MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO.

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1 404. ENFRIAMIENTO MECÁNICO MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO. Antiguo sistema de aire acondicionado en Egipto A.C Primera Máquina centrífuga de aire acondicionado Carrier para uso industrial en procesos de hilado o papel. Willis Haviland Carrier MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN DE UN SÓLIDO. ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN DE UN LÍQUIDO. ENFRIAMIENTO POR COMPRESIÓN DE VAPOR (ENFRIAMIENTO MÉCANICO). ENFRIAMIENTO POR ABSORCIÓN. 1

2 ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN Bloque de hielo posee un calor específico de 0.5 BTU/lb-ºF se encuentra a 32.2ºF en condición saturada. Al absorber calor, el hielo se derrite y se forma una mezcla de hielo y agua en condición saturada a 32.2ºF. Mientras el hielo se derrita, la temperatura del agua y el hielo se mantendrán constantes. ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN Históricamente, fue la primer forma de enfriamiento desarrollada por el hombre. Se aprovechaba el hielo de las montañas o el congelado de lagos en el invierno, almacenándolo en cuartos fríos o en agujeros rellenos de paja. Luego el hielo se iba utilizando mientras duraran las existencias. 2

3 ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN Para evitar que el agua saturada acelere la licuefacción del hielo, se debe drenar y desechar al ambiente. Se requiere reemplazar el hielo cada vez que se derrita y la temperatura de absorción no puede cambiarse para otras aplicaciones. Se utiliza en la actualidad para enfriar bebidas, en hieleras y como baterías de frío para almacenar calor. ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN Las desventajas más importantes de este método son: Se requiere suministro continuo de hielo. Se no se logra las temperatura que uno desee, sino la que normalmente el hielo provee (0 C). A medida que el hielo se derrite, hay menos superficie del bloque que se puede utilizar, por lo que absorbe calor más lentamente. ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN 3

4 ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN Recipiente destapado con agua a 21 C (70 F) y rodeado de aire a 1 atmósfera de presión (14.7 psi) se encontrará en estado líquido (el agua ebulle a 212 F a P atm ). La velocidad molecular promedio del agua no es lo suficientemente alta para que sus moléculas escapen con rapidez. Sin embargo, algunas moléculas pueden tener una velocidad mayor a la promedio. ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN Las moléculas cercanas a la superficie con la velocidad suficiente podrán escapar por evaporación lenta. El resto tendrán una velocidad promedio más baja y por lo tanto, una temperatura menor. Esto ha producido un ligero efecto de enfriamiento en el líquido. Las moléculas cercanas a la superficie con la velocidad suficiente podrán escapar por evaporación lenta. ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN El resto tendrán una velocidad promedio más baja y por lo tanto, una temperatura menor. Esto ha producido un ligero efecto de enfriamiento en el líquido. 4

5 ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN Cuál es la presión de saturación del R-22 a 80 F? Cuál será la temperatura de ebullición del R-22 a 250 psia? Cuando el R-22 pasa por el orificio A-B, a qué presión se reducirá y que temperatura tendrá? 250 psi A B C CALOR Presión C 250 psi CALOR A B A medida el refrigerante para por el tubo largo en forma de serpentín, absorbe calor de los alrededores. ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN Este método se usaba realmente a principios del siglo XX. Las desventajas son: Requiere reponer el refrigerante ($$$). No se tiene control de la temperatura de salida del refrigerante. 250 psi A B C CALOR 5

6 Presión psia 250 Mezcla Líquido-vapor 14.7 H inicial Entalpia H final ENFRIAMIENTO MECÁNICO POR COMPRESIÓN DE VAPOR ENFRIAMIENTO MECÁNICO POR COMPRESIÓN DE VAPOR Si lográramos que el vapor refrigerante no escapara a la atmósfera y lo regresáramos a su estado líquido, el proceso de enfriamiento se puede volver un ciclo. Esto se logra comprimiendo el vapor, enfriándolo hasta condensarlo en líquido y regresarlo al dispositivo de expansión. 6

