lunes, 8 de octubre de 2018

PRÁCTICAS EN REFRIGERACIÓN

Determinado de calor latente de vaporización. Por encima de este punto el gas no pasa a fase liquida a pesar de la presión.
El proceso de evaporación bajo las condiciones de presión o temperatura predeterminada, es progresivo y un punto cualquiera de él identifica porcentualmente la cantidad de líquido convertido en vapor y se define como calidad del vapor y en el gráfico podemos leer la entalpía [h] que le corresponde,
o sea la entalpía que el refrigerante tiene en ese punto. Esas líneas están dibujadas en la zona de evaporación de arriba hacia abajo y naturalmente están contenidas entre 0 (totalmente líquido) y 1 (totalmente vapor). La suma de puntos de calidad 1 corresponde a la línea de vapor saturado Por fuera de la curva de vapor, las líneas de temperatura constante están dibujadas casi verticalmente hacia arriba en la zona de líquido y casi verticalmente hacia abajo en la zona de gas sobrecalentado.
Las líneas de entropía [s] constante están dibujadas en la zona de gas sobrecalentado. En el caso de un ciclo de refrigeración, representan el proceso de compresión del refrigerante, el cual sucede isoentrópicamente.
Las líneas de volumen específico constante del gas refrigerante están indicadas en metros cúbicos por kilogramo del material [m3/kg] y están dibujadas en la zona de gas sobrecalentado. Esta información nos permite conocer las características del gas en un
punto y en particular, en el ciclo de refrigeración, para conocer el volumen o la masa manejados por el compresor.
La breve descripción del gráfico de Mollier igura IV-a] antes hecha se puede entender mejor con ejercicios de aplicación en cada caso particular,
o con ejemplos, como veremos a continuación.
8.2 Ciclo mecánico de refrigeración
En el gráfico siguiente se superponen un esquema de un sistema de refrigeración y un gráfico de Mollier para destacar la correlación que existe entre ambos cuando se identifican los procesos que se llevan a cabo en cada uno de los cuatro componentes principales de un sistema de refrigeración con los puntos característicos que identifican cada uno de los pasos en el diagrama de Mollier.

Diagrama de un ciclo básico de refrigeración.

Debemos recordar que el objeto de un proceso de refrigeración es extraer calor de los materiales:
alimentos, bebidas, gases y de cualquier otro material que deseemos enfriar, valiéndonos de los principios de la física como del conocimiento del ingenio humano sobre el comportamiento de los fluidos y materiales desarrollados durante el avance de la tecnología. 
Como su nombre, ciclo, lo indica, se trata de un proceso cerrado en el cual no hay pérdida de materia y todas las condiciones se repiten indefinidamente.
Dentro del ciclo de refrigeración y basado en la presión de operación se puede dividir el sistema en dos partes:

• Lado de alta presión: parte del sistema que esta bajo la presión del condensador.
• Lado de baja presión: parte del sistema que esta bajo la presión del evaporador.
El proceso básico del ciclo consta de cuatro elementos.
8.2.1 Lado de alta presión
Compresor: (1-2) comprime el refrigerante en forma de gas sobrecalentado. Este es un proceso a entropía constante y lleva el gas sobrecalentado de la presión de succión (ligeramente por debajo de la presión de evaporación) a la presión de condensación,
en condiciones de gas sobrecalentado.
Condensador: (3-4) extrae el calor del refrigerante por medios naturales o artificiales (forzado). El refrigerante es recibido por el condensador en forma de gas y es enfriado al pasar por los tubos hasta convertir toda la masa refrigerante en líquido; su diseño debe garantizar el cumplimiento de este proceso, de lo contrario se presentarán problemas de funcionamiento.
Para condensadores enfriados por aire, puede decirse que la temperatura del refrigerante en un condensador debe estar 15K por encima de la temperatura promedio del aire alrededor de este (temperatura del condensador = temperatura ambiente + 15ºC).
