UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA DESCRIPCIÓN Y MANTENIMIENTO DEL ENTRENADOR EN REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO MOD. CPR 3040 TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA PRESENTA: JESÚS OCTAVIO MARTÍNEZ CORTÉS DIRECTOR: MTRO. JORGE LUIS ARENAS DEL ÁNGEL XALAPA, VER. AGOSTO 2011

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3 Índice Descripción y Mantenimiento del Entrenador en Refrigeración Introducción... 1 Justificación... 2 Objetivos... 2 Antecedentes... 3 Capítulo 1 Conceptos Básicos de Termodinámica... 8 Sistema de unidades... 9 Propiedades termodinámicas... 9 Sistemas Termodinámicos Gases Ideales Cambio energético y transferencia de energía Primera Ley de la Termodinámica Segunda Ley de la Termodinámica Exergía Capítulo 2 Refrigeración y Aire acondicionado Refrigeración Refrigerantes Sistemas de refrigeración por compresión de vapor Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor Sistemas de refrigeración de Aire estándar Aire acondicionado Psicrometría Beneficios Sistemas unitarios tipo ventana iii

4 Capítulo 3 Descripción del equipo Descripción general Compresor Tipos de compresores Capacidad y desempeño Condensador Tipos de condensadores Dispositivos Reguladores de Flujo Válvula de expansión termostática Válvula de expansión automática Tubo capilar Evaporadores Tipos de evaporadores Dispositivos auxiliares Filtro deshidratador Indicadores de humedad Separador de aceite Acumulador de succión Recibidor de líquido Válvulas de solenoide Válvulas manuales Válvulas de Paso Válvulas de Retención Válvulas de Servicio Válvula de Acceso (de Pivote) Dispositivos de control Controladores termostáticos Controladores de presión Tableros de control Panel de simulación de fallas iv

5 Capítulo 4 Mantenimiento Tipos de mantenimiento Mantenimiento Correctivo Mantenimiento Preventivo Mantenimiento Predictivo Mantenimiento Proactivo Modelos de mantenimiento Estado inicial de la consola Fallas Detectadas Reformas Componentes mecánicos Componentes eléctricos Tableros de Control Fallas más comunes Averías típicas del compresor Averías típicas del condensador Averías típicas de la válvula de expansión Averías típicas del evaporador Capítulo 5 Operación, Medidas de seguridad y Puesta en marcha del sistema Arranque de consola Consideraciones Medidas de seguridad Riesgos de Salud Precauciones Conclusiones Bibliografía v

6 Introducción Descripción y Mantenimiento del Entrenador en Refrigeración La refrigeración ha estado presente en la humanidad desde hace mucho tiempo, teniendo sus primeros pasos en el uso de agua para tener una temperatura corporal más adecuada o simplemente por el hecho de refrescarse. Con el paso del tiempo hubo civilizaciones como la egipcia que transportaban grandes cantidades de hielo desde lugares lejanos para mantener los alimentos en buenas condiciones, así como los romanos que la usaban para refrescar el agua de sus baños. De forma simple, se puede que la refrigeración es el proceso por medio del cual se extrae calor de algún cuerpo o espacio. Mientras que el aire acondicionado, el cual es un concepto generalmente confundido con el de refrigeración, no solo implica extraer calor, pues este se enfoca en modificar las condiciones de un espacio o ambiente, para la comodidad de quien este en este. Lo anterior significa que esas modificaciones al espacio acondicionado no tienen porque ser solo de enfriado, ya que también se puede tener la necesidad de un ambiente más cálido, lo cual es opuesto a la refrigeración. Además, el mantenimiento es un servicio ampliamente demandado en la actualidad dada la complejidad de las instalaciones y su automatización, así como el empleo de equipos mecánicos eléctricos electrónicos, el encarecimiento de la energía y la contaminación que pueden producir las instalaciones. 1

7 Justificación Descripción y Mantenimiento del Entrenador en Refrigeración Para un estudiante de ingeniería es importante estar familiarizado con los análisis teóricos de los fenómenos, pero también tienen la necesidad de contar con herramientas tangibles en las cuales se pueda apoyar para reafirmar el conocimiento obtenido. Es por eso que el laboratorio de termofluidos ha promovido la puesta en marcha de distintos equipos que ayudan a complementar el desarrollo de los estudiantes, uno de estos es el entrenador en refrigeración y aire acondicionado modelo CPR 3040, con el cual los estudiantes podrán observar de forma física algunos de los fenómenos vistos en el área térmica. De ahí es donde parte la naturaleza de este proyecto, en donde además de englobar distintos aspectos de la refrigeración y aire acondicionado, también se mencionarán las acciones que se han seguido y deben continuar haciéndose para tener en funcionamiento el equipo antes mencionado. Objetivos Lograr un mejor aprovechamiento de los equipos en el laboratorio de termofluidos. Poner en marcha el entrenador en refrigeración y aire acondicionado mod. CPR Informar acerca del uso correcto del mismo. Prolongar la vida útil del equipo. Apoyar el desarrollo académico de los alumnos. 2

8 Antecedentes Refrigeración Durante siglos la gente ha sabido que la evaporación del agua produce un efecto refrescante. Al principio, no hubo intentos por entender este fenómeno. Hasta el siglo II, en el cual los egipcios usaron la evaporación para enfriar jarras de agua, y también en la India para producir hielo. Los primeros intentos para producir la refrigeración mecánica dependían de los efectos de la evaporación del agua. En 1755, William Cullen, un físico escocés obtuvo temperaturas lo suficientemente bajas como para producir hielo. Él logró esto reduciendo la temperatura del agua en un contenedor cerrado por medio de una bomba de aire. Después de esto hubo más ingenieros y científicos que intentaron esclarecer los principios de la refrigeración mecánica. En 1834 Jacob Perkins, construyó y patentó una máquina de compresión de vapor con un compresor, un condensador, un evaporador y una válvula entre el condensador y el evaporador. Debido a la demanda creciente, hubo grandes logros y progresos en los siguientes 30 años. Nuevas sustancias como el amoniaco y el dióxido de carbono, los cuales eran más rentables que el agua, fueron usadas por Faraday, Thilorier, y otros. El fondo teórico que se necesitaba para la refrigeración mecánica fue provisto por Rumford y Davy, quienes explicaron la naturaleza del calor, y por Kelvin, Joule, y Rankine, quienes continuaron el trabajo iniciado por Sadi Carnot en formular la ciencia de la termodinámica. Las máquinas de refrigeración aparecieron entre 1850 y 1880, y podían ser clasificadas de acuerdo a la sustancia (refrigerante). Las que usaban aire eran llamadas máquinas de aire comprimido o de aire frío, y tuvieron un papel muy significativo en la historia de la refefrigeración. En 1950 el Dr. John Gorrie, desarrollo una máquina comercial de aire frío la cual patento en 1950 en Inglaterra y en 1951 en Estados Unidos. Las máquinas que usaban aire como medio refrigerante fueron divididas en dos tipos, de ciclo cerrado y de ciclo abierto. En el ciclo cerrado, el aire contenido en la máquina a una presión más alta que la atmosférica, era utilizado de forma repetida durante la operación. En el ciclo abierto, el aire es llevado al interior de la máquina con presión atmosférica, y cuando ya ha sido enfriado, es descargado directamente al espacio que quiere refrigerarse. En Europa, el Dr. Alexander C. Kirk desarrollo de forma comercial una máquina de ciclo cerrado en el año de 1862, mientras que Franz Windhausen invento una máquina de ciclo cerrado y la patento en Estados Unidos en La máquina de refrigeración de ciclo abierto desarrollada teóricamente por Kelvin y Rankine, no fue 3

9 construida sino hasta 1873 por Paul Giffard, y por Josep J. Coleman y James Bell en Gran Bretaña en En 1860, el ingeniero francés Ferdinand P. Edmond Carre, inventó un aparato que absorbía amoniaco crudo de forma intermitente, basado en la afinidad química del amoniaco con el agua, la cual produce hielo en una escala limitada. A pesar de sus limitaciones, represento un gran progreso. El aparato tenía una bomba manual y podía congelar una pequeña cantidad de agua aproximadamente en 5 minutos. Una de las primeras máquinas por compresión de vapor fue inventada y patentada por un profesor estadounidense, Alexander C. Twining, en Con este sistema logro establecer una planta de producción de hielo en Cleveland, Ohio, llegando a producir cerca de una tonelada por día. A raíz de esto otros inventores experimentaron con máquinas de compresión de vapor, las cuales usaban éter o sus derivados. En Francia, F.P.E. Carre desarrolló e instaló una máquina con compresión de éter, y Charles Tellier (quien fue un pionero en la refrigeración mecánica) construyó una planta usando metíl éter como refrigerante. En Alemania, Carl Linde, con el financiamiento de cerveceros, Figura 0-1 Carl Linde pudo establecer una unidad con metíl éter, en Antes de esto, el mismo Linde abrió el camino para grandes avances en maquinaria de refrigeración, ya que demostró como calcular e incrementar la eficiencia termodinámica. También se experimentó con amoniaco en máquinas por compresión de vapor, es más este se convirtió en el refrigerante más popular en la década de 1860, y fue usado ampliamente por muchos años. En esa época Tellier desarrolló una máquina por compresión de amoniaco. En 1872, David Boyle construyo de forma satisfactoria un equipo de producción de hielo, el cual patento en Estados Unidos ese mismo año. Sin embargo, la figura más importante en el desarrollo de máquinas por compresión de amoniaco fue Linde, el cual patento una máquina que instalo en una cervecería en Trieste al siguiente año. El modelo de Linde se volvió muy popular y era considerado excelente en sus detalles mecánicos. El uso de amoniaco fue un gran paso en refrigeración, además tenía sus ventajas, ya que las presiones requeridas eran fáciles de producir, y las máquinas podían ser pequeñas. 4

10 A finales de la década de 1860, P.H. Van de Weyde de Filadelfia obtuvo la patente de una unidad por compresión que implementaba un refrigerante compuesto de derivados de petróleo. En 1866, T.S.C. Lowe, desarrolló un equipo que usaba dióxido de carbono. Las máquinas que trabajaban con dióxido de carbono se volvieron importantes debido a la naturaleza del gas, sobre todo en instalaciones en donde la seguridad era la principal preocupación, aunque no fueron usadas en gran forma hasta la década de Después de estos años ha habido un progreso constante. A pesar de que no ha habido cambios revolucionarios, si se han hecho muchas mejoras, en el diseño y la construcción de unidades de refrigeración, así como en sus componentes básicos. Aire acondicionado El aire acondicionado ha existido casi tanto como el hombre. Desde la antigüedad la gente primitiva uso las pieles de los animales, para controlar su calor corporal y así efectuar un cambio en su confort personal. Buscando protección del Sol o refugiándose en cuevas, contra el frío o el calor, en otras palabras cambiaban su ambiente. Tal vez el avance más importante en aquella época fue el descubrimiento del fuego. También es recordado que los romanos construyeron calefacción y ventilación para sus baños. En la edad media Leonardo da Vinci, construyo un ventilador accionado por agua para ventilar los cuartos de la casa de un amigo suyo. Claro que con los avances actuales, algunos de estos ejemplos no parecen muy impresionantes, pero todos fueron los primeros pasos en el acondicionamiento del ambiente. Fue hasta el siglo XIX cuando llegaron los avances más significativos en esta área, puntualmente en 1851 el doctor John Gorrie, consiguió la patente U.S para su máquina de refrigeración. Esta fue la primera máquina comercial en el mundo, usada en refrigeración y aire acondicionado. Su máquina recibió amplio reconocimiento y aceptación en el mundo entero. Figura 0-2 Willis H. Carrier Pero en realidad es Willis H. Carrier ( ) quien es considerado por muchos historiadores como el padre del aire acondicionado. Carrier contribuyo al avance de esta industria más que cualquier otro individuo. En 1911 presentó su famoso trabajo, sobre las propiedades del aire. Estas suposiciones y fórmulas, fueron la base para la primera carta 5