7 Presión psia 250 Mezcla Líquido-vapor 14.7 H inicial Entalpia H final CICLO TERMODINÁMICO condensador A D Dispositivo de expansión compresor B evaporador C PROCESO A-B. EXPANSIÓN A D CONDENSACIÓN D- A C-D COMPRESIÓN A-B EXPANSIÓN B EVAPORACIÓN B-C C 7

8 PROCESO B-C. EVAPORACIÓN A D CONDENSACIÓN D- A C-D COMPRESIÓN A-B EXPANSIÓN B EVAPORACIÓN B-C C PROCESO C-D. COMPRESIÓN A D CONDENSACIÓN D- A C-D COMPRESIÓN A-B EXPANSIÓN B EVAPORACIÓN B-C C PROCESO D-A. CONDENSACIÓN A D CONDENSACIÓN D- A C-D COMPRESIÓN A-B EXPANSIÓN B EVAPORACIÓN B-C C 8

9 La tonelada de refrigeración TR Para poder medir la potencia de enfriamiento o capacidad de remover calor de un sistema de refrigeración o de aire acondicionado, se utilizan unidades de KW y KWH. Sin embargo, existe una medida aún en uso en el país llamada la tonelada de refrigeración. Esto equivale a la cantidad de calor que una tonelada de hielo puede absorber en un tiempo determinado. El equivalencia es de 12,000 BTU/h por TR COMPONENTES DEL SISTEMA Los componentes básicos para realizar el ciclo de refrigeración son: El dispositivo de expansión. El evaporador. El compresor. El condensador. Pueden existir otros dispositivos auxiliares como: Un acumulador del líquido condensado, tuberías para el flujo del refrigerante, válvulas de control o mantenimiento, etc. El dispositivo de expansión El dispositivo de control de flujo debe realizar dos funciones: Regular el flujo del refrigerante líquido que se alimenta al evaporador, según sea la demanda. Crear una caída de presión desde el lado de alta al lado de baja del sistema. 9

10 El Evaporador El Evaporador Es un intercambiador de calor y su objetivo es proveer de una transferencia continua y eficiente de calor del medio a enfriar al refrigerante. La sustancia a enfriar puede ser sólida, líquida o gaseoso (normalmente es agua o aire). El Evaporador Los más comunes son hechos de tubos por los que fluye el refrigerante mientras que el aire a enfriar pasa por el exterior, a estos se les llama serpentines y constituyen la superficie de trasferencia de calor. Pueden se con aletas o sin aletas. De convección natural o Forzada. Expansión seca o inundados. Enfriador de aire o agua (líquidos). 10

11 Evaporador con aletas y sin aletas Evaporador convección natural o Forzada En la convección natural, el aire se mueve dentro del recinto por la diferencia de densidad que tiene el aire frío y el caliente. En la convección forzada, se utilizan ventiladores para crear el movimiento. Evaporador Expansión Seca Son más baratos y fáciles de fabricar, pero obligatoriamente deben tener un sobrecalentamiento en la salida para prevenir que líquido llegue al compresor y lo rompa. 11

12 Evaporador Inundado Son mas eficientes porque no requieren sobrecalentamiento y aprovechan más la superficie del evaporador. Son de mayor costo. Enfriadores de aire o agua Las aplicaciones convencionales enfrían aire para que por medio de su movimiento, se enfríe el espacio refrigerado o acondicionado. Cuando el fluido a enfriar es agua, el evaporador recibe el nombre de enfriador de agua o cooler. Problemas típicos Escarcha en los serpentines. Taponamiento por suciedad. Rebalse del drenaje del evaporador. 12

13 El Compresor Es el corazón del sistema. Se encarga de producir la diferencia de presiones y el flujo de refrigerante en las tuberías. En cuanto a costos, el compresor constituye un poco más del 50% del valor inicial total del equipo y aproximadamente un 95% del consumo de potencia de funcionamiento. Funcionamiento El compresor aspira o succiona el refrigerante del evaporador y luego lo comprime para incrementar su presión y su temperatura. Para evaluar la operación de los compresores se define la presión de succión saturada (TSS) que compara cual sería la temperatura de saturación del refrigerante a la presión de succión. Temperatura de succión saturadas TSS La TSS no será la temperatura real en la succión del compresor. La temperatura real se mide con el termómetro y la diferencia entre estas temperaturas será aproximadamente de 5.5 a 8 C (10 a 15 F). Los fabricantes hacen referencia a sus equipos en base a la TSS. 13