Dispositivo de expansión: (5-6) es el elemento que estrangula el flujo del líquido refrigerante para producir una caída súbita de presión obligando al líquido a entrar en evaporación. Puede ser una válvula de expansión o un tubo de diámetro muy pequeño en relación a su longitud [capilar].
8.2.2 Lado de baja presión Evaporador: (6-7) suministra calor al vapor del refrigerante que se encuentra en condiciones de cambio de estado de líquido a gas, extrayendo dicho calor de los productos o del medio que se desea refrigerar.
El evaporador debe ser calculado para que garantice la evaporación total del refrigerante y producir un ligero sobrecalentamiento del gas antes de salir de él, evitando el peligroso efecto de entrada de líquido al compresor, que puede observarse como presencia de escarcha en la succión, lo cual prácticamente representa una condición que tarde o temprano provocará su falla.
Cumpliendo el ciclo, el sistema se cierra nuevamente al succionar el refrigerante el compresor en condiciones de gas sobrecalentado.
8.2.3 Otros dispositivos
Adicionalmente, usualmente se insertan a ambos lados de presión (alta/Baja) en el sistema, con fines de seguridad y de control, varios dispositivos como son:
Filtro secador: su propósito es retener la humedad residual contenida en el refrigerante y al mismo tiempo filtrar las partículas sólidas tanto de metales como cualquier otro material que circule en el sistema. Normalmente se coloca después del condensador y antes de la entrada del sistema de expansión del líquido. La selección del tamaño adecuado es importante para que retenga toda la humedad remanente, después de una buena limpieza y evacuación del sistema.
Visor de líquido: su propósito es el de supervisar el estado del refrigerante (líquido) antes de entrar al dispositivo de expansión. Al mismo tiempo permite ver el grado de sequedad del refrigerante.
Separador de aceite: como su nombre lo indica,retiene el exceso de aceite que es bombeado por el compresor con el gas como consecuencia de su miscibilidad y desde allí lo retorna al compresor directamente, sin que circule por el resto del circuito de refrigeración.
Solo se lo emplea en sistemas de ciertas dimensiones, Existen otros dispositivos que han sido desarrollados para mejorar la eficiencia del ciclo de refrigeración, tanto en la capacidad de enfriamiento (subenfriamiento),como en el funcionamiento (control de ecualización);o para proteger el compresor como es el caso de los presostatos de alta y baja que bloquean el arranque del compresor bajo condiciones de presiones en exceso o en defecto del rango permitido de operación segura, e impiden que el compresor trabaje en sobrecarga o en vacío y los filtros de limpieza colocados en la línea de succión del compresor en aquellos casos en que se sospeche que el sistema pueda tener vestigios
no detectados de contaminantes.
Relación entre el ciclo de refrigeración mecánica y el gráfico de Mollier, Es importante recordar que el gráfico de Mollier indica en el eje horizontal (o abcisa) la variación de la
entalpía y en el eje vertical (u ordenada), la variación de la presión absoluta. En el ciclo de refrigeración ilustrado se ha presentado al mismo tiempo el ciclo teórico y el ciclo real. Allí, al analizar con atención podemos observar y visualizar todos los pasos que ocurren dentro del sistema de refrigeración, así:
Arrancamos el proceso desde el punto 1 representado en la figura. Involucra el proceso [1-2] correspondiente al trabajo introducido por el compresor que lleva el gas del punto 1 al 2 transcurriendo a entropía constante. El refrigerante sale en forma de gas sobrecalentado y va perdiendo calor rápidamente (de 2 a 3), a presión aproximadamente constante.
Luego dentro del condensador, bien sea por medios naturales (convección natural) o por ventilación forzada,se extrae el calor del refrigerante (de 3 a 4), proceso que transcurre a presión y temperatura constantes.
