el calor cedido al medio disipante (generalmente el aire ambiente o agua) i W el trabajo necesario para que funcione el sistema.

Transcripción

1 Capítulo 1 Métodos frigoríficos 1. Introducción La refrigeración consiste en la extracción de calor de una sustancia que deseamos mantener a una temperatura inferior a la del medio ambiente. Para ello será necesario poner en contacto la sustancia, directa o indirectamente, con otra que esté a menor temperatura. Si no disponemos de una fuente fría permanente es esencial la obtención previa de esta sustancia a menor temperatura que la que deseamos refrigerar. Obsérvese que este proceso implica: a) una extracción de calor a la carga, b) una segunda extracción de calor de la sustancia refrigerante para mantener sus propiedades como tal que se hace de forma forzada puesto que no disponemos de otra fuente fría a más baja temperatura. Deberá extraerse calor al sistema de baja temperatura, y enviarlo a otro sistema de más temperatura. En la gura 1.1 se ha representado un esquema de este proceso. Es evidente que deberemos aplicar trabajo para invertir el proceso natural y este trabajo deberá proporcionarse mediante un proceso cíclico para que sea viable de forma práctica. En la gura Q E representa el calor extraído a la carga, Q C el calor cedido al medio disipante (generalmente el aire ambiente o agua) i W el trabajo necesario para que funcione el sistema. Depósito caliente (condensador) Q c M W Q E Depósito frío (Evaporador) Figura 1.1 Esquema general del proceso de refrigeración 1

2 Manual técnico de refrigerantes Ha llegado el momento de matizar algunos conceptos [4]: Agente frigorí co. Es la sustancia que enfría la carga. Puede ser sólido o uido. Si se trata de un uido recibe el nombre de uido frigorí co o refrigerante. Bomba de calor. No todo el mundo está de acuerdo en la de nición. Algunos llaman bomba de calor directamente al ciclo de compresión de vapor. Otros pre eren llamar bomba de calor al ciclo de refrigeración cuando tiene por objetivo aprovechar el calor. Bomba de calor reversible. Es una bomba de calor que se utiliza como máquina frigorí ca en verano y calefactora en invierno. Carga frigorí ca. Es el objeto que deseamos enfriar. Puede tratarse de una masa continua o discontinua de producto. Por ejemplo el contenido de una cámara o almacén frigorí co es la carga frigorí ca. El calor por unidad de tiempo que debe ser extraído de la carga también recibe el nombre de carga frigorí ca, que se mide en W. Así pues se trata de un concepto que se aplica a dos cosas diferentes aunque relacionadas. Máquina frigorí ca. Es el dispositivo que permite llevar a cabo la refrigeración. A veces, máquina y método confunden el nombre, así decimos, máquina de compresión de vapor o máquina de absorción. Principio frigorí co. Este concepto hace referencia al principio fundamental de refrigeración, no explícitamente al medio comercial o práctico de llevarla a cabo. Proceso o método frigorí co. Es el sistema para producir una refrigeración continua y práctica. Puede basarse en un principio frigorí co o varios. Refrigeración activa. Es la que requiere el concurso de maquinaria con el consiguiente consumo energético. Refrigeración pasiva. Es la que se lleva a cabo sin el concurso de máquinas; esta refrigeración apenas consume energía (ninguna o muy poca). Aprovecha los medios naturales para provocar pequeños descensos de temperatura. Por ejemplo inducir una corriente de aire procedente de la fachada norte para refrescar la parte de la vivienda con orientación sur, más calurosa. Refrigeración primaria. Es la que se lleva a cabo para refrigerar el agente secundario, por ejemplo el aire que utilizaremos para refrigerar un local debe ser enfriado previamente en el evaporador de una máquina frigorí ca; el refrigerante de la 2