14 Tipos de compresores Por su forma de operar pueden ser: Dinámicos o centrífugos. Desplazamiento positivo: Reciprocante. Rotativo. Tornillo. Espiral o scroll. Compresores Dinámicos Compresores Dinámicos Mejor conocidos como compresores Centrífugos. Son similares a las bombas centrífugas de agua y funcionan proporcionando velocidad al vapor refrigerante para aumentar su energía cinética y su presión. Poseen muy pocas partes móviles, por lo que son menos propensos a fallas mecánicas que los otros tipos de compresores. Generan grandes cargas de enfriamiento con equipos de menores dimensiones. 14

15 Centrífugos COSTO ELEVADO Y REQUIERE POCO ESPACIO. SE USAN EN APLICACIONES DE GRAN TAMAÑO. DE MUY ALTA EFICIENCIA Y RELATIVAMENTE SILENCIOSOS SE UTILIZAN MUCHO EN EL ENFRIAMIENTO DE LÍQUIDOS EN CICLOS SATURADOS Centrífugos DESCARGA SUCCIÓ N ÁLABES DIREC CIÓN IMPULSOR Compresores Reciprocantes 15

16 Compresores Reciprocantes Son los más baratos en sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Funcionan con un juego de pistones y cilindros similares a los motores de combustión interna. Se clasifican en tres grupos: a) herméticos b) semiherméticos c) abiertos Compresores Reciprocantes Poseen muchas más piezas, por lo que están más propensos a las fallas mecánicas. La lubricación se vuelve crítica. Equipos de 5 HP o más requieren bombas de aceite. Compresores Herméticos Son compactos y de poco tamaño, pero al ser sellados, no pueden repararse y se consideran desechables. 16

17 Compresores Herméticos En ellos el motor que mueve al compresor se encuentra alojado en la misma carcasa y el refrigerante aspirado sirve para su enfriamiento Su principal aplicación es la refrigeración doméstica y comercial en pequeña escala debido a su bajo costo. También en aire acondicionado se utilizan en equipos de bajo costo y eficiencia. Compresores Herméticos 17

18 Compresores Semiherméticos La diferencia radica en que estos compresores pueden abrirse y desarmarse en ciertos lugares destinados al mantenimiento, lo que permite su reparación y cambio de piezas en caso de falla o desgaste. Son muy utilizados en el campo de la refrigeración comercial de cuartos fríos y en la refrigeración industrial. 18

19 Compresores reciprocantes con válvula tipo disco Son los compresores de refrigeración más eficientes Se utilizan en aplicaciones de potencia hasta 40HP. El plato de válvulas esta diseñado para reducir la reexpansión del refrigerante a presión alta. Comparación entre las válvulas de compresores reciprocantes Convencional válvula de disco Compresores Semiherméticos con válvula de disco. 19

20 Compresores Abiertos El motor y el compresor son dos partes separadas y un sello especializado se encarga que no exista fuga de refrigerante o lubricante en el acoplamiento entre ejes. Estos se encuentran casi en desuso y han ido siendo sustituidos por los semiherméticos. Poseen la ventaja de no sufrir contaminación en caso de daño del motor por recalentamiento y no destinan parte de su capacidad para enfriar el devanado del motor. Compresores Abiertos 1) Pistón 2) Bomba de aceite 3) Carcaza 4) Anillos de compresión 5) Buje 6) Polea 7) Plato de válvulas 8) Sello estanco mecánico Compresores Abiertos Pueden ser de acople directo (coupling) o de acople por poleas y fajas. Este último acople permite modificar la velocidad del compresor modificando el diámetro de la polea. 20

21 Compresores Abiertos Funcionamiento Aspira vapor baja presión y frío Funciona al empujar un pistón dentro de un cilindro Descarga vapor a alta presión y temperatur a El espacio entre pistón y válvulas debe ser lo más pequeño posible. Pérdida de eficiencia por existencia del claro del cilindro. Debido a que el gas (1) entra por medio de válvulas al cilindro (2), se debe dejar un espacio para prevenir que el pistón las golpee en su carrera de descarga. 21

