ºC

6 ºC

Bandeja de condensado

Si aumenta la temperatura exterior, por ejemplo hasta 38 ºC, la presión de descarga también aumentará (33,39 bar), y la presión de aspiración será incluso mayor que 8,65 bar. El aumento de la presión de descarga origina un aumento del flujo de refrigerante a través del dosificador de calibre fijo, haciendo que disminuya el sobrecalentamiento. 8,65 bar

9 ºC

3 ºC de sobrecalentamiento

R- 410A

Condiciones 6 ºC

normales de ambiente (24 ºC) 33,39 bar

6 ºC

6 ºC

Temperatura

Bandeja de

exterior (38 ºC)

condensado

diferencia

?

de temPeratura máS baja de lo normal

condenSación baja)

(PreSión

y temPeratura de

Una presión y temperatura de condensación baja, hace que la producción de líquido en el condensador sea deficiente, descendiendo las presiones de trabajo del sistema y, concretamente, en el circuito de baja disminuye la presión de inyección de líquido al evaporador, no llegándolo a bañar toda su superficie, disminuyendo la producción frigorífica. Síntoma

de la avería:

La instalación no rinde lo suficiente.

Primera comProbación: Una vez instalados los manómetros en las tomas de alta y baja presión, se instala un termómetro a la salida del evaporador para comprobar el sobrecalentamiento y, como se puede imaginar, estará más alto de lo normal.

AvEríA

En El mEdio EmPlEAdo PArA condEnsAr

El origen de la avería en condensadores enfriados por aire puede ser debida a: 1. Temperatura del aire de enfriamiento demasiado baja. 2. Caudal de aire hacia el condensador demasiado grande. El origen de la avería en condensadores enfriados por agua puede ser debido a: 1. Temperatura del agua demasiado baja. 2. Caudal de agua demasiado grande.

AvEríA

En El sistEmA FrigoríFico

Si la avería se encuentra en el sistema frigorífico, su origen puede ser debido a: 1. Baja carga térmica del sistema. 2. Anomalías en el compresor. 3. Falta de refrigerante. 4. Superficie del condensador demasiado grande. 5. Regulador de presión de condensación ajustado a una presión demasiado baja. 6. Recipiente de líquido instalado en un lugar más frío que el condensador.

?

EjEmplo 3: CarGa elevada en el evaporador y Condensador frío

1/2

Si la temperatura interior es templada y la temperatura exterior es más fresca de lo normal, el sistema trabajará con unas presiones y capacidades distintas de las especificadas. Por ejemplo, es habitual que durante el día, si no hay nadie en la casa, el sistema de climatización esté apagado. Después de la jornada laboral (por la tarde o noche), una vez en la casa, se enciende el sistema de climatización, pero resulta que la temperatura interior es más alta que la exterior (condiciones opuestas a las naturales). Puede ser que el aire del exterior esté a 24 ºC, pero el del interior esté a 30 ºC. El aire que pase a través del condensador estará más fresco que el aire que pase por el evaporador. Éste puede que tenga también una gran carga de humedad. El condensador funcionará con tanta eficiencia que retendrá parte del refrigerante, porque empezará a condensarlo ya en sus primeras secciones. Por ello, los tubos del condensador contendrán más refrigerante líquido del habitual, dejando al evaporador ligeramente sin refrigerante. Puede que el sistema carezca de capacidad para enfriar la casa durante algunas horas, el condensador puede llegar a retener suficiente refrigerante como para hacer que el evaporador trabaje por debajo del punto de congelación y se congele antes de que pueda enfriar la casa y satisfacer al termostato.

?

EjEmplo 3: CarGa elevada en el evaporador y Condensador frío 25,70 bar

24 ºC + 20 ºC =44 ºC

9,88 bar

R- 410A 21 ºC

11 ºC de sobrecalentamiento

Aire de retorno (30 ºC)

44 ºC

2/2

10 ºC

10 ºC

10 ºC

Aire del exterior (24 ºC)

Este problema se resuelve mediante un control de condensación, instalando ventiladores de doble velocidad en el condensador o con un variador de frecuencia. El funcionamiento del ventilador se regula por un termostato, que se encarga de hacer que el ventilador funcione a alta velocidad cuando la temperatura es alta (por encima de 30 ºC) y a baja velocidad cuando dicha temperatura sea baja (inferior a 30 ºC). Cuando el ventilador trabaja a velocidad baja, aumenta la presión de descarga. A medida que se enfríe el aire de retorno, disminuirán la presión de aspiración y la temperatura de vaporización del refrigerante.

17.4 relación 17.4.1 análiSiS

de averíaS en el evaPorador

volver

de funcionamiento del evaPorador

1. Instalar el manómetro en la toma de baja y leer la temperatura de vaporización. 2. Tomar la temperatura del aire de retorno (de entrada) al evaporador. 3. Restar las dos temperaturas y analizar si la diferencia es alta o baja. Si la diferencia de temperatura es normal, habrá terminado la inspección de este componente. El evaporador, en climatización, suele trabajar a una temperatura de vaporización de 4 ºC cuando el sistema funciona bajo las condiciones de 24 ºC y 50% de humedad relativa (la temperatura de vaporización es de unos 20 ºC por debajo de la temperatura del aire que entra). La presión de aspiración será de 8,08 bar para el R-410A. El refrigerante líquido llega casi hasta el final del serpentín, con un sobrecalentamiento de 5 ºC. 8,08 bar

9 ºC

R- 410A 4 ºC

Aire de retorno (24 ºC y 50% de

4 ºC

humedad relativa) 31,14 bar

4 ºC

4 ºC

Bandeja de condensado

El evaporador de un equipo de alta eficiencia puede trabajar, a veces, con una presión y temperatura superiores a las de los equipos normales, debido al mayor tamaño del evaporador. La temperatura de vaporización puede ser de 7 ºC con el evaporador de mayor tamaño y en condiciones de diseño, originando una presión de aspiración de 8,95 bar.

17.4.2 relación

de averíaS en el evaPorador

Si la diferencia de temperaturas entre la de retorno y la de impulsión de un evaporador es superior a la normal (la de retorno muy alta y la de impulsión muy baja en relación a las previstas), en este caso la avería se encuentra en el circuito de aire. Si la diferencia de temperaturas es inferior a la normal (y las dos temperaturas son muy altas en relación a las previstas), la avería se encuentra en el sistema frigorífico.

diferencia

?

de temPeratura máS alta de lo normal

(temPeratura

de imPulSión

máS baja de lo normal y temPeratura de retorno máS alta de lo normal: Salto térmico mayor)

Puntos a inspeccionar del circuito de aire y del propio componente: 1. Filtros del aire sucios. 2. Serpentín del evaporador sucio u obstruido. 3. Motor y mecánica del ventilador. 4. Compuertas parcialmente cerradas u obstáculos en la entrada del aire.

?

EjEmplo 4: filtro de aire suCio o serpentín suCio

El gas de aspiración puede tener algo de líquido (evaporador inundado de refrigerante) si los filtros están ocluidos o el serpentín del evaporador está sucio. 7,27 bar

El filtro de aire está ocluido y el flujo de aire se ha reducido

1 ºC

Aire de impulsión muy frío (10 ºC)

1 ºC

1 ºC

Rocío en el compresor R-410A

Aire de retorno (26 ºC)

Cuando la presión de aspiración es demasiado baja y el sobrecalentamiento también, la tubería de aspiración está fría; el serpentín está inundado de refrigerante líquido porque no está absorbiendo tanto calor como debiera (no se vaporiza el suficiente refrigerante. El serpentín puede estar sucio, o el flujo de aire es insuficiente.

6,75 bar

-1 ºC

0 ºC de sobrecalentamiento

-1 ºC

-1 ºC

Rocío en el compresor R-410A

-1 ºC

diferencia

?

de temPeratura máS baja de lo normal

(temPeratura

de imPulSión

máS alta de lo normal y temPeratura de retorno máS alta de lo normal: Salto térmico menor)

Puntos a inspeccionar del sistema frigorífico: 1. Falta de refrigerante. 2. Anomalías en la válvula de expansión. 3. Caída de presión en la línea de aspiración. 4. Excesiva cantidad de aceite en el evaporador.

?

EjEmplo 5: Baja CarGa de refriGerante o restriCCión de refriGerante

El gas de aspiración puede estar muy sobrecalentado si el equipo tiene una carga baja de refrigerante o si hay restricción de éste. Si la presión fuera de 6,03 bar, el refrigerante estaría vaporizando a -4 ºC, suficientemente frío como para congelar el condensado sobre el serpentín del evaporador. 6,03 bar

20 ºC

20 ºC de sobrecalentamiento

Tubería de aspiración más caliente Aire de retorno (26 ºC)

-4 ºC

Hielo R- 410A

?

diferencia

de temPeratura máS baja de lo normal

recinto máS baja de lo normal)

(temPeratura

interior del

Puntos a inspeccionar: 1. Termostato o presostato regulado a una temperatura más baja de lo normal. 2. Contacto o instalación del bulbo sensor defectuoso. 3. Polvo o suciedad en los contactos.

?

diferencia

de temPeratura dentro de lo normal

imPulSión alta)

Puntos a inspeccionar: 1. Sobrecarga térmica del sistema. 2. Rotura de válvulas en el compresor. 3. Arrastre de aceite en el separador.

(temPeratura

del aire de

?

EjEmplo 6: temperatura interior por enCima de las CondiCiones de diseño

La presión de aspiración será más alta de la normal. Cuando la temperatura interior es mayor que la normal, por haber estado apagado el equipo durante algún tiempo, la temperatura del aire de retorno puede rondar los 28 ºC en un sistema de climatización, acompañados de una humedad también más alta. La temperatura de vaporización puede elevarse hasta los 10 ºC, a la que corresponde una presión de 9,88 bar, para el R-410A. 9,88 bar

20 ºC

10 ºC de sobrecalentamiento 10 ºC R -410A

Aire de retorno (28 ºC y 65% de

10 ºC

humedad relativa) 10 ºC

10 ºC

Bandeja de condensado

Esta presión de aspiración, mayor que la normal, puede hacer que suba también la presión de condensación. Aun trabajando el condensador en las condiciones de diseño, en lo que respecta al aire exterior, la presión puede ser elevada debido a que el evaporador está soportando una carga por encima de la de diseño. Si la presión de aspiración es elevada, la temperatura de condensación puede estar 6 ºC por encima de lo habitual, lo que significaría que la presión de condensación, para el R-410A, sería de 35,76 bar (35 ºC + 17 ºC + 6 ºC = 58 ºC). Cuando el equipo comience a reducir la temperatura y la humedad relativa del ambiente acondicionado, la presión en el evaporador comenzará también a reducirse. Por tanto, se reducirá la carga sobre el evaporador y bajará también la presión de condensación. 35 ºC + 17 ºC + 6 ºC = 58 ºC temperatura de condensación

35,76 bar

107 ºC

9,93 bar

Tubería de gas 58 ºC

Aire (35 ºC)

caliente

R-410A

Punto de líquido puro, comienzo de subenfriamiento

?

diferencia

de temPeratura dentro de lo normal

imPulSión baja)

Puntos a inspeccionar: 1. Baja carga térmica del sistema. 2. Temperatura exterior muy baja. 3. Fallo en el termostato o presostato de baja.

(temPeratura

del aire de

17.4.3 relación

?

de averíaS en el evaPorador

humedad

(cámaraS

frigoríficaS)

relativa del aire de la cámara demaSiado baja

Esta avería provoca que los alimentos almacenados se resequen, siendo su origen: 1. Diferencia de temperatura entre la de vaporización y la del ambiente de la cámara demasiado grande. A mayor diferencia de temperatura menor humedad relativa, y a menor diferencia de temperatura mayor humedad relativa. 2. Superficie del evaporador demasiado pequeña, realizando largos periodos de funcionamiento a una temperatura de vaporización baja.

?

humedad

relativa del aire de la cámara exceSiva

Esta avería provoca que los alimentos almacenados estén “mojados” pudiéndose producir moho, incluso en las paredes de la cámara también se puede acumular humedad. El origen de la avería puede encontrarse en: 1. Baja carga térmica de la cámara, provocando una deshumidificación insuficiente a causa del corto funcionamiento durante las 24 horas. 2. Diferencia de temperaturas entre la de vaporización y la del ambiente de la cámara demasiado corta. 3. Superficie del evaporador demasiado grande, causando una temperatura de vaporización durante el funcionamiento excesiva, y realizando ciclos cortos de funcionamiento. Siendo el evaporador demasiado grande para la cámara, puede ser factible desplazar el bulbo de la válvula de expansión termostática hacia atrás y trabajar con una superficie de evaporador más reducida.

?

temPeratura

interior de la cámara demaSiado alta

El origen de esta avería puede encontrarse en: 1. Termostato averiado, o bulbo mal instalado. 2. Compresor pequeño, temperatura de vaporización muy alta. 3. Carga térmica demasiado grande, productos calientes, alumbrado o ventiladores interiores, mal aislamiento de la cámara o infiltraciones de aire. 4. Instalación frigorífica pequeña para las necesidades de la carga térmica. 5. Poca afluencia de líquido hacia el evaporador. 6. Válvula reguladora de la presión de vaporización ajustada a una presión demasiado alta. 7. Presostato de baja ajustado a una presión de corte demasiado alta. 8. Válvula reguladora de la capacidad, se abre a una presión de vaporización demasiado alta.

?

temPeratura

interior de la cámara demaSiado baja

El origen de esta avería puede encontrarse en: 1. Termostato mal ajustado, averiado o bulbo mal situado. 2. Temperatura ambiente demasiado baja.

?

evaPorador

bloqueado de eScarcha

El origen de esta avería puede encontrarse en: 1. La operación de desescarche no se ha realizado o es ineficaz. 2. La humedad del aire en la cámara frigorífica es excesiva, debido a: ◊ Entrada de humedad por productos no embalados. Recomendar el embalaje de los productos, o ajustar el sistema de desescarche. ◊ Entrada de aire en la cámara a través de rendijas o puertas abiertas. Tapar las rendijas, o recomendar que la puerta se mantenga el máximo tiempo cerrada.

?

evaPorador

eScarchado Solo en la válvula y PrimeroS codoS

Alimentación de líquido refrigerante al evaporador demasiado pequeña, debido a: 1. Mala condensación. 2. Aletas dañadas o circulación de aire restringida. 3. Avería en la válvula de expansión, provocada por: ◊ Sobrecalentamiento demasiado grande. ◊ Orificio de la válvula demasiado pequeño. ◊ Orificio de la válvula parcialmente bloqueado de hielo. ◊ Filtro de la válvula parcialmente obstruido.

17.5 relación 17.5.1 análiSiS

de averíaS en el elemento de exPanSión

volver

de funcionamiento de la válvula de exPanSión

1. Instalar el manómetro en la toma de baja y leer la presión de vaporización convirtiéndola a temperatura; se debe tener cuidado en hacer la corrección que sea necesaria, debido a la caída de presión en la línea de succión. También se puede medir la temperatura directamente colocando un termómetro al inicio del evaporador. 2. Instalar el termómetro debidamente aislado en el tubo de salida del evaporador, junto al bulbo termostático de la válvula. 3. Restar las dos temperaturas (Sobrecalentamiento = Tbulbo - Tvap).

El sobrecalentamiento de la válvula de expansión es menor en refrigeración comercial y a baja temperatura (2 ºC a 5 ºC), que en sistemas de aire acondicionado (5 ºC y 7 ºC). Aplicación

Acondicionamiento de aire y bombas de calor

Refrigeración comercial

Refrigeración de baja temperatura

Temperatura de vaporización (ºC)

10 ºC a 5 ºC (41 ºF a 50 ºF)

5 ºC a -20 ºC (41 ºF a -4 ºF)

-20 ºC a -40 ºC (-4 ºF a -40 ºF)

Ajuste de sobrecalentamiento (ºC)

5 ºC a 7 ºC (8 ºF a 12 ºF)

3 ºC a 5 ºC (6 ºF a 8 ºF)

2 ºC a 3 ºC (4 ºF a 6 ºF)

17.5.1.1 Sobrecalentamiento

alto

Cuando el sobrecalentamiento es alto, la superficie del evaporador es ineficiente y se obtiene una baja capacidad del sistema de refrigeración y un alto consumo de energía. Puntos a inspeccionar: 1. Obstrucción de la línea de líquido (expansión antes de la válvula). 2. Baja carga de refrigerante. 3. Baja caída de presión a través de la válvula. 4. Tapón de hielo, suciedad o aceite. 5. Bulbo de la válvula mal instalado (cerca de fuente de calor o muy lejos). 6. Ajuste de la válvula incorrecto.

17.5.1.2 Sobrecalentamiento

bajo

Cuando el sobrecalentamiento es bajo, el evaporador está sobrealimentado, lo que ocasiona pérdida de eficiencia, alto consumo de energía y riesgo de daño al compresor. Puntos a inspeccionar: 1. Asiento de la válvula defectuoso (fuga en el asiento de la válvula). 2. Bulbo de la válvula mal instalado (muy cerca). 3. Ajuste de la válvula incorrecto.

17.5.2 relación

?

de averíaS en la válvula de exPanSión

comProbación

de la exiStencia de humedad en la válvula

En la mayoría de los casos un pequeño cristal de hielo da lugar al bloqueo de la aguja. El efecto que produce la humedad congelada en la válvula, puede manifestarse en el funcionamiento de la instalación de las formas siguientes: 1. No hay inyección de líquido. El evaporador se encuentra sin escarcha y sin “producción de frío”. Si se comprueba la presión de baja, se encontrará en zona de vacío profundo (el compresor aspira y no le llega refrigerante). 2. El paso de líquido es escaso. El refrigerante llega al evaporador en cantidad insuficiente provocando un escarche incompleto del evaporador (acumulación de escarcha en la

entrada del evaporador y primeros codos, así como en el cuerpo de la válvula); la presión de baja está más baja y el sobrecalentamiento más largo. comProbacioneS: Si se calienta la válvula, y el sobrecalentamiento se restablece (funcionamiento normal de la válvula), entonces el tapón está provocado por la humedad existente en el circuito. Si realizada esta operación no existe variación en cuanto al funcionamiento de la válvula (valor del sobrecalentamiento), el tapón estará producido por la suciedad acumulada en el filtro de la propia válvula. Otra forma de asegurarse de la presencia de humedad en el sistema es la siguiente: se para el compresor hasta calentar la válvula por encima de 0 ºC; si ésta trabaja bien durante un corto tiempo, para volver a su funcionamiento incorrecto de antes tan pronto como la temperatura en el evaporador desciende de nuevo, es que hay humedad en el sistema. humedad en el SiStema: Una gota de agua que se convierta en hielo, es suficiente para taponar totalmente el orificio de una válvula de expansión, manteniéndola cerrada e interceptando toda posible acción de apertura en el lado de baja. Durante este tiempo, en un sistema controlado por termostato, el compresor hará que descienda la presión de baja, aumentando la de alta, mientras se deposita la carga de refrigerante líquido en el depósito. En un sistema controlado por presostato, al descender rápidamente la presión de aspiración, se parará el compresor antes de llegar a la temperatura prevista en el interior de la cámara, para ponerse también rápidamente en marcha, dando con ello lugar al funcionamiento a base de cortos intervalos de parada y puesta en marcha. Cuando la cantidad de agua en el sistema es menor, puede recogerse en el orificio de la válvula de expansión obstruyéndolo en parte. Si esto ocurre cuando la válvula está abierta dará lugar a que el punzón quede desplazado del asiento y haya un exceso de líquido en el evaporador, con el consiguiente retorno en la línea de aspiración. Suciedad en el SiStema: Las válvulas que se hayan obstruido por suciedad pueden desencallarse de la siguiente forma: 1) cerrar la válvula de salida del depósito de líquido, 2) hacer funcionar el sistema hasta obtener vacío, dejando que el evaporador se caliente, con lo que subirá la temperatura en el bulbo, 3) abrir la válvula de salida del depósito de líquido. El flujo repentino de líquido que se conseguirá al abrir de nuevo la válvula, hará que se expulse toda partícula extraña que intercepte el paso en el asiento del punzón.