Allí, el refrigerante pasa de ser vapor saturado seco (gas), en el punto 3, a líquido o vapor saturado húmedo en el punto 4 y aproximadamente una vuelta antes de la salida del condensador. En la última parte del condensador, que corresponde al segmento [4-5], el
refrigerante en forma de líquido experimenta un enfriamiento adicional (tendiendo a la temperatura ambiente) y menor que la temperatura de condensación; denominando a esta parte zona de subenfriamiento.
Los procesos descriptos hasta ahora están dentro de lo que se definió como lado de alta presión del sistema.
Luego de estar en el punto [5], se inicia una caída súbita de presión que ocurre en el dispositivo de expansión, correspondiendo a los puntos [5-6]. Este es un proceso adiabático, es decir que sucede a entalpía constante. Podemos observar que la salida del vapor en el punto 6 no corresponde con la línea de líquido saturado sino que se presenta como una mezcla de vapor con baja calidad (Baja sequedad).
En ese punto se inicia el recorrido del vapor por el evaporador entre los puntos 6 y 7, tomando el calor que necesita para completar la evaporación a presión y temperatura constantes y es en este proceso cuando se realiza el efecto de refrigeración, o lo que es igual el enfriamiento de las superficies que están en contacto con el evaporador. Antes de salir del evaporador (algunas vueltas) el refrigerante ha llegado a condiciones de saturado seco (gas) en 7 y sigue calentándose hasta llegar a la succión del compresor de 7 a 1, nuevamente a presión aproximadamente constante. Este sobrecalentamiento nos permite asegurar que el refrigerante será aspirado siempre como gas. Esta parte del sistema es lo que se conoce como lado de baja presión del sistema.
En ocasiones se aprovecha la baja temperatura, a través de una disposición de las tuberías de retorno de gas al compresor y el dispositivo de expansión (en caso de que este sea un tubo capilar), dispuestas en contacto directo, en forma de intercambiador de calor, para subenfriar el refrigerante después de la salida del condensador, permitiendo ganar rendimiento del evaporador equivalente al segmento [4-5].
Adicionalmente, el profesional que analiza el diagrama de Mollier podrá calcular para cualquier ciclo diseñado, la cantidad de calor que debe ser manejado en él y seleccionar el equipamiento necesario (compresor,
condensador, válvula de expansión, evaporador) según la masa de refrigerante a circular por el sistema.
8.4 Herramientas computacionales para el cálculo de sistemas de refrigeración
Se recomienda a los profesionales de la refrigeración que aún no estén familiarizados con la navegación en Internet, que adquieran las habilidades necesarias para hacerlo, pues en Internet se publican informaciones valiosas que deben ser
tenidas en cuenta para mejorar los procedimientos
empleados en servicios y se obtiene información
actualizada sobre las características y principios de
funcionamiento de gran cantidad de dispositivos y sistemas
que pueden serle de valiosa ayuda en su trabajo.
Debido a la complejidad de los cálculos para un
sistema de refrigeración o para el acondicionamiento
de ambientes, aunado a la tendencia y necesidad de
orden mundial cada vez mayor, de ser eficientes
energéticamente hablando, se han desarrollado un
gran número de herramientas computacionales (software)
para la asistencia en el diseño de estos sistemas.
La Universidad Técnica de Dinamarca, por
ejemplo, ha desarrollado un programa de cálculo de
sistemas de refrigeración que cubre diversos aspectos
de diseño y aplicaciones, de libre acceso, que resulta
ser una herramienta de gran utilidad para explicar
los diversos fenómenos que se llevan a cabo en un
sistema de refrigeración. También resulta de utilidad
práctica como guía para el cálculo efectivo de sistemas
y la toma de decisiones en el diseño. El idioma
empleado es el inglés. La dirección de Internet [URL]
en la WWW [World Wide Web] es:
http://www.et.web.mek.dtu.dk/Coolpack/UK/download.html


1


Termodinámica
La termodinámica estudia cuestiones eminentemente
prácticas. Considera un sistema perfectamente
definido (el gas contenido en un cilindro, una cantidad
de determinada sustancia, por ejemplo vapor de
un gas refrigerante que se expande al pasar por un
orificio, etc.), el cual es obligado a actuar directamente
sobre el medio exterior y realizar, mediante la
generación de fuerzas que producen movimientos,
una acción útil. No toma en consideración los procesos
internos de la materia que no afectan al medio
circundante y que no tienen utilidad práctica o ser
medidos, por ejemplo la acción intermolecular o
entre los electrones interactuando entre sí que solo
originan trabajo interno.
