Título: Técnicas de refrigeración Colección: Técnicas de climatización - Tomo 2 Autores: Luis Jutglar Ángel L. Miranda Editorial: 2008 MARCOMBO, S.A. Gran Via de les Corts Catalanes 594 08007 Barcelona (España) Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, incluidos la reprografía y el tratamiento informático, así como la distribución de ejemplares mediante alquiler o préstamo públicos. ISBN: 978-84-267-1440-4 Depósito legal: Impreso en
Prólogo No hace falta remarcar la importancia de la refrigeración. En las casas o en el trabajo, raro sería que no conviviéramos con algún ingenio refrigerante. Las neveras domésticas, los aparatos acondicionadores de la oficina, el aire acondicionado del coche, son ejemplos de nuestra convivencia diaria con equipos relacionados con la refrigeración. Con este libro pretendemos aproximar al lector a esta técnica apasionante que tantos beneficios, higiénicos, de confort e industriales ha proporcionado a la humanidad. Hoy día la práctica de la refrigeración se articula en torno a dos o tres métodos a lo sumo, sin olvidar técnicas secundarias paralelas pero muy importantes, como son la licuefacción de gases o, en menor grado, la refrigeración termoeléctrica. Los dos métodos básicos son la compresión de vapor y la absorción. De hecho los métodos de compresión de vapor abarcan más del 90 % del espacio del mercado y tradicionalmente se les presta más atención, sin embargo en esta obra hemos querido dar una importancia especial a los métodos de absorción, dada su relación, cada vez más aceptada, con los procedimientos frigoríficos respetuosos con el medio ambiente. Los conceptos de energía primaria y energia útil aplicados a las máquinas de refrigeración pueden parecer extraños a primera vista, nosotros los aplicaremos con el mismo significado que energía de cola y energía de cabeza respectivamente. La energía de cola es la de alimentación y la de cabeza la útil que nos proporciona la máquina frigorífica, es decir, la energía frigorífica. Pues bien, la energía primaria de la máquina de absorción puede ser energía térmica producida directamente o bien reaprovechada de otro proceso que de otra forma se perdería, de ahí su interés. Desde un punto de vista de ingeniería la refrigeración es el conjunto de técnicas que permiten enfriar una sustancia y mantenerla fría durante el tiempo que haga falta (desde unos segundos a años). La refrigeración incluye la problemática relacionada con el foco frío que no debe confundirse con la sustancia o carga de refrigeración. El foco frío es el sumidero que absorbe el calor que sale de la carga que deseamos enfriar. Un enfriamiento es un simple proceso de transferencia de calor. La refrigeración incluye la técnica necesaria para mantener más frío que la carga el foco frío que permite su enfriamiento. Aquí nos encontramos con una cuestión básica. Este foco frío mantine constantes sus propiedades, por ejemplo una cantidad inagotable de agua fría, o bien deberá mantenerse frío?! 1
Otra cuestión básica hace referencia a las temperaturas. Aceptaremos que refrigerar implica enfriar hasta una temperatura generalmente inferior a la ambiente, independientemente de la temperatura inicial de la sustancia. Sin embargo, no todas las operaciones de enfriamiento se enmarcan dentro de lo que llamamos técnicas de refrigeración. Así, por ejemplo, en un intercambiador un aceite pasa de 95 a 45 o C, siendo la temperatura ambiente de 25 o C. Evidentemente el aceite se ha enfriado (el otro fluido en el intercambiador se habrá calentado) sin embargo este proceso no se enmarca dentro de la refrigeración. Su estudio corresponde al cálculo y diseño de intercambiadores de calor. Si enfriamos una pieza de cerámica a 400 o C con un chorro de aire a 70 o C, la pieza se enfriará pongamos hasta 75 o C. Sin embargo, aún tratándose de una refrigeración, este proceso sigue sin enmarcarse dentro de las técnicas generales de refrigeración. Se trata de un interesante problema de enfriamiento convectivo no estacionario, de fácil solución (resistencia interna constante) si no requerimos una solución muy exacta. El enfriamiento del aire dentro de una habitación en verano, hasta 24 o C, el enfriamiento en verano de la cámara interior de nuestra nevera hasta los 5 o C, el enfriamiento de carne hasta un estado de congelación y el posterior enfriamiento hasta -30 o C, la obtención de agua relativamente fría en una torre de refrigeración, el enfriamiento del mosto para controlar la fermentación y tantos otros son ejemplos que se enmarcan dentro de la refrigeración. Antes mencionábamos que el enfriamiento debe producirse hasta una temperatura generalmente inferior a la ambiente. Casi siempre la refrigeración implica la obtención de temperaturas inferiores a la del ambiente. Por qué es tan importante? El ambiente establece la frontera de los procesos refrigerativos que requieren un dispendio energético, excepto que dispongamos de una cantidad ilimitada de una sustancia que esté fría. Si no disponemos de ella, deberemos mantener el foco frío mediante alguna técnica que necesariamente implicará consumo de energía útil. Llamaremos refrigeración mecánica a la que utiliza algún tipo de maquinaria, directa o indirectamente. Podríamos utilizar una refrigeración