?

mala

calidad de líquido delante de la válvula

(Sin

Subenfriamiento)

En el caso de tener una cantidad insuficiente de refrigerante en estado líquido delante de la válvula, tendremos un evaporador alimentado solo en una parte de su superficie. Si se mide el sobrecalentamiento, será más largo de lo normal. Si la instalación tiene visor de líquido a la salida del filtro secador, se comprobará la existencia de burbujas de gas, ya que de ser así el origen de la avería podría ser por: 1. Falta de refrigerante. El filtro secador se encuentra a temperatura ambiente, y la presión de baja más baja de lo normal. La falta de refrigerante da siempre lugar a la pérdida de rendimiento puesto que el refrigerante evaporado ya no está en condiciones de absorber calor, circulando pues sin utilidad alguna. 2. Mala condensación. El filtro secador se encuentra más caliente de lo normal, pero la presión de baja puede ser normal e incluso un poco más alta de lo normal. 3. Tapón parcial en el filtro secador. El filtro secador se encuentra más frío de lo normal, y la presión de baja más baja de lo normal. 4. Tubería de líquido con diámetro pequeño, o tubería demasiado larga, o pérdida de presión demasiado elevada (filtro secador, accesorios etc.). En los puntos de

estrangulación, se produce una expansión parcial o formación de gas; si la obturación progresa mucho, la diferencia de temperatura es apreciable al tacto. 5. Pérdida de presión debida a que el evaporador se ha instalado varios pisos más arriba que el condensador (consultar ejemplo).

?

EjEmplo 7

Supóngase una máquina que trabaja con R-134a refrigerada por agua, está instalada en un sótano, y el evaporador se encuentra a una altura de 12 metros (3 pisos). La temperatura de condensación es de +25 ºC (5,65 bar). Como el evaporador está por encima del condensador (compresor), la tubería de líquido (salida del condensador) es ascendente. El refrigerante R-134a líquido tiene a +25 ºC un volumen específico de 0,828 dm3/kg, o sea, una densidad de 1/0,828 = 1,21 kg/dm3 (1,21 g/cm3). Una columna de líquido de 1 metro de altura (100 cm), ejerce una presión de 100 · 1,21 = 121 g/cm2; una columna de 12 metros, por tanto, de 12 · 121 = 1.452 g/cm2 (1,452 kg/cm2 = 1,42 bar de pérdida de presión). Sin tener en cuenta la pérdida de presión por rozamiento de la tubería, la presión delante de la válvula de expansión es 1,42 bar más baja que la que indique el manómetro, es decir, a 5,65 bar (+25 ºC) se resta 1,42 bar (5,65 - 1,42 = 4,23 bar). Esta presión equivale a una temperatura de +17 ºC para el R-134a. Si la temperatura del local que atraviesa la tubería de líquido es más elevada que +17 ºC, ésta calentará el líquido a una temperatura superior a la que le corresponde por su presión, por lo que empezará a vaporizar formando gas. Al llegar a la válvula, en lugar de líquido, una mezcla de líquido y gas (que tiene un volumen mayor que el líquido puro), no pasará la cantidad suficiente por el orificio de la válvula. La solución a este problema estaría en aumentar la presión de condensación a través de un control de condensación, aislar convenientemente la tubería, y/o instalar un intercambiador de calor para subenfriar el líquido delante de la válvula.

?

evaPorador

Sobrealimentado

(trabajo

húmedo del comPreSor)

En el caso de que el evaporador se encuentre sobrealimentado de refrigerante, se tendrá un sobrecalentamiento muy corto a la salida del evaporador, y una presión de baja más baja de lo normal en todos los casos. El origen de la avería puede ser debido a: 1. Ajuste incorrecto de la válvula. La válvula está demasiado abierta, sobrecalentamiento insuficiente. Reajustar válvula. 2. Mal contacto del bulbo sensible. 3. Montaje incorrecto del bulbo. El bulbo solo tiene que detectar la temperatura del propio tubo. Aislar con un material que no absorba agua. 4. Enclavamiento mecánico de la válvula por humedad o suciedad. Agua congelada o suciedad en la válvula sujetan la aguja en posición abierta, dejando de reaccionar al cambio de temperatura del bulbo. La humedad congelada puede bloquear la válvula en cualquier posición (completamente abierta, cerrada u otra posición). 5. La válvula no cierra. La aguja o la tobera están destruidas por corrosión, cavitación o erosión, siendo así, el cierre hermético es imposible. La existencia de suciedad o partículas metálicas entre orificio y aguja impide el cierre hermético.

17.6 relación 17.6.1 análiSiS

de averíaS en el comPreSor

volver

de funcionamiento del comPreSor

Para analizar el funcionamiento del compresor, no debemos realizar ninguna diferencia de temperaturas, ya que solo tendremos que comprobar si funciona o no funciona.

17.6.1.1 comPreSor

funciona

Puntos a inspeccionar: 1. Temperatura de descarga (no debe superar los 120-140 ºC). 2. Ruidos anormales. 3. Presión de aceite. 4. Pérdidas de aceite. 5. Nivel de aceite. 6. Aceite en ebullición. 7. Aceite descolorido. 8. Paradas excesivas del compresor. 9. Funcionamiento ininterrumpido de compresor. 10. Compresor caliente. 11. Compresor frío. 12. Golpes de líquido. 13. Presión de aspiración. 14. Temperatura del gas de aspiración.

17.6.1.2 comPreSor

no funciona

Puntos a inspeccionar: 1. Presostato de alta. 2. Presostato de baja. 3. Termostato (klison). 4. Fallo en el circuito de maniobra. 5. Tensión baja. 6. Sobrecarga del motor eléctrico. 7. Bobinas del motor eléctrico defectuosas. 8. Compresor mecánicamente agarrotado.

17.6.2 relación

?

de averíaS en el comPreSor

comPreSor

no comPrime

(PaSado

de válvulaS)

En un compresor con fugas interiores entre alta y baja, la avería se exterioriza en que el recinto refrigerado o no llega a la temperatura deseada, o no hay refrigeración alguna. En este caso encontraremos un consumo eléctrico por debajo de la intensidad nominal, debido al escaso trabajo efectuado por el compresor en cuanto a la compresión del refrigerante, ya que la presión en el circuito de alta será baja y la presión en el de baja será alta, al estar ambas presiones comunicadas en el interior del compresor. Según la importancia de la fuga entre alta y baja, la instalación puede llegar a enfriar pero nunca a la temperatura de vaporización deseada sino siempre más elevada, por lo que la instalación realizaría ciclos muy largos de funcionamiento al no poder detectar el termostato la temperatura de corte a la que está ajustado. Es importante reseñar que ante el diagnóstico de la avería en una instalación que enfría pero no para por termostato, se encuentre al compresor muy caliente debido a los ciclos ininterrumpidos de funcionamiento. La solución es reparar o sustituir el compresor.

?

comPreSor

no funciona

Comprobar, en primer lugar, si llega alimentación eléctrica a la entrada del sistema. 1. Sí llega tensión al sistema de arranque. La bobina del relé de intensidad está abierta, o el circuito interior del “klison” no tiene continuidad. 2. No llega tensión al sistema de arranque. Comprobar la entrada de alimentación eléctrica a la instalación y siguiendo la avería a partir de este punto, ésta se encontrará en alguno de los componentes del circuito de maniobra: termostato, presostatos, bobinas de contactores, y se tendrá que comprobar continuidad entre ellos.

?

comPreSor

funciona ininterrumPidamente

Para iniciar el seguimiento de esta avería tendremos que comprobar entre otras cosas, la temperatura en el recinto refrigerado. 1. Temperatura del recinto más baja de lo normal. La avería queda centrada en el termostato: a) bulbo mal instalado, b) bulbo mal regulado, c) bulbo con los contactos eléctricos soldados (no desconecta la alimentación eléctrica al motor). 2. Temperatura del recinto más alta de lo normal. ◊ Fuga de refrigerante. Las presiones de alta y baja estarán más bajas de lo normal; el consumo eléctrico será también bajo. ◊ Compresor con fugas internas. La presión de baja estará más alta de lo normal y la presión de alta más baja de lo normal; el consumo eléctrico será bajo. ◊ Mala condensación. La presión de alta estará más alta de lo normal (temperatura del filtro secador más caliente de lo normal); consumo eléctrico más elevado. ◊ Obstrucción parcial en la línea de líquido. Detectar posibles cambios de temperatura en su recorrido (una obstrucción provoca la expansión del refrigerante).

◊ Válvula de expansión con obstrucción parcial o mal regulada. Medir el sobrecalentamiento y consultar los apartados correspondientes. ◊ Excesiva carga térmica en el recinto refrigerado. La presión de baja estará más alta de lo normal y el sobrecalentamiento a la salida del evaporador será largo; la presión de alta estará en un margen considerado como normal.

?

comPreSor

hace cicloS cortoS de funcionamiento

Las causas que pueden provocar que el compresor realice demasiados paros y arranques durante su funcionamiento, instalando elementos de seguridad, son las siguientes: 1. Falta de refrigerante u obstrucción parcial en cualquiera de los componentes de la línea de líquido. En ambos casos, la presión de baja será más baja de lo normal, haciendo actuar el presostato (de baja); hay que inspeccionar toda la línea de líquido y sus componentes, comprobando posibles diferencias de temperatura. 2. Reducción de caudal de aire en el evaporador. La presión de baja estará más baja de lo normal; las posibles causas pueden ser: ◊ Suciedad o hielo externo en el evaporador. ◊ Filtros sucios en el evaporador. ◊ Rotura de las correas del ventilador. ◊ Tensión incorrecta de las correas del ventilador.

?

comPreSor

demaSiado caliente

Normalmente, la culata del compresor está caliente al tacto, a menos que esté refrigerada por agua. Si se nota fría al tacto, puede ser que no esté circulando suficiente refrigerante. Si está muy caliente, es porque la presión de alta es excesiva, debido a una deficiente condensación o a la existencia de aire en el sistema. Normalmente, el cárter del compresor está un poco por encima de la temperatura ambiente. Un cárter muy caliente puede indicar deficiente lubricación, mientras que un cárter frío puede ser debido a una carga excesiva de aceite lubricante, o bien a que está entrando refrigerante líquido a través de la línea de aspiración procedente del evaporador. Un compresor se encuentra demasiado caliente debido a: 1. Excesiva carga térmica en el evaporador. La presión de baja estará demasiado alta y el sobrecalentamiento tenderá a ser algo más alto. Esto hace que aumente la temperatura de condensación (el filtro secador estará más caliente). También aumenta el consumo eléctrico, y los ciclos de funcionamiento del compresor serán largos, por tardar en alcanzar la temperatura de corte del termostato. La solución a esta avería está en disminuir la carga térmica del evaporador o bien sustituir la instalación por otra que desarrolle la potencia necesaria, ya que si recargamos de refrigerante para ajustar el sobrecalentamiento de la válvula y aprovechar todo el serpentín del evaporador, tendremos una presión de baja aún más alta con el consiguiente aumento de temperatura del compresor. 2. Mala condensación. La presión de alta será más alta de lo normal (temperatura del filtro secador más caliente de lo normal); consumo eléctrico más elevado.

3. Mal enfriamiento del motor y de los cilindros. La causa posible puede ser: ◊ Falta de líquido en el evaporador (baja carga de refrigerante). Los gases

aspirados por el compresor vienen muy sobrecalentados y el compresor efectúa ciclos de funcionamiento ininterrumpidos.

◊ Válvula de aspiración y descarga con fugas en el plato de válvulas del compresor. La presión de baja será más alta de lo normal y la de alta más baja de lo normal; consumo eléctrico más bajo y funcionamiento ininterrumpido. ◊ Sobrecalentamiento excesivo en el intercambiador de calor de la aspiración. Quitar el intercambiador de calor o escoger uno más pequeño.

?

comPreSor

demaSiado frío

Encontrar un compresor demasiado frío solo es posible cuando le llega refrigerante en estado líquido (del tubo de aspiración) o bien en estado gaseoso pero con muy poco sobrecalentamiento. Normalmente puede ser debido a: 1. Ajuste incorrecto de la válvula de expansión termostática. 2. Válvula equipada con un orificio demasiado grande. 3. Bulbo de la válvula termostática mal instalado.

?

temPeratura

de deScarga alta

Una temperatura de descarga alta puede ser provocada por: 1. Mala condensación. La presión de alta será más alta de lo normal (temperatura del filtro secador más caliente de lo normal); consumo eléctrico más elevado. 2. Incondensables circulando con el refrigerante. Las presiones de alta y baja serán más altas de lo normal y a la vez inestables en cortos periodos de tiempo; consumo eléctrico más alto de lo normal. 3. Demasiado refrigerante. Las presiones de alta y baja serán más altas de lo normal; consumo eléctrico más elevado; subenfriamiento del líquido demasiado alto.

?

temPeratura

de deScarga baja

Una temperatura baja de descarga puede ser provocada por: 1. Presión de condensación demasiado baja. Según el tipo de refrigerante, fijar la presión de condensación estimada como normal. A continuación hacer subir la presión de condensación hasta la deseada (obstruyendo el paso de aire o reduciendo el caudal de agua); si da buen resultado, montar un control de condensación. 2. Falta o fuga de refrigerante. 3. Compresor con fugas internas.

?

temPeratura

en la línea de aSPiración alta

Las averías que pueden causar esta anomalía son: 1. Falta de refrigerante. 2. Obstrucción en la línea de líquido. Comprobar posibles cambios de temperatura. 3. Válvula de expansión ajustada a un sobrecalentamiento excesivo.

?

temPeratura

en la línea de aSPiración baja

Una temperatura baja en la línea de aspiración del compresor puede ser debida a: 1. Válvula de expansión ajustada a un sobrecalentamiento demasiado bajo. 2. Bulbo de la válvula termostática mal situado. Normalmente situado en un lugar demasiado caliente o bien hace mal contacto con la línea.

?

PreSión

de aSPiración alta

Una alta presión de aspiración puede ser debida a: 1. Compresor pequeño. El compresor no tiene capacidad para comprimir. 2. Compresor con fugas internas. 3. Válvula reguladora de capacidad defectuosa o mal ajustada. 4. Carga térmica demasiado grande. 5. La válvula de desescarche por gas caliente tiene fugas. Con la instalación en funcionamiento, es conveniente controlar la temperatura al tacto antes y después de la válvula, ya que de estar el tubo de salida caliente en parte de su recorrido hacia el evaporador, se sospechará de un mal cierre de la válvula. 6. Válvula de expansión ajustada con un sobrecalentamiento bajo. 7. Bulbo de la válvula de expansión mal instalado. 8. Orificio de la válvula de expansión demasiado grande.

?

PreSión

de aSPiración baja

Una baja presión en la aspiración puede ser debida a: 1. Baja carga térmica en la cámara. Provoca una bajada de presión tanto de alta como de baja, así como un descenso del consumo eléctrico. El sobrecalentamiento puede ser normal. La diferencia de temperaturas entre la de vaporización y la del ambiente de la cámara estará más alta de lo normal. 2. Evaporador demasiado pequeño.

3. Ventilador del evaporador averiado o gira a bajas revoluciones. 4. Caída de presión excesiva en el evaporador o en la línea de aspiración. 5. Evaporador bloqueado de hielo. 6. El desescarche bloqueado de hielo. 7. Insuficiente paso de aire a través del evaporador. Ante esta situación el salto térmico en este componente será más alto de lo normal. 8. Acumulación de aceite en el evaporador. 9. Falta de refrigerante líquido en el evaporador. Puede ser debido a: a) Línea de líquido demasiado larga o con diámetro pequeño, b) Filtro secador obstruido parcialmente, c) La válvula solenoide se queda agarrotada, d) Falta de subenfriamiento, e) Avería en la válvula de expansión termostática.

?

ruidoS

anormaleS

(comPreSor

ruidoSo)

Los ruidos que se pueden ocasionar en un compresor pueden ser debidos a: 1. Vibraciones. ◊ Instalar antivibradores en todas las líneas al compresor. ◊ Instalar silenblocs especiales al compresor. ◊ Asegurar la fijación de la tubería por medio de bridas.

2. Motor ruidoso. ◊ Falta de aceite, el compresor para debido al presostato de aceite. ◊ Los cojinetes están gastados o tienen holgura. ◊ Partes internas del compresor defectuosas.

3. Exceso de aceite, el compresor golpetea. ◊ Extraer aceite hasta su nivel correcto.

4. El compresor golpetea y el tubo de aspiración está muy frío. Este golpeteo puede ser producido por la llegada de refrigerante en estado líquido a la aspiración del motor. Revisar el sobrecalentamiento en la válvula de expansión, ya que estará bajo (mal ajuste, la válvula es muy grande, el bulbo hace mal contacto en la superficie de la tubería, el aire de entrada al evaporador es demasiado frío).

?

aceite,

PreSión, nivel y PérdidaS

1. Presión de aceite muy alta. ◊ Tubería de descarga de la bomba obstruida. ◊ Válvula reguladora de seguridad de la presión de aceite, agarrotada.

2. Presión de aceite muy baja (compresor para debido al presostato diferencial de aceite). ◊ Baja carga de aceite.

◊ Compresor gira en sentido contrario. ◊ Válvula reguladora de la presión de aceite está agarrotada en posición abierta. ◊ Excesiva holgura de los cojinetes del compresor. ◊ Filtro de aspiración de aceite sucio. ◊ Excesivo desgaste de la bomba de aceite. ◊ Líquido refrigerante en el cárter. Revisar el retorno de líquido al compresor.

3. Aceite alrededor de la base y nivel de aceite bajo. ◊ Tapas de cierre del cárter pierden aceite.

4. Compresor bombea aceite. ◊ Segmentos desgastados.

5. Nivel de aceite bajo y presión de aspiración muy baja. ◊ Falta de refrigerante en el sistema.

Ahorro

energético y mantenimiento de instalaciones frigoríficas

18

Contenidos 18.1

Diseño

y orientación de la cámara

18.2

Diseño

y ejecución del aislamiento en las cámaras

18.3

Selección

18.4

Funcionamiento

18.5

Cálculo

18.6

Mantenimiento

y diseño de la instalación frigorífica

eficiente de la instalación

del consumo energético de una instalación frigorífica

de la instalación

Índice

18.1 diSeño

y orientación de la cámara

! unA instAlAción con cArEnciAs iniciAlEs (mEnor cAlidAd y más EconómicA), sE PAgA con crEcEs durAntE todA lA vidA útil dE lA mismA, rEsultAndo En unA PérdidA dE comPEtitividAd.

volver

El ahorro energético en instalaciones frigoríficas empieza mucho antes de la propia ejecución de la planta frigorífica por el instalador, es decir, con la ingeniería (ahorro potencial), y no termina con dicha ejecución, sino que continúa durante toda la vida de la misma, es decir, que incluye la conservación y el mantenimiento.

18.1.1 Situación

de la Sala de máquinaS

La sala de máquinas (unidades compresoras) ha de estar lo más cerca posible de los lugares de demanda de frío (evaporadores). De no ser así, la instalación frigorífica se verá penalizada en cuanto a:

1. 2.

Rendimiento: pérdidas de presión en líneas, ganancia de calor. Inversión inicial: mayor trazado en tubería, con su consiguiente aislamiento y cableado.

18.1.2 Situación

de laS cámaraS y túneleS frigoríficoS

Es aconsejable situar todas las cámaras y túneles en un bloque, formando un conjunto, con un máximo de paredes comunes y así ahorrar tanto en:

1. 2.

Inversión inicial (aislamiento). Gastos de funcionamiento de la planta (menor ganancia de calor por transmisión).

Muchas veces es difícil, ya que el usuario está obligado a no cruzar líneas de materia prima con productos terminados (mataderos, tratamientos de pescado). En estos casos puede resultar más rentable la instalación de una unidad compacta para esa cámara situada lejos de las demás, antes que realizar su trazado y correspondiente aislamiento y cableado.

18.1.3 orientación

de laS cámaraS frigoríficaS

Optimizar la orientación del bloque de cámaras es también muy deseable, ya que el calor por transmisión representa, por término medio en periodo de conservación de congelados, de un 35% a un 40% del calor total que tiene que disipar la instalación frigorífica.

18.1.4 cerramientoS

y falSoS techoS

En cuanto a cerramientos, es importante la colocación de chapa blanca o de color claro, que evite la radiación solar directa a cámaras. En cuanto a los falsos techos, saber que es una partida muy importante dentro del calor de transmisión a cámaras, ya que se pueden alcanzar en esta zona temperaturas de hasta 55 ºC. Una buena ventilación de los mismos, ayudado de un tejado de color blanco, consigue una notable reducción de esta temperatura y con ello de la carga calorífica a las cámaras por transmisión, a través del techo de las mismas.