Primer principio de la termodinámica
Trabajo y calor en ciclo cerrado: si consideramos
dos estados posibles [U1] y [U2] de energía interna de
una sustancia (un gas refrigerante), definidos por: una
presión, una temperatura y un volumen, p1, t1, v1 y
p2, t2, v2; confinada en un sistema cerrado, compuesto
de dos serpentines [A] y [B], separados por un
compresor y un orificio de restricción del flujo,
conectados a ambos de manera que la sustancia pase
del serpentín [A] al [B] por el compresor y del [B] al
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[A] por el orificio, cerrando un circuito; para que
haya un cambio desde uno de estos estados, [U1] al
otro, [U2] hay que realizar un trabajo [W] sobre él,
para lo cual empleamos el compresor, enviando la
sustancia hacia el serpentín [B], donde adopta la
condición de estado definida por p2, t2, v2. Posteriormente
se lo devuelve al estado inicial [U1], permitiéndole
perder presión hasta el valor inicial
haciéndole pasar por el orificio desde el serpentín [B]
al serpentín [A], donde alcanza el estado definido
por p1, t1, v1. La expansión del gas produce un efecto
refrigerante que necesita absorber calor [Q].
En el proceso descrito vemos que hemos pasado
de una condición de estado a otra mediante el aporte
de trabajo mecánico [W] y hemos vuelto a la condición
de estado primitiva, no por vía de trabajo
mecánico, sino por absorción de calor [Q].
Se puede hacer la siguiente afirmación, expresada
en forma matemática:
U2 - U1 = Q - W
Despejando [Q]:
Q = U2 - U1 + W
Conocida como la expresión del primer principio
de la termodinámica: "La variación de la energía
interna de una sustancia no depende de la manera
en que se efectúe el cambio [la trayectoria del trabajo]
por el cual se haya logrado esa variación".
Es el principio fundamental en que se basa la
refrigeración y en la práctica significa que es imposible
crear o destruir energía, también enunciado
como: "nada se pierde, nada se gana, todo se
transforma".
Segundo principio de la termodinámica
El segundo principio de la termodinámica
establece que "es imposible construir un motor o
máquina térmica tal que, funcionando periódicamente,
no produzca otro efecto que el de tomar
calor de un foco calorífico y convertir íntegramente
este calor en trabajo".
Aplicado a máquinas frigoríficas, las cuales
pueden ser consideradas como motores térmicos funcionando
en sentido inverso, podemos establecer un
enunciado aplicable a estas: "es imposible construir
una máquina frigorífica que, funcionando periódicamente
(según un ciclo), no produzca otro efecto
que transmitir calor de un cuerpo frío a otro caliente."
Una máquina frigorífica toma calor [Q1] a baja
temperatura, el compresor suministra trabajo mecánico
[W] y la suma de ambos se expulsa al exterior en
forma de calor [Q2] a temperatura más alta.
Del primer principio, esto se expresa:
Q2 = Q1 + W
Esto significa que el serpentín que se emplea para
enfriar el gas (el condensador) debe manejar (entregar
al medio externo de intercambio (aire o agua) la
suma del trabajo realizado por el compresor, además
del calor extraído de la máquina frigorífica.