11 psicrométrica y llegaron a ser la autoridad para todos los cálculos fundamentales en la industria del aire acondicionado. Carrier continuó su trabajo e inventó la primera máquina centrífuga de refrigeración en 1922, y luego investigó los sistemas de inducción para edificios con muchas oficinas, hoteles, y hospitales. El aire acondicionado para confort tuvo su primer gran uso en cinemas, durante la década de Al final de la década cientos de teatros a través de los Estados Unidos tenían aire acondicionado. Estos sistemas eran diseñados y construidos para el cliente. A finales de esa década, apareció el primer acondicionador de aire autocontenido. Este fue un gran logro, además que fue el primer intento de la industria hacia los productos paquete, que serian fabricados en masa, probados y operados en fábrica, antes de su despacho al usuario. El siguiente gran avance fue el desarrollo del famosos refrigerante Freón, en 1930 por Thomas Midgley de la compañía Du Pont. Introduciendo un año después el Freón 12 como refrigerante comercial. Las características del Freón 12 abrieron nuevas posibilidades en el diseño de compresores y componentes del sistema. En 1955, otras firmas se unieron a Du Pont en la producción de esta familia de refrigerantes, y al siguiente año se adoptó una nueva numeración para designarlos: R-12, R-22, etc. Después de la segunda guerra mundial los productos consistieron principalmente en sistemas de maquinaria aplicada para grandes edificios, como acondicionadores de almacén y acondicionadores Figura 0-3 de aire de ventana. Las unidades de ventana se usaron extensivamente para enfriar residencias, pequeñas oficinas y casi cualquier donde era posible el acceso a una ventana o montaje a través de una pared. Sin embargo, el principal mercado de aire acondicionado comercial, fue manejado por el acondicionador de almacén autocontenido. Estas unidades fueron principalmente enfriadas por agua y estuvieron usualmente localizadas en el espacio acondicionado. El siguiente gran avance, el cual realmente acelero las ventas, fue la introducción en 1953, de la operación con enfriamiento por aire en vez de agua. La nueva tecnología en los componentes y el sistema, permitieron elevar las cabezas de presión, así que las máquinas podían trabajar de forma segura y eficiente con condiciones exteriores de hasta 115 F. 6

12 Durante el periodo siguiente, la industria también convirtió muchos de los sistemas para enfriamiento, en sistemas reversibles llamados bombas de calor, significando con esto que podía introducirse calor a un espacio, dependiendo del modo de usarlo. Desafortunadamente las primeras bombas de calor no desarrollaron completamente y perdieron confiabilidad. Sin embargo la experiencia y las mejoras técnicas han restablecido la confianza en la bomba de calor. La última innovación de productos ocurrida a finales de la década del 50 y principios del 60 y que mostró el mayor crecimiento entre todos los acondicionadores tipo paquete, fue la combinación de techo de calefacción con gas y enfriamiento eléctrico. Inició con unidades pequeñas, de 2 a 5 toneladas, colocadas en los techos de estructuras comerciales bajas. La tendencia creció rápidamente, el equipo se volvió más sofisticado y los tamaños cambiaron radicalmente; las capacidades van hasta 100 toneladas para enfriamiento. Estos son solo algunos de los avances técnicos importantes en el aire acondicionado, y mencionando que no solo los fabricantes o proveedores contribuyeron al progreso. Ya que hubo que instituciones como el Field Investigation Committee y el Research Advisory Committee of the National Warm Air Heating and Air Conditioning Association, que trabajaron en conjunto con la Universidad de Illinois, estableciendo experimentos de ingeniería enfocados al área. 7

13 Capítulo 1 Conceptos Básicos de Termodinámica 8

14 Antes de adentrarse en el amplio mundo de la refrigeración es preciso contar con algunas bases de conocimiento que nos permitan comprender de una forma más adecuada los temas que se mencionan en este trabajo, pues hablar de refrigeración es hablar cambios de estado, de masa, de calor, dicho de otra forma de termodinámica. Por lo que a continuación se enlistan algunos de los conceptos que se consideran fundamentales. Sistema de unidades Alrededor del mundo se manejan dos sistemas de unidades principalmente, el Sistema Internacional de Unidades (Le Syst`eme International d Unit`es), mejor conocido como SI, y el Sistema Inglés de Unidades (the English Engineering System); el primero de estos es el de mayor uso, pero el otro está muy arraigado a la cultura Inglesa y Estadounidense. Propiedades termodinámicas Masa Se define como la cantidad de materia de un cuerpo. En el Sistema internacional la unidad fundamental es el kilogramo (kg), mientras que en el Sistema inglés es la libra masa (lbm). Aunque para ambos sistemas la unidad fundamental de tiempo es el segundo (s). Longitud Esta es la distancia que hay entre dos puntos, su unidad fundamental en el Sistema internacional es el metro (m), y en Sistema inglés es el pie (ft), de ellos derivan el centímetro (cm) y la pulgada (in) respectivamente. Fuerza La fuerza es una magnitud física que se define como todo agente capaz de ejercer un cambio en el movimiento o en la forma de los cuerpos. El Newton (N) es su unidad fundamental en Sistema internacional y a su vez la Libra fuerza (lbf) lo es en el Sistema inglés. Volumen Específico y Densidad Se dice que el volumen específico es el volumen por unidad de masa en una sustancia, usándose generalmente los metros cúbicos sobre kilogramo (m 3 /kg) en el Sistema internacional y los pies cúbicos sobre libra masa (ft 3 /lbm) en el Sistema inglés. La densidad es la masa por unidad de volumen de una sustancia, consiguientemente es el inverso del volumen específico. Sus unidades son el kilogramo sobre metro cúbico (kg/m3) en el SI y la libra masa sobre pie cúbico (lbm/ft 3 ) en el Sistema inglés. 9

15 Ambas son propiedades que se ven afectadas por la presión y la temperatura. Flujo másico y flujo volumétrico El nivel de flujo másico está definido como el flujo de masa por unidad de tiempo, se usan los kilogramos sobre segundo (kg/s) en el SI, y las libras masa (lbm/s) sobre segundo el Sistema inglés. El nivel de flujo volumétrico esta dado en metros cúbicos sobre segundo (m3/s) en el SI y en pies cúbicos sobre segundo (ft 3 /s) en el Sistema inglés. Los dos pueden expresarse en términos de masa, volumen específico y densidad, como se muestra: Presión La presión se define como la fuerza ejercida sobre una superficie por unidad de área. En el SI se usa el Pascal (Pa) o el Bar que es 10 5 Pascales, el cual denota la acción de una fuerza de 1N sobre un área de 1m 2. Para el Sistema inglés se usa la libra fuerza sobre pie cuadrado (lbf/ft 2 ), y los Psi o libra fuerza sobre pulgada cuadrada (lbf/in 2 ). Presión atmosférica La atmosfera que rodea al planeta, no solo es una capa de aire que no provee de oxígeno, también ejerce una presión sobre la superficie, la cual es conocida como presión atmosférica. Esta puede variar debido a la temperatura, la humedad, o la altura, estos cambios difícilmente llegan a superar media pulgada de mercurio de diferencia, pero deben ser tomados en cuenta cuando se hacen cálculos que requieran mucha exactitud. 1 atmosfera = bar = Pa = kpa = MPa = 14.7 psi = in Hg = 760mmHg = 760 Torr. 10

16 Vacío El vacío es una presión que está por debajo de la presión atmosférica, y solo ocurre en sistemas cerrados, excepto en el espacio exterior donde no hay atmósfera. Dicho de otra forma, es la diferencia de presión producida al extraer el aire de un sistema cerrado. Presión manométrica y presión absoluta Una explicación bastante clara sobre esto, es la siguiente: cuando se mide la presión con referencia a un vacío perfecto se habla de presión absoluta, y cuando se mide con referencia a la presión atmosférica hablamos de la presión manométrica. Temperatura Es un indicador de la cantidad de energía térmica que almacena una sustancia, en otras palabras con este concepto se puede identificar el grado de calor o de frialdad en una sustancia. Las escalas de medición más conocidas son la Celsius ( C), usada prácticamente en todo el mundo y la escala Fahrenheit ( F), la cual es usada con el Sistema inglés de unidades. Contrario a lo que piensa la mayoría de la gente, la escala Celsius no es la oficial para e SI, lo es la escala Kelvin (K) o escala Absoluta, tiene una graduación muy similar a la Celsius. Otra escala es la Rankine (R), la cual similar a la Fahrenheit y se usa algunas veces para el estudio de procesos termodinámicos. La escala Kelvin es generalmente relacionada con un término llamado Cero Absoluto, el cual es igual a 0K o -273 C, en este punto se dice que la energía térmica de una sustancia es nula y que sus moléculas se encuentran en estado de reposo. Otro término importante es la Temperatura de Saturación, la cual es la temperatura de un fluido, ya sea gas o líquido cuando se encuentra en condiciones de saturación. Sistemas Termodinámicos Se dice que un sistema termodinámico es una porción de materia o del universo, que es aislada para su estudio. Este aislamiento bien puede ser real, cuando el estudio a realizar 11

17 es experimental, o puede ser ideal, cuando se trata de un estudio teórico. Se pueden definir tres tipos de sistemas: Sistema cerrado, es un sistema en el cual no hay cruce de materia a través de sus límites. Es decir que se trabaja con una cantidad fija de materia, por lo que no hay masa de entrada ni de salida, se dice que su masa está controlada. Sistema abierto, en este tipo de sistema si hay entrada y salida y de materia a través de sus límites, se dice que su volumen es controlado. Sistema aislado, es un sistema cerrado el cual no se ve afectado por lo que lo rodea, es decir que no hay cruce de masa, calor, o trabajo a través de sus límites. Proceso y Ciclo Un proceso es un cambio físico o químico en las propiedades de la materia, o el cambio de una forma de energía a otra. Muchos procesos son descritos porque alguna de sus propiedades permanece constante a pesar del cambio. Para esto se usa el prefijo Iso-, como en Isotérmico (temperatura constante), Isobárico (presión constante) e Isométrico (volumen constante), por mencionar algunos ejemplos. Un ciclo es una serie de procesos termodinámicos, en donde las condiciones o propiedades finales son exactamente iguales a las iníciales. En refrigeración, el ciclo está arreglado de tal forma que después de tener el efecto de enfriamiento, el refrigerante pueda ser reutilizado. Propiedad y Postulado de Estado El estado termodinámico es una condición de un sistema o de una sustancia, total o perfectamente definida a través de sus propiedades. Como regla general se puede identificar por completo el estado termodinámico de un sistema o de una sustancia, a partir de dos de sus propiedades que sean termodinámicamente independientes, a esto se le llama Postulado de Estado. Las propiedades termodinámicas pueden ser Intensivas (independientes de la masa como Temperatura, Presión, etc.) ó Extensivas (dependientes de la masa como Volumen total). Cuando se tiene una propiedad extensiva por unidad de masa se convierte en una propiedad intensiva, como el volumen específico. 12