18.2 diSeño

y ejecución del aiSlamiento en laS cámaraS

volver

Las cámaras frigoríficas modernas se construyen, por lo general, utilizando aislamiento a base de paneles prefabricados compuestos de dos planchas de acero galvanizado revestidos con láminas de poliéster o lacados al horno; el espacio entre las láminas se rellena con espuma de poliuretano o con una capa de poliestireno. Cuando se diseña el aislamiento de las cámaras frigoríficas es necesario tener en cuenta:

• material utilizado. Debe tener un coeficiente de transmisión de calor l lo más pequeño posible. Se utiliza últimamente poliuretano expandido (l = 0,024 W/m · K) y poliestireno (l = 0,030 W/m · K) frente a otros como el corcho (l = 0,040, 66% mejor conductor de calor que el poliuretano y 33% que el poliestireno). • eSPeSor de dicho material. Existe un compromiso económico entre el espesor del aislamiento (e) y la cantidad de calor por transmisión (qt) que dejamos entrar en la cámara debido a la diferencia de temperaturas interior-exterior de la misma. Cuanto mayor sea la inversión inicial en espesor, menor será el coste de funcionamiento de la instalación frigorífica y mayor la vida útil de la misma. Valores de compromiso entre inversión inicial y costes de funcionamiento sitúan los espesores óptimos en aquellos que permitan un paso de calor por transmisión entre 7-9 W/m2.

• ejecución del Panelado. Es importante la ejecución de las planchas en obra, asegurando la estanquidad entre ellas, evitando golpes y destrozos permanentes en el panelado que incidirían en un incremento de entrada de vapor de agua.

18.3 Selección

y diSeño de la inStalación frigorífica

volver

En este punto, tanto la ingeniería como el constructor-instalador de paneles habrían cumplido su parte de compromiso con el propietario en lo referente a su ahorro energético. Entra ahora en escena el instalador frigorista que puede, bien potenciar la acción de ahorro energético iniciada por la ingeniería, bien echar por tierra parte de esa acción. El instalador frigorista tiene que informar a la propiedad a favor de una solución que quizás no sea la de menor inversión inicial, pero que seguramente será rápidamente amortizable en términos de ahorro energético de funcionamiento y en menores costes de mantenimiento, teniendo en cuenta que una instalación frigorífica mal planteada o diseñada, aún siendo de menor inversión inicial, se paga con creces durante toda su vida útil; y durante todo ese tiempo el propietario está penalizado con un mayor consumo, que repercutirá en el precio de venta de sus productos perdiendo competitividad. Se citan a continuación algunas de las muchas decisiones que el instalador debe tomar en pro de una instalación frigorífica versátil y eficiente.

18.3.1 en

cuanto al ciclo frigorífico

Estudiar las distintas posibilidades de producción de frío, en función de los distintos regímenes de trabajo que operan en la planta (túneles de congelación, cámaras de conservación de congelados, cámaras de conservación de frescos) y de las horas de trabajo de cada uno de ellos, es decir: •

Sistema booster.

•

Sistemas independientes.

18.3.2 en

cuanto al SiStema de refrigeración

Estudiar la posibilidad de trabajar con sistemas de refrigeración indirecta, conociendo las enormes ventajas que muestran los evaporadores y condensadores de placas.

18.3.3 en

cuanto a laS unidadeS comPreSoraS

Estudiar el número idóneo de unidades compresoras para cada régimen de trabajo de la instalación, evitando que alguno de estos regímenes pueda quedar desatendido ante una eventual parada de algún compresor, puesto que el producto que se está conservando seguramente tendrá un coste varias veces superior al de dicho compresor.

Estudiar el tamaño idóneo de las mismas, en función de las necesidades frigoríficas que se prevean que van a necesitarse simultáneamente. Puede ser eficiente, en este sentido, la instalación de dos compresores desiguales para el mismo régimen de trabajo, de forma que sea cual sea el que esté funcionando lo haga a total capacidad, ya que la parcialización siempre supone pérdida del COP, especialmente en compresores de tornillo. Estudiar para cada régimen de trabajo de la instalación (túneles, cámaras de conservación de congelados, cámaras de conservación de frescos) la relación de compresión pc/pe a la

que se va a hacer trabajar a cada compresor. Cuanto menor sea la relación pc/pe de trabajo de

cada uno, más eficiente trabajará, es decir, más potencia frigorífica nos proporcionará por cada kW eléctrico que consuma (COP). Esta relación pc/pe depende de la temperatura de la cámara

a mantener y de las condiciones climáticas de la zona donde se ubicará la planta (temperatura seca y temperatura de bulbo húmedo) y mantenerla baja, si bien a costa de una mayor inversión inicial en evaporadores y condensadores, como se verá más adelante, es rentable desde el punto de vista de los costes de funcionamiento de la instalación como se demuestra en las siguientes tablas: •

Modelo de compresor: Tornillo

•

Desplazamiento volumétrico: 2.013 m3/h (a 2.950 rpm)

•

Refrigerante: NH3

•

Temperatura de la cámara: -25 ºC Influencia de la temperatura de evaporación en el COP Te (ºC)

Tc (ºC)

Potencia frigorífica (kW)

Potencia absorbida (kW)

COP

-30

35

391

186

2,10

-31

35

373

184

2.02

-32

35

356

182

1,96

-33

35

339

180

1,88

-34

35

322

177

1,82

-35

35

307

175

1,75

Influencia de la temperatura de condensación en el COP Te (ºC)

Tc (ºC)

Potencia frigorífica (kW)

Potencia absorbida (kW)

COP

-32

35

356

182

1,96

-32

36

355

185

1,92

-32

37

354

189

1,87

-32

38

353

192

1,83

-32

39

353

196

1,80

-32

40

352

200

1,76

18.3.3.1 SeParación

de aceite en comPreSoreS

El lugar del aceite en una instalación frigorífica es el interior de los compresores, cumpliendo su función de lubricación de los mismos. Todo el aceite que no esté en los compresores y se

encuentre repartido por el resto de la instalación está molestando, sobre todo aquel que se deposita sobre las superficies de transmisión de calor de evaporadores y condensadores, creando una capa de resistencia adicional a dicha transmisión de calor en los mismos y haciendo por tanto que los compresores tengan que trabajar durante más tiempo para producir la misma cantidad de frío (kW); este extremo es particularmente grave en los evaporadores donde las condiciones de trabajo (Te = -43 ºC en algunos túneles de congelación) son más críticas que en

los condensadores (Tc = +35 ºC), siendo el aceite más viscoso y aumentando por ello el grosor de la capa resistente antes citada.

La mezcla de refrigerante y aceite es inevitable ya que se encuentran en contacto íntimo en el compresor, pero un buen separador de aceite en la unidad compresora es una de las inversiones más rentables y eficientes de cualquier instalación frigorífica.

18.3.3.2 velocidad

del comPreSor (rpm)

La capacidad frigorífica de un compresor viene dada por el volumen de gas de refrigerante que es capaz de desplazar en un determinado tiempo. Cuanto mayor sea la velocidad del mismo (rpm), mayor será el volumen desplazado de refrigerante y, por tanto, la producción frigorífica generada (en una relación lineal). Es decir, para producir la potencia frigorífica necesaria en una planta se tendrán que desplazar unos m3/h determinados de gas refrigerante, trabajo que puede realizar un determinado compresor o bien otro que, desplazando la mitad de volumen de gas, se le haga trabajar al doble de velocidad (rpm). Cada tipo de compresor (alternativo, tornillo, centrífugo), tiene un rango de velocidades de trabajo adecuados para los cuales han sido diseñados, calculados y probados, y no es buena práctica hacerlos trabajar fuera de este rango. Un compresor muy revolucionado genera mayor producción frigorífica, pero tiene unos costes de mantenimiento y una vida útil mucho más desfavorable ya que el desgaste que sufre es mucho mayor.

18.3.4 en

cuanto a loS condenSadoreS

18.3.4.1 ventiladoreS

de doble velocidad

El uso de ventiladores de doble velocidad en condensadores, es siempre rentable. Un ventilador a la mitad de velocidad (rpm) mueve la mitad de aire, genera la raíz cuadrada de presión disponible y absorbe la raíz cúbica de potencia eléctrica. Son muchos los periodos donde no es necesaria la totalidad de la capacidad de condensación disponible en la instalación (invierno, madrugadas o cargas frigoríficas parciales), y es en estos momentos donde se puede mantener la presión de condensación con los ventiladores funcionando a la mitad de la velocidad.

18.3.4.2 Purgador

de incondenSableS

Los gases no condensables (aire), que están en la planta (debido a un vacío incorrecto o por no estar perfectamente estanco y trabajar a una presión de baja por debajo de la presión atmosférica), quedan almacenados en la parte de alta presión de la instalación, ya que no pueden atravesar la barrera de líquido refrigerante del recipiente de alta. Estos incondensables tapizan la superficie de transmisión de calor en el condensador e impiden que parte del vapor de refrigerante entre en contacto íntimo con la superficie fría. Como consecuencia de esto aumenta la presión de condensación del sistema frigorífico y el compresor consume más energía, disminuyendo su eficiencia (COP). Es por ello interesante el estudio de la utilización de un purgador de incondensables en aquellas instalaciones frigoríficas cuya temperatura de vaporización del refrigerante corresponda a una presión de saturación por debajo de la atmosférica.

18.3.5 en

cuanto a loS evaPoradoreS

18.3.5.1 SuPerficie

de tranSmiSión de loS evaPoradoreS

Una elevada superficie de transmisión de calor en los evaporadores de las cámaras frigoríficas supone, para la misma temperatura interior de la cámara, una temperatura de vaporización del refrigerante más alta, con la doble ventaja económica que ello conlleva: •

Reducción de la relación de compresión (pc/pe) de los compresores con el consiguiente

aumento de potencia frigorífica que éste rinde, a la vez que una mejora de su eficiencia energética (COP). • Reducción del DT de las cámaras frigoríficas, aumentando la humedad relativa en el interior de las mismas, con la gran importancia que esto tiene en cámaras de conservación. Una humedad interior alta impide que se deseque la mercancía almacenada y que esto repercuta en el bolsillo.

Unos evaporadores para cámaras holgados en superficie de intercambio, que sean capaces de trabajar con DT entre 5 y 7, es seguramente de las inversiones iniciales más rentables que se pueden hacer y que la ingeniería debe contemplar y asesorar.

18.3.5.2 caudal

de aire recirculado

Un elevado caudal de aire sobre el producto de la cámara, si bien mejora el coeficiente global de transmisión de calor (U) del evaporador y con ello disminuye su superficie de intercambio necesario y su coste inicial, consigue secar el producto almacenado en una cuantía muy superior a la deseable, produciendo disminución de peso en él, lo que repercute sobre la economía del propietario. Es por ello recomendable, para cámaras de conservación de frescos a 0 ºC, evaporadores con menos caudal de aire, aunque esto se traduzca en una mayor superficie de evaporación necesaria y un mayor coste inicial.

18.3.5.3 SeParación

diferenciada de aletaS

Toda humedad existente en las cámaras frigoríficas tiende a condensarse sobre la parte más fría de las mismas, es decir, sobre los tubos y aletas de los evaporadores. Si además, la cámara trabaja a temperaturas negativas, el condensado formado se escarcha sobre dichas superficies constituyendo una capa de hielo que actúa de aislante perfecto, dificultando el paso del calor del recinto a enfriar al refrigerante utilizado y consiguiendo que, en última instancia, el compresor tenga que trabajar más horas para producir el mismo efecto frigorífico total, con lo que ello supone de gasto energético adicional. Por tanto, es necesario desescarchar (gas caliente, glicol caliente, electricidad, aire, agua) dichas superficies de transmisión de calor del evaporador (tubos y aletas), consiguiendo que éstas queden perfectamente limpias de hielo y aptas para su enfriamiento normal. Esta operación de desescarche supone una pérdida de tiempo de enfriamiento, a la vez que una entrada de calor adicional a la cámara, que posteriormente deberá ser evacuada de nuevo, por lo que es preciso alargar los periodos entre desescarches lo más posible sin incurrir en funcionamientos con evaporadores cargados de hielo durante mucho tiempo.

18.3.6 en

cuanto a laS tuberíaS

18.3.6.1 dimenSionado Un ajustado dimensionamiento de las tuberías de la instalación frigorífica, con el único objeto de ahorro económico en tubería y en el posterior aislamiento de ésta, puede ser de las operaciones

más ruinosas que el instalador frigorista puede hacer para el propietario, error que pagará durante toda la vida de la instalación. Unas tuberías demasiado justas suponen excesivas pérdidas de presión del fluido refrigerante que por ellas circula, lo que es particularmente grave en la tubería de aspiración, ya que su potencia frigorífica es muy sensible a la relación de compresión pc/pe.

18.3.6.2 aiSlamiento Un aislamiento insuficiente es más económico de partida, pero produce en la tubería de aspiración unos sobrecalentamientos del refrigerante de los llamados “inútiles” (es decir, fuera del espacio refrigerado), que solo sirven para que el compresor pierda eficiencia (COP) al aumentar la potencia absorbida y disminuir la potencia frigorífica producida. Hasta ahora, tanto la ingeniería de proyecto, la empresa instaladora de panelado y la empresa instaladora frigorífica, han cumplido su misión de plantear una instalación energéticamente óptima en su vida útil (aunque pueda que no desde el punto de vista de inversión inicial). Quedan dos pasos para completar el ahorro energético de la instalación, que corresponden al propietario (normas de funcionamiento de la instalación) y a la empresa de mantenimiento.

18.4 funcionamiento 18.4.1 evitar

eficiente de la inStalación

volver

trabajar en horaS eléctricaS Punta

Si las unidades compresoras están calculadas para funcionar durante 14-16 h diarias, hacer coincidir estas horas con discriminación horaria valle y llano (las horas eléctricas baratas son de madrugada) evitando, incluso vía PLC, la entrada de dichas unidades en horas punta, con el consiguiente ahorro económico. Además, a estas horas se dan las condiciones externas más favorables para la condensación, por lo que los compresores producen más potencia frigorífica, siendo doble el beneficio de trabajar en este horario. Una cámara frigorífica bien ejecutada y aislada tiene la suficiente inercia térmica como para que pueda pasar las horas eléctricas punta sin necesidad de refrigeración, siempre que se procure la apertura de puertas de la misma a lo mínimo imprescindible.

18.4.2 hacer

trabajar loS comPreSoreS al máximo PoSible

Cualquier máquina presenta el mayor rendimiento cuando trabaja al máximo de su capacidad; en el caso de los compresores frigoríficos esto también es así, sobre todo en los compresores de tornillo, que tienen como principal desventaja la no relación lineal entre potencia frigorífica producida y potencia eléctrica absorbida. En este sentido y en vistas a un funcionamiento energético de la planta, es conveniente plantear al propietario la posibilidad de hacer parar cualquier compresor frigorífico cuyo control de capacidad descienda de un valor acordado entre ambos, por ejemplo del 40%.

18.4.3 mantener

un régimen de ocuPación de cámaraS lo mayor PoSible

Este punto es deseable pero no obliga al propietario, puesto que ello depende tanto de las condiciones de mercado como de la política interna de gestión de stocks de su empresa, puntos donde no debemos interferir. Sí conviene aconsejarle, sin embargo, que desde el punto de vista energético del funcionamiento de la instalación frigorífica conviene tener las cámaras con una ocupación superior al 75%, es decir, el coste de energía eléctrica de conservación de producto que se imputará posteriormente al precio de mercado de dicho producto es mayor si se conservan solo 200 kg que 200.000 kg en la misma cámara.

En este punto es interesante estudiar la posibilidad de conservar en la misma cámara productos diferentes (siempre que las condiciones de conservación sean semejantes), de forma que se aumenta la ocupación de la misma.

18.4.4 monitorización

de la Planta

Una inversión inicial para monitorización de la planta, en cuanto a conocimientos vía PC de temperaturas y presiones de trabajo en distintos puntos de la instalación frigorífica (cámaras, separadores, condensadores, etc.), es muy interesante desde el doble punto de vista de ahorro energético en el funcionamiento de la misma y de ahorro en gastos de mantenimiento.

18.5 cálculo frigorífica

del conSumo energético de una inStalación volver

En una instalación frigorífica, los elementos que consumen energía son los siguientes: •

Compresor (Ec).

•

Elementos permanentes (Ep).

•

Elementos no permanentes (Enp).

•

Desescarche (Ed).

Las pérdidas en la red de tuberías se pueden considerar un consumo de energía indirecto, ya que aumentan las necesidades de frío y, por lo tanto, la duración del funcionamiento del compresor. Este consumo adicional se incluye en el del compresor (Ec).

18.5.1 energía

conSumida Por el comPreSor

El consumo de energía del compresor es igual a su potencia eléctrica absorbida (Pa) por el número de horas de funcionamiento del mismo (hc): Ec = Pa $ hc Lógicamente, la potencia frigorífica y la potencia absorbida de un compresor varían según las temperaturas de vaporización y condensación. Por tanto, se debe estimar el número de horas de funcionamiento del compresor para cada régimen parcial. En realidad existen infinitos regímenes parciales, pero para la realización de un estudio aproximado se puede considerar la temperatura de vaporización constante, y considerar de 3 a 4 valores para la temperatura de condensación. El número de horas de funcionamiento del compresor para cada régimen parcial se calcula con la siguiente expresión: hc =

hu $ Qo NF Qo e

siendo: Qo NF = necesidades frigoríficas (kW); Qo e = potencia frigorífica del equipo (kW); hu = horas utilizadas para cada una de las necesidades frigoríficas consideradas. A la relación que existe entre la potencia frigorífica y las necesidades frigoríficas se le llama “índice de funcionamiento” (porcentaje de tiempo de funcionamiento horario): Índice de funcionamiento =

Qo NF Qo e

18.5.2 energía

conSumida Por loS elementoS PermanenteS

Los elementos que consumen permanentemente energía son los ventiladores de los evaporadores. Se considera un tiempo de funcionamiento de 8.760 horas (24 horas · 365 días del año). En el caso de plantas enfriadoras, en este apartado también se debe tener en cuenta el consumo del sistema de bombeo (de agua o salmuera). El consumo de energía del ventilador (o ventiladores) del evaporador es igual a su potencia eléctrica absorbida (Pae) por el número de horas de funcionamiento del mismo (8.760): Ep = Pae $ 8.760

18.5.3 energía

conSumida Por loS elementoS no PermanenteS

Estos elementos dependen del funcionamiento del compresor: ventilador del condensador, válvula solenoide de líquido, resistencia de cárter. La energía que consumen el ventilador del condensador y la válvula solenoide es igual a la suma de sus potencias eléctricas absorbidas (Pac y Pas) por el número de horas de funcionamiento del

compresor (hc). La resistencia del cárter entra en funcionamiento cuando el compresor está

parado, por lo tanto, la energía que consume es igual a su potencia eléctrica absorbida (Par) por el número de horas de funcionamiento (8.760 - hc). Por tanto: Enp = ^Pac + Pash $ hc + Par $ ^8.760 - hch

18.5.4 energía

conSumida Por deSeScarche

La energía consumida de un desescarche (resistencia eléctrica, por ejemplo) es muy difícil de estimar debido a que su frecuencia es muy variable. Además, hay que tener en cuenta que el desescarche produce calor en el evaporador, aumentando las necesidades de frío, que se deberán compensar mediante el funcionamiento suplementario del compresor. En general, se estima un número de desescarches (n) diarios de una duración determinada (hd). Por tanto, para una resistencia que absorbe una potencia (Pad), se tiene: Ed = Pad $ hd $ n $ 365

18.5.5 energía

conSumida total anual

La energía consumida total anual de la instalación frigorífica será la suma de todos los consumos energéticos anteriores: EC, anual = Ec + Ep + Enp + Ed (kWh) Este consumo total de energía puede aumentar debido a varios factores, de los que cabe destacar los siguientes: •

Mantenimiento inadecuado.

•

Ajustes incorrectos.

•

Carga de fluido frigorígeno inadecuada.

•

Sistema frigorífico mal adaptado a las necesidades.