3 Métodos frigoríficos máquina frigorí ca que enfría al refrigerante secundario se llama refrigerante primario; solamente en el caso que utilizáramos una fuente inagotable de aire frío, agua fría o hielo, podríamos prescindir de la refrigeración primaria; también puede ocurrir que el refrigerante primario enfríe directamente la carga, pero se trata de una situación muy rara; casi siempre actúan el refrigerante primario y el secundario. Refrigeración secundaria. Es la que se realiza directamente sobre la carga frigorí ca. Por ejemplo para enfriar un local utilizamos aire frío que se mezcla con el del local. El resultado es un descenso de la temperatura del local. El aire frío que entra en el local recibe el nombre de refrigerante secundario. 2. Ciclos termodinámicos 2.1 Introducción La forma práctica más habitual de llevar a cabo una refrigeración mecánica que no utilice una fuente interminable de frío es mediante un dispositivo denominado Máquina de compresión de vapor. Este dispositivo consta, esencialmente, de un condensador, un evaporador, un sistema de expansión y un compresor (ver gura 1.2). El funcionamiento es muy sencillo: se absorbe calor en el evaporador y se cede calor en el condensador. De alguna manera podemos decir que el calor viaja desde una zona de baja temperatura (en el evaporador) hasta una zona de alta temperatura (en el condensador). El calor sólo puede transmitirse de forma natural desde una zona de alta temperatura hasta otra de baja temperatura, en nuestro caso se trata de invertir el proceso por lo tanto será necesario inyectar trabajo en el sistema. Esta operación se lleva a cabo en el compresor. El calor absorbido por el evaporador proviene de la carga, por lo tanto ésta se enfriará o mantendrá la baja temperatura necesaria. El agente encargado de transportar el calor es el uido frigorí co o refrigerante, aunque más adelante matizaremos alguna pequeña diferencia en la denominación. 3

4 Manual técnico de refrigerantes Condensador Válvula de expansión Compresor Evaporador a) Esquema teórico de la máquina de refrigeración de ciclo simple Evaporador Válvula de expansión Condensador Depósito de refrigerante Compresor b) Esquema más realista de la máquina de refrigeración Figura 1.2 Esquema del circuito de refrigeración por compresión de vapor p Presión Expansión Condensación Presión condensador Compresión Evaporación T s T r Presión evaporador Entalpía Figura 1.3 Ciclo de compresión de vapor con un refrigerante azeotrópico h 4

5 Métodos frigoríficos En la gura 1.3 se ha efectuado una representación grá ca del proceso que experimenta el uido frigorí co. Para entender la gura 1.3 haremos unas observaciones previas. Las líneas curvas centrales representan los estados de equilibrio de las fases líquida (la de la izquierda) y vapor (la de la derecha). La parte comprendida entre las dos curvas corresponde a mezclas líquido vapor. De una forma aproximada podemos suponer que la máquina de refrigeración trabaja entre dos presiones extremas: la de ALTA que es la corresponde al condensador y la de BAJA que es la que corresponde al evaporador. La entalpía es la variable que expresa el contenido energético de un uido (el refrigerante) cuando está en movimiento. p d: glide o deslizamiento Presión Condensación Presión condensador Expansión Compresión Evaporación T L T E d T s T r Presión evaporador Entalpía h Figura 1.4 Ciclo de compresión de vapor con un refrigerante zeotrópico En la gura 1.4 se ha representado el ciclo de compresión de vapor con un refrigerante zeotrópico. Las isotermas son inclinadas y por lo tanto la temperatura de saturación de la fase líquida (T L ) y la de la fase vapor (T S ) no son iguales. Si llamamos T E la temperatura de la mezcla a la entrada del evaporador se llama glide o deslizamiento la diferencia de temperaturas T S - T E. 5

6 Manual técnico de refrigerantes 2.2 Coeficiente de eficiencia de una máquina de refrigeración La máquina frigorí ca extrae calor de la carga y lo bombea al medio refrigerante del condensador. La relación entre el calor extraído a la carga, Q E, y la energía E, empleada para producir la extracción de calor (en el compresor), recibe el nombre de coe ciente de e ciencia o COP: Q E COP r = E Algunos utilizan otras siglas para diferenciar la e cacia de una máquina de refrigeración o la e cacia de la misma funcionando como bomba de calor. Aquí optaremos por utilizar el símbolo COP r para la máquina de refrigeración y COP c para la bomba de calor. Si llamamos Q C el calor cedido por el condensador a su medio refrigerante deberá cumplirse: El COP c se de ne: Resulta evidente la relación: Q E + E = Q C Q C COP r = ---- E COP c = 1 + COP r Hay que tener presente que las anteriores expresiones se cumplirán igualmente si las magnitudes energéticas se expresan por unidad de tiempo, es decir, si son potencias. Para indicar una cantidad de calor se ha venido utilizando la kcal, sin embargo es conveniente utilizar el J (julio) o un múltiplo. La relación sería: 1 kcal = 4,187 kj Para la potencia la unidad que debemos emplear es el W (vatio) o un múltiplo, preferentemente el kw. Para expresar el frío producido por unidad de tiempo se ha utilizado la frigoría. Debemos emplear el kw. Una frigoría/hora es equivalente a 1,163 W, por lo tanto un vatio equivale aproximadamente a 0,860 frigorías/hora. Hay que señalar que debemos ser prudentes con la indicación de que un COP toma éste o aquel valor. Existen diferentes clases de COP: el nominal, el 6