18 Estado y Cambio de Estado El estado de un sistema o sistema o sustancia es definido por la condición misma del sistema, caracterizada por ciertos valores macroscópicos en sus propiedades, como la presión o la temperatura. Usualmente el término Estado es sustituido indistintamente con el término Fase. Cuando se agrega o se extrae calor de un sistema, en muy probable que este sufra un cambio de estado. En física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Estados de vapor El vapor es un gas que está en equilibrio o cerca del equilibrio con su fase líquida, dicho de otra manera se encuentra dentro de la curva de saturación. Es aquí donde entra el término Calidad ( ), pues cuando se tiene una mezcla de vapor y líquido, la relación que existe entre la masa de vapor y la masa total es la calidad, y se expresa con un porcentaje o con una fracción decimal. Cuando la calidad que se tiene es igual a 0 se dice que tenemos líquido saturado; y cuando la calidad es de 100% se dice que tenemos vapor saturado. El vapor sobrecalentado se obtiene cuando al vapor saturado se agrega calor adicional, elevando su temperatura por encima del punto de ebullición. En función del volumen específico. Dividiendo todos los términos entre la masa total, tenemos 13

19 Sustancia Pura Descripción y Mantenimiento del Entrenador en Refrigeración Se define como una sustancia de composición química homogénea e invariable, es decir que no se puede descomponer por procesos físicos. A pesar de tener siempre la misma composición, se le puede encontrar en distintas fases. Calor Específico A la energía necesaria para cambiar la temperatura de una unidad de masa de alguna sustancia por unidad de temperatura se le llama Calor específico ( ). Sus unidades son kj/kg K o kj/kg C. Cuando en el proceso estudiado se lleva a cabo a la misma presión, como en un pistón, se tiene Calor específico a presión constante ( ), del mismo modo cuando en todo el proceso el volumen no cambia, como en un tanque rígido, se tiene Calor específico a volumen constante ( ) Energía Interna Específica Representa el tipo de energía en un estado molecular, y es una medida de energía en un sistema simple en equilibrio, como una función derivada del calor específico a volumen constante con respecto al tiempo ( ). En realidad, para muchos procesos termodinámicos en sistemas cerrados el único cambio energético significativo son los cambios en su energía interna. La energía interna específica en una mezcla de líquido y vapor puede ser obtenida por medio de la calidad de la mezcla. Entalpía Específica Esta es una medida de la energía calorífica por unidad de masa de una sustancia, como una función derivada del calor específico a presión constante con respecto al tiempo ( ). Generalmente expresada en kj/kg. Ya que la entalpía es una función de estado, es necesario que se mida de forma relativa respecto a alguna referencia de estado. La entalpía específica de una mezcla de vapor y líquido se puede obtener de esta forma: 14

20 Entropía Específica Descripción y Mantenimiento del Entrenador en Refrigeración La entropía es una propiedad resultante de la Segunda ley de la termodinámica. Esta es la relación del calor añadido a una sustancia con la temperatura a la cual fue añadido, y es una medida del desorden molecular de una sustancia en un estado dado. La unidad de la entropía es kj/k y la unidad de la entropía específica es kj/kg K. La entropía específica de una mezcla de líquido y vapor se expresa así: El cambio de entropía en una sustancia incompresible está dada por: Donde c es el calor específico promedio de la sustancia. A un proceso con entropía constante se le denomina isotrópico, el cual es definido como un proceso adiabático y reversible. Gases Ideales En muchos cálculos termodinámicos, gases como el aire o el hidrógeno pueden ser considerados como gases ideales, particularmente para temperaturas mucho más altas que su temperatura crítica y para presiones mucho más bajas que las presiones de saturación. Un gas ideal puede ser escrito en términos de tres parámetros, el volumen que ocupa, la presión que ejerce y su temperatura. De hecho, todos los gases o vapores, incluido el vapor de agua, se comportan de forma ideal a presiones muy bajas. La principal ventaja de esto es que se puede aplicar una ecuación de estado simple: 15

21 La constante del gas (R) es distinta para cada gas dependiendo de su peso molecular (M): En donde Ṝ=8.314 kj/kmol K es la constante universal de los gases. Otra simplificación útil es que si asumimos que los y son constantes, los cambios en la energía interna específica y en la entalpía específica, pueden ser calculados sin tener que referirse a las tablas termodinámicas, como se muestra: De la expresión se puede obtener otra de gran utilidad: En algunos casos el modelo del gas ideal puede no ser satisfactorio, como cuando se trabaja con más estados, para estos casos se usa el factor de compresibilidad (Z), con el cual se mide la desviación de la ecuación de estado del gas ideal respecto a la del gas real, y está definido por la siguiente relación: o Existen algunos casos en donde P, v, o T son constantes. A una temperatura determinada, el volumen de una cantidad dada de gas ideal varía proporcionalmente a la presión ejercida sobre él (algunos libros lo llaman Ley de Boyle), describiendo la compresión como: Donde los subíndices indican los estados inicial y final. 16

22 Si la temperatura incrementa con la compresión a una presión constante, el volumen del gas es inversamente proporcional a su temperatura absoluta en K: Si la temperatura crece a un volumen constante, la presión del gas es inversamente proporcional a su temperatura absoluta en K: Las ecuaciones anteriores son conocidas como la Ley de Charles. Si se produce un incremento de temperatura en el que haya un cambio simultaneo de presión y volumen, obtenemos una ecuación combinada como la siguiente: Cambio energético y transferencia de energía La energía es la capacidad para realizar un trabajo. La energía de un sistema se compone de las energías interna, cinética y potencial. La energía interna consiste en las energías térmica, química y nuclear. A menos que haya un cambio químico o una reacción nuclear, los cambios de energía interna de un sistema se deben a la energía térmica. El cambio energético total de un sistema se expresa así: Para la mayoría de los casos, las energías cinética y potencial no cambian durante un proceso, y el cambio energético se debe a la energía interna: La energía se mide en kj o Btu (1kJ= Btu). Cuando se tiene energía por unidad de tiempo, obtenemos un flujo de energía, el cual se expresa en kw o Btu/hr (1 kw = Btu/hr): 17

23 A la energía por unidad de masa se le llama Energía específica; sus unidades son kj/kg o Btu/lbm (1 kj/kg = Btu/lbm). La energía puede transferirse de un sistema a otro en tres formas: masa, calor y trabajo. Lo cual será descrito de forma breve a continuación. Transferencia de masa La masa entrante en un sistema lleva consigo energía con lo que la energía del sistema aumenta. La masa que abandona el sistema reduce su contenido energético. Cuando hay un flujo másico de entrada ṁ (kg/s) en un sistema, su flujo energético es igual a la masa por la entalpía ṁh (kw). Transferencia de calor El calor es la forma térmica de la energía y la transferencia de calor ocurre cuando existe una diferencia de temperaturas al interior de un medio o entre distintos medios. Para que pueda transferirse calor siempre es necesaria esta diferencia de temperaturas, por lo que una mayor diferencia de temperaturas provee un mayor flujo de transferencia de calor. Tiene las mismas unidades que la energía. Se representa con la letra (kj). La transferencia de calor por unidad de tiempo es el flujo de transferencia de calor (kw). La transferencia de calor por unidad de masa esta dado por (kj/kg). Cuando en un proceso no hay transferencia de calor se dice que es un proceso adiabático. Trabajo En termodinámica es la energía que es transferida por una diferencia de presión o fuerza de cualquier tipo. Al trabajo transmitido por unidad de tiempo se llama Potencia. El trabajo tiene las mismas unidades que la energía, y se representa con. La dirección en las interacciones tanto del calor como del trabajo pueden ser expresadas por la convención de signos o usando subíndices para indicar si son de entrada o salida. Primera Ley de la Termodinámica Es sabido que la termodinámica es la ciencia de la energía y de la entropía, y que la base de esta es la observación experimental. De esta observación se han podido estipular leyes 18

24 básicas, llamadas Ley cero, primera, segunda y tercera ley de la termodinámica. La primera y segunda ley de la termodinámica son las herramientas más comunes en la práctica, debido a que la transferencia y la conversión de la energía están regidas por estas dos leyes, y es en lo que nos enfocaremos más adelante. La primera ley de la termodinámica puede ser definida como el principio de la conservación de la energía, y establece que la energía no puede ser creada ni destruida. En un sistema esto puede ser expresado como el cambio en la energía total de un sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía de entrada y la energía de salida del sistema: Para un sistema cerrado bajo un proceso en el que se involucre calor y trabajo, puede ser expresada de la siguiente manera: Y si no hay cambios de energía cinética y potencial, tenemos Supongamos un sistema con un proceso de volumen controlado, es decir con un flujo estable. Tendremos masa entrando y saliendo del sistema, y habrá interacciones con los alrededores tanto de calor como de trabajo. En un proceso como este el contenido energético permanece constante, por lo tanto el cambio en la energía del sistema es cero. Teniendo en cuenta esto la primera ley de la termodinámica puede ser expresada como: Sin tomar en cuenta las energías potencial y cinética. Segunda Ley de la Termodinámica Como se menciono anteriormente, la primera ley de la termodinámica es el principio de conservación de la energía. La segunda ley de la termodinámica nos habla de la 19

25 ineficiencia en los sistemas termodinámicos y nos indica que no se puede transformar calor en trabajo de una forma totalmente eficaz. Hay enunciados que pueden esclarecer esto, como son el de Kelvin-Plank y el de Clausius. Enunciado de Kelvin-Plank. Es imposible construir un dispositivo, que opere en un ciclo y cuyo resultado sea solo la extracción de energía calorífica de alguna fuente térmica, y la conversión completa de esta energía en trabajo. Esto nos muestra que no se puede tener una máquina térmica 100% eficiente. Enunciado de Clausius. Es imposible construir un dispositivo, que opere en un ciclo cuyo resultado sea la transferencia de energía en forma de calor de un cuerpo de menor temperatura hacia otro de mayor temperatura. La segunda ley de la termodinámica también enuncia que la entropía en el universo va en aumento. Como se mencionó, la entropía es un grado de desorden, y en cada proceso que ocurre en el universo hay un crecimiento en esta. En un sistema cerrado la entropía total incrementa con cada transferencia o conversión de energía, es por eso que estos procesos son irreversibles. Desde esta perspectiva la segunda ley nos dice que la suma de los cambios en la entropía de un sistema y lo que lo rodea siempre debe ser positiva. Por eso se dice que la segunda ley de la termodinámica es el lazo entre la entropía y la utilización de la energía. Exergía Se ha dicho que la segunda ley de la termodinámica afirma que la energía no solo es una cantidad, también posee calidad, y con cada proceso que ocurre decrece la calidad de la energía. Los intentos de cuantificar la calidad o potencial de trabajo de la energía han dado como resultado la definición de la propiedad llamada exergía. Definición El potencial de trabajo útil de una determinada cantidad de energía es a lo que se le llama exergía. También se dice que es la porción de energía disponible. Se dice que un sistema se encuentra en estado muerto cuando está en equilibrio termodinámico con su entorno. En el estado muerto, un sistema tiene la misma temperatura y la misma presión que su entorno (en equilibrio térmico y mecánico); no tiene energía cinética o potencial con respecto al ambiente (velocidad y elevación iguales a cero con respecto al nivel de referencia); tampoco reacciona con él (químicamente 20