18.5.6 energía frigorífica Producida y coeficiente de eficiencia energética Para obtener la energía frigorífica producida durante el año se totalizan las necesidades de fío (QNF) en el año y se multiplican por el número de horas de funcionamiento: EF, anual = Qo NF $ hc El coeficiente de eficiencia energética anual de la instalación frigorífica es la relación entre la energía frigorífica producida y la energía eléctrica consumida: EER =

EF, anual

EC, anual

Cuanto más efectiva sea la instalación, es decir, cuanto mejor mantenida y regulada esté, mayor será este coeficiente y, por tanto, la instalación consumirá menos energía eléctrica. ua F, an

EER = E C,

EC,

l

anua

l

hc =

caSo

hu QNF Qe

Práctico

E E E E anual= c + p + np + d

Considérese una instalación frigorífica con unas necesidades máximas de refrigeración de 60 kW. La temperatura de vaporización es de -10 ºC. El estudio se realizará para tres niveles de temperatura de condensación (+30 ºC, +40 ºC y +50 ºC). La potencia frigorífica en el régimen extremo (-10 ºC/+50 ºC) es de 64 kW cuando las necesidades máximas de frío son de 60 kW. Los ventiladores de los evaporadores funcionan de manera permanente (8.760 horas al año), absorbiendo una potencia de 2.300 W. Los ventiladores del condensador absorben una potencia de 1.400 W, la bobina de la electroválvula absorbe 40 W y el compresor incorpora una resistencia de cárter que consume 95 W cuando el compresor está parado. Estimar 4 desescarches diarios de 15 minutos (0,25 horas) con la ayuda de una resistencia de 35 kW. Calcular la energía consumida total anual del sistema y el coeficiente de eficiencia energética anual. Para calcular la energía consumida, hay que determinar la variación de las necesidades frigoríficas y el número de horas que corresponden a cada una de dichas necesidades. En la tabla siguiente se muestran dichos valores, con una necesidad máxima de refrigeración de 60 kW y una necesidad mínima de 15 kW. Las filas 3, 4 y 5 indican el reparto del total de horas de funcionamiento anuales (8.760) en función de los regímenes de funcionamiento del compresor (por tramos de 10 ºC, aunque se podría elegir muchos más). Necesidades frigoríficas (QNF)

60 kW

45 kW

30 kW

15 kW

Duración total (8.760 horas)

1.500

3.500

2.200

1.560

Duración (horas), Tcond = 50 ºC

1.000

1.700

1.000

-

Duración (horas), Tcond = 40 ºC

500

1.300

800

1.200

Duración (horas), Tcond = 30 ºC

-

500

400

360

1. cálculo

dE lA EnErgíA consumidA Por El comPrEsor

Funcionamiento a -10 ºC / +50 ºC Necesidades frigoríficas (QNF)

60 kW

45 kW

30 kW

15 kW

Duración de horas utilizadas (hu)

1.000

1.700

1.000

-

Potencia frigorífica (Qe)

64 kW

64 kW

64 kW

-

Índice de funcionamiento: (QNF/Qe) · 100

93,7%

70,3%

46,9%

-

Potencia absorbida (Pa)

35 kW

35 kW

35 kW

-

Horas funcionamiento compresor (hc)

937

1.195

469

-

Consumo compresor (Ec), en kWh

32.795

41.825

16.415

-

Necesidades frigoríficas (QNF)

60 kW

45 kW

30 kW

15 kW

Duración de horas utilizadas (hu)

500

1.300

800

1.200

Potencia frigorífica (Qe)

68 kW

68 kW

68 kW

68 kW

Índice de funcionamiento: (QNF/Qe) · 100

88,2%

66,2%

44,1%

22,0%

Potencia absorbida (Pa)

30 kW

30 kW

30 kW

30 kW

Horas funcionamiento compresor (hc)

441

860

353

265

Consumo compresor (Ec), en kWh

5.500

8.250

4.125

2.200

Necesidades frigoríficas (QNF)

60 kW

45 kW

30 kW

15 kW

Duración de horas utilizadas (hu)

-

500

400

360

Potencia frigorífica (Qe)

-

76 kW

76 kW

76 kW

Índice de funcionamiento: (QNF/Qe) · 100

-

59,2%

39,5%

19,7%

Potencia absorbida (Pa)

-

28 kW

28 kW

28 kW

Horas funcionamiento compresor (hc)

-

296

158

71

Consumo compresor (Ec), en kWh

-

8.288

4.424

1.988

Funcionamiento a -10 ºC / +40 ºC

Funcionamiento a -10 ºC / +30 ºC

Primero se calcula la duración de horas utilizadas. Por ejemplo, para el funcionamiento a -10 ºC / +40 ºC, y con una necesidad frigorífica de 45 kW, se tiene: hc =

hu $ Qo NF 1.300 $ 45 = = 860 horas 68 Qo e

La energía consumida por el compresor es igual a la suma de todos los consumos parciales, a los diversos regímenes de funcionamiento: Ec = / ^Pa $ hch = 35 $ ^937 + 1.195 + 469h + 30 $ ^441 + 860 + 353 + 265h + 28 $ ^296 + 158 + 71h = = 91.035 + 57.570 + 14.700 = 163.305 kWh^587.898 MJh El tiempo de funcionamiento anual del compresor es igual a la suma de los tiempos de funcionamiento parciales:

hc = ^937 + 1.195 + 469h + ^441 + 860 + 353 + 265h + ^296 + 158 + 71h = 5.045 horas 2. cálculo

dE lA EnErgíA consumidA Por los ElEmEntos PErmAnEntEs

Los ventiladores del evaporador absorben 2.300 W de potencia eléctrica, por lo tanto, su energía consumida en todo el año será: Ep = 2, 300 $ 8.760 = 20.148 kWh/año^72.533 MJh 3. cálculo

dE lA EnErgíA consumidA Por los ElEmEntos no PErmAnEntEs

Debido a que el compresor funciona durante 5.045 horas en todo el año, la energía consumida por los elementos auxiliares no permanentes será de: Enp = ^1, 400 + 0, 040h $ 5.045 + 0, 095 $ ^8.760 - 5.045h = 7.618 kWh/año^27.424 MJh 4. cálculo

dE lA EnErgíA consumidA Por El dEsEscArchE

El consumo de energía anual por la resistencia eléctrica de desescarche es: Ed = 35 $ 0, 25 $ 4 $ 365 = 12.775 kWh/año^45.990 MJh 5. cálculo

dE lA EnErgíA consumidA En todo El Año

El consumo de energía total anual es igual a la suma de todos los consumos: EC, anual = Ec + Ep + Enp + Ed = 163.305 + 20.148 + 7.618 + 12.775 = 203.846 kWh/año^733.846 MJh 6. cálculo

dEl coEFiciEntE dE EFiciEnciA EnErgéticA AnuAl

Primero se calcula la energía frigorífica producida anual. Para ello se elabora la siguiente tabla, y se suman los valores correspondientes a la última fila. Necesidades frigoríficas (QNF)

60 kW

45 kW

20 kW

15 kW

Duración (horas), Tcond = 50 ºC

1.000

1.700

1.000

-

Duración (horas), Tcond = 40 ºC

500

1.300

800

1.200

Duración (horas), Tcond = 30 ºC

-

500

400

360

Duración total (horas)

1.500

3.500

2.200

1.560

QNF · horas (kWh)

90.000

157.500

44.000

23.400

La energía frigorífica producida anual es: EF, anual = / Qo NF $ hc = 90.000 + 157.500 + 44.000 + 23.400 = 314.900 kWh/año^1.133.640 MJh El coeficiente de eficiencia energética anual de la instalación frigorífica es la relación entre la energía frigorífica producida y la energía eléctrica consumida: EER =

EF, anual

EC, anual

=

314.900 = 1, 54 203.846

Si, por ejemplo, se consigue aumentar el EER a 1,80, el consumo eléctrico anual sería de: EC, anual =

EF, anual EER

=

314.900 = 174.944 kWh/año 1, 80

18.6 mantenimiento

! El

mAntEnimiEnto

dE

lAs

instAlAcionEs

FrigoríFicAs eS neceSario y, A vEcEs muy comPlicAdo, hAcEr vEr Al ProPiEtArio quE no eS un gaSto Sino una inverSión.

de la inStalación

volver

Los trabajos que realiza la empresa de mantenimiento van encaminados, además de a asegurar la vida útil de los componentes, a conseguir que la instalación frigorífica siga trabajando con la eficiencia energética del primer día. De esta forma, el coste energético que se imputa a los productos en las cámaras no crecerá desmesuradamente, situación que podría llegar a hacerle perder competitividad en el mercado.

La monitorización de la planta vuelve a ser aquí importante, ya que nos permitirá actuar de manera preventiva y no correctiva, que sería mucho más cara. En este apartado conviene citar la telegestión o gestión a distancia de la instalación; es la empresa encargada del mantenimiento de la planta quien observa en su propio monitor los distintos parámetros de funcionamiento y quien los corrige a distancia, ahorrándose y ahorrando al propietario costes de desplazamiento que pueden evitarse.

18.6.1 conSecuenciaS

de la falta de mantenimiento

Un defecto de mantenimiento hará que la instalación trabaje en malas condiciones. Por ejemplo, un condensador sucio eleva la temperatura de condensación, disminuye el rendimiento frigorífico y reduce el tiempo de vida de la instalación. Un aumento de 10 ºC de la temperatura de condensación aumentará el consumo del compresor en un 30%, disminuyendo la potencia frigorífica en un 20%. El mantenimiento cuesta en personal, pero este coste es relativamente despreciable frente a las consecuencias económicas que comporta su carencia. Una instalación bien mantenida es más económica de explotación. Por otra parte, una instalación mal mantenida conduce a una insatisfacción del cliente y puede también originar pérdidas de mercancías. En la tabla siguiente, se da un ejemplo (a modo indicativo y simplificado) de cómo el mantenimiento incide en el coste de explotación: Coste anual (euros)

Con mantenimiento

Sin mantenimiento

30.000 -

39.000 -

Energía eléctrica: Activa Reactiva Mantenimiento usual: Personal Piezas

5.800 900

Reparaciones: Personal Piezas

6.700 4.800

Total euros

18.6.2 mantenimiento

! El mAntEnimiEnto Es lA “medicina” dE lA instAlAción (PrEvEnir mEjor quE curAr).

36.700

50.500

integral

El mantenimiento integral es un concepto básico para el éxito continuado a largo plazo de toda instalación. Podemos dividir el mantenimiento en: mantenimiento preventivo y mantenimiento correctivo (o de “choc”).

mantenimiento

Preventivo

El mantenimiento preventivo es aquel que ejecuta una actuación (previo estudio de la instalación y sus componentes) antes de que sea estrictamente necesario.

Su aplicación se establece en base a un estudio predictivo que contempla: • concePtoS de limPieza. Filtros (líquido-aspiración), condensadoras, limpieza baterías evaporadoras. • concePtoS

eléctricoS.

aceites,

limpieza

de

baterías

Reaprietes de bornes, consumos, limpieza componentes.

• concePtoS frigoríficoS. Niveles de aceite, retorno de refrigerante, ruidos, control del sistema de desescarche, niveles de refrigerante (pérdida de gas). • concePtoS mecánicoS. Compresor (elementos de fricción: rodamientos, casquillos; elementos de estanquidad: platos válvulas, juntas, prensaestopas), ventiladores, valvulería (eléctrica, mecánica). • concePtoS

mantenimiento

electrónicoS.

Contactores, niveles térmicos.

de correctivo

Incluso con un plan estratégico de mantenimiento preventivo no podemos pensar que nunca tendremos “imprevistos” que requieran de una rápida intervención. En el mantenimiento correctivo se deben diferenciar diferentes niveles de actuación:

1.

Nivel de actuación inmediata. Persona de la empresa instaladora-mantenedora en la propia planta.

2.

Nivel de actuación casi inmediata. Actuación de unas 3 ó 4 horas; se aplica en usos de vital trascendencia y que su no actuación pueda causar graves prejuicios.

3.

Niveles de actuación 24/48 horas. Intervención urgente, con un tiempo de actuación superior a las 2 horas anteriores.

18.6.3 criterioS

de buen funcionamiento

En una instalación, es importante conocer los criterios de su buen funcionamiento para poder descubrir sus defectos y actuar de manera preventiva más que correctiva. •

Temperatura mantenida en el recinto frigorífico.

•

Temperatura de vaporización normal.

•

Temperatura de condensación normal.

•

Presión de descarga normal.

•

Subenfriamiento normal en el condensador.

•

Sobrecalentamiento normal en el evaporador.

•

Diferencias de temperaturas normales en los intercambiadores.

•

Potencia absorbida por el compresor: normal.

•

Ningún ruido sospechoso ni vibraciones anormales.

•

Color del aceite y nivel normales.

•

Ninguna traza de grasa en el exterior del circuito.

•

Color del visor higroscópico, verde o azul.

• Ajustes correctos de los órganos de seguridad: Presostato de alta presión, Presostato de baja presión, Presostato de aceite (eventual), Termostato de desescarche, Relé térmico de protección de los motores, Temporizador anti ciclos cortos.

18.6.4 controleS

1.

tuberíaS

del SiStema frigorífico

frigoríficaS:

◊ Trampas de aceite. ◊ Pendiente de las tuberías. ◊ Aislamiento térmico. ◊ Transmisión de vibraciones. ◊ Velocidad del fluido. ◊ Pérdidas de carga. ◊ Llaves de corte.

2.

flujo

de condenSadoS

(de

loS evaPoradoreS):

◊ Sifones (olores). ◊ Pendiente de las tuberías. ◊ Aislamiento contra heladas. ◊ Condensaciones.

3.

línea

de líquido:

◊ Comprobación de la ausencia de humedad en el fluido (visor de líquido). ◊ Temperatura de la línea de líquido (formación de vapor instantáneo por expansión). ◊ Válvula solenoide.

4.

comPreSoreS:

Se efectuará en cada compresor los controles en arranque, en funcionamiento normal y con reducción de potencia: ◊ Verificación del nivel y aspecto del aceite. ◊ Medida de la acidez del aceite. ◊ Control de la estanquidad de las válvulas, prensa estopa, visor de aceite. ◊ Control de las presiones de aceite y ajuste del presostato diferencial de aceite. ◊ Resistencia del cárter. ◊ Ruidos y vibraciones. ◊ Temperatura de la culata.

◊ Presiones y temperaturas de aspiración y de descarga. ◊ Ajuste de los presostatos de AP y BP. ◊ Tensión de alimentación. ◊ Intensidad absorbida por fase. ◊ Tiempo de funcionamiento diario. ◊ Número de arranques.

En centrales frigoríficas (varios compresores), se comparan entre sí los valores obtenidos para cada compresor. Se estudiará las condiciones de funcionamiento en paralelo: ◊ Homogeneidad técnica de los compresores (potencia, tipo de lubricación). ◊ Separador de aceite. ◊ Equilibrio de los niveles de aceite. ◊ Secuencias de funcionamiento.

5.

condenSadoreS:

◊ Ausencia de incondensables. ◊ Control del subenfriamiento. ◊ Temperatura de entrada y de salida del fluido de enfriamiento. ◊ Caudal del aire o del agua.

Condensadores enfriados por aire: ◊ Estado de suciedad. ◊ Entrada y salida de aire. ◊ Ventiladores (nivel de ruidos).

Condensadores enfriados por agua con torre de recuperación: ◊ Estado de incrustaciones (tratamiento de agua). ◊ Entrada y salida de agua. ◊ Bomba. ◊ Ventilador de la torre. ◊ Control de los depósitos de algas en la balsa de la torre.

6.

evaPoradoreS:

◊ Válvula reguladora de presión de vaporización. ◊ Control del sobrecalentamiento. ◊ Temperatura de entrada y salida del fluido enfriado. ◊ Caudal del aire o del agua.

Evaporador enfriador por aire: ◊ Estado de suciedad. ◊ Entrada y salida de aire. ◊ Ventiladores (nivel de ruidos). ◊ Control del desescarche y ajuste. ◊ Circulación de condensados.

Evaporador enfriador de agua: ◊ Estado de suciedad y de incrustaciones. ◊ Bomba. ◊ Termostato anti-hielo.

18.6.5 reglamento

de Seguridad Para inStalacioneS frigoríficaS

El Reglamento de seguridad para instalaciones frigoríficas, en su instrucción IF-14, indica las operaciones de mantenimiento preventivo y correctivo que se deben llevar a cabo en las instalaciones frigoríficas.

18.6.5.1 claSificación

de laS inStalacioneS frigoríficaS

Las instalaciones frigoríficas se clasifican en función del riesgo potencial en las categorías siguientes: • nivel 1. Instalaciones formadas por uno o varios sistemas frigoríficos independientes entre sí con una potencia eléctrica instalada en los compresores por cada sistema inferior o igual a 30 kW siempre que la suma total de las potencias eléctricas instaladas en los compresores frigoríficos no exceda de 100 kW, o por equipos compactos de cualquier potencia, siempre que en ambos casos utilicen refrigerantes de alta seguridad (L1), y que no refrigeren cámaras o conjuntos de cámaras de atmósfera artificial de cualquier volumen. • nivel 2. Instalaciones formadas por uno o varios sistemas frigoríficos independientes entre sí con una potencia eléctrica instalada en los compresores superior a 30 kW en alguno de los sistemas, o que la suma total de las potencias eléctricas instaladas en los compresores frigoríficos exceda de 100 kW, o que enfríen cámaras de atmósfera artificial, o que utilicen refrigerantes de media y baja seguridad (L2 y L3).

18.6.5.2 mantenimiento El mantenimiento preventivo y correctivo de las instalaciones frigoríficas, incluida cualquier reparación, modificación o sustitución de componentes, así como las revisiones periódicas obligatorias, se realizará por una empresa frigorista contratada por el titular de la instalación entre las empresas del nivel requerido para la categoría de instalación a mantener y que se encuentren inscritas en el registro correspondiente de la comunidad autónoma. Las operaciones de mantenimiento preventivo o correctivo que requieran la asistencia de personal acreditado de otras profesiones (como soldadores y electricistas) deberán ser realizadas bajo la supervisión de una empresa frigorista. La empresa frigorista contratada para el mantenimiento por el titular de la instalación garantizará que la instalación se supervisa regularmente y se mantiene de manera satisfactoria. Asimismo, cuando en una instalación sea necesario sustituir equipos, componentes o piezas de los mismos, la empresa frigorista será responsable de que los nuevos elementos que suministra cumplen la reglamentación vigente.

1.

mAntEnimiEnto

PrEvEntivo

Se deberán incluir en el programa de mantenimiento las siguientes operaciones: a. Verificación de todos los aparatos de medida control y seguridad así como los sistemas de protección y alarma para comprobar que su funcionamiento es correcto y que están en perfecto estado. b. Control de la carga de refrigerante. c. Control de los rendimientos energéticos de la instalación. Cuando se utilice un sistema indirecto de enfriamiento o calentamiento, el fluido secundario deberá revisarse periódicamente, en cuanto a su composición y la posible presencia de refrigerante en el mismo. De igual manera se procederá con los fluidos auxiliares para refrigeración de los componentes del sector de alta, tales como: recuperadores de calor, condensadores, subenfriadores y enfriadores de aceite. El aislamiento deberá ser objeto de un mantenimiento específico adecuado, que como mínimo comprenderá las siguientes operaciones: a. Revisión semestral de la soportación de cámaras, estado de juntas y uniones con el suelo. b. Comprobación trimestral del funcionamiento de las válvulas de sobrepresión de las cámaras. c. Verificación mensual del funcionamiento de la resistencia y hermeticidad de la puerta, cierres, bisagra, apertura de seguridad, alarmas y ubicación del hacha en las cámaras. d. Retirada del hielo existente alrededor de las válvulas de sobrepresión, suelo y puertas, por lo menos semanalmente. e. Revisión semestral de los soportes de las tuberías y de la formación de hielo y condensaciones superficiales no esporádicas. f. Revisión semestral de la apariencia externa del aislamiento. En caso de que se produzca deterioro, especialmente el que afecte a la barrera de vapor, deberá ser corregido con la mayor celeridad posible antes de que el daño se agrave, se generalice y afecte a la seguridad de la instalación.

2.

mAntEnimiEnto

corrEctivo

Las reparaciones y sustituciones de componentes que contengan refrigerante deben realizarse en el orden siguiente: 1. Obtener permiso escrito del titular para realizar la reparación. 2. Informar al personal a cuyo cargo está la conducción de la instalación. 3. Aislar y salvaguardar los componentes a sustituir o reparar, tales como: motores, compresores, recipientes a presión, tuberías, etc. 4. Vaciar y evacuar el componente o tramo a reparar. 5. Limpiar o hacer barrido (por ejemplo, con nitrógeno). 6. Realizar la reparación o sustitución. 7. Ensayar y verificar los componentes reparados o sustituidos.