La búsqueda de la eficiencia es una meta principal
en refrigeración y para medirla definimos la
relación entre trabajo consumido [W] y calor extraído
[Q1], como:
Q1/W
Y como W = Q2 - Q1, la expresión para la eficiencia
térmica queda:
Q1
Eficiencia =
Q2 - Q1
El coeficiente de desempeño se usa para definir
la eficiencia de un compresor. Se lo expresa como la
relación entre la cantidad de calor que el compresor
puede absorber, bajo condiciones de funcionamiento
normalizadas, y la potencia eléctrica suministrada a
este para tal fin. Las unidades empleadas son:
[Btu/Wh] o Kcah/kwh].
A mayor capacidad de un compresor, aumenta
este valor por cuanto los componentes intrínsecos
que consumen energía, tales como fricción, pérdidas
de carga, etc. son proporcionalmente menores, así,
en pequeños compresores empleados en refrigeración
doméstica este valor es del orden de 4 ~ 5
Btu/Wh, en tanto que en compresores de mayores
capacidades, estos valores son típicamente de
10 ~12 Btu/Wh.
Calor específico: es numéricamente igual a la
cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad
de masa de una sustancia para incrementar su temperatura
en un grado. Las sustancias difieren entre sí
en la cantidad de calor necesaria para producir una
elevación determinada de temperatura sobre una
masa dada. Si suministramos a un cuerpo una cantidad
de calor, que llamaremos Q, que le produce una
elevación t de su temperatura, llamamos capacidad
calorífica de ese cuerpo a la relación Q/ t y se
expresa ordinariamente en calorías por grado centígrado
[cal/ºC] o en British Thermal Units por grado
Fahrenheit [Btu/F]. Para obtener una cifra que
caracterice a la sustancia de que está hecho un cuerpo,
se define la capacidad calorífica específica, o abreviadamente
calor específico, a la capacidad calorífica
por unidad de masa de esa sustancia y lo denominamos
c =capacidad calorífica/masa = Q/ t/m =
Q/ t.m
El calor específico de una sustancia puede considerarse
constante a temperaturas ordinarias y en
CAPÍTULO III:
REFRIGERACION
MANUAL DE BUENAS
PRÁCTICAS EN
REFRIGERACIÓN
22
intervalos no demasiado grandes. A temperaturas
muy bajas, próximas al cero absoluto, todos los
calores específicos disminuyen, y para ciertas sustancias
se aproximan a cero.
Calor latente de vaporización: es el calor en
BTU [KCAL] requerido para llevar 1 libra [1 kilogramo]
de un fluido, de estado líquido a gaseoso en
estado de saturación a presión constante. Este valor
desciende inversamente con el cambio de presión. La
temperatura se mantiene constante durante todo el
proceso de cambio.
Calor latente de fusión: es el calor necesario en
BTU [KCAL] necesario para cambiar 1 libra [1kilogramo]
de una sustancia de estado sólido a líquido.
La temperatura se mantiene constante durante el
proceso.
Energía térmica - Formas de transmisión
La energía térmica se puede transmitir como
calor de tres maneras:
Radiación: es la transmisión de energía cinética
interna en forma de emisión de ondas electromagnéticas
de un cuerpo a otro (no necesita medio sólido
ni fluido).
Conducción: se efectúa en sólidos y se entiende
como la transferencia de energía cinética como
vibración molecular.
Convección: es la transferencia de energía térmica
por el movimiento de masa.
Se han enunciado solamente algunos de los principios
termodinámicos que los técnicos de refrigeración
deben reconocer y aplicar en sus actividades
cotidianas; pero es necesario profundizar en su
conocimiento y en el de todos los fenómenos físicos
que se producen en un sistema de refrigeración. Se
recomienda que los técnicos adquieran estos
conocimientos en cursos especializados.
6 Propiedades de los gases
Para comprender bien un sistema de refrigeración
es necesario conocer las propiedades fundamentales
de los gases refrigerantes empleados.
Las propiedades de presión, temperatura y volumen
se dan por conocidos. Otras propiedades termodinámicas
definidas son:
• Energía interna: está identificada como U y se
expresa como BTU/libra, o Kcal/kg. Es producida
por el movimiento y configuración de
las moléculas, los átomos y las partículas subatómicas.