26 inerte). Además, no hay efectos de desbalance magnético, eléctrico y de tensión entre el sistema y sus alrededores. Un sistema debe estar en estado muerto al final de su proceso, para que pueda decirse que su trabajo fue el máximo posible. Esto es porque no se puede extraer energía de un sistema en estado muerto. De esto se puede indagar que entre mayor sea el desequilibrio entre un sistema y su entorno, podremos obtener más trabajo de él; y nuestro tope será el estado muerto. Cabe mencionar que la exergía no representa la cantidad de trabajo que el dispositivo analizado nos proporcionara. Aunque sí representa el límite de trabajo que podría entregar sin violar ninguna ley termodinámica. Siempre habrá una diferencia entre la exergía y el trabajo real entregado, ya sea grande o pequeña. Esta diferencia representa el margen de mejora al que se podría llegar. Nótese que la exergía en un sistema dado depende tanto del entorno (estado muerto) como de las propiedades del sistema. Así pues, la exergía es una propiedad de la combinación sistema-ambiente, y no puede existir solo con uno. En un sistema la energía potencial y la energía cinética, pueden ser convertidas de forma total en trabajo, por lo que su exergía es de la misma magnitud que estas. De forma distinta, la energía interna y la entalpía no están totalmente disponibles para el trabajo, por lo que solo una parte de la energía térmica puede ser convertida. Dicho en otras palabras, la exergía de la energía térmica es menor que la magnitud de la misma energía. Reversibilidad e Irreversibilidad La reversibilidad se define como la posibilidad en que un sistema y sus alrededores sufran un cambio físico y puedan regresar a su estado inicial, modificando las condiciones que provocaron el cambio. La irreversibilidad muestra la destrucción de la disponibilidad, y enuncia que ninguno, ni el sistema ni sus alrededores pueden volver a su estado inicial, debido a las irreversibilidades que ocurren, por ejemplo la fricción, rechazo de calor, etc. Esto quiere decir que esta parte de la energía nunca podrá recuperarse, y es el grado de irreversibilidad del sistema. En los ciclos reales siempre existirán estas pérdidas, y por eso todos los ciclos reales se consideran irreversibles Trabajo reversible y destrucción de exergía El trabajo reversible se define como la cantidad máxima de trabajo útil que puede obtenerse cuando un sistema experimenta un proceso entre los estados inicial y final. Ésta 21

27 es la salida (o entrada) de trabajo útil que se obtiene cuando el proceso entre los estados inicial y final se ejecuta de manera reversible. Cualquier diferencia entre el trabajo reversible ( ) y el trabajo real ( ) se debe a las irreversibilidades que se presentan durante el proceso, a estas diferencias se les llama irreversibilidad o exergía destruida. Se expresa de la siguiente forma: o La irreversibilidad es una cantidad positiva para los procesos reales ya que para los dispositivos que producen trabajo y para los dispositivos que consumen trabajo. La irreversibilidad puede ser vista como potencial de trabajo desperdiciado o una oportunidad perdida de hacer un trabajo útil. Pues representa la energía que pudo ser convertida en trabajo, pero no lo fue. Desde el punto de vista ecológico esto representa una degradación ambiental y emisiones que pudieron haberse evitado. 22

28 Capítulo 2 Refrigeración y Aire acondicionado 23

29 Refrigeración Descripción y Mantenimiento del Entrenador en Refrigeración La refrigeración es el proceso de remover el calor de una porción de materia, la cual puede ser líquido, sólido o gas. Remover el calor de un cuerpo lo enfría, o baja su temperatura. Hay muchas formas en las que se puede disminuir la temperatura, algunas ya son solo de interés histórico. Los métodos empleados son la refrigeración natural y la refrigeración mecánica. Si hablamos de la refrigeración natural, tenemos el ejemplo del hielo el cual ha sido usado desde tiempos ancestrales y aun hoy en día sigue usándose. En cuanto a la refrigeración mecánica se emplea el refrigerante, que es una sustancia capaz de transferir el calor que absorbe a bajas presiones y temperaturas hacia un medio condensante. Refrigerantes A continuación nos enfocaremos en los refrigerantes, más que nada será un vistazo a sus propiedades generales, y las aplicaciones en que estos pueden encontrarse. Existen distintos tipos de refrigerantes, y cada uno tiene propiedades que difieren de los otros, como son sus puntos de ebullición, calor específico, calor latente y demás factores que afectan su habilidad para transferir calor. El mantenimiento efectivo de cualquier sistema de refrigeración mecánica, depende en gran forma de la comprensión que se tenga de las propiedades del refrigerante. La dificultad para resolver un problema, se torna más fácil, cuando se sabe cómo reacciona el refrigerante a los cambios de temperatura y de presión. El comportamiento del refrigerante frecuentemente es la clave para detector el origen del problema. De manera general, un refrigerante es cualquier cuerpo o substancia que actúe como agente de enfriamiento, absorbiendo calor de otro cuerpo o substancia. Desde el punto de vista de la refrigeración mecánica por evaporación de un líquido y la compresión de vapor, se puede definir al refrigerante como el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullición, a baja temperatura y presión, hasta donde lo rechaza al condensarse a alta temperatura y presión. Los refrigerantes son los fluidos vitales en cualquier sistema de refrigeración mecánica. Cualquier substancia que cambie de líquido a vapor y viceversa, puede funcionar como refrigerante, y dependiendo del rango de presiones y temperaturas a que haga estos cambios, va a tener una aplicación útil comercialmente. Existe un número muy grande de fluidos refrigerantes fácilmente licuables; sin embargo, sólo unos cuantos son utilizados en la actualidad. Algunos se utilizaron mucho en el pasado, pero se eliminaron al incursionar otros con ciertas ventajas y características que 24

30 los hacen más apropiados. Recientemente, se decidió descontinuar algunos de esos refrigerantes antes del año 2000, tales como el R-11, R-12, R-113, R-115, etc., debido al deterioro que causan a la capa de ozono en la estratósfera. En su lugar, se van a utilizar otros refrigerantes como el R-123, el R-134a y algunas mezclas ternarias. Clasificación de refrigerantes Los refrigerantes se identifican por números después de la letra R, que significa "refrigerante". El sistema de identificación ha sido estandarizado por la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). Los refrigerantes pueden clasificarse en cinco grupos principales: Halocarburos Hidrocarburos Compuestos inorgánicos Mezclas azeotrópicas Mezclas zeotrópicas Halocarburos Son los que contienen uno o más de tres halógenos (cloro, flúor, o bromo) y son usados ampliamente en sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Son más conocidos por sus nombres comerciales, como son Freón, Isotrón, etc. Aunque en la práctica es preferible usar sus valores numéricos. En este grupo, los halocarbonos compuestos de cloro, flúor y carbono son los más comúnmente usados (también llamados clorofluorocarbonos, CFC s). Los CFC s han sido utilizados como refrigerantes, solventes, y agentes espumantes. Los CFC s más comunes son R-11, R-12, R-113, R-114 y R-115. Aunque algunos CFC s han sido refrigerantes muy comunes, también han estado presentes en la industria de los aerosoles, espumas, solventes, etc. Pero su uso disminuyó de forma rápida debido al impacto ambiental, pues deterioran la capa de ozono, e incrementan el efecto invernadero. Hidrocarburos Los hidrocarburos (HC s) son los compuestos que consisten principalmente de carbono e hidrógeno. Los HC s incluyen metano, etano, propano, ciclopropano, butano y ciclopentano. Si bien los HC s son altamente inflamables, pueden ofrecer algunas ventajas como refrigerantes alternativos, porque su producción no es muy cara, su potencial de 25

31 deterioro del ozono es nulo (ODP), su potencial de calentamiento global bajo (GWP), y tienen baja toxicidad. Hay muchas familias de HC s como las siguientes: Los Hidrobromofluorocarbonos (HBFC s) como su nombre lo indica son los compuestos que consisten de hidrógeno, bromo, flúor, y carbono. Los HCFC s son los que compuestos que consisten de hidrógeno, cloro, flúor, y carbono. Estos son uno de los compuestos que se están usando para sustituir a los CFC s. Contienen cloro y por lo tanto deterioran la capa de ozono, pero lo hacen de una forma menor a los CFC s. Su ODP va desde el 0.01 a 0.1. Aunque también se acordó que se detendrá su producción de forma gradual. Los Hidrofluorocarbonos (HFC s) consisten en hidrógeno, flúor y carbono. También son considerados como un reemplazo para CFC s, ya que al no contener ni cloro ni bromo no deterioran la capa de ozono. Todos los HFC s tienen un ODP igual a cero, aunque algunos tienen un GWP alto. En aplicaciones de refrigeración también se usan hidrocarburos como el metano (R-50), etano (R-170), propano (R-290), n-butano (R-600) y el isobutano (R-600a). Compuestos inorgánicos A pesar de la temprana invención de compuestos inorgánicos, hoy en día algunos de ellos todavía son usados en muchas aplicaciones de refrigeración, y aire acondicionado como refrigerante. Algunos ejemplos son el amoniaco ( ), el agua ( ), aire ( ), dióxido de carbono ( ) y el dióxido de azufre ( ). Por encima de todos estos compuestos el amoniaco es el que ha tenido la mayor atención en aplicaciones prácticas, e incluso en la actualidad es todavía de interés. A continuación echaremos un vistazo en tres de los compuestos de esta familia: Amoniaco (R-717) El amoniaco es un gas incoloro con un olor fuerte, el cual puede ser detectado en bajos niveles. El amoniaco líquido se evapora a los -33. En su forma gaseosa es más ligero que el aire y es soluble en agua. A pesar de que posee una gran capacidad térmica para la refrigeración, también puede causar muchos problemas técnicos y de salud, como los siguientes: El gas causa irritación en los ojos, garganta, pasajes nasales y la piel. Aunque aparentemente algunos trabajadores han desarrollado una tolerancia al amoniaco, en niveles de exposición que van desde las 5 a las 30 ppm causa irritación ocular. La exposición a niveles de 2500 ppm causa daño ocular permanente, dificultades respiratorias, espasmos asmáticos y dolores de pecho. 26

32 Podría presentarse una acumulación de fluidos en el pulmón potencialmente fatal, después de algunas horas en exposición. En los casos en que no se sea fatal podría llevar al desarrollo de bronquitis, neumonía, o alguna irregularidad en el funcionamiento pulmonar. La exposición a niveles muy altos causa irritación fuerte y hasta quemaduras en la piel. Si los ojos tienen contacto con amoniaco líquido podría llevar a la perdida de la vista, si el contacto es en la piel podría causar una quemadura fatal. El amoniaco es un gas inflamable y forma mezclas potencialmente explosivas con el aire en un rango de concentración de 16 a 25%. El amoniaco diluido en agua no es inflamable. El amoniaco reacciona de forma explosiva con flúor, cloro, bromo, yodo y otros compuestos químicos relacionados con los anteriores. Reacciona con el ácido y produce calor. En su forma gaseosa también reaccionan entre sí, formando un irritante humo blanco. A pesar de estas desventajas, algunos lo consideran un buen refrigerante, pues estas desventajas pueden ser eliminadas con el diseño y control adecuado del sistema de los sistemas de refrigeración. Dióxido de carbono (R-744) El dióxido de carbono es uno de los refrigerantes inorgánicos más antiguos. Es un refrigerante inodoro, incoloro, no tóxico, no inflamable, y no explosivo que puede ser usado en un sistema de refrigeración en cascada y producciones de hielo seco, así como en aplicaciones de comida congelada. Aire (R-729) El aire es usado generalmente en el aire acondicionado y en los sistemas de refrigeración de aviones. Su coeficiente de desempeño (COP) es bajo debido al peso ligero de los sistemas de aire. En algunas plantas de refrigeración puede ser usado para el rápido congelado de productos alimenticios. Mezclas Azeotrópicas Un refrigerante de mezcla azeotrópica consiste en dos sustancias que tienen propiedades distintas pero que se comportan como una sola. Las dos sustancias no pueden ser separadas por destilación. El más común es el R-502, el cual contiene 48.8% de R-22 y 51.2% R-115. Su COP es más alto que el del R-22 y toxicidad más baja provee una oportunidad de usarlo en sistemas caseros y en la industria de refrigeración de comida. 27