8. Una vez finalizado el montaje del componente reparado o sustituido, hacer vacío de la parte afectada y restablecer la comunicación con el resto del sistema. 9. Poner en servicio la instalación, verificar el correcto funcionamiento de la misma y reajustar la carga de refrigerante si fuere necesario. Después de cada operación de mantenimiento correctivo se deberán realizar, si procede, las siguientes actuaciones: a. Todos los aparatos de medida control y seguridad así como los sistemas de protección y alarma deberán ser verificados para comprobar que su funcionamiento es correcto y que están en perfecto estado. b. Las partes afectadas del sistema de refrigeración serán sometidas a la correspondiente prueba de estanqueidad. c. Se hará vacío del sector o tramo afectado. d. Se ajustará la carga de refrigerante. Las soldaduras para acero y cobre deberán ser realizadas por persona cualificada para ello. Después de que una válvula de seguridad con descarga a la atmósfera haya disparado deberá ser reemplazada si no queda totalmente estanca.

18.6.5.3 reviSioneS

PeriódicaS obligatoriaS

Para el control de fugas, se considerarán los siguientes puntos: a. Las instalaciones se revisarán, como mínimo, cada cinco años. b. Las instalaciones que utilicen una carga de refrigerante superior a 3000 kg y posean una antigüedad superior a quince años se revisarán al menos cada dos años. Las revisiones periódicas obligatorias comprenderán como mínimo las siguientes operaciones: 1. Revisión del estado exterior de los componentes y materiales con respecto a posibles corrosiones externas y la protección contra las mismas. 2. Revisión del estado interior de los aparatos multitubulares, una vez vaciados y desmontados los cabezales y las tapas de estos. 3. Desmontaje de todos los limitadores de presión y elementos de seguridad, comprobación de su funcionamiento y, en caso necesario, calibración, ajuste, reparación o sustitución, tarado a las presiones que correspondan e instalación, de nuevo o por primera vez, en el sistema. 4. Revisión de los recipientes frigoríficos para comprobar si han sufrido daños estructurales, si han estado fuera de servicio por un tiempo superior a dos años o han sufrido alguna reparación. 5. Revisión del estado de las placas de identificación procediendo a la reposición de las deterioradas. 6. Revisión del estado de las tuberías. 7. Revisión del estado del aislamiento. 8. En las instalaciones frigoríficas con carga de refrigerante superior a 300 kg se comprobará mediante la técnica termográfica el estado del aislamiento de las tuberías y aparatos a presión de acero al carbono aplicando un sistema eficaz de muestreo.

9. Revisión del estado de los detectores de fugas. 10. Revisión del estado de limpieza de las torres de enfriamiento y condensadores evaporativos. 11. Revisión de los equipos de protección personal reglamentarios. En la figura siguiente se muestra un modelo de boletín de revisión (Apéndice 1 de la instrucción IF-14 del Reglamento de seguridad para instalaciones frigoríficas):

18.6.6 reglamento 18.6.6.1 Programa

de inStalacioneS térmicaS en loS edificioS

de mantenimiento Preventivo

El Reglamento de instalaciones térmicas en los edificios (RITE), en su instrucción técnica IT 3.3, indica las operaciones de mantenimiento preventivo y su periodicidad (según la potencia térmica instalada, en kW) que se deben realizar en las instalaciones térmicas. En la tabla siguiente se recogen dichas operaciones con referencia a las instalaciones frigoríficas. Periodicidad

Operación

≤ 70 kW

> 70 kW

Limpieza de los evaporadores

t

t

Limpieza de los condensadores

t

t

Drenaje, limpieza y tratamiento del circuito de torres de refrigeración

t

2t

Comprobación de la estanquidad y niveles de refrigerante y aceite en equipos frigoríficos

t

m

Comprobación de niveles de agua en circuitos

t

m

Comprobación de estanquidad de circuitos de tuberías

-

t

Comprobación de estanquidad de válvulas de interceptación

-

2t

Comprobación de tarado de elementos de seguridad

-

m

Revisión y limpieza de filtros de agua

-

2t

Revisión y limpieza de filtros de aire

t

m

Revisión de baterías de intercambio térmico

-

t

Revisión de aparatos de humectación y enfriamiento evaporativo

t

m

Revisión y limpieza de aparatos de recuperación de calor

t

2t

Revisión de bombas y ventiladores

-

m

Revisión del estado del aislamiento térmico

t

t

Revisión del sistema de control automático

t

2t

m: una vez al mes, la primera al inicio de la temporada; t: una vez por temporada (año). 2t: dos veces por temporada (año), una al inicio de la misma y otra a la mitad del período de uso, siempre que haya una diferencia mínima de dos meses entre ambas

Operaciones de mantenimiento preventivo y su periodicidad

18.6.6.2 evaluación

Periódica del rendimiento de loS equiPoS generadoreS de frío

La empresa mantenedora realizará un análisis y evaluación periódica del rendimiento de los equipos generadores de frío en función de su potencia térmica nominal, de acuerdo con las operaciones y periodicidades de la tabla siguiente.

Medidas de generadores de frío

Periodicidad 70 kW < P ≤ 1.000 kW

P > 1.000 kW

Temperatura del fluido exterior en entrada y salida del evaporador

3m

m

Temperatura del fluido exterior en entrada y salida del condensador

3m

m

Pérdida de presión en el evaporador en plantas enfriadas por agua

3m

m

Pérdida de presión en el condensador en plantas enfriadas por agua

3m

m

Temperatura y presión de evaporación

3m

m

Temperatura y presión de condensación

3m

m

Potencia eléctrica absorbida

3m

m

Potencia térmica instantánea del generador, como porcentaje de la carga máxima

3m

m

CEE (EER) o COP instantáneo

3m

m

Caudal de agua en el evaporador

3m

m

Caudal de agua en el condensador

3m

m

m: una vez al mes; la primera al inicio de la temporada; 3m: cada tres meses; la primera al inicio de la temporada

Medidas de generadores de frío y su periodicidad

Anexos Contenidos A.1 Simbología de los elementos de las instalaciones frigoríficas A.2 Unidades de medida y factores de conversión A.3 Tablas de presión-temperatura A.4 Tablas de propiedades termodinámicas A.5 Diagramas entálpicos A.6 Ábacos para determinar el diámetro de las tuberías A.7 Condiciones de almacenamiento A.8 Mapa de zonas climáticas Índice

volver

a1: Simbología

de loS elementoS de laS inStalacioneS frigoríficaS

En este apartado se presentan los símbolos que se utilizan en los planos y esquemas para identificar los diferentes elementos de una instalación frigorífica. Elemento

Compresor de pistón abierto

Compresor de pistón y motor acoplado directamente

Compresor de pistón y motor con transmisión por correas

Motor compresor de pistón hermético o semihermético

Compresor rotativo

Compresor de tornillo

Compresor centrífugo

Compresor rotativo acoplado directamente a motor

Moto-compresor rotativo hermético o semihermético

Símbolo

Elemento

Condensador de aire estático

Condensador de aire con ventilador

Condensador de agua tipo inmersión

Condensador de agua tipo multitubular

Condensador de agua tipo contracorriente

Condensador evaporativo

Torre de agua

Evaporador multitubular con circulación de líquido por los tubos interiores

Evaporador multitubular con circulación de refrigerante por los tubos interiores

Evaporador de tubo y aletas con circulación de aire natural

Símbolo

Elemento

Evaporador de tubo y aletas con circulación de aire forzado

Separador de aceite

Depósito de líquido horizontal

Depósito de líquido vertical

Separador de partículas líquidas

Filtros

Filtro secador

Visor

Cambiador de temperatura

Válvula de paso manual

Símbolo

Elemento

Válvula de paso manual en ángulo

Válvula de paso manual de 3 tomas

Válvula de retención

Válvula de seguridad

Válvula de expansión normal

Válvula de expansión automática

Válvula de expansión termostática

Tubo capilar

Válvula de presión constante

Regulador de capacidad

Símbolo

Elemento

Válvula solenoide

Presostato (alta o baja presión)

Presostato combinado de alta y baja presión

Presostato diferencial de presión de aceite

Termostato bimetal

Termostato con bulbo

Motor eléctrico de corriente continua

Motor eléctrico de corriente monofásica

Motor eléctrico de corriente trifásica

Bomba de agua centrífuga

Símbolo

Elemento

Bomba centrífuga de acoplamiento directo

Ventilador centrífugo

Ventilador centrífugo accionado por correas

Ventilador helicoidal

Símbolo

volver unidadeS

unidadeS

a2: unidadeS

de medida y factoreS de converSión

fundamentaleS

Magnitud

Unidad

Símbolo

Longitud

metro

m

Masa

kilogramo

kg

Tiempo

segundo

s

Intensidad de corriente eléctrica

ampere

A

Temperatura

kelvin

K

Intensidad luminosa

candela

cd

Cantidad de materia

mol

mol

derivadaS con nombre eSPecial

Unidades derivadas

Magnitud

Unidad

Símbolo

ángulo plano

radián

rad

m · m-1 = 1

frecuencia

hertz

Hz

s-1

fuerza

newton

N

m · kg · s-2

presión, tensión

pascal

Pa

N/m2

m-1 · kg · s-2

energía, trabajo, calor

joule

J

N·m

m2 · kg · s-2

potencia, flujo de calor

watt

W

J/s

m2 · kg · s-3

carga eléctrica

coulomb

C

tensión eléctrica

volt

V

W/A

m2 · kg · s-3 · A-1

resistencia eléctrica

ohm

W

V/A

m2 · kg · s-3 · A-2

capacidad eléctrica

farad

F

C/V

m-2 · kg-1 · s4 · A2

Otras unidades

Fundamentales

s·A

1 rev = 360º = 2 π rad 60 rpm = 2 π rad/s

múltiPloS

y SubmúltiPloS

Prefijo

Símbolo

Factor multiplicativo

exa

E

1018

peta

P

1015

tera

T

1012

giga

G

109

mega

M

106

kilo

k

103

hecto

h

102

deca

da

101

unidad

-

1

unidadeS

Prefijo

Símbolo

Factor multiplicativo

deci

d

10-1

centi

c

10-2

mili

m

10-3

micro

m

10-6

nano

n

10-9

pico

p

10-12

femto

f

10-15

atto

a

10-18

derivadaS máS frecuenteS

Magnitud

Unidad

Símbolo

Expresión

superficie

metro cuadrado

m2

m2

volumen

metro cúbico

m3

m3

densidad

kilogramo por metro cúbico

kg/m3

m–3 · kg

volumen específico

newton por metro cúbico

m3/kg

m3 · kg-1

peso específico

newton por metro cúbico

N/m3

m–2 · kg · s–2

velocidad lineal

metro por segundo

m/s

m · s–1

aceleración lineal

metro por segundo cuadrado

m/s2

m · s–2

velocidad angular

radian por segundo

rad/s

rad · s–1

aceleración angular

radián por segundo cuadrado

rad/s2

rad · s–2

fuerza

newton

N

m · kg · s–2

caudal másico

kilogramo por segundo

kg/s

kg · s–1

caudal volumétrico

metro cúbico por segundo

m3/s

m3 · s–1

cantidad de movimiento (impulso lineal)

newton segundo

N·s

m · kg · s–1

momento cinético (impulso angular)

newton metro segundo

N·m·s

m2 · kg · s–1

momento de una fuerza (torque)

newton metro

N·m

m2 · kg · s–2

momento de inercia (segundo momento de área)

metro a la cuarta potencia

m4

m4

módulo de sección

metro a la tercera potencia

m3

m3

presión, tensión, esfuerzo

pascal

Pa = N/m2

m–1 · kg · s–2

viscosidad (dinámica)

pascal por segundo

Pa · s

m–1 · kg · s–1

viscosidad cinemática

metro cuadrado por segundo

m2/s

m2 · s–1

tensión superficial

newton por metro

N/m

kg · s–2

energía, trabajo

joule

J=N·m

m2 · kg · s–2

potencia

watt

W = J/s

m2 · kg · s–3

Unidades geométricas

Unidades de masa

Unidades mecánicas

Magnitud

Unidad

Símbolo

Expresión

frecuencia

hertz (ciclo por segundo)

Hz

s–1

carga eléctrica

coulomb

C

s·A

tensión eléctrica

volt

V = W/A

m2 · kg · s–3 · A–1

capacidad eléctrica

farad

F = C/V

m-2 · kg-1 · s4 · A2

resistencia, impedancia

ohm

W = V/A

m2 · kg · s–3 · A–2

resistividad

ohm metro

W·m

m3 · kg · s–3 · A–2

coeficiente dilatación lineal

por kelvin

K–1

K–1

capacidad térmica

joule por kelvin

J/K

m2 · kg · s–2 · K–1

calor específico

joule por kilogramo kelvin

J/(kg · K)

m2 · s–2 · K–1

conductividad térmica

watt por metro kelvin

W/(m · K)

m · kg · s–3 · K–1

entropía

joule por kelvin

J/K

m2 · kg · s–2 · K–1

entropía específica

joule por kilogramo kelvin

J/(kg · K)

m2 · s–2 · K–1

energía interna, entalpía

joule

J=N·m

m2 · kg · s-2

entalpía específica

joule por kilogramo

J/kg

m2 · s–2

Unidades eléctricas

Unidades caloríficas o térmicas

equivalencia

de algunaS unidadeS

Longitud 1 in (pulgada)

= 25,4 mm

1 ft

= 30,48 cm

1 yd (yarda)

= 0,914 4 m

1 mile

= 1.609,344 m

1 milla náutica

= 1.853 m

= 645,16 mm2

1 ft2

= 929,0304 cm2

1 in3 (pulgada cúbica)

= 16,3871 cm3

1 ft3

= 28,316 847 dm3

1 L (litro)

= 1 dm3

1 gal (UK)

= 4,545 093 dm3

1 gal (US) (galón)

= 3,785 412 dm3

1 barril de petróleo

= 158,987 3 dm3

1 lb (libra)

= 0,453 592 kg

1 slug (= 32,174 lb)

= 14,593 90 kg

1 utm (unidad técnica masa)

= 9,806 65 kg

1 ton (UK)

= 1.016,05 kg

1 ton (US) (short ton)

= 907,185 kg

1 oz

= 28,349 52 g

1 lb/in3

= 271,447 kN/m3

Superficie 1 in2 (pulgada cuadrada) Capacidad (Volumen)

Masa

Densidad 1 slug/ft3 (slug pie cúbico)

= 515,379 kg/m3

Peso específico (densidad de peso) 1 lb/ft3 (libra pie cúbico)

= 157,087 N/m3

Velocidad 1 ft/s (pie por segundo)

= 0,3048 m/s

1 in/s

0,0254 m/s

1 mph (milla por hora)

0,44704 m/s

1 mph

1,609344 km/h

= 0,3048 m/s2

1 in/s2

= 0,0254 m/s2

1 dyn (dina)

= 10–5 N

1 pdl

= 0,138 255 N

1 kgf (kilogramo fuerza)

= 9,806 65 N

1 lbf

= 4,448 222 N

1 kip (1.000 libras)

= 4,448 222 kN

= 105 Pa

Aceleración 1 ft/s2 (pie por segundo cuadrado) Fuerza, peso

Presión, esfuerzo 1 baria

= 10–1 Pa

1 bar

1 atm (atmósfera normal)

= 101.325 Pa

1 at = 1kgf/cm2

= 98.066,5 Pa

1 Torr (1 mm Hg)

= 133,322 4 Pa

1 lbf/in (psi)

= 6.894,757 Pa

1 mm H2O

= 9,806 65 Pa

1 in H2O

= 249,088 91 Pa

1 lb/ft2 (libra pie cuadrado)

= 47,8803 Pa

1 lb/in2

= 6.894,76 Pa

1 kip/ft2 (kip pie cuadrado)

= 47,8803 kPa

1 kip/in2

= 6.894,76 kPa

1 erg (ergio)

= 10–7 J

1 kWh

= 3,6 · 106 J

1 kgf · m

= 9,806 65 J

1 lbf · ft

= 1,355 818 J

1 pdl · ft

= 0,042 140 J

1 CV · h

= 2.647.795,5 J

1 HP · h

= 2.684.519 J

1 cal

= 4,184 J

1 termia (1.000 kcal)

= 4,185 5 MJ

1 therm

= 105,505 6 MJ

1 Btu (unidad térmica británica)

= 1.055,06 J

2

Trabajo, energía, calor

Potencia 1 erg/s

= 10–7 W

1 kgf · m/s

= 9,806 65 W

1 lbf · ft/s

= 1,355 818 W

1 CV

= 735,498 7 W

1 HP (= 550 lbf · ft/s)

= 745,699 9 W

1 kcal/h

= 1,162 639 W

1 tonelada refrigeración

= 3.516,224 W

1 Btu/h

= 0,293 071 W

1 termia/h

= 1.162,639 W

1 P (poise)

= 0,1 Pa · s

Viscosidad = 10–4 m2/s

1 St (stokes)

tranSmiSión

de calor:

a) caPacidadeS

térmicaS eSPecíficaS

J/kg · K

kcal/kg · ºC

BTU/lb · ºF

2,389 · 10

2,389 · 10-4

1 J/kg · K

1

1 kcal/kg · ºC

4.185

1

1

1 BTU/lb · ºF

4.185

1

1

-4

tranSmiSión

de calor:

b) denSidad

del flujo térmico

W/m2

tranSmiSión

kcal/h · m2 BTU/h · ft2

1 W/m2

1

0,860

0,317

2,201 · 10-3

1 kcal/h · m2

1,163

1

0,369

2,560 · 10-3

1 BTU/h · ft2

3,150

2,71

1

6,944 · 10-3

1 BTU/h · in2

454,34

390

144

1

de calor:

c) coeficiente W/m2 · K

tabla

tabla

tabla

BTU/h · in2

de tranSmiSión de calor

kcal/h · m2 · ºC BTU/h · ft2 · ºF BTU/h · in2 · ºF

1 W/m2 · K

1

0,860

0,176

1,222 · 10-3

1 kcal/h · m2 · ºC

1,163

1

0,2048

1,420 · 10-3

1 BTU/h · ft2 · ºF

5,679

4,883

1

6,944 · 10-3

1 BTU/h · in2 · ºF

3,94 · 10-2

3,390 · 10-2

144

1

de converSión de unidadeS de Potencia

-

flujo térmico

Unidades / Símbolos

W

kcal/h

Btu/h

Ton (USA)

watt

1

8,598 · 10-1

3,412

2,834 · 10-4

kilocaloría / hora

1,163

1

3,968

3,306 · 10-4

British termal unit

2,930 · 10-1

2,519 · 10-1

1

8,333 · 10-5

Ton. de refrigeración

3,516 · 103

3,023 · 103

1,20 · 104

1

de converSión de unidadeS energéticaS

Unidades / Símbolos

kJ

kcal

th

kWh

kilojoule

1

0,239

2,389 · 10-4

2,778 · 10-4

kilocaloría

4.184

1

10-3

1,162 · 10-3

termia

41.840

1000

1

1,162

kilowatt - hora

3.600

860

0,860

1

de converSión de unidadeS de PreSión

Unidad/ Símbolo

bar

atm

at (kgf/cm2)

Torr

mm H2O

Pa (N/m2)

bar

1

0,986923

1,01972

750,062

10.197,2

105

atmósfera normal

1,01325

1

1,03323

760

10.332,3

101325

atmófera técnica

0,987841

0,967841

1

735,559

104

98.066,5

1

13,5951

133,322

1,333 · 10

1,316 · 10

mmca

9,807 · 10–5

9,678 · 10–5

10–4

0,0735559

1

9,80665

pascal

10–5

9,869 · 10–6

1,0197 · 10-5

7,501 · 10–3

0,101972

1

mmcHg

-3

–3

1,359 · 10

–3

equivalenciaS

de loS combuStibleS máS uSualeS

(baSadaS

en el Poder calorífico SuPerior)

Gas 1 m3 de gas natural

≈ 46,0 MJ

1 m3 de gas manufacturado

≈ 17,6 MJ

1 kg de propano

≈ 49,8 MJ

1 kg de nafta petroquímica

≈ 43,9 MJ

1 kg de fuel - oil pesado nº1

≈ 42,3 MJ

1 l de gasóleo C

≈ 36,2 MJ

1 l de petróleo refinado

≈ 32,6 MJ

1 l de gasolina

≈ 32,5 MJ

1 kg de antracita

≈ 31,4 MJ

1 kg de hulla

≈ 29,3 MJ

1 kg de coque

≈ 29,3 MJ

1 kg de aglomerado

≈ 29,3 MJ

1 kg de residuos de madera

≈ 15,5 MJ

1 kg de lignito catalán

≈ 12,3 MJ

1 kg de lignito Sercs

≈ 12,2 MJ

1 kg de otros lignitos

≈ 17,6 MJ

Productos petrolíferos

Combustibles sólidos

Electricidad 1 kWh de electricidad

ProPiedadeS

= 3,6 MJ

fíSicaS en unidadeS Si e iP

Elemento

Propiedad

SI

IP

Agua (fresca)

Peso específico Densidad de masa

9,81 kN/m3 1.000 kg/m3

62,4 lb/ft3 1,94 slugs/ft3

Agua de mar

Peso específico Densidad de masa

10,0 kN/m3 1.020 kg/m3

63,8 lb/ft3 1,98 slugs/ft3

Aluminio

Peso específico Densidad de masa

26,6 kN/m3 2.710 kg/m3

169 lb/ft3 5,26 slugs/ft3

Acero

Peso específico Densidad de masa

77,0 kN/m3 7.850 kg/m3

490 lb/ft3 15,2 slugs/ft3

Concreto reforzado

Peso específico Densidad de masa

23,6 kN/m3 2.400 kg/m3

150 lb/ft3 4,66 slugs/ft3

Aceleración de la gravedad (superficie de la Tierra)

Valor recomendado Valor estándar internacional

9,81 m/s2 9,80665 m/s2

32,2 ft/s2 32,1740 ft/s2

Presión atmosférica (al nivel del mar)

Valor recomendado Valor estándar internacional

101 kPa 101,325 kPa

14,7 psi 14,6959 psi

valoreS

medioS de algunaS ProPiedadeS báSicaS del agua y del aire

Aire seco Densidad (1 atm, 20 ºC)

ra = 1,20 kg.da/m3 = 0,075 lb/ft3

Calor específico

cpa = 0,24 kcal/kg ºC = 0,24 Btu/lb ºF = 1,0 kJ/kg · K

Densidad · Calor específico

ra · cpa = 0,29 kcal/m3 ºC = 0,018 Btu/ft3 ºF = 1,20 kJ/m3 · K

Peso molecular

Mda = 28,9645 g.da/mol.da

Agua (líquida) Densidad

rw = 1.000 kg/m3 = 62,43 lb/ft3

Calor específico

cpw = 1 kcal/kg ºC = 1 Btu/lb ºF = 4,184 kJ/kg · K

Peso molecular

Mw = 18,01534 g/mol

Agua (vapor) Calor específico

definición

cpv = 0,45 kcal/kg.da ºC = 0,45 Btu/lb ºF = 1,88 kJ/kg.da · K

inicial de algunaS unidadeS

Acre

Superficie de terreno que puede ser arada por una yunta de dos bueyes en un día.