La parte de energía producida por el
movimiento de las moléculas es llamada energía
sensible interna y se mide con el termómetro y
la energía producida por la configuración de
los átomos en las moléculas es denominado
calor latente y no se puede medir con termómetro.
• Entalpía: está identificada como una h y se
expresa en BTU/libra, o Kcal/kg. Es el resultado
de la suma de la energía interna U y el
calor equivalente al trabajo hecho sobre el sistema
en caso de haber flujo. En estado estacionario
es igual al calor total contenido o Q.
• Entropía: está identificada como S y se expresa
en BTU/ºF*libra o Kcal/ºC*kg. El cambio de
entropía es igual al cambio de contenido de
calor dividido por la temperatura absoluta Tk.
7 Cambio de estado
de los gases
Los cambios termodinámicos de un estado a otro
tienen lugar de varias maneras, que se denominan
procesos:
• Adiabático: es aquel en el cual no hay entrada
ni salida de calor. El proceso de expansión
de un gas comprimido se entiende como adiabático
porque se efectúa muy rápido.
• Isotérmico: el cambio se efectúa a temperatura
constante durante todo el proceso.
• Isoentrópico: el cambio se efectúa a entropía
constante.
• Politrópico: el cambio se efectúa según una
ecuación exponencial.
8 Gráfico de Mollier
Todos los gases refrigerantes tienen tabuladas sus
propiedades en función de la temperatura, presión y
volumen. Además se han diseñado herramientas de
ayuda para facilitar el entendimiento y cálculo del
comportamiento de ellos durante los cambios de
estado o en cualquier condición que se encuentren.
Para ello es necesario conocer la Presión o la
temperatura si el gas está en cambio de fase, o conocer
presión y temperatura si es un gas sobrecalentado.
El gráfico de Mollier es una ayuda de gran valor
tanto para calcular como para visualizar un proceso
y o analizar un problema en cualquier equipo que se
esté diagnosticando.
Aquí es importante destacar que de la comparación
entre gráficos de distintos gases, permite apreciar
las diferencias de presiones y temperaturas de
operación que se lograrán en un mismo sistema si se
efectúa una sustitución de refrigerante y las consecuencias
en cuanto a seguridad, pérdida o ganancia
de eficiencia y logro de la temperatura de trabajo
deseada.
23
8.1 Análisis del gráfico
El gráfico tiene en su ordenada la presión absoluta
[en psia o en Kg/cm2 absolutos] a escala logarítmica
y en la coordenada o abcisa, la entalpía en
BTU/lbm o en Kcal/kgm a escala lineal.
Ahora bien, en este gráfico encontramos tres
zonas bien definidas:
• Zona de líquido.
• Zona de vapor (o cambio de estado de líquido
a gas en la ebullición).
• Zona de gas.
La línea izquierda de la curva indica el inicio de
la evaporación y se denomina línea de líquido saturado.
En este punto se inicia la evaporación del líquido (en
nuestro caso del refrigerante) y varía según la presión
y la temperatura.
La zona de vapor indica el paso de líquido a gas
y ocurre a presión y temperatura constante, hasta que
todo el fluido se haya evaporado. Por consiguiente,
durante este proceso vemos que la cantidad de líquido
va disminuyendo mientras que el vapor va aumentando,
cambiando solamente la entalpía.
La línea derecha de la curva indica el fin de la
evaporación, se denomina línea de vapor saturado y
en este punto se inicia el proceso denominado de
recalentamiento y por lo tanto todo el gas es sobrecalentado.
Después de esa línea todo el fluido o
refrigerante poseerá otras condiciones que dependen
de la temperatura y la presión.
El punto de unión de las líneas de líquido saturado
y de vapor saturado se denomina punto crítico y en
él, tanto la temperatura como la presión se denominan
temperatura crítica y presión crítica respectivamente.
En este punto el refrigerante puede estar
como líquido o como vapor y no tiene un valor
Gráfico de Mollier.