33 Otros ejemplos de mezclas azeotrópicas son el R-500 (73.8% de R % de R-152a), el R-503 (59.9% de R % de R-23) y el R-504 (48.2% de R % de R-115). Mezclas Zeotrópicas Un refrigerante de mezcla zeotrópica es un fluido que consiste en múltiples componentes de diferente volatilidad, que cuando son usados en ciclos de refrigeración cambian su composición durante la evaporación o condensación. Su uso en sistemas de refrigeración ha sido propuesto desde principios del Siglo XX. Desde esa época se han hecho muchas investigaciones sobre este tipo de mezclas y en sus propiedades termofísicas. Ha habido un gran interés en estos, sobre todo para las bombas de calor, debido a que su composición adaptable ofrece una nueva dimensión en el diseño de los sistemas de compresión de vapor. Aunque se conocen bien muchas mezclas zeotrópicas, la investigación y desarrollo se ha enfocado en 3 mezclas, R-12 + R-114, R-22 + R-114, y R- 13B1 + R-152a. Es claro que el fenómeno de transferencia de calor durante el cambio de fase, es más complicado en las mezclas zeotrópicas que en el resto de los refrigerantes. Refrigerantes Secundarios El papel de los refrigerantes secundarios es el de acarrear el calor del objeto o espacio que está siendo enfriado hasta el refrigerante primario o al evaporador del sistema. Durante este proceso, el refrigerante secundario no presenta ningún cambio de fase. En el pasado, los refrigerantes secundarios más comunes eran las salmueras, que son soluciones de agua con sal, y aún hoy en día siguen usándose a pesar de sus efectos corrosivos. También, los anticongelantes, los cuales son soluciones de etileno glicol o propileno glicol, son usados como refrigerantes secundarios. De estos fluidos, el propileno glicol tiene la característica de ser seguro aun cuando entra en contacto con productos alimenticios. Hace algunos años, se usaron soluciones como la acetona, diclorometano ( ), o el tricloroetileno ( ), en aplicaciones específicas. Las siguientes son las características más importantes para seleccionar el refrigerante secundario adecuado: Propiedades físicas y térmicas satisfactorias Estabilidad No corrosivo No tóxico Bajo costo Utilidad Refrigerantes Alternativos 28

34 Debido a que los refrigerantes convencionales contribuyen a la degradación de la capa de ozono, ha surgido la necesidad de sustancias alternativas que ayuden al reemplazo total de todos estos. Es por eso que en los últimos se han hecho múltiples investigaciones para el desarrollo de estos. El reemplazo de los ahora prohibidos refrigerantes convencionales, por cualquier alternativa puede requerir cambios significativos en el diseño de muchos componentes como son los lubricantes, válvulas, intercambiadores de calor, y motores. Ya existen muchos refrigerantes alternativos circulando en el mercado. Muchos han sugerido que los refrigerantes naturales, como son, el amoniaco, el propano, y el dióxido de carbono reemplacen a los refrigerantes convencionales. Las siguientes son algunas de las alternativas: R-134a, el cual está llamado a ser el sustituto del R-22. R-123, que sustituirá al R-11. Algunas mezclas zeotrópicas como R-401A y R-401B que son aceptados como sustitutos para el R-11, R-12, R-500 y el R-502 Mezclas azeotrópicas como el R-507 que tiene características como para sustituir a más de un refrigerantes. Aceites lubricantes Se sabe que el aceite lubricante contenido en el compresor generalmente está en contacto con el refrigerante. Cuando el aceite se disuelve en el refrigerante, afecta las propiedades termodinámicas del refrigerante. El principal efecto es la reducción de la presión del vapor, dependiendo de la naturaleza tanto del aceite como del refrigerante y que tan disuelto esté. Cabe mencionar que se espera que los refrigerantes sean química y físicamente estables en la presencia de aceite, para que ninguno se vea afectado en la relación. Como ejemplo, en los sistemas de amoniaco la cantidad de aceite en lo solución es demasiado pequeña como para causar algún efecto. Sin embargo, con los refrigerantes de hidrocarburos la cantidad de aceite es mucho mayor. La magnitud del efecto depende de las condiciones de operación, en condiciones normales con aceite de alta calidad, en un sistema seco y limpio la reacción es mínima. Por otro lado si hay contaminantes como aire y humedad, en una mezcla con aceite de baja calidad, se pueden presentar varios problemas, incluyendo la descomposición del aceite y la formación de ácidos y sedimentos. Otro aspecto es que altas temperaturas de descarga aceleran esas causas. 29

35 Una de las características importantes para muchos refrigerantes es la miscibilidad en el aceite, la cual se define como la habilidad entre dos sustancias líquidas para mezclarse entre sí. Tomando en cuenta la miscibilidad, los refrigerantes se dividen en tres grupos: Los que son miscibles con aceite en todas proporciones bajo las condiciones normales del sistema. Los que son miscibles en las condiciones normales en la sección de condensación, pero separados del aceite bajo condiciones normales en el evaporador. Los que no son miscibles con aceite bajo ninguna condición del sistema. La viscosidad del aceite es también un aspecto importante, y debe ser mantenido dentro de ciertos límites para formar una capa protectora entre todas las superficies, y para mantenerlas separadas. Sistemas de refrigeración por compresión de vapor En aplicaciones prácticas, los sistemas de refrigeración por compresión de vapor son los más comúnmente usados, y todos emplean un compresor. Evaporación Distintos a la solidificación y la fusión, la evaporación y la condensación pueden ocurrir con casi cualquier combinación de presión y temperatura. La evaporación es la forma en que las moléculas de la superficie de un líquido cambian a su forma gaseosa, lo cual es logrado gracias a la absorción de una cantidad considerable de calor sin que haya un cambio en la temperatura. Los gases evaporados ejercen una presión llamada presión de vapor. A medida que la temperatura de los líquidos se eleva, hay una mayor pérdida de líquido de la superficie, lo cual incrementa la presión de vapor. En el evaporador de un sistema de refrigeración, el líquido de refrigerante frío a una baja presión entra en contacto con el medio o materia a enfriar, absorbe calor, de ahí llega al punto de ebullición, produciendo vapor saturado a baja presión. Compresión Usando el trabajo de un compresor, se eleva la presión del vapor de refrigerante obtenido del evaporador. La adición de calor puede aumentar la presión, con el aumento en la presión del gas se eleva la temperatura de ebullición y condensación en el refrigerante. Cuando el refrigerante gaseoso es comprimido lo suficiente, su temperatura de ebullición es más alta que la del ambiente disipador de calor. 30

36 Condensación Descripción y Mantenimiento del Entrenador en Refrigeración Es el proceso en el que el vapor cambia a líquido por medio de la extracción de calor. El refrigerante a alta presión, que lleva la energía absorbida en el evaporador y el trabajo suministrado por el compresor, es llevado hacia un condensador. La condensación del refrigerante permite la reutilización del mismo al inicio del siguiente ciclo. En algunas aplicaciones se desea que el refrigerante se enfríe más allá de la temperatura de condensación, a esto se le llama subenfriamiento. Con esto se reduce la cantidad de gas que entra al evaporador, y ayuda al desempeño del sistema. Expansión El refrigerante líquido proveniente del condensador debe reiniciar el ciclo. Por lo que un dispositivo de expansión, como una válvula o un tubo capilar, debe usarse para reducir la presión del refrigerante líquido, y que su punto de ebullición sea menor a la temperatura del espacio que se desea refrigerar. Figura 2-1 Ciclo Básico de Refrigeración por compresión de vapor La figura muestra el diagrama esquemático básico de un ciclo básico de refrigeración por compresión de vapor. Además para tener una mejor visualización también incluye los diagramas de temperatura entropía (T s) y de presión entalpía (log P h). A continuación se describen los pasos del sistema. (1 2) Compresión adiabática reversible. Desde el evaporador llega refrigerante a baja presión y en forma de gas hacia la entrada del compresor, en donde incrementa su presión y temperatura por medio de la reducción de su volumen. (2 3) Rechazo de calor reversible a presión constante. El vapor refrigerante a una alta presión proveniente del compresor, entra al condensador en donde es licuado por medio de agua o aire. 31

37 (3 4) Expansión irreversible a entalpía constante. Refrigerante líquido a una alta presión pasa a través de una válvula de expansión en donde su presión y temperatura disminuyen. (4 1) Absorción de calor reversible a presión constante. Llega al evaporador refrigerante líquido a baja presión y temperatura, proveniente de la válvula de expansión. Aquí es donde se gasifica por medio de la absorción de calor del medio, es en donde ocurre el efecto de enfriamiento. Figura 2-2 Elementos básicos del ciclo (Izq.) y Diagrama T-S (Der.) Como se muestra en la figura, los elementos principales de ciclo de refrigeración por compresión de vapor son los siguientes. Evaporador. Es el dispositivo en donde ocurre el intercambio de calor que hace posible la refrigeración. Línea de succión. Es el tubo entre el evaporador y el compresor. Después de que el líquido absorbe calor, la línea de succión lo lleva hasta el compresor. En esta línea el refrigerante es vapor sobrecalentado. Compresor. Este dispositivo separa el lado de baja presión y el de alta presión en el sistema, y tiene dos objetivos principales, el primero es remover el refrigerante del evaporador para que su punto de ebullición permanezca bajo, el otro es comprimir al mismo para obtener vapor sobrecalentado con alta temperatura. Línea de descarga. Este tubo conecta al compresor con el evaporador. 32

38 Condensador. Es un dispositivo que trabaja por medio del intercambio de calor, de forma similar a la del evaporador, con la diferencia de que este no absorbe calor, sino que lo rechaza. El condensador cambia el refrigerante de un estado de vapor sobrecalentado a un estado líquido. Línea de líquido. Esta línea conecta al condensador con el dispositivo de control, incluyendo la válvula de expansión. Como su nombre lo dice, solo debe circular líquido a través de esta línea. Elemento de control. Este funcionan como un dispositivo de medición, pues monitorea la cantidad de líquido refrigerante que entra al evaporador, y se asegura que todo el líquido es evaporado antes de entrar a la línea de succión. Ya que si hay líquido en la línea de succión este ingresaría al compresor, lo cual provocaría una falla. Además de estos, hay algunos componentes adicionales, por ejemplo, el recibidor de líquido, válvulas de servicio, o el separador de aceite, los cuales mejoran el rendimiento del sistema, y serán vistos con detenimiento en el siguiente capítulo. Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor Introducción Hay algunas diferencias claras entre un ciclo de refrigeración real y uno teórico, esencialmente por las caídas de presión asociadas con el flujo de refrigeración y la transferencia de calor que existe a los alrededores. El vapor refrigerante que entra al compresor normalmente es sobrecalentado. Durante el proceso de compresión, debido a las irreversibilidades y a la transferencia de calor con el ambiente, puede haber un cambio en la entropía, dependiendo de las condiciones, como se muestra en las líneas 1 2 y 1 2. La presión del líquido abandonando el condensador es menor que la del vapor a la entrada, y de alguna forma la temperatura en el condensador es mayor a la de los alrededores a los que cede calor. La temperatura del líquido a la salida del condensador es más baja que la temperatura de saturación, y podría caer aun más en la tubería que conecta el condensador con la válvula de expansión. Aunque esto representa una ganancia, porque como resultado a esto el refrigerante entra al evaporador con una menor entalpía, lo cual permite que una mayor cantidad de calor sea transferido al refrigerante. También hay una pequeña caída en la presión a lo largo que el refrigerante fluye a través del evaporador. En algunos casos su salida es como vapor sobrecalentado, y que su temperatura incremente en la tubería que conecta al evaporador y al compresor, conforme intercambia calor con el ambiente. Esta ganancia de 33