Grano

Una de las primeras unidades de peso definida como el peso de 1 grano de trigo.

Pie

La distancia cubierta por 36 granos de cebada unidos por sus extremos.

Pulgada

Longitud de la falange del dedo pulgar. Los romanos la definieron como 1/12 del pie y de esa forma fue introducida en Inglaterra y, más tarde, en toda el área de influencia del Imperio Británico.

Yarda

La distancia entre la punta de la nariz y los dedos extendidos al extremo del brazo del rey anglosajón Enrique I (hace 1.000 años).

Braza

Longitud de los brazos extendidos de un vikingo.

Milla

Distancia equivalente a mil pasos de un soldado romano. Un “paso”, como lo entendían los romanos, equivale a la distancia entre dos veces seguidas que el mismo pie toque tierra, o sea lo que nosotros llamaríamos dos pasos.

Galón

El rey Jorge III de Inglaterra quien gobernó entre los años 1760 y 1820, decidió (hacia 1770) que el galón debía corresponder al volumen de su orinal. Éste se volvió el galón imperial. Además mandó el orinal de su esposa a las colonias para que fuera el estándar allí. Este se convirtió en el galón U.S. Anecdóticamente, las colonias americanas declararon su independencia en 1776 y en 1811 Jorge III fue apartado del trono por enajenación mental.

Escala Fahrenheit

Al buscar un punto que se reprodujera con facilidad, Fahrenheit escogió la temperatura del cuerpo humano y le asignó el número 96. Asignó el número 0 a una cierta mezcla salmuera-hielo. En esta escala el punto de congelación era aproximadamente 32. Cuando esta escala se revisó y se ajustó en términos del punto de congelación y el punto de ebullición normales del agua, se encontró que la temperatura del cuerpo humano era de 98,6 ºF.

volver refrigeranteS

a3: tablaS

de PreSión-temPeratura

PuroS, azeotróPicoS y quaSi-azeotróPicoS

Temperatura (ºC)

Presión (kPa) R-22

R-123

R-134a

R-404A

R-410A

R-507

–40

105

4

51

135

176

139

–39

110

4

54

141

184

145

–38

115

4

57

148

192

152

–37

121

4

60

155

201

158

–36

126

5

63

161

210

165

–35

132

5

66

169

219

173

–34

138

5

70

176

229

180

–33

144

6

73

183

238

188

–32

151

6

77

191

249

196

–31

157

6

80

199

259

204

–30

164

7

84

208

270

213

–29

171

7

88

216

282

222

–28

178

8

93

225

293

231

–27

186

8

97

235

305

240

–26

193

9

102

244

318

250

–25

201

9

106

254

331

260

–24

210

10

111

264

344

270

–23

218

10

116

274

357

281

–22

227

11

122

285

371

292

–21

236

11

127

296

386

303

–20

245

12

133

307

401

315

–19

255

13

139

319

416

326

–18

265

13

145

331

432

339

–17

275

14

151

343

448

351

–16

285

15

157

356

465

364

–15

296

16

164

369

482

377

–14

307

17

171

382

499

391

–13

319

17

178

396

517

405

–12

330

18

185

410

536

420

–11

342

19

193

424

555

434

Temperatura (ºC)

Presión (kPa) R-22

R-123

R-134a

R-404A

R-410A

R-507

–10

355

20

201

439

575

450

–9

367

21

209

454

595

465

–8

381

22

217

470

615

481

–7

394

23

225

486

637

498

–6

408

25

234

503

658

514

–5

422

26

243

519

681

532

–4

436

27

253

537

703

549

–3

451

28

262

554

727

567

–2

466

30

272

573

751

586

–1

482

31

282

591

775

605

0

498

33

293

610

801

624

1

514

34

304

630

827

644

2

531

36

315

650

853

665

3

548

37

326

670

880

686

4

566

39

338

691

908

707

5

584

41

350

712

936

729

6

603

43

362

734

965

751

7

622

45

375

757

995

774

8

641

46

388

780

1.025

798

9

661

48

401

803

1.057

822

10

681

51

415

827

1.088

846

11

702

53

429

852

1.121

871

12

723

55

443

877

1.154

897

13

745

57

458

902

1.188

923

14

767

60

473

928

1.223

949

15

789

62

488

955

1.258

977

16

812

65

504

982

1.295

1.005

17

836

67

521

1.010

1.332

1.033

18

860

70

537

1.039

1.370

1.062

19

885

73

554

1.068

1.408

1.092

20

910

76

572

1.097

1.448

1.122

21

936

79

590

1.127

1.488

1.153

22

962

82

608

1.158

1.529

1.184

Temperatura (ºC)

Presión (kPa) R-22

R-123

R-134a

R-404A

R-410A

R-507

23

989

85

627

1.190

1.571

1.216

24

1.016

88

646

1.222

1.614

1.249

25

1.044

91

665

1.255

1.657

1.283

26

1.072

95

685

1.288

1.702

1.317

27

1.101

98

706

1.322

1.748

1.352

28

1.131

102

727

1.357

1.794

1387

29

1.161

106

748

1.392

1.841

1.423

30

1.192

110

770

1.428

1.889

1.460

31

1.223

114

793

1.465

1.939

1.498

32

1.255

118

815

1.503

1.989

1.536

33

1.288

122

839

1.541

2.040

1.575

34

1.321

126

863

1.580

2.092

1.615

35

1.355

131

887

1.620

2.145

1.655

36

1.389

135

912

1.660

2.199

1.697

37

1.424

140

937

1.701

2.254

1.739

38

1.460

145

963

1.743

2.310

1.782

39

1.497

149

990

1.786

2.367

1.825

40

1.534

154

1.017

1.829

2.426

1.870

41

1.571

160

1.044

1.874

2.485

1.915

42

1.610

165

1.072

1.919

2.545

1.961

43

1.649

170

1.101

1.965

2.607

2.008

44

1.689

176

1.130

2.012

2.670

2.056

45

1.729

182

1.160

2.059

2.734

2.104

46

1.770

188

1.190

2.108

2.799

2.154

47

1.812

194

1.221

2.157

2.865

2.204

48

1.855

200

1.253

2.207

2.932

2.256

49

1.899

206

1.285

2.259

3.001

2.308

50

1.943

212

1.318

2.311

3.071

2.361

51

1.988

219

1.351

2.364

3.142

2.415

52

2.033

226

1.385

2.418

3.214

2.471

53

2.080

233

1.420

2.472

3.288

2.527

54

2.127

240

1.456

2.528

3.363

2.584

55

2.175

247

1.492

2.585

3.439

2.642

Temperatura (ºC)

Presión (kPa) R-22

R-123

R-134a

R-404A

R-410A

R-507

56

2.224

255

1.528

2.643

3.517

2.701

57

2.274

262

1.566

2.702

3.596

2.761

58

2.324

270

1.604

2.762

3.676

2.823

59

2.375

278

1.642

2.823

3.758

2.885

60

2.428

286

1.682

2.885

3.842

2.949

61

2.481

294

1.722

2.948

3.927

3.013

62

2.534

303

1.763

3.012

4.013

3.079

63

2.589

311

1.804

3.078

4.101

3.147

64

2.645

320

1.847

3.145

4.191

3.215

65

2.701

329

1.890

3.213

4.282

3.285

refrigeranteS

no azeotróPicoS

(vaPor

Saturado

- dew point)

Presión (kPa)

Temperatura (ºC)

R-422D

R-423A

R-413A

R-437A

R-417A

R-422A

–40

93

45

56

59

76

123

–39

98

48

59

62

80

129

–38

103

50

62

65

84

135

–37

108

53

66

69

88

141

–36

113

56

69

72

92

148

–35

119

59

73

76

97

155

–34

125

62

76

80

102

162

–33

131

65

80

84

107

169

–32

137

68

84

88

112

177

–31

143

72

88

92

117

184

–30

150

75

93

97

123

193

–29

156

79

97

101

128

201

–28

163

82

102

106

134

210

–27

171

86

106

111

140

218

–26

178

90

111

116

147

228

–25

186

95

117

122

153

237

–24

194

99

122

127

160

247

–23

203

104

127

133

167

257

–22

211

108

133

139

175

267

Presión (kPa)

Temperatura (ºC)

R-422D

R-423A

R-413A

R-437A

R-417A

R-422A

–21

220

113

139

145

182

278

–20

229

118

145

151

190

289

–19

239

124

152

158

198

300

–18

248

129

158

165

206

312

–17

258

135

165

172

215

324

–16

269

140

172

179

224

336

–15

280

146

179

186

233

349

–14

291

153

187

194

242

362

–13

302

159

194

202

252

376

–12

314

165

202

210

262

390

–11

326

172

210

219

272

404

–10

338

179

219

227

283

418

–9

351

186

228

236

294

433

–8

364

194

237

246

305

449

–7

377

202

246

255

316

465

–6

391

210

255

265

328

481

–5

405

218

265

275

340

498

–4

420

226

275

286

353

515

–3

435

235

286

296

366

532

–2

450

244

296

307

379

550

–1

466

253

307

319

393

569

0

482

262

319

330

407

587

1

499

272

330

342

421

607

2

516

282

342

355

436

627

3

533

292

355

367

451

647

4

551

303

367

380

467

668

5

569

313

380

394

482

689

6

588

324

394

407

499

711

7

607

336

407

421

516

733

8

627

347

421

436

533

756

9

647

359

436

451

550

779

10

668

372

450

466

568

803

refrigeranteS

no azeotróPicoS

(líquido

Saturado

- bubble point)

Presión (kPa)

Temperatura (ºC)

R-422D

R-423A

R-413A

R-437A

R-417A

R-422A

10

740

381

503

508

639

841

11

762

393

518

525

658

866

12

784

407

535

541

678

892

13

808

420

551

558

699

918

14

831

434

568

576

720

944

15

856

448

585

594

742

971

16

880

463

603

612

763

999

17

906

478

621

631

786

1.027

18

931

493

640

650

809

1.056

19

958

509

659

670

832

1.086

20

985

525

678

690

856

1.116

21

1.012

541

698

710

881

1.146

22

1.040

558

718

731

906

1.178

23

1.069

575

739

753

931

1.210

24

1.098

592

760

775

957

1.242

25

1.128

610

782

797

984

1.276

26

1.158

629

804

820

1.011

1.310

27

1.189

648

826

843

1.038

1.344

28

1.221

667

850

867

1.067

1.380

29

1.253

686

873

892

1.095

1.415

30

1.286

706

897

917

1.125

1.452

31

1.320

727

922

942

1.155

1.490

32

1.354

748

947

968

1.185

1.528

33

1.389

769

972

994

1.216

1.566

34

1.424

791

998

1.021

1.248

1.606

35

1.460

813

1.025

1.049

1.280

1.646

36

1.497

836

1.052

1.077

1.313

1.687

37

1.535

859

1.080

1.106

1.347

1.729

38

1.573

883

1.108

1.135

1.381

1.772

39

1.612

907

1.136

1.165

1.416

1.815

40

1.651

932

1.166

1.195

1.451

1.859

Presión (kPa)

Temperatura (ºC)

R-422D

R-423A

R-413A

R-437A

R-417A

R-422A

41

1.692

957

1.196

1.226

1.487

1.904

42

1.733

983

1.226

1.258

1.524

1.950

43

1.775

1.009

1.257

1.290

1.562

1.996

44

1.817

1.036

1.289

1.323

1.600

2.044

45

1.860

1.063

1.321

1.356

1.639

2.092

46

1.905

1.091

1.354

1.390

1.679

2.141

47

1.949

1.120

1.387

1.425

1.719

2.191

48

1.995

1.148

1.421

1.460

1.760

2.242

49

2.042

1.178

1.456

1.496

1.802

2.294

50

2.089

1.208

1.491

1.533

1.844

2.346

51

2.137

1.238

1.527

1.570

1.887

2.400

52

2.186

1.270

1.564

1.608

1.931

2.454

53

2.236

1.301

1601

1.646

1.976

2.510

54

2.286

1.334

1.639

1.686

2.022

2.566

55

2.338

1.367

1.678

1.726

2.068

2.624

56

2.390

1.400

1.717

1.767

2.115

2.682

57

2.444

1.434

1.757

1.808

2.163

2.742

58

2.498

1.469

1.798

1.850

2.212

2.802

59

2.553

1.505

1.839

1.893

2.261

2.864

60

2.609

1.541

1.881

1.937

2.312

2.926

61

2.666

1.577

1.924

1.981

2.363

2.990

62

2.724

1.615

1.968

2.027

2.415

3.055

63

2.783

1.653

2.012

2.073

2.468

3.121

64

2.843

1.691

2.057

2.119

2.522

3.188

65

2.904

1.731

2.103

2.167

2.577

3.257

volver ProPiedadeS

a4: tablaS

termodinámicaS del refrigerante

v (dm3/kg)

de ProPiedadeS termodinámicaS

r-134a

h (kJ/kg)

T (ºC)

p (bar)

Líquido

Vapor

Líquido

-50

0,29

0,691

606,17

-49

0,31

0,692

-48

0,33

-47

s (kJ/kg · K)

Vapor

hfg (kJ/kg)

Líquido

Vapor

135,75

367,70

231,95

0,7409

1,7808

574,14

136,99

368,33

231,34

0,7463

1,7790

0,694

544,11

138,24

368,96

230,73

0,7518

1,7772

0,35

0,695

515,95

139,49

369,60

230,11

0,7572

1,7755

-46

0,37

0,697

489,51

140,73

370,23

229,50

0,7626

1,7738

-45

0,39

0,698

464,68

141,98

370,86

228,89

0,7681

1,7722

-44

0,41

0,699

441,35

143,22

371,50

228,27

0,7735

1,7706

-43

0,44

0,701

419,41

144,47

372,13

227,66

0,7789

1,7690

-42

0,46

0,702

398,76

145,71

372,76

227,05

0,7842

1,7674

-41

0,49

0,704

379,33

146,96

373,39

226,43

0,7896

1,7659

-40

0,51

0,705

361,01

148,21

374,02

225,81

0,7950

1,7645

-39

0,54

0,706

343,76

149,46

374,66

225,20

0,8003

1,7630

-38

0,57

0,708

327,49

150,71

375,29

224,58

0,8057

1,7616

-37

0,60

0,709

312,13

151,96

375,92

223,95

0,8110

1,7602

-36

0,63

0,711

297,64

153,21

376,54

223,33

0,8163

1,7589

-35

0,66

0,712

283,95

154,47

377,17

222,70

0,8217

1,7576

-34

0,70

0,714

271,01

155,73

377,80

222,08

0,8270

1,7563

-33

0,73

0,715

258,78

156,98

378,43

221,45

0,8322

1,7551

-32

0,77

0,717

247,20

158,24

379,06

220,81

0,8375

1,7538

-31

0,80

0,718

236,25

159,51

379,68

220,18

0,8428

1,7526

-30

0,84

0,720

225,88

160,77

380,31

219,54

0,8480

1,7515

-29

0,88

0,721

216,05

162,04

380,93

218,89

0,8533

1,7503

-28

0,93

0,723

206,73

163,31

381,56

218,25

0,8585

1,7492

-27

0,97

0,725

197,90

164,58

382,18

217,60

0,8637

1,7481

-26

1,02

0,726

189,51

165,85

382,80

216,94

0,8689

1,7471

-25

1,06

0,728

181,56

167,13

383,42

216,29

0,8741

1,7460

-24

1,11

0,729

174,00

168,41

384,04

215,63

0,8793

1,7450

-23

1,16

0,731

166,82

169,69

384,66

214,96

0,8845

1,7440

-22

1,22

0,733

160,00

170,98

385,28

214,30

0,8896

1,7431

-21

1,27

0,734

153,51

172,27

385,89

213,62

0,8948

1,7421

-20

1,33

0,736

147,33

173,56

386,51

212,95

0,8999

1,7412

-19

1,39

0,738

141,46

174,85

387,12

212,27

0,9050

1,7403

-18

1,45

0,739

135,86

176,15

387,73

211,58

0,9101

1,7394

v (dm3/kg)

h (kJ/kg)

T (ºC)

p (bar)

Líquido

Vapor

Líquido

-17

1,51

0,741

130,54

-16

1,57

0,743

-15

1,64

-14

s (kJ/kg · K)

Vapor

hfg (kJ/kg)

Líquido

Vapor

177,45

388,34

210,90

0,9152

1,7385

125,46

178,75

388,95

210,20

0,9203

1,7377

0,744

120,62

180,06

389,56

209,51

0,9254

1,7369

1,71

0,746

116,00

181,36

390,17

208,81

0,9304

1,7361

-13

1,78

0,748

111,60

182,68

390,77

208,10

0,9355

1,7353

-12

1,85

0,750

107,39

183,99

391,38

207,39

0,9405

1,7346

-11

1,93

0,752

103,38

185,31

391,98

206,67

0,9455

1,7338

-10

2,01

0,753

99,54

186,63

392,58

205,95

0,9505

1,7331

-9

2,09

0,755

95,88

187,95

393,18

205,23

0,9555

1,7324

-8

2,17

0,757

92,38

189,28

393,78

204,50

0,9605

1,7317

-7

2,25

0,759

89,03

190,61

394,37

203,77

0,9655

1,7310

-6

2,34

0,761

85,83

191,94

394,97

203,03

0,9705

1,7304

-5

2,43

0,763

82,76

193,27

395,56

202,29

0,9754

1,7297

-4

2,53

0,765

79,83

194,61

396,15

201,54

0,9804

1,7291

-3

2,62

0,766

77,02

195,95

396,74

200,79

0,9853

1,7285

-2

2,72

0,768

74,33

197,30

397,32

200,03

0,9902

1,7279

-1

2,82

0,770

71,75

198,64

397,91

199,27

0,9951

1,7273

0

2,93

0,772

69,28

200,00

398,49

198,49

1,0000

1,7267

1

3,04

0,774

66,91

201,35

399,07

197,72

1,0049

1,7262

2

3,15

0,776

64,64

202,70

399,65

196,95

1,0098

1,7256

3

3,26

0,778

62,46

204,06

400,22

196,16

1,0146

1,7251

4

3,38

0,780

60,36

205,42

400,80

195,38

1,0195

1,7246

5

3,50

0,782

58,35

206,79

401,37

194,58

1,0243

1,7241

6

3,62

0,785

56,42

208,15

401,94

193,78

1,0292

1,7236

7

3,75

0,787

54,57

209,52

402,50

192,98

1,0340

1,7231

8

3,88

0,789

52,79

210,90

403,07

192,17

1,0388

1,7226

9

4,01

0,791

51,08

212,27

403,63

191,36

1,0436

1,7221

10

4,15

0,793

49,43

213,65

404,19

190,54

1,0484

1,7217

11

4,29

0,795

47,84

215,03

404,74

189,71

1,0532

1,7212

12

4,43

0,798

46,32

216,42

405,30

188,88

1,0580

1,7208

13

4,58

0,800

44,85

217,80

405,85

188,04

1,0627

1,7204

14

4,73

0,802

43,44

219,19

406,39

187,20

1,0675

1,7200

15

4,88

0,804

42,08

220,58

406,94

186,35

1,0723

1,7196

16

5,04

0,807

40,77

221,98

407,48

185,50

1,0770

1,7192

17

5,21

0,809

39,51

223,38

408,02

184,64

1,0818

1,7188

v (dm3/kg)

h (kJ/kg)

