lunes, 8 de octubre de 2018

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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
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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.
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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.

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