39 calor representa una pérdida, pues incrementa el trabajo del compresor, ya que el fluido entrante tiene un volumen específico mayor al esperado. Sobrecalentamiento y subenfriamiento El sobrecalentamiento (que ocurre en el evaporador) y el subenfriamiento (que ocurre en el condensador), son dos procesos de importancia en sistemas reales de refrigeración por compresión de vapor y se aplican para obtener una mejor eficiencia (COP) y para evitar algunos problemas técnicos. Sobrecalentamiento En el evaporador el refrigerante cambia a un estado gaseoso, conforme avanza a través de él, absorbe suficiente calor adicional para sobrecalentarse. Bajo algunas condiciones como la pérdida de presión causada por la fricción, el nivel de sobrecalentamiento aumenta. Si el sobrecalentamiento ocurre en el evaporador, extrayendo calor adicional, se tendrá un mayor efecto refrigerante. Si este ocurre en la línea de succión no tendrá ningún efecto útil. Algunos sistemas de refrigeración emplean intercambiadores de calor de vapor líquido, para sobrecalentar el refrigerante saturado del evaporador con el refrigerante líquido proveniente del condensador, esto podría tener como resultado un sistema con un COP mayor. El sobrecalentamiento también puede obtenerse en el compresor. En este caso, el refrigerante saturado entra al compresor y es sobrecalentado por el incremento de presión, que lleva a un incremento de temperatura. Este sobrecalentamiento no mejora la eficiencia del ciclo, sino que tiene como resultado la necesidad de un condensador de mayor capacidad y una gran tubería de descarga. El incremento en el efecto de refrigeración obtenido por el sobrecalentamiento, es compensado por la disminución del efecto en compresor. Debido a que el flujo volumétrico de un compresor es constante, el flujo de masa y el efecto refrigerante son reducidos por la disminución en la densidad causada por el sobrecalentamiento. En la práctica, se sabe que hay una pérdida en la capacidad de refrigeración de 1% por cada 2.5 C de sobrecalentamiento en la línea de succión. Subenfriamiento Este es un proceso en el que se enfría a un líquido por debajo de su temperatura de condensación a una presión dada. El subenfriamiento provee un refrigerante 100% líquido a la entrada del dispositivo de expansión, previniendo que burbujas de vapor impidan el flujo a través del dispositivo de expansión. Si el subenfriamiento es causado por un método de transferencia de calor externo al ciclo de refrigeración, el efecto de refrigeración es aumentado, debido a que el refrigerante tendrá una menor temperatura. 34

40 Dicho de forma simple, el subenfriamiento enfría aun más al refrigerante y tiene como resultado lo siguiente: Incremento en la carga de energía, Reducción en el consumo eléctrico, Reducción en el tiempo de estabilización Temperaturas de refrigeración mas uniformes, y reducción en el costo inicial. Nótese que el desempeño de un sistema simple por compresión de vapor puede ser incrementado por el subenfriamiento del refrigerante a la salida del condensador. Esto puede lograrse de forma mecánica. Y puede ser un sistema dedicado de subenfriamiento o un sistema integrado de subenfriamiento. En el sistema dedicado hay dos condensadores, uno para el ciclo principal de refrigeración y el otro para el subenfriamiento; para un sistema integrado se tiene un solo condensador que cumple con los dos propósitos. Como ejemplo, subenfriar el R-22 por 13 C incrementa el efecto de refrigeración en 11% el efecto de refrigeración. Si el subenfriamiento es externo, se tendrá un incremento de un punto porcentual por cada grado aproximadamente. Un subenfriamiento interno no tendrá tan buenos resultados, debido a los desajustes que puede provocar en otras partes del ciclo. El subenfriamiento mecánico puede ser añadido a un sistema en existencia o en el diseño de uno nuevo. Es ideal para procesos de refrigeración que necesiten aumentar su capacidad, o en donde sea necesaria una reducción en los costos. Se recomienda para grandes supermercados, almacenes, y plantas. Sistemas de refrigeración de Aire estándar Los ciclos de refrigeración de aire estándar también son conocidos como ciclos Brayton inversos. En estos sistemas, la refrigeración es posible por medio de un ciclo de gas no condensable (ej. aire). Mientras que un sistema por compresión de vapor la carga de refrigeración es igual a la fracción de la entalpía de vaporización, en un ciclo de aire estándar es el resultado del aumento en la temperatura del gas en el intercambiador de calor en el lado de baja presión y al calor específico del gas. Con motivo de mantener un tamaño pequeño, toda la unidad esta bajo presión, lo cual requiere un ciclo cerrado. La válvula de expansión usada en los sistemas por compresión de vapor es sustituida por un expansor en este tipo de sistemas. El trabajo requerido para el efecto de refrigeración es provisto por el gas refrigerante. Esto sistemas son de gran interés en aplicaciones donde el peso de la unidad de refrigeración debe ser mínimo, por ejemplo, el enfriamiento de la cabina de un avión. 35

41 Este tipo de sistemas tienen cuatro elementos principales: Un compresor que aumenta la presión del refrigerante de su valor más bajo al más alto, Un intercambiador de calor en la alta temperatura del refrigerante es disminuida, Un expansor donde la presión y temperatura del refrigerante son reducidas, Un intercambiador de calor donde aumente la temperatura del refrigerante a presión constante. El uso del aire como refrigerante se vuelve más atractivo cuando tiene un doble propósito. Esto es en algunos sistemas de aire acondicionado, cuando el aire puede ser ambos, el refrigerante y el espacio a enfriar. Los sistemas de refrigeración de aire estándar son comúnmente usados en la licuefacción de aire y otros gases, y en otros casos donde se necesite tener refrigeración como en los sistemas de enfriamiento de un avión. Aire acondicionado Qué es el aire acondicionado? Esta pregunta puede tener distintas respuestas dependiendo desde el enfoque con el que se mire, si se le pregunta a cualquier persona es muy probable que su respuesta sea mantener el ambiente fresco. En cambio, si se cuestiona a alguien que se desempeña en alguna planta responderá que significa controlar temperatura y humedad relativa de tal modo que las condiciones puedan ser mantenidas dentro de cierta zona de tolerancia. Una definición de diccionario es el proceso que calienta, enfría, limpia, circula aire, y controla su contenido de humedad respecto a una base continua. Psicrometría La psicrometría es la ciencia del aire y el vapor de agua, esta estudia las propiedades del aire húmedo y el efecto de la humedad atmosférica sobre los materiales y sobre el confort humano. También se conoce como el método de controlar las propiedades térmicas del aire húmedo. Definiciones básicas en psicrometría Atmósfera. El aire alrededor de nosotros, se compone de una mezcla de gases secos y vapor de agua. Los gases contienen aproximadamente 77% de nitrógeno y 23% de oxígeno, con otros gases que totalizan menos del 1%. Temperatura de bulbo seco. Es la temperatura medida con un termómetro común. 36

42 Temperatura de bulbo húmedo. Es la temperatura medida con un termómetro de bulbo húmedo, cuya diferencia con uno común es que tiene una pequeña mecha o pedazo de tela alrededor del bulbo. Si esta mecha se humedece con agua limpia, la evaporación de esta agua disminuirá la lectura, esa es la temperatura de bulbo húmedo. Temperatura de punto de roció. Es la temperatura de saturación, a la cual se produce la condensación del vapor de agua. Humedad específica. Es el peso real de vapor de agua en el aire, se expresa en gramos de agua por kilogramo de aire seco. Humedad relativa. Es la relación del vapor de agua real en el aire, comparado a la máxima cantidad que estaría presente a la misma temperatura, se expresa en un porcentaje. Calor sensible. Es la cantidad de calor seco, expresado en Btu/lbm o en kj/kg de aire, se refleja por la temperatura de bulbo seco. Calor latente. Es el calor requerido para evaporar la humedad que contiene una cantidad específica de aire. Esta evaporación ocurre a la temperatura de bulbo húmedo, se expresa en Btu/lbm o en kj/kg de aire. Calor total. Es el contenido de calor total de la mezcla de aire y vapor de agua, es decir la suma del calor sensible y el calor latente. Mezclas de aire Aire seco. Normalmente el aire en la atmósfera contiene distintos componentes, como vapor de agua, humo, polen y demás contaminantes. Cuando se habla de aire seco, este ya no contiene ninguno de esos componentes. Aire húmedo. Es el medio básico, y está definido como una mezcla binaria de aire seco y vapor de agua. La cantidad de vapor de agua varía desde casi cero hasta un máximo de kg de agua/kg de aire, bajo condiciones atmosféricas, dependiendo de la presión y la temperatura. Aire saturado. Este es conocido como la mezcla saturada en donde el vapor esta dado en condiciones de saturación. Beneficios Confort humano El cuerpo humano genera calor, su temperatura normal es de 98.6 F. Puede regular su temperatura por cuatro métodos: convección, conducción, radiación y evaporación. 37

43 Cuando esté en una habitación donde las condiciones sean muy calientes, transferirá calor por convección a la porción de aire que pasa sobre la piel. Simultáneamente, cede calor por conducción o lo que esté en contacto con la piel. Adicionalmente, libera calor por radiación a los objetos más fríos a su alrededor. Si esto no es suficiente las glándulas sudoríparas se abrirán, permitiendo que la humedad de la piel se evapore. En los alrededores más fríos, la radiación, convección y conducción, tienen lugar más rápidamente, requiriendo vestuario para aislar y mantener el calor del cuerpo. La evaporación se hace mínima cuando decrece la cantidad de sudor en la piel. El cuerpo también es sensible a las impurezas, como polvo, humo, polen, etc., pues estos causan irritación en la nariz, pulmones y ojos. Lo cual nos indica la necesidad de limpiar el aire. Finalmente el cuerpo requiere aire fresco para renovar su suministro de oxígeno o diluir olores indeseables. En forma simple el cuerpo debe tener una atmósfera sana y confortable. Para ello deben tratarse cinco problemas del aire: 1. Temperatura (Enfriamiento o calefacción) 2. Contenido de humedad (humidificación o des humidificación) 3. Movimiento de aire (Circulación) 4. Limpieza del aire (Filtrado) 5. Ventilación (Introducción de aire exterior) Zona de Confort Se puede preguntar cuál es la relación de temperatura y humedad deseada. La respuesta es que no hay condición específica. La gente reacciona en forma diferente a variadas situaciones. ASHRAE, realizó un estudio durante muchos años, analizando las reacciones de un gran número de personas, para estableces un rango de temperaturas, humedades y movimiento del aire que provea el máximo de confort. Este se conoce como la zona de confort. Cada combinación se como conoce como temperatura efectiva (TE). La carta de zona de confort, es un buen punto de venta, ya que explica cómo deben controlarse la temperatura y la humedad, mostrando la necesidad de aire acondicionado para todo el año. La carta es representativa de las condiciones encontradas en teatros, oficinas, etc., en donde ocurren periodos largos de ocupación. Sin embargo no es completamente precisa en lugares en donde se tienen cortos periodos de ocupación. Movimiento del aire 38