T (ºC)

p (bar)

Líquido

Vapor

Líquido

18

5,37

0,811

38,30

19

5,54

0,814

20

5,72

21

s (kJ/kg · K)

Vapor

hfg (kJ/kg)

Líquido

Vapor

224,78

408,55

183,77

1,0865

1,7184

37,12

226,18

409,08

182,90

1,0912

1,7180

0,816

35,99

227,59

409,61

182,02

1,0960

1,7176

5,90

0,819

34,91

229,00

410,14

181,14

1,1007

1,7172

22

6,08

0,821

33,85

230,41

410,66

180,25

1,1054

1,7169

23

6,27

0,824

32,84

231,83

411,18

179,35

1,1101

1,7165

24

6,46

0,826

31,86

233,25

411,69

178,44

1,1148

1,7162

25

6,65

0,829

30,91

234,67

412,20

177,53

1,1195

1,7158

26

6,85

0,832

30,00

236,09

412,71

176,61

1,1242

1,7155

27

7,06

0,834

29,12

237,52

413,21

175,69

1,1289

1,7151

28

7,27

0,837

28,27

238,96

413,71

174,75

1,1336

1,7148

29

7,48

0,840

27,44

240,39

414,20

173,81

1,1383

1,7144

30

7,70

0,842

26,65

241,83

414,69

172,86

1,1429

1,7141

31

7,93

0,845

25,88

243,27

415,18

171,91

1,1476

1,7138

32

8,15

0,848

25,13

244,72

415,66

170,94

1,1523

1,7134

33

8,39

0,851

24,41

246,17

416,14

169,97

1,1570

1,7131

34

8,63

0,854

23,72

247,62

416,61

168,99

1,1616

1,7128

35

8,87

0,857

23,04

249,08

417,07

168,00

1,1663

1,7124

36

9,12

0,860

22,39

250,54

417,54

167,00

1,1710

1,7121

37

9,37

0,863

21,76

252,01

417,99

165,99

1,1757

1,7118

38

9,63

0,866

21,15

253,48

418,44

164,97

1,1804

1,7114

39

9,90

0,869

20,55

254,95

418,89

163,94

1,1850

1,7111

40

10,17

0,872

19,98

256,43

419,33

162,90

1,1897

1,7107

41

10,44

0,876

19,42

257,91

419,76

161,85

1,1944

1,7104

42

10,72

0,879

18,88

259,40

420,19

160,79

1,1991

1,7100

43

11,01

0,882

18,36

260,90

420,61

159,72

1,2038

1,7097

44

11,30

0,886

17,85

262,40

421,03

158,63

1,2085

1,7093

45

11,60

0,889

17,36

263,90

421,44

157,54

1,2132

1,7090

46

11,90

0,893

16,88

265,41

421,84

156,43

1,2179

1,7086

47

12,21

0,896

16,41

266,93

422,24

155,31

1,2226

1,7082

48

12,53

0,900

15,96

268,45

422,63

154,17

1,2273

1,7078

49

12,85

0,904

15,53

269,98

423,01

153,02

1,2320

1,7075

50

13,18

0,908

15,10

271,52

423,38

151,86

1,2367

1,7071

51

13,51

0,911

14,69

273,07

423,75

150,68

1,2415

1,7066

52

13,85

0,915

14,29

274,62

424,10

149,49

1,2462

1,7062

v (dm3/kg)

h (kJ/kg)

T (ºC)

p (bar)

Líquido

Vapor

Líquido

53

14,20

0,919

13,90

54

14,55

0,923

55

14,92

56

s (kJ/kg · K)

Vapor

hfg (kJ/kg)

Líquido

Vapor

276,18

424,45

148,28

1,2510

1,7058

13,52

277,74

424,79

147,05

1,2557

1,7053

0,928

13,15

279,32

425,12

145,81

1,2605

1,7049

15,28

0,932

12,80

280,90

425,44

144,54

1,2653

1,7044

57

15,66

0,936

12,45

282,49

425,76

143,26

1,2701

1,7039

58

16,04

0,941

12,11

284,10

426,06

141,96

1,2749

1,7034

59

16,42

0,945

11,78

285,71

426,35

140,64

1,2797

1,7029

60

16,82

0,950

11,46

287,33

426,63

139,30

1,2845

1,7024

61

17,22

0,955

11,15

288,96

426,90

137,94

1,2894

1,7018

62

17,63

0,960

10,84

290,60

427,15

136,55

1,2942

1,7012

63

18,04

0,965

10,54

292,26

427,40

135,14

1,2991

1,7006

64

18,47

0,970

10,26

293,92

427,63

133,71

1,3040

1,7000

65

18,90

0,975

9,97

295,60

427,84

132,25

1,3089

1,6994

ProPiedadeS

termodinámicaS del refrigerante

v (dm3/kg)

r-507

h (kJ/kg)

T (ºC)

p (bar)

Líquido

Vapor

Líquido

-50

0,880

0,753

204,29

-49

0,924

0,755

-48

0,970

-47

s (kJ/kg · K)

Vapor

hfg (kJ/kg)

Líquido

Vapor

135,61

333,50

197,89

0,7412

1,6286

195,05

136,82

334,10

197,28

0,7466

1,6274

0,757

186,32

138,03

334,70

196,67

0,7521

1,6261

1,018

0,758

178,06

139,24

335,30

196,06

0,7575

1,6249

-46

1,068

0,760

170,24

140,45

335,89

195,44

0,7629

1,6237

-45

1,120

0,762

162,83

141,67

336,49

194,82

0,7684

1,6225

-44

1,173

0,764

155,81

142,89

337,08

194,20

0,7738

1,6214

-43

1,229

0,766

149,15

144,11

337,68

193,57

0,7792

1,6203

-42

1,287

0,767

142,83

145,33

338,27

192,94

0,7845

1,6192

-41

1,346

0,769

136,84

146,56

338,86

192,30

0,7899

1,6181

-40

1,408

0,771

131,15

147,79

339,45

191,66

0,7953

1,6171

-39

1,472

0,773

125,74

149,03

340,04

191,01

0,8006

1,6161

-38

1,539

0,775

120,60

150,27

340,62

190,36

0,8059

1,6151

-37

1,607

0,777

115,72

151,51

341,21

189,70

0,8113

1,6142

-36

1,678

0,779

111,07

152,75

341,79

189,04

0,8166

1,6132

-35

1,752

0,781

106,65

154,00

342,37

188,37

0,8219

1,6123

-34

1,828

0,783

102,44

155,26

342,95

187,70

0,8272

1,6114

-33

1,906

0,785

98,42

156,51

343,53

187,02

0,8324

1,6106

v (dm3/kg)

h (kJ/kg)

T (ºC)

p (bar)

Líquido

Vapor

Líquido

-32

1,987

0,787

94,60

-31

2,070

0,789

-30

2,157

-29

s (kJ/kg · K)

Vapor

hfg (kJ/kg)

Líquido

Vapor

157,77

344,11

186,33

0,8377

1,6097

90,96

159,04

344,68

185,65

0,8429

1,6089

0,791

87,48

160,31

345,26

184,95

0,8482

1,6081

2,246

0,793

84,17

161,58

345,83

184,25

0,8534

1,6073

-28

2,338

0,795

81,00

162,86

346,40

183,54

0,8586

1,6065

-27

2,432

0,797

77,98

164,14

346,97

182,83

0,8638

1,6058

-26

2,530

0,799

75,09

165,42

347,54

182,11

0,8690

1,6050

-25

2,630

0,801

72,34

166,71

348,10

181,39

0,8742

1,6043

-24

2,734

0,804

69,70

168,00

348,66

180,66

0,8793

1,6036

-23

2,841

0,806

67,18

169,30

349,22

179,92

0,8845

1,6029

-22

2,951

0,808

64,76

170,60

349,78

179,18

0,8896

1,6023

-21

3,064

0,810

62,46

171,90

350,34

178,43

0,8947

1,6016

-20

3,180

0,813

60,25

173,21

350,89

177,68

0,8998

1,6010

-19

3,300

0,815

58,13

174,52

351,44

176,92

0,9049

1,6004

-18

3,423

0,817

56,10

175,84

351,99

176,15

0,9100

1,5998

-17

3,549

0,820

54,16

177,16

352,54

175,38

0,9151

1,5992

-16

3,680

0,822

52,29

178,48

353,08

174,60

0,9202

1,5986

-15

3,813

0,824

50,51

179,80

353,62

173,82

0,9252

1,5980

-14

3,950

0,827

48,79

181,13

354,16

173,03

0,9303

1,5975

-13

4,091

0,829

47,14

182,47

354,70

172,23

0,9353

1,5970

-12

4,236

0,832

45,57

183,80

355,23

171,43

0,9403

1,5964

-11

4,385

0,834

44,05

185,14

355,76

170,62

0,9454

1,5959

-10

4,538

0,837

42,59

186,49

356,29

169,80

0,9504

1,5954

-9

4,694

0,839

41,19

187,84

356,82

168,98

0,9554

1,5949

-8

4,855

0,842

39,84

189,19

357,34

168,15

0,9604

1,5944

-7

5,019

0,845

38,55

190,54

357,86

167,32

0,9653

1,5939

-6

5,188

0,847

37,30

191,90

358,37

166,47

0,9703

1,5935

-5

5,361

0,850

36,11

193,26

358,88

165,62

0,9753

1,5930

-4

5,539

0,853

34,95

194,62

359,39

164,77

0,9802

1,5926

-3

5,720

0,856

33,84

195,99

359,90

163,91

0,9852

1,5921

-2

5,907

0,858

32,77

197,36

360,40

163,04

0,9901

1,5917

-1

6,097

0,861

31,74

198,74

360,90

162,16

0,9951

1,5913

0

6,293

0,864

30,75

200,00

361,39

161,39

1,0000

1,5908

v (dm3/kg)

h (kJ/kg)

T (ºC)

p (bar)

Líquido

Vapor

Líquido

1

6,493

0,867

29,79

2

6,697

0,870

3

6,907

4

s (kJ/kg · K)

Vapor

hfg (kJ/kg)

Líquido

Vapor

201,50

361,88

160,38

1,0049

1,5904

28,87

202,89

362,37

159,48

1,0099

1,5900

0,873

27,98

204,27

362,85

158,58

1,0148

1,5896

7,121

0,876

27,13

205,67

363,33

157,66

1,0197

1,5892

5

7,341

0,879

26,30

207,06

363,80

156,74

1,0246

1,5888

6

7,565

0,882

25,50

208,46

364,27

155,81

1,0295

1,5884

7

7,794

0,886

24,73

209,87

364,74

154,87

1,0344

1,5880

8

8,029

0,889

23,98

211,28

365,20

153,92

1,0393

1,5876

9

8,269

0,892

23,26

212,69

365,65

152,97

1,0442

1,5872

10

8,51

0,896

22,57

214,10

366,10

152,00

1,0491

1,5868

11

8,76

0,899

21,89

215,52

366,55

151,02

1,0540

1,5864

12

9,02

0,902

21,24

216,95

366,99

150,04

1,0589

1,5860

13

9,28

0,906

20,62

218,38

367,42

149,04

1,0639

1,5856

14

9,55

0,910

20,01

219,81

367,85

148,04

1,0688

1,5852

15

9,82

0,913

19,42

221,25

368,27

147,02

1,0737

1,5848

16

10,10

0,917

18,85

222,70

368,69

145,99

1,0786

1,5844

17

10,38

0,921

18,30

224,15

369,10

144,96

1,0835

1,5840

18

10,68

0,924

17,77

225,60

369,51

143,90

1,0885

1,5836

19

10,97

0,928

17,25

227,06

369,90

142,84

1,0934

1,5832

20

11,27

0,932

16,75

228,53

370,29

141,76

1,0983

1,5827

21

11,58

0,936

16,26

230,00

370,68

140,67

1,1033

1,5823

22

11,90

0,941

15,79

231,48

371,05

139,57

1,1082

1,5819

23

12,22

0,945

15,34

232,97

371,42

138,45

1,1132

1,5814

24

12,55

0,949

14,90

234,46

371,78

137,32

1,1182

1,5810

25

12,88

0,954

14,47

235,96

372,13

136,17

1,1232

1,5805

26

13,22

0,958

14,05

237,47

372,47

135,00

1,1282

1,5800

27

13,57

0,963

13,65

238,99

372,81

133,82

1,1332

1,5795

28

13,92

0,967

13,26

240,51

373,13

132,62

1,1382

1,5790

29

14,29

0,972

12,87

242,05

373,45

131,40

1,1432

1,5785

30

14,65

0,977

12,50

243,59

373,75

130,16

1,1483

1,5780

31

15,03

0,982

12,15

245,15

374,05

128,90

1,1534

1,5774

32

15,41

0,987

11,80

246,71

374,33

127,62

1,1585

1,5768

33

15,80

0,993

11,46

248,29

374,60

126,32

1,1636

1,5763

v (dm3/kg)

h (kJ/kg)

T (ºC)

p (bar)

Líquido

Vapor

Líquido

34

16,20

0,998

11,13

35

16,60

1,004

36

17,02

37

s (kJ/kg · K)

Vapor

hfg (kJ/kg)

Líquido

Vapor

249,87

374,86

124,99

1,1687

1,5756

10,80

251,47

375,11

123,64

1,1738

1,5750

1,009

10,49

253,08

375,34

122,26

1,1790

1,5743

17,44

1,015

10,19

254,71

375,57

120,86

1,1842

1,5737

38

17,86

1,021

9,89

256,34

375,77

119,43

1,1894

1,5729

39

18,30

1,027

9,60

258,00

375,96

117,97

1,1947

1,5722

40

18,74

1,034

9,32

259,66

376,14

116,48

1,1999

1,5714

41

19,20

1,040

9,05

261,34

376,30

114,95

1,2052

1,5706

42

19,65

1,047

8,78

263,04

376,44

113,40

1,2105

1,5697

43

20,12

1,054

8,52

264,76

376,56

111,80

1,2159

1,5688

44

20,60

1,062

8,27

266,49

376,66

110,17

1,2213

1,5679

45

21,09

1,069

8,02

268,24

376,75

108,50

1,2267

1,5669

46

21,58

1,077

7,78

270,01

376,81

106,79

1,2321

1,5659

47

22,08

1,085

7,54

271,81

376,84

105,04

1,2376

1,5648

48

22,59

1,093

7,31

273,62

376,85

103,23

1,2431

1,5636

49

23,12

1,102

7,08

275,45

376,84

101,38

1,2486

1,5624

50

23,65

1,111

6,86

277,31

376,79

99,48

1,2542

1,5611

51

24,19

1,121

6,64

279,19

376,71

97,52

1,2598

1,5598

52

24,74

1,131

6,43

281,10

376,60

95,50

1,2655

1,5583

53

25,29

1,142

6,22

283,03

376,45

93,42

1,2712

1,5568

54

25,86

1,153

6,01

284,99

376,26

91,28

1,2769

1,5551

55

26,44

1,165

5,81

286,97

376,03

89,06

1,2827

1,5534

56

27,03

1,177

5,61

288,99

375,75

86,76

1,2885

1,5515

57

27,63

1,190

5,42

291,03

375,41

84,38

1,2944

1,5495

58

28,24

1,205

5,22

293,11

375,01

81,90

1,3003

1,5473

59

28,87

1,220

5,03

295,22

374,55

79,33

1,3063

1,5449

60

29,50

1,236

4,84

297,36

374,00

76,64

1,3123

1,5423

61

30,15

1,254

4,65

299,54

373,37

73,83

1,3184

1,5395

62

30,80

1,273

4,46

301,75

372,62

70,87

1,3245

1,5364

63

31,47

1,295

4,27

304,01

371,75

67,75

1,3307

1,5329

64

32,15

1,319

4,08

306,30

370,72

64,43

1,3370

1,5290

65

32,85

1,347

3,88

308,63

369,50

60,87

1,3433

1,5246

ProPiedadeS

termodinámicaS del refrigerante

p (bar

v (dm3/kg)

r-410a h (kJ/kg)

T (ºC)

Líquido

Vapor

Líquido

Vapor

Líquido

-50

1,10

1,10

0,743

223,04

-49

1,15

1,15

0,745

-48

1,21

1,21

-47

1,27

-46

s (kJ/kg · K)

Vapor

hfg (kJ/kg)

Líquido

Vapor

129,06

399,37

270,31

0,7150

1,9268

212,88

130,40

399,90

269,50

0,7210

1,9238

0,746

203,27

131,74

400,42

268,68

0,7271

1,9207

1,27

0,748

194,18

133,09

400,94

267,85

0,7331

1,9178

1,33

1,33

0,750

185,57

134,44

401,46

267,02

0,7391

1,9148

-45

1,40

1,40

0,752

177,42

135,79

401,97

266,18

0,7451

1,9119

-44

1,47

1,46

0,754

169,70

137,14

402,48

265,34

0,7511

1,9090

-43

1,54

1,53

0,755

162,38

138,49

402,99

264,49

0,7570

1,9062

-42

1,61

1,61

0,757

155,44

139,85

403,49

263,64

0,7630

1,9034

-41

1,68

1,68

0,759

148,86

141,21

403,99

262,78

0,7689

1,9006

-40

1,76

1,76

0,761

142,61

142,58

404,49

261,91

0,7749

1,8979

-39

1,84

1,84

0,763

136,67

143,94

404,98

261,04

0,7808

1,8952

-38

1,93

1,92

0,765

131,03

145,31

405,47

260,16

0,7867

1,8925

-37

2,01

2,01

0,767

125,67

146,69

405,96

259,27

0,7925

1,8898

-36

2,10

2,10

0,769

120,57

148,07

406,44

258,37

0,7984

1,8872

-35

2,20

2,19

0,771

115,72

149,45

406,92

257,47

0,8043

1,8846

-34

2,29

2,29

0,773

111,10

150,83

407,39

256,56

0,8101

1,8821

-33

2,39

2,39

0,775

106,71

152,22

407,86

255,64

0,8159

1,8796

-32

2,49

2,49

0,777

102,52

153,61

408,33

254,72

0,8217

1,8771

-31

2,60

2,59

0,779

98,53

155,01

408,79

253,79

0,8275

1,8746

-30

2,71

2,70

0,781

94,72

156,41

409,25

252,85

0,8333

1,8721

-29

2,82

2,81

0,783

91,09

157,81

409,71

251,90

0,8391

1,8697

-28

2,94

2,93

0,785

87,63

159,22

410,16

250,94

0,8448

1,8673

-27

3,06

3,05

0,787

84,32

160,63

410,61

249,98

0,8505

1,8650

-26

3,18

3,17

0,789

81,16

162,04

411,05

249,01

0,8562

1,8626

-25

3,31

3,30

0,791

78,15

163,46

411,49

248,03

0,8619

1,8603

-24

3,44

3,43

0,793

75,27

164,88

411,92

247,04

0,8676

1,8580

-23

3,58

3,57

0,796

72,51

166,31

412,35

246,04

0,8733

1,8557

-22

3,72

3,71

0,798

69,87

167,74

412,78

245,04

0,8789

1,8535

-21

3,86

3,85

0,800

67,35

169,18

413,20

244,03

0,8846

1,8512

-20

4,01

4,00

0,802

64,94

170,61

413,62

243,00

0,8902

1,8490

p (bar

v (dm3/kg)

h (kJ/kg)