mecánica para enfriar una sustancia hasta una temperatura no inferior a la ambiente, sin embargo, siempre nos quedaría el recurso de utilizar el ambiente como foco frío inagotable para hacer la refrigeración, puesto que el ambiente quedaría siempre por debajo de la sustancia a enfriar y en este caso no habría coste energético para mantener frío el foco frío. A veces la refrigeración mecánica no es evidente. Por ejemplo, el enfriamiento de unos alimentos en una antigua nevera utilizando hielo no parece una refrigeración mecánica y el proceso que transcurre propiamente en la nevera no lo es. Pero no podemos ignorar el proceso de fabricación del hielo en un estudio completo del problema, y el hielo se ha fabricado mecánicamente. Si el hielo lo sacamos de un lago helado, estaríamos en el caso de utilizar una fuente ilimitada de sustancia fría, igual que si dispusiéramos de un pozo de agua fría subterránea y la utilizásemos para refrigerar un local, en este caso tampoco se trataría de una refrigeración mecánica. También hay un dispendio energético pero no se nos imputa a nuestro bolsillo sino a la naturaleza. Sería algo parecido a lo que ocurre con la energía solar; puede calentarse una vivien- 2
da sin dispendio energético de energía primaria imputable al usuario (aunque sí lo hay de instalación, circulación de fluidos y mantenimiento). En un proceso de refrigeración hay que tener una visión de conjunto que nos puede indicar que el proceso puede estar constituido por varios elementales. Por ejemplo, en una cámara frigorífica de conservación de alimentos tenemos una transmisión de calor a través de las paredes de la cámara de fuera a dentro. El calor que entra en la cámara debe extraerse mediante un proceso mecánico de refrigeración. Para ello deberemos crear un foco frío a menor temperatura que el producto que deseamos conservar. Este foco frío será generalmente un fluido que perderá sus propiedades refrigerantes y por lo tanto necesitaremos un procedimiento, forzosamente cíclico, para regenerar aquellas propiedades. Si analizamos el fenómeno que nos permita mantener frío el foco frío observaremos que no podemos hacerlo con otro más frío porque de alguna forma esto representaría trasladar el problema a otro foco. Para mantener frío el foco frío deberemos extraer calor hasta un sistema que esté más caliente y este proceso no puede ser una transferencia de calor natural sino que se trata de una inversión del proceso natural que necesariamente implicará consumo energético. Siempre que nos referimos al proceso natural estamos hablando de la transferencia de calor desde un foco caliente a uno frío. El proceso inverso sería la transferencia de calor desde un foco frío a uno de caliente. Desde un punto de vista termodinámico, que considera únicamente la refrigeración mecánica llevada a cabo de forma continua, la refrigeración es un proceso de extracción de calor desde una temperatura baja hasta una temperatura alta. Esta definición es muy interesante porque incluye el fenómeno fundamental de mantener frío el foco frío. Esta obra está articulada en dos partes: en la primera abarcamos los aspectos termodinámicos de la refrigeración y en la segunda estudiamos la vertiente más práctica: las cámaras frigoríficas. Esta segunda parte lleva incorporados los estudios de carácter introductorio que necesita la temática considerada, como son aspectos básicos de transmisión de calor, psicrometría y difusión del vapor. Ambas partes pueden leerse de forma independiente por lo que hemos optado por dotarlas de numeración propia en lo que hace referencia a las ecuaciones, sin embargo, la bibliografía sigue un orden correlativo común a las dos partes. 3
Capítulo 1 APLICACIONES DE LA REFRIGERACIÓN 1. Introducción La refrigeración [1] se aplica en tres grandes ámbitos para los que la industria ha desarrollado no sólo maquinaria específica sino también normativa y complementos: Doméstica La refrigeración doméstica incluye la línea de electrodomésticos constituida por neveras y congeladores para uso doméstico. Aire acondicionado La refrigeración relacionada con el aire acondicionado suele dividirse en industrial y de confort. La refrigeración relacionada con el confort incluye la fabricación de equipos para la producción de frío en aire acondicionado: climatizadores, bombas de calor, acondicionadores de ventana, autónomos, enfriadoras de agua, fan-coils, unidades terminales, etc. La refrigeración relacionada con el aire acondicionado industrial se aplica al acondicionamiento de espacios no estrictamente domésticos, como podrían ser grandes almacenes, oficinas, laboratorios, naves industriales, etc. Refrigeración industrial La refrigeración industrial, a su vez, se clasifica en función de los tipos concretos de aplicación industrial, por ejemplo, plantas químicas, petroquímicas, fibras, alimentación (almacenamiento, conservación), deporte (pistas de hielo, nieve artificial), almacenamiento de gases en estado líquido a baja presión (gas natural, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno), separación de gases y muchas otras. 7