44 Este es otro factor en las consideraciones del confort. Pues la temperatura cae bruscamente cuando la velocidad del aire es mayor a los 25 ft/min. Esto parecería deseable para aire acondicionado de verano, pero este aire se introduce usualmente de 15 a 20, bajo estas condiciones del cuarto, si la velocidad se aproximara a 100 ft/min, se notarían ráfagas de aire frío. Los sistemas forzados de calefacción con aire, están aún más sujetos a ráfagas, particularmente cuando se enciende el ventilador. Además parece que la piel reacciona más rápidamente a las corrientes de aire tibio, y es recomendable no exceder los 50 ft/min de velocidad. Pero debe evitarse la poca circulación de aire, ya que la gente tiende a sentirse encerrada. Las dos últimas necesidades para el tratamiento adecuado del aire, están estrechamente relacionadas y trabajan una con la otra, se trata de la limpieza y la ventilación. Respiramos 36 libras de aire al día, el aire ordinario está contaminado con impurezas tales como el polvo, polen, humo, vapores y químicos. Todo esto debe filtrarse tanto en el aire interior como en el aire exterior que entra a la estructura. La eficiencia de filtración depende del tipo de sistemas, algunos tienen la capacidad de remover más del 95% de impurezas. Sin embargo aun con el filtro más fino, se requiere un buen porcentaje de aire fresco para eliminar esa sensación de aire muerto, diluir olores, y suplir oxígeno para respirar y para aplicaciones ventiladas. La cantidad de aire exterior necesario depende del espacio acondicionado. El aire exterior debe siempre estar apropiadamente filtrado antes de entrar al espacio refrigerado. Un acondicionador de ventana, realiza básicamente las cinco funciones pero no puede compararse con un sistema central de aire acondicionado para todo el año, respecto a confort, funcionamiento o forma. Además del confort, el aire acondicionado ofrece otras importantes ventajas. Consideraciones médicas El aire acondicionado puede contribuir a mejorar la salud como un resultado de controlar temperatura, humedad, limpieza, ventilación y movimiento del aire. Algunos médicos creen que el aire acondicionado puede proveer un medio ambiente mejor para gente con dolencias tales como las cardiacas. El sólo movimiento bajo calor extremo, puede poner en tensión indebida los órganos vitales, por esto algunos doctores recomiendan aire acondicionado para sus pacientes. Un sistema eficaz de filtración de aire puede aliviar los sufrimientos de pacientes asmáticos o alérgicos. Tal sistema puede incluir un limpiador electrónico de aire como 39

45 parte del sistema central. El polvo ordinario del hogar, adicionado al polvo exterior, puede contribuir a problemas alérgicos. El polvo doméstico es una mezcla compleja que procede del rompimiento y uso de materiales caseros tales como lana, ropa, algodón, relleno de muebles y alfombras. El polen irritante viene del exterior. En la estación de la fiebre de heno, la contaminación del polen puede reducirse considerablemente con el aire acondicionado central si se usa un sistema de limpieza adecuado. El servicio de salud pública de los Estados Unidos ha encontrado en la polución del aire, una causa ha encontrado en la polución del aire, una causa que contribuye al cáncer y un irritante serio a los pulmones y vías respiratorias. El propietario de casa y el empleador, pueden protegerse a sí mismos y a su personal de la contaminación exterior, con aparatos de limpieza de aire. Propiedades protectoras de la humidificación Una atmósfera demasiado seca puede afectar adversamente, muebles, ropa, zapatos, libros, documentos, acabados, instrumentos musicales, virtualmente todo lo de la casa incluyendo las partes estructurales. Otro fenómeno experimentado con la sequedad del invierno es la presencia de, o generación de electricidad estática. Aunque no es dañina es desconcertante. Un humidificador apropiadamente dimensionado instalado en un sistema de aire forzado, puede minimizar o eliminar estas condiciones. Los beneficios sociales de tener aire acondicionado son quizás los menos definibles, pero hay un número de propietarios que hacen una cantidad considerable de entretenimiento en casa, a causa de su posición social y también por razones de trabajo. Tal concentración de mucha gente, junto con humo de cigarrillo en fiestas y cenas, demanda tratamiento completo de las cinco propiedades del aire. Otros Beneficios Escuelas Las escuelas han sido un mercado primordial del aire acondicionado para todo el año, no solo por el confort personal que proporciona, sino porque se ha demostrado que el proceso de aprendizaje, definitivamente se mejora. Comercio e industria 40

46 El comercio y la industria, han utilizado el aire acondicionado de varias maneras: primero para aumentar la productividad personal y segundo proveer espacios acondicionados para necesidades específicas. La productividad del trabajador en áreas con aire acondicionado, se mejora en términos de menor ausentismo, menos cambio de labor, menos distracción por ruido, menos viajes a la fuente de agua, producción más eficiente, menos errores y menos tiempo perdido debido a la fatiga por el calor y accidentes. En general habrá mejor moral y mejores relaciones entre patrón y empleado. El grado de beneficio por supuesto, está sujeto al tipo de alrededores, pues al día de hoy nadie pensaría construir un edificio de oficinas, sin aire acondicionado. Hasta aquí llega esta sección en la que se ha dado una visión de las propiedades del aire acondicionado desde el punto de vista fisiológico, sociológico y comercial. Sistemas unitarios tipo ventana Generalidades Los sistemas unitarios se caracterizan por utilizar equipos de expansión directa del tipo compactos autocontenidos que son aquellos que reúnen en un solo gabinete todas las funciones requeridas para el funcionamiento del aire acondicionado y que se ubican dentro de los locales o sirviendo directamente a los mismos. Se consideran comprendidos en estos sistemas los equipos que se instalan en los locales servidos o colindantes con rejas, plenos o conductos de distribución en los mismos ambientes, pero cuando se colocan en forma remota en salas de máquinas distribuyendo el aire con conductos desde las mismas, se los suele caracterizar a esos sistemas como de todo aire. Acondicionador de Aire individual de ventana o muro Es un equipo cuya capacidad normalmente llega hasta las 6000 frigorías, compuesto básicamente de los elementos que se indican: Gabinete o carcasa de montaje. Compresor hermético blindado. Condensador y evaporador con serpentín de tubos de cobre y aletas de aluminio. Ventilador centrífugo para el evaporador y helicoidal para el condensador, con motor de accionamiento común. Sistema de calefacción por resistencia eléctrica o bomba de calor. 41

47 Su colocación es sencilla y para ambientes chicos con relativamente bajas cargas térmicas, habiendo sido diseñados fundamentalmente para aplicaciones electrodomésticas, contando con varias limitaciones entre las que se indican: El alcance está limitado a locales no muy profundos, en general menos de 5 m. No están diseñados para instalarlos con conductos de distribución. No tienen alta capacidad de ventilación, porque está destinado a locales con pocas personas, donde no es necesario una renovación grande de aire del local. No están fabricados para funcionamiento permanente en el ciclo de refrigeración durante todo el año. No cuentan con control de humedad. El filtrado es de baja eficiencia del tipo lavable. Son equipos autocontenidos donde el compresor está incluido en el mismo equipo por lo que en general no son equipos inaudibles. Por ello, los acondicionadores de aire individuales de ventana o muro, deben desecharse como solución para la resolución de proyectos de edificios de mediana y gran envergadura, estando destinado a pequeños edificios de uso residencial. Las paredes o ventanas más conveniente para instalar el acondicionador son al sur, sudeste, o este, por la menor incidencia solar que hace mejorar el rendimiento de la unidad condensadora al trabajar a menor temperatura, no debiéndose colocar en lo posible sobre pared oeste y debe poseer adecuada circulación de aire en el condensador, evitando recirculaciones. El equipo no debe ubicarse de modo que descargue el aire en forma directa sobre las personas, contando con grillas de distribución del tipo direccional de modo de orientar fácilmente la descarga de aire. Debido a su reducido tamaño y a que su unidad de acondicionamiento va montado sobre un chasis deslizable, las operaciones para colocarlo son sumamente fáciles de ejecutar, por lo que, es conveniente ubicar el equipo a no más de 1,50 m sobre el nivel del Figura 2-3 Acondicionador Tipo Ventana facilitar las tareas de mantenimiento. piso, de manera de permitir un fácil cómodo acceso al panel de controles y a la vez 42

48 El acondicionador debe tener una leve caída hacia el exterior, para que el agua de condensación del evaporador que es recogida en una bandeja, pase por gravitación a otra ubicada bajo el ventilador del condensador, con el fin de que este la pulverice sobre la batería de condensación para aumentar el rendimiento del equipo. Por otra parte, esta pendiente evita que el agua que se pudiera depositar en los días de lluvia o por cualquier razón pueda pasar al interior del ambiente acondicionado. Los motores eléctricos del acondicionador están diseñados para trabajar con corriente alternada monofásica 220 Volt, 50 ciclos/seg. Se recomienda en aplicaciones de viviendas que la línea de alimentación eléctrica del acondicionador sea independiente de la instalación general, debiendo tener una sección de conductores que permita cada vez que sea necesario, el arranque del aparato sin que se produzcan excesivas caídas de tensión para lo cual deber utilizarse cables, fusibles y llaves termo magnéticas adecuadas. En cuanto a la calefacción, los modelos se complementan con resistencias eléctricas incluidas en la unidad, o mediante la bomba de calor que incorpora una válvula especial inversora del ciclo de refrigeración. 43

49 Capítulo 3 Descripción del equipo 44

50 Descripción del equipo El equipo con el cual se trabajo es el Entrenador en refrigeración y aire acondicionado mod. CPR 3040, el cual es un equipo didáctico, que fue distribuido por la Comercializadora Rosas S.A. de C.V. Es un sistema didáctico integrado diseñado para iniciar a los estudiantes en los fundamentos y componentes de un sistema de refrigeración mediante el uso de dispositivos comerciales e industriales. El equipo didáctico muestra claramente el funcionamiento de las configuraciones de los sistemas de refrigeración más comunes, incluyendo los de doble evaporador. Una serie de interruptores, que se encuentran en una caja con cerradura, permiten al instructor insertar fallas, con las que los estudiantes pueden desarrollar habilidades en el diagnostico y solución de problemas utilizando el panel de control esquemático o analizando el comportamiento sospechoso de dispositivos y componentes. Las características del Sistema didáctico en refrigeración incluyen: Figura 3-1 Entrenador en refrigeración y aire acondicionado modelo CPR 3040 Cámaras con ventanas transparentes de acrílico en cuyo interior se encuentran dos serpentines evaporadores con ventilación forzada, que pueden funcionar individualmente, en serie o en paralelo. Ventiladores de velocidad variable y regulador de humedad para simular condiciones ambientales variables. 45

51 Panel esquemático con dibujos de tubería y diagramas eléctricos con múltiples colores, así como luces indicadoras y duplicación funcional de puntos de prueba. Interruptores de inserción de fallas con cerradura para introducir dieciocho fallas eléctricas distintas. Mueble móvil para trabajo pesado, construido en acero y equipado con ruedas de alta resistencia. La instrumentación incluye un medidor de temperatura; vatímetro, voltímetro, amperímetro y manómetros. Disyuntores e interruptores de sobrepresión protegen el sistema. A continuación se hablará acerca de los componentes que constituyen al equipo entrenador. Compresor El compresor del equipo es un HAT IAA-800 de Copeland, el cual es un compresor del tipo semihermético de alta presión, con medio caballo de fuerza de potencia, y es capaz de trabajar con R-12 y R-22. Se encuentra en la parte posterior del equipo, tiene una mala posición, ya que la placa de datos está demasiado cerca de la carcasa, lo que dificultó poder conocer las características principales del compresor. Figura 3-2 Compresor Tipos de compresores El compresor también es conocido también como el corazón del sistema, y puede ser dividido en dos grandes categorías. Compresores de desplazamiento positivo y compresores centrífugos. Pero ambos tipos de compresores pueden ser herméticos, semiherméticos o abiertos. A continuación nos enfocaremos en esta última clasificación. Compresores herméticos Este tipo de compresores son preferibles en unidades diseñadas para rangos de temperatura pequeños, como los requeridos en aplicaciones de aire acondicionado o de enfriamiento. Son equipos pequeños que requieren un espacio mínimo de instalación, y además el costo es relativamente bajo. El motor eléctrico está montado directamente en 46