22 Pérdida de eficiencia por existencia del claro del cilindro. Esto crea un claro (3) que atrapa gas a alta presión al finalizar la descarga. Cuando empieza la carrera de succión, el gas primero debe reexpandirse hasta alcanzar la presión de succión. Pérdida de eficiencia por existencia del claro del cilindro. El espacio ocupado por el gas reexpandido le resta espacio al gas entrante, por lo que se considera una pérdida del volumen aspirado. A esto se le llama eficiencia volumétrica. Eficiencia Volumétrica Depende de varios factores, pero entre las principales están: La diferencia de presiones entre succión y descarga. La diferencia de temperaturas de condensación y succión. El tipo de compresor. En los compresores reciprocantes, la eficiencia ronda entre el 75% y el 85%. En los compresores reciprocantes tipo válvula de disco ronda entre los 95% y 99%. 22

23 Compresor Rotativo. Compresor Rotativo. Son muy silenciosos y costo relativamente bajo. Son de muy poca potencia por lo que no se solo se utiliza en equipos de aire acondicionado residenciales de hasta 2 toneladas de refrigeración. Su eficiencia volumétrica es arriba del 90%. Funcionamiento 23

24 Compresores de tornillo Compresores de tornillo Son de alto costo y elevada eficiencia. Pueden manejar cargas parciales. Esto reduce el consumo total de energía. Solo se utilizan en aplicaciones de gran tamaño (arriba de 70 toneladas de capacidad). Funcionamiento 24

25 Compresores Scroll Compresor tipo SCROLL UTILIZAN UNA ESPIRAL DE MOVIMIENTO CONTINUO QUE COMPRIME EL GAS AL REDUCIR GRADUALMENTE SU VOLUMEN. MUY EFICIENTES Y SILENCIOSOS. APROXIMADAMENTE 3 VECES MENOS RUIDOSOS QUE UN RECIPROCANTE. SU COSTO ES MAYOR A LOS RECIPROCANTES HERMÉTICOS POSEEN MENOS PARTES MÓVILES, POR LO QUE SON MENOS PROPENSOS A FALLAS. Compresor tipo SCROLL Los compresores tipo scroll son lo más reciente en tecnología de compresores. Son de costo accesible (de un 20% a un 30% mayor que los reciprocantes). Eficiencias volumétricas arriba del 95%. Han reemplazado al reciprocante en las aplicaciones de mercado comercial e industrial de aire acondicionado y en algunas de refrigeración. 25

26 Funcionamiento TABLAS Y CATÁLOGOS DE EQUIPOS El condensador 26

27 El condensador La misión del condensador es remover calor del evaporador y el calor de compresión para condensar el refrigerante a su estado líquido. Pueden ser de similar construcción a los evaporadores, pero se reconocen por tener un mayor tamaño. Los condensadores remueven calor sensible y latente y se diseñan sobredimensionados para brindar subenfriamiento al líquido. El condensador Pueden ser: Enfriados por agua: El refrigerante se enfría con un flujo de agua, que puede ser a su vez enfriado por otros medios, como: Torres de enfriamiento. Estanques de evaporación. El condensador Pueden ser: Enfriados por aire: Se utiliza aire a temperatura ambiente. Convección natural. Convección forzada. Son menos eficientes que los enfriados por agua, pero más baratos. Son los más usados a nivel residencial y comercial. 27

28 El condensador Pueden ser: Evaporativos: Es una combinación de enfriado por agua y aire, ya que aprovecha el efecto de enfriamiento al evaporar agua en un flujo de aire. Son de muy buena eficiencia, pero caros tanto en compra como en mantenimiento. Unidades condensadoras Cuando un condensador y un compresor se ensamblan en fábrica como un solo equipo, se le denomina unidad condensadoras. Normalmente incluye también los accesorios eléctricos y mecánicos para operar juntos y las válvulas o tuberías para acoplar en el campo el evaporador. 28

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