Parte I - Termodinámica de la refrigeración 2. Refrigeración doméstica No hace falta insistir en el desarrollo creciente de este sector de la refrigeración; el aumento de nivel de vida de la población se relaciona con el auge y crecimiento de la demanda de aparatos de refrigeración doméstica, que sean eficaces, silenciosos y respetuosos con el medio ambiente. En una posición indeterminada se sitúan los mostradores frigoríficos tan utilizados en bares y cafeterías, así como los congeladores y cámaras frigoríficas de pequeñas tiendas y comercios. 3. Aire acondicionado El aire acondicionado es el conjunto de técnicas utilizadas para procurar condiciones de confort en un cerramiento determinado, que puede ser desde una vivienda hasta una planta de oficinas o un supermercado. En invierno el objetivo será calentar el cerramiento, en verano enfriarlo. Precisamente esta actividad que debe llevarse a cabo en verano es la que tiene que ver con la refrigeración. Para acondicionar un local es necesario (en verano) enfriar el aire del mismo. Esta operación puede hacerse con aire frío, con agua fría o con un fluido frigorífico. En cualquier caso será necesario mantener frío continuamente el agente frigorífico. No solamente por cuestiones de confort es necesario el acondicionamiento del aire; hay determinadas actividades industriales que necesitan unas condiciones de temperatura y humedad que no siempre coinciden con las del ambiente exterior. Por ejemplo es el caso de los laboratorios farmacéuticos; debe asegurarse que la temperatura, humedad, polvo y agentes patógenos del aire, estén férreamente controlados. En una fábrica textil, según el tipo de fibra que se manipule, también deberá controlarse la temperatura y la humedad. 4. Refrigeración industrial 4.1 Industria química Son muchos los procesos industriales químicos que requieren la utilización de frío, por ejemplo, la separación de gases, que veremos en el apartado siguiente, la condensación de gases, el desecado del aire, disipación del calor de reacción, recuperación de disolventes, control de procesos de fermentación. Por ejemplo, la eliminación de ceras en el proceso de desencerado del petróleo. La cera precipita entorno a los -25 o C y puede separarse del líquido por filtrado. 4.2 Separación de gases La técnica consiste en practicar una destilación fraccionada a una mezcla líquida de gases. Es el caso del aire, pero puede aplicarse a cualquier otra mezcla. Si licuamos 8
Aplicaciones de la refrigeración aire y posteriormente se controla su ebullición, primero pasará el oxígeno (punto de ebullición 90,19 K), a continuación el argón (punto de ebullición 87,29 K), y por último el nitrógeno (punto de ebullición 77,35 K). 4.3 Almacenamiento de gases a baja presión Un gas se puede almacenar licuado (ocupa mucho menos volumen) de dos formas muy diferentes: a alta presión y temperatura ambiente o bien baja presión y baja temperatura. En este caso el depósito de almacenamiento debe estar calorifugado para evitar que entre calor. 4.4 Control de procesos A menudo la refrigeración se utiliza para "ralentizar" determinados procesos naturales, cuya velocidad depende de la temperatura; a menor temperatura, más lento es el proceso. Por ejemplo, el control de la fermentación en los procesos de elaboración de vinos, productos lácteos o incluso fermentos naturales de aplicación médica o biológica. 4.5 Conservación de productos La baja temperatura inhibe el crecimiento bacteriano que produce el deterioro de los productos orgánicos, así como de las reacciones enzimáticas que generan los propios microorganismos. El resultado es lo que vulgarmente recibe el nombre de conservación de los alimentos. Esta conservación no está exenta de inconvenientes. El aspecto, calidad y composición de un alimento conservado en frío se altera, por lo tanto, un aspecto secundario pero no menos importante de la refrigeración es la incidencia de la misma sobre los productos refrigerados. 4.6 Tratamiento en frío de los metales Algunas propiedades mecánicas de los metales mejoran con un tratamiento de los mismos a bajas temperaturas durante un intervalo de tiempo más o menos corto. Por ejemplo, la vida de un filo cortante aumenta si se somete la pieza a un baño criogénico a -100 o C durante unos minutos. 4.7 Fabricación de hielo y de nieve carbónica El hielo ya no se utiliza en los refrigeradores modernos (el autor de más edad recuerda que en su juventud, una de las obligaciones diarias era la compra de un trozo de hielo en la bodega de la esquina para la nevera), sin embargo, sigue utilizándose en grandes cantidades en mercados, pescaderías y barcos de pesca. La nieve carbónica tiene una aplicación bastante limitada al uso de extintores contra incendios. 4.8 Deportes Desde hace algunos años puede alargarse el periodo de utilización de una pista de esquí con el vertido de nieve artificial mediante una maquinaria específica que produ- 9
Parte I - Termodinámica de la refrigeración ce nieve artificial y la lanza sobre la pista. La única limitación a esta técnica es el coste y la necesidad de bajas temperaturas. Las pistas de hielo artificial se obtienen haciendo circular una salmuera a baja temperatura por una red de tuberías situada debajo de la pista que se cubre con agua. De esta manera pueden practicarse unos deportes (patinaje sobre hielo y hockey sobre hielo) típicamente de invierno durante cualquier época del año. 10