52 el cigüeñal del compresor, pero la carcasa que compone el cuerpo está sellada con soldadura. Casi todos los compresores en refrigeradores domésticos, congeladores, y aires acondicionados son del tipo hermético. La capacidad de un Figura 3-3 Compresores herméticos compresor se puede identificar con las capacidades de de su motor. Los compresores herméticos pueden trabajar por un tiempo prolongado en sistemas de refrigeración con una capacidad pequeña, sin que sea necesario ningún tipo de mantenimiento y sin que se presente alguna fuga, pero son bastante sensibles a las fluctuaciones de voltaje, lo cual puede provocar que el embobinado del motor se queme. En caso de una avería tienen que ser reemplazados, pero como ya se mencionó el costo de estos compresores es muy bajo. Compresores semi-herméticos Cuando se tienen tamaños mayores, la mayoría de los compresores en refrigeración son semi-herméticos, en estos a pesar de que el motor está montado directamente en el cigüeñal, con todas sus partes herméticamente selladas, se puede tener un acceso rápido para mantenimiento, pues las cabezas cubiertas del estator, placas del fondo y cubiertas de cárter son desmontables. Con la desventaja de que el motor necesita una fuente externa de enfriamiento y su costo es mayor respecto a los herméticos. Figura 3-4 Compresor semi-hermético Estos compresores fueron desarrollados por Copeland para evitar las desventajas de los compresores herméticos. Son Similares a los de tipo hermético, Son manufacturados para 47

53 capacidades pequeñas y medianas, y sus motores llegan a alcanzar capacidades de 300 kw. Al eliminarse los trastornos del sello, los motores pueden diseñarse específicamente para la carga que se requiera, lo cual tiene como resultado un diseño compacto, económico y eficiente. En resumen, no son tan baratos como un compresor hermético pero no por eso significa que su precio sea excesivo, además tampoco tienen problemas de fugas. Compresores abiertos Su principal singularidad es que el motor y compresor van separados. Son estos compresores los pioneros en equipos de refrigeración Con los pistones y cilindros sellados en el interior de un cárter y un cigüeñal extendiéndose a través del cuerpo hacia afuera para ser accionado por alguna fuerza externa que normalmente esta fuerza es por transmisión a través de correas a un motor. Tiene un sello en torno del cigüeñal que evita la pérdida de refrigerante y aceite del compresor. Como desventajas podemos citar su mayor peso, costo superior, mayor tamaño, vulnerabilidad a perdidas de los sellos, difícil alineación del cigüeñal, ruido excesivo y corta vida de ciertos elementos. Este compresor ha sido reemplazado por el de tipo semihermético y hermético, y su uso continúa disminuyendo a excepción de aplicaciones especializadas como es el acondicionamiento de aire para automóviles. Capacidad y desempeño Todos los compresores son calificados de acuerdo a cuanto flujo producen y la relación entre la presión de entrada y salida. Obviamente este flujo está en función del tamaño del compresor y de su velocidad de operación (rpm). Relación de compresión La relación de compresión está definida como la relación entre la presión de descarga y la presión de succión, expresadas en términos de presión absoluta, por ejemplo Pa o kpa. Don es la relación de compresión, es presión saturada de descarga (kpa), y es la presión saturada de succión (kpa). El desempeño de un compresor es afectado por numerosos parámetros que incluyen los siguientes: 48

54 Velocidad del compresor, Presión y temperatura de succión, Presión y temperatura de descarga, y Tipo de refrigerante y su nivel de flujo. Eficiencia del compresor En la práctica la eficiencia de un compresor puede definirse como la relación del trabajo isotrópico y la potencia real medida. También es llamada eficiencia isotrópica o eficiencia adiabática. Donde es el flujo másico del refrigerante ( ), es la entalpía específica del vapor de refrigerante a la presión de descarga a una entropía constante ( ), ( ); y son las entalpías específicas del refrigerante a la entrada y salida del compresor ( ); y son la potencia isotrópica y la real ( ). La otra eficiencia en un compresor, es la eficiencia volumétrica que puede ser definida como la relación del desplazamiento real del compresor entre el desplazamiento del pistón. Además, nótese que la capacidad de refrigeración puede ser definida en términos del desplazamiento volumétrico del compresor, la eficiencia volumétrica del compresor, la densidad del refrigerante a la entrada del compresor, y las entalpias específicas del refrigerante a la entrada y salida del evaporador. Aunque ya se mencionaron algunos aspectos, también hay una serie de problemas que afectan la eficiencia del compresor, el más significativo de todos es la temperatura de arranque. En un apartado menor la lubricación, y el enfriamiento también pueden jugar un rol importante. Condensador Se cuenta con un condensador enfriado por aire, mediante convección forzada. La velocidad del ventilador usado para enfriar, puede ser controlada por medio del panel de control. 49

55 Figura 3-6 Condensador Descripción y Mantenimiento del Entrenador en Refrigeración Cuando se selecciona un condensador para una instalación, hay muchos que pueden ser tomados en cuenta. Cada tipo de condensador su propia aplicación. Algunos de los factores que afectan su aplicación son el tamaño, el peso, las condiciones climatológicas, ubicación geográfica, disponibilidad de energía eléctrica y la disponibilidad de agua. Tipos de condensadores Los condensadores usados en la industria son básicamente de tres tipos: Enfriados por agua Enfriados por aire Evaporativos El tipo de condensador seleccionado dependerá en gran forma de las siguientes consideraciones: Tamaño de la carga de enfriamiento, El tipo de refrigeración, La calidad y temperatura del agua disponible (si se tiene), y La cantidad que puede ser circulada, si su uso es aceptable. Condensadores enfriados por agua Figura 3-7 Tipos de condensadores enfriados por agua Existen diferentes tipos de condensadores enfriados por agua, aunque en general son del tipo de coraza y tubos, en donde el refrigerante fluye a través de la coraza y el agua fluye a través de los tubos. La porción baja de la coraza actúa como un recibidor de líquidos. Son usados en sistemas con gran capacidad de refrigeración. Cuando se usa este tipo de condensador, se debe meditar sobre lo siguiente: El agua requerida para el rechazo de calor, La utilización de una torre de enfriamiento, 50

56 Si se necesitan bombas auxiliares y un sistema de tuberías para la recirculación del agua, El tratamiento del agua en los sistemas de recirculación, El espacio requerido, El mantenimiento y servicio, Tener a la mano sustancias anticongelantes y herramientas para la operación en invierno. Cuando se dispone de ella, se puede usar agua de algún rio, lago o pozo. Sin embargo, en general las fuentes naturales de agua no son suficientes, y el agua debe reutilizarse a través de una torre de enfriamiento. Condensadores enfriados por aire Se encuentran en aplicaciones domésticas, comerciales, en sistemas industriales de refrigeración, congeladores, y en sistemas de aire acondicionado. En este tipo de condensadores el refrigerante fluye a través de un serpentín y el aire pasa por el exterior de los tubos. El movimiento del aire se origina mediante efectos de convección Figura 3-8 Condensador enfriado por aire natural, cuando se calienta el aire, o bien el condensador puede tener un ventilador para aumentar la velocidad de éste, con lo que se obtiene una mayor capacidad. En general, los condensadores enfriados por aire se instalan en el exterior. Algunas de las ventajas de estos son: No necesitan agua, Se eliminan problemas por congelamiento, y corrosión, Se eliminan las bombas, tuberías y el tratamiento del agua. Bajo costo de instalación, Su mantenimiento y servicio es leve. Por otro lado también tienen algunas desventajas, como: 51

57 Altas temperaturas de condensación, Mayor costo en el refrigerante por la larga carrera en las tuberías, Alta intensidad de ruido, y Se necesitan múltiples unidades para sistemas de gran capacidad. Condensadores evaporativos Los condensadores evaporativos desechan el calor en la atmósfera, como lo hacen los condensadores enfriados por aire, pero mediante la aspersión de agua sobre los serpentines se transfiere algo de calor al agua así como al aire, lo cual aumenta la capacidad del condensador. Se necesitan una bomba, tubería, toberas de aspersión y cárcamo de recolección para hacer circular el agua por el sistema. Se usan ventiladores para forzar al aire a través de la unidad. Los condensadores evaporativos se pueden instalar en interiores y también al exterior, empleando ductos para descargar el aire de salida hacia afuera. Figura 3-9 Condensador evaporativo Estas son algunas de sus características: Uso reducido de agua de recirculación para una capacidad dada, Es necesario un tratamiento para el agua, Requieren poco espacio, Tuberías pequeñas con longitudes cortas, Bombas pequeñas, y Disponibilidad de unidades de gran capacidad. Torres de enfriamiento Las torres de enfriamiento son como los condensadores evaporativos, trabajan bajo el principio de la evaporación de agua en una corriente de aire en movimiento. La efectividad de este proceso de enfriamiento depende de la temperatura de bulbo húmedo del aire entrando a la unidad y el volumen de flujo. 52

58 La torre de enfriamiento es el equipo que transfiere el calor desde el agua del condensador hasta el aire atmosférico, para después regresarla al mismo. Nótese que el agua de enfriamiento está circulando a través de los tubos mientras que el vapor de refrigerante se condensa y se acumula en la región baja del intercambiador de calor. Además esta área enfría el refrigerante por debajo de su temperatura de condensación ya que el agua más fría de la torre es dirigida a esta área del condensador. El agua de enfriamiento que fue calentada es esparcida sobre un material de relleno en la torre. Una parte de esta se evapora y el resto se enfría por el proceso evaporativo. Figura 3-10 Torre de enfriamiento Dispositivos Reguladores de Flujo Figura 3-11 Dispositivos reguladores de flujo En la práctica estos dispositivos también son conocidos como válvulas de expansión o válvulas reguladoras, y son usados para reducir la presión del refrigerante, regulando su flujo para que coincida con las necesidades del equipo. La consola en refrigeración y aire acondicionado CPR 3040 cuenta con tres dispositivos que cumplen con esta función: Una válvula de expansión termostática, Una válvula de expansión automática, y 53

59 Un filtro con tubo capilar Cabe aclarar que existen otros dispositivos que ayudan a regular el paso del refrigerante, pero son considerados accesorios o dispositivos auxiliares, por lo que a continuación nos enfocaremos en los mencionados. Válvula de expansión termostática Es el dispositivo más utilizado, pues controlan de manera automática el flujo de líquido refrigerante al evaporador a un nivel adecuado de acuerdo con las necesidades de la máquina. La pequeña abertura entre el asiento de la válvula y el disco origina la caída de presión necesaria. Funciona por medio de un bulbo lleno con un fluido que se fija al tubo de succión, para medir la temperatura del gas en esa sección. Este bulbo se conecta con la válvula mediante un tubo de modo que la presión de fluido dentro del bulbo tienda a abrir más la válvula, contra la presión de un resorte de cierre. Si aumenta la carga del sistema, el refrigerante en el evaporador gana más calor y la temperatura del gas de succión aumenta. La presión del fluido en el bulbo aumenta a medida que lo hace la temperatura, con lo que abre más válvula. Con ello se aumenta el flujo de refrigerante que se necesita, sucede lo contrario cuando la carga disminuye. Figura 3-12 Válvula de expansión termostática Es importante que el vapor en la línea de succión este ligeramente sobrecalentado, para asegurar que no entre líquido al compresor y que este no sufra daños. Lo anterior se logra ajustando el resorte de cierre a un valor que evite que la presión del bulbo abra la válvula a menos que este en valores de sobrecalentamiento. Generalmente cuando este ajuste se hace de forma correcta no se necesita mantenimiento extra, a menos que se presenten impurezas o humedad en el asiento de la válvula o en su orificio. Válvula de expansión automática También llamada válvula de presión constante, es el precursor de la válvula de expansión termostática. Es llamada válvula de expansión automática porque abre y cierra automáticamente sin la ayuda de ningún dispositivo externo. Esta válvula es básicamente un dispositivo regulador de presión, pues mantiene una presión constante a la salida. Esta mide la presión y la mantiene en un valor constante mediante el control del flujo de 54