T (ºC)

Líquido

Vapor

Líquido

Vapor

Líquido

-19

4,16

4,15

0,805

62,63

-18

4,32

4,31

0,807

-17

4,48

4,47

-16

4,65

-15

s (kJ/kg · K)

Vapor

hfg (kJ/kg)

Líquido

Vapor

172,06

414,03

241,97

0,8958

1,8468

60,42

173,50

414,44

240,94

0,9014

1,8446

0,809

58,30

174,95

414,84

239,89

0,9070

1,8425

4,63

0,812

56,26

176,40

415,24

238,83

0,9125

1,8403

4,82

4,80

0,814

54,32

177,86

415,63

237,77

0,9181

1,8382

-14

4,99

4,98

0,817

52,45

179,32

416,01

236,70

0,9236

1,8361

-13

5,17

5,16

0,819

50,65

180,78

416,40

235,61

0,9292

1,8340

-12

5,36

5,34

0,822

48,93

182,25

416,77

234,52

0,9347

1,8319

-11

5,55

5,53

0,824

47,28

183,72

417,14

233,42

0,9402

1,8299

-10

5,74

5,72

0,827

45,70

185,20

417,51

232,31

0,9457

1,8278

-9

5,94

5,92

0,829

44,17

186,67

417,87

231,20

0,9511

1,8258

-8

6,15

6,13

0,832

42,71

188,15

418,22

230,07

0,9566

1,8238

-7

6,36

6,34

0,835

41,30

189,64

418,57

228,93

0,9621

1,8218

-6

6,57

6,55

0,837

39,95

191,13

418,92

227,79

0,9675

1,8198

-5

6,80

6,78

0,840

38,64

192,62

419,25

226,63

0,9730

1,8178

-4

7,02

7,00

0,843

37,39

194,12

419,59

225,47

0,9784

1,8158

-3

7,26

7,23

0,845

36,19

195,62

419,91

224,29

0,9838

1,8138

-2

7,50

7,47

0,848

35,03

197,12

420,23

223,11

0,9892

1,8119

-1

7,74

7,72

0,851

33,91

198,62

420,54

221,92

0,9946

1,8099

0

7,99

7,97

0,854

32,83

200,00

420,85

220,85

1,0000

1,8080

1

8,25

8,22

0,857

31,80

201,65

421,15

219,50

1,0054

1,8061

2

8,51

8,49

0,860

30,80

203,17

421,44

218,27

1,0108

1,8041

3

8,78

8,75

0,863

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204,69

421,72

217,03

1,0161

1,8022

4

9,06

9,03

0,866

28,90

206,21

422,00

215,79

1,0215

1,8003

5

9,34

9,31

0,869

28,01

207,74

422,27

214,53

1,0269

1,7984

6

9,63

9,60

0,872

27,14

209,28

422,53

213,26

1,0322

1,7965

7

9,92

9,89

0,875

26,31

210,81

422,79

211,98

1,0376

1,7946

8

10,23

10,20

0,879

25,50

212,36

423,04

210,68

1,0430

1,7927

9

10,54

10,50

0,882

24,73

213,90

423,28

209,37

1,0483

1,7908

10

10,85

10,82

0,885

23,97

215,45

423,51

208,05

1,0537

1,7889

11

11,18

11,14

0,889

23,25

217,01

423,73

206,72

1,0590

1,7870

12

11,51

11,47

0,892

22,55

218,57

423,95

205,38

1,0644

1,7851

13

11,85

11,81

0,896

21,87

220,14

424,15

204,02

1,0698

1,7832

p (bar

v (dm3/kg)

h (kJ/kg)

T (ºC)

Líquido

Vapor

Líquido

Vapor

Líquido

14

12,19

12,15

0,899

21,21

15

12,54

12,51

0,903

16

12,90

12,87

17

13,27

18

s (kJ/kg · K)

Vapor

hfg (kJ/kg)

Líquido

Vapor

221,71

424,35

202,64

1,0751

1,7813

20,58

223,29

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1,7794

0,907

19,97

224,87

424,71

199,85

1,0859

1,7775

13,23

0,910

19,37

226,46

424,88

198,43

1,0912

1,7756

13,65

13,61

0,914

18,80

228,05

425,04

196,99

1,0966

1,7736

19

14,03

13,99

0,918

18,24

229,65

425,19

195,53

1,1020

1,7717

20

14,43

14,38

0,922

17,70

231,26

425,32

194,06

1,1074

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21

14,83

14,78

0,926

17,18

232,88

425,45

192,57

1,1128

1,7678

22

15,24

15,19

0,930

16,68

234,50

425,57

191,06

1,1183

1,7659

23

15,65

15,61

0,934

16,19

236,13

425,67

189,54

1,1237

1,7639

24

16,08

16,03

0,939

15,71

237,77

425,76

187,99

1,1291

1,7619

25

16,52

16,47

0,943

15,25

239,42

425,84

186,42

1,1346

1,7599

26

16,96

16,91

0,947

14,81

241,08

425,91

184,82

1,1401

1,7579

27

17,41

17,36

0,952

14,37

242,75

425,96

183,21

1,1455

1,7559

28

17,87

17,82

0,956

13,95

244,43

426,00

181,57

1,1510

1,7539

29

18,34

18,29

0,961

13,55

246,11

426,02

179,91

1,1566

1,7518

30

18,82

18,77

0,966

13,15

247,81

426,03

178,22

1,1621

1,7497

31

19,31

19,26

0,971

12,77

249,53

426,03

176,50

1,1677

1,7476

32

19,81

19,76

0,976

12,39

251,25

426,01

174,76

1,1733

1,7455

33

20,32

20,26

0,981

12,03

252,99

425,97

172,99

1,1789

1,7434

34

20,84

20,78

0,987

11,68

254,73

425,92

171,18

1,1845

1,7412

35

21,37

21,31

0,992

11,33

256,50

425,85

169,35

1,1901

1,7390

36

21,91

21,85

0,998

11,00

258,28

425,76

167,48

1,1958

1,7367

37

22,46

22,40

1,003

10,68

260,07

425,65

165,58

1,2015

1,7345

38

23,02

22,95

1,009

10,36

261,88

425,52

163,64

1,2073

1,7322

39

23,59

23,52

1,015

10,06

263,71

425,37

161,66

1,2130

1,7298

40

24,17

24,10

1,021

9,76

265,56

425,20

159,64

1,2188

1,7274

41

24,76

24,69

1,028

9,47

267,42

425,00

157,59

1,2247

1,7250

42

25,37

25,30

1,034

9,18

269,30

424,79

155,48

1,2306

1,7225

43

25,98

25,91

1,041

8,91

271,21

424,54

153,34

1,2365

1,7200

44

26,61

26,54

1,048

8,64

273,13

424,27

151,14

1,2424

1,7174

45

27,24

27,17

1,056

8,37

275,08

423,98

148,90

1,2484

1,7148

p (bar

v (dm3/kg)

h (kJ/kg)

T (ºC)

Líquido

Vapor

Líquido

Vapor

Líquido

46

27,89

27,82

1,063

8,12

47

28,55

28,48

1,071

48

29,23

29,15

49

29,91

50

s (kJ/kg · K)

Vapor

hfg (kJ/kg)

Líquido

Vapor

277,05

423,65

146,60

1,2544

1,7121

7,87

279,04

423,29

144,25

1,2605

1,7093

1,079

7,62

281,06

422,90

141,84

1,2666

1,7065

29,84

1,088

7,39

283,11

422,47

139,37

1,2727

1,7035

30,61

30,53

1,096

7,15

285,18

422,01

136,83

1,2789

1,7005

51

31,32

31,24

1,106

6,92

287,28

421,51

134,23

1,2852

1,6974

52

32,04

31,97

1,115

6,70

289,41

420,96

131,55

1,2915

1,6942

53

32,78

32,70

1,125

6,48

291,57

420,37

128,79

1,2978

1,6909

54

33,53

33,45

1,136

6,27

293,77

419,72

125,96

1,3042

1,6875

55

34,29

34,22

1,147

6,06

296,00

419,03

123,03

1,3107

1,6839

56

35,07

35,00

1,159

5,85

298,26

418,27

120,01

1,3172

1,6802

57

35,86

35,79

1,171

5,65

300,56

417,45

116,89

1,3238

1,6763

58

36,67

36,59

1,185

5,45

302,89

416,55

113,66

1,3304

1,6723

59

37,49

37,42

1,199

5,25

305,27

415,58

110,31

1,3371

1,6680

60

38,32

38,25

1,214

5,06

307,68

414,51

106,83

1,3439

1,6635

61

39,18

39,11

1,231

4,86

310,14

413,35

103,21

1,3507

1,6588

62

40,04

39,97

1,249

4,67

312,64

412,06

99,42

1,3576

1,6537

63

40,93

40,86

1,269

4,48

315,18

410,63

95,45

1,3645

1,6482

64

41,83

41,76

1,291

4,29

317,77

409,04

91,27

1,3716

1,6423

65

42,74

42,68

1,317

4,09

320,41

407,24

86,83

1,3787

1,6358

volver refrigerante r-123

a5: diagramaS

entálPicoS

refrigerante r-134a

refrigerante r-507

refrigerante r-404a

refrigerante r-407C

refrigerante r-410A

refrigerante r-417A

refrigerante r-422a

refrigerante r-422d

refrigerante r-423a

volver

A6: Ábacos

Refrigerante HFC-134a Caída de presión en líneas

para determinar el diámetro de las tuberías

Refrigerante HFC-134a Velocidad en líneas

Refrigerante HFC-404A Caída de presión en líneas

Refrigerante HFC-404A Velocidad en líneas

0 a 10

Limones

7

Naranjas

-1 a 0

-0,5 a 0

-23 a -18

Fresas

Fruta congelada

7

-1,6 a -0,5

Ciruelas

Piña madura

Peras

-5 a 0

10 a 15

Sandías

Humedad relativa (%) 90 a 95

90 a 95

90 a 95

85 a 90

90 a 95

90 a 95

85 a 90

90

90 a 95

90 a 95

85 a 90

85 a 90

85 a 90

85 a 90

90 a 95

85 a 95

85 a 95

90 a 95

90 a 95

6 a 12 meses

5 a 7 días

2 a 4 semanas

2 a 4 semanas

2 a 7 meses

2 a 4 semanas

3 a 12 semanas

2 a 3 semanas

3 a 4 semanas

2 a 4 semanas

1 a 6 meses

6 a 10 semanas

2 a 8 semanas

7 a 10 días

2 a 3 semanas

1 semana

1 a 3 semanas

1 a 2 semanas

3 a 8 meses

Contenido de agua (%) -

90

86

85

83

89

87

93

93

87

89

89

82

78

80

75

75

85

84

Principio de congelación (ºC) -

-0,8

-0,8

-1,0

-1,6

-0,9

-0,8

-0,4

-0,9

-1,1

-1,4

-1,1

-1,6

-2,4

-1,8

-0,8

-0,8

-1,1

-1,1

Calor específico por encima del punto de congelación (kJ/kg · K) -

3,85

3,72

3,68

3,61

2,82

3,75

3,95

3,95

3,75

3,82

3,82

3,58

3,45

3,51

3,35

3,35

3,68

3,65

Calor específico por debajo del punto de congelación (kJ/kg · K) -

1,97

1,92

1,90

1,88

1,95

1,93

2,00

2,00

1,93

1,95

1,95

1,86

1,81

1,84

1,78

1,78

1,90

1,89

Calor latente (kJ/kg) -

300

287

284

277

397

290

310

310

290

297

297

274

260

267

250

250

284

280

Calor de respiración (kJ/kg · día) -

12,5

9,2

7,1

13,8

12,1

9,2

9,2

9,2

9,2

6,9

12,5

11,6

11,6

16,7

2,1

2,1

9,2

9,2

a7: condicioneS

Melocotones

7 a 10

Melones

4

10 a 16

Pomelo

Mandarinas

-1 a 0

Uvas

-1 a -0,5

Cerezas

-1 a 0

13 a 15

Plátano maduro

Higos frescos

11 a 13

Plátano verde

Producto

0

-1 a 4

Temperatura de almacenamiento (ºC)

Albaricoques

Manzanas

Vida aproximada de almacenamiento FRUTAS

volver de almacenamiento

10 a 13

3 a 10

Patata temprana

Patata de cosecha

-23 a -18

7 a 10

Tomates maduros

Verduras congeladas

13 a 21

Tomates verdes

0

0

Guisantes verdes

Espinacas

0

0a1

Cebollas

Lechuga, cogollo

0

0

Apio

Puerros

0

Zanahorias

10 a 13

0

Coliflor

Pepinos

0

4a7

Judías verdes

Coles de Bruselas

0a2

Espárragos

Producto

0

Temperatura de almacenamiento (ºC)

Alcachofas

Humedad relativa (%) -

90 a 95

90 a 95

95 a 98

90 a 95

90

95

95 a 100

95 a 100

95

95

98 a 100

98 a 100

95

95 a 100

90 a 95

95 a 100

90 a 95

Vida aproximada de almacenamiento 6 a 2 meses

4 a 7 días

1 a 3 semanas

10 a 14 días

5 a 8 meses

1 semana

1 a 3 semanas

3 a 4 semanas

2 a 3 semanas

1 a 3 meses

10 a 14 días

1 a 2 meses

5 a 9 meses

2 a 4 semanas

3 a 5 semanas

7 a 10 días

2 a 3 semanas

5 meses

VERDURAS

Contenido de agua (%) -

94

93

93

78

81

74

89

95

85

96

94

88

92

85

89

93

80

Principio de congelación (ºC) -

-0,5

-0,6

-0,3

-0,7

-0,6

-0,6

-0,9

-0,2

-0,7

-0,5

-0,5

-1,4

-0,8

-0,8

-0,7

-0,6

-2,5

Calor específico por encima del punto de congelación (kJ/kg · K) -

3,98

3,95

3,95

3,45

3,55

3,31

3,82

4,02

3,68

4,05

3,98

3,78

3,92

3,68

3,82

3,95

3,47

Calor específico por debajo del punto de congelación (kJ/kg · K) -

2,02

2,00

2,00

1,81

1,85

1,76

1,95

2,03

1,90

2,04

2,02

1,94

1,99

1,90

1,95

2,00

1,84

Calor latente (kJ/kg) -

313

310

310

260

270

247

297

317

284

320

314

294

307

284

297

310

267

-

6,9

6,9

16,3

7,1

7,1

7,1

4,6

16,2

8,4

7,1

9,2

4,6

9,2

11,7

7,1

13,8

16,7

Calor de respiración (kJ/kg · día)

-1 a 1

5 a 10

Gamba

Langosta

0a2

Atún

0a1

-1 a 1

Salmón

Carne de Concha

0a1

Caballa

-29 a -18

0a1

Merluza, Pescadilla

Pescado congelado

-1 a 1

4

7 a 21

21

0a1

-29 a -26

Bacalao, Perca

Leche evaporada

Leche en polvo desnatada

Leche en polvo entera

Lecha entera

Helado (10% grasa)

4,4

Queso

Producto

-23

0

Temperatura de almacenamiento (ºC)

Mantequilla congelada

Mantequilla

Humedad relativa (%) En agua de mar

95 a 100

95 a 100

90 a 95

95 a 100

95 a 100

95 a 100

95 a 100

95 a 100

-

Baja

Baja

-

-

65

70 a 85

75 a 85

Vida aproximada de almacenamiento Indefinidamente

12 a 14 días

12 días

MARISCO

6 a 12 meses

14 días

18 días

6 a 8 días

10 días

12 días

PESCADO

24 meses

16 meses

6 a 9 meses

2 a 4 meses

3 a 23 meses

12 meses

12 meses

1 mes

LÁCTEOS

Contenido de agua (%) 72

76

80

-

70

64

65

81

81

74

3

2

87

63

39

-

16

Principio de congelación (ºC) -2,2

-2,2

-2,2

-2,2

-2,2

-2,2

-2,2

-2,2

-2,2

-1,4

-

-

-0,6

-5,6

-7,2

-

-20 a -0,6

Calor específico por encima del punto de congelación (kJ/kg · K) 3,48

3,38

3,51

3,18

2,98

2,91

3,01

3,55

3,55

3,31

0,94

0,90

3,75

2,95

2,14

-

1,37

Calor específico por debajo del punto de congelación (kJ/kg · K) 1,83

1,79

1,84

1,71

1,64

1,61

1,65

1,85

1,85

1,76

0,89

0,86

1,93

1,63

1,32

-

1,04

Calor latente (kJ/kg) 264

254

267

233

213

207

217

270

270

247

10

67

290

210

130

-

53

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

5,4

-

-

Calor de respiración (kJ/kg · día)

Producto

0a1

Ternera, magro 81%

Congelada

Selecto, magro 67%

Fresca, promedio

-23 a -18

0

0a1

0

-23 a -18

Jamón, congelado

Frankfurt

0a1

Jamón, magro 74%

-23 a -17

0a1

En canal, magro 47%

Cerdo, congelado

0a1

Cerdo fresco, promedio

-23 a -18

0a1

En canal, magro 54%

Buey, congelado

0a1

-29 a -18

5 a 10

Temperatura de almacenamiento (ºC)

Vacuno fresco, promedio

Marisco congelado

Ostra entera

Humedad relativa (%) 90 a 95

85

85 a 90

85

90 a 95

80 a 85

90 a 95

85 a 90

85 a 90

90 a 95

90

85 a 90

88 a 92

90 a 95

95 a 100

Vida aproximada de almacenamiento 8 a 12 meses

5 a 12 días

5 a 12 días

CARNE (Lanar)

1 a 3 semanas

6 a 8 meses

3 a 5 días

4 a 8 meses

3 a 5 días

3 a 7 días

CARNE (Porcino)

6 a 12 meses

1 a 7 días

1 a 3 semanas

1 a 6 semanas

CARNE (Vacuno)

6 a 12 meses

5 días

MARISCO

Contenido de agua (%) -

61

65

56

-

56

-

37

38

-

66

45

70

-

80

Principio de congelación (ºC) -

-1,9

-1,9

-1,7

-

-1,7

-

-2,5

-

-2,2

-2,5

-

-2,8

Calor específico por encima del punto de congelación (kJ/kg · K) -

2,88

3,0

2,71

-

2,71

-

2,07

2,1

-

3,05

2,34

3,2

-

3,51

Calor específico por debajo del punto de congelación (kJ/kg · K) -

1,60

1,6

1,54

-

1,54

-

1,30

1,3

-

1,66

1,40

1,7

-

1,84

Calor latente (kJ/kg) -

203

216

187

-

187

-

123

127

-

220

150

232

-

267

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Calor de respiración (kJ/kg · día)

-18

Pan

-18 o inferior

Huevos congelados, clara

2a4

-18 o inferior

Huevos congelados, yema

Cerveza, botellas, botes

-18 o inferior

Huevos congelados, enteros

2a4

-2 a 0

Huevos con cáscara

Cerveza, barril

0a1

Conejos, frescos

-2 a 0

Pato

-23 a -18

-2 a 0

Pavo, todo tipo

Aves congeladas

-2 a 0

Pollo, todo tipo

Producto

-2 a 0

Temperatura de almacenamiento (ºC)

Aves frescas, promedio

Humedad relativa (%) 65

80 a 85

90 a 95

90 a 95

95 a 100

95 a 100

95 a 100

95 a 100

Vida aproximada de almacenamiento

68

3 a 13 semanas

3 a 6 meses

3 a 8 semanas

DIVERSOS

Más de 1 año

Más de 1 año

Más de 1 año

5 a 6 meses

-

69

64

74

74

Contenido de agua (%) 34

90

90

88

55

74

66

PRODUCTOS AVÍCOLAS

1 a 5 días

CARNE (Varios)

12 meses

1 semana

1 a 4 semanas

1 a 4 semanas

1 a 4 semanas

CARNE (Aves)

Principio de congelación (ºC) -

-2,2

-2,2

-

-2,8

-2,8

-2,8

-2,8

Calor específico por encima del punto de congelación (kJ/kg · K) 1,99

-

3,85

3,78

2,68

3,31

3,05

3,11

-

3,15

2,98

3,31

3,31

Calor específico por debajo del punto de congelación (kJ/kg · K) 1,27

-

1,97

1,94

1,53

1,76

1,66

1,69

-

1,70

1,64

1,76

1,76

Calor latente (kJ/kg) 114

-

300

294

183

247

220

227

-

230

213

247

247

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Calor de respiración (kJ/kg · día)

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A8: Mapa

de zonas climáticas

bibliografía

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