Los ciclos de refrigeración

TECSUP Refrigeración y Aire Acondicionado

ÍNDICE

Unidad I: “LOS CICLOS DE REFRIGERACIÓN”

1. Principios Básicos .......................................................................................... 1 1.1. Calor .................................................................................................. 1 1.2. Frío .................................................................................................... 1 1.3. Temperatura ...................................................................................... 1 1.4. Intercambio de calor ........................................................................... 1 1.5. Transmisión de calor ........................................................................... 2

1.5.1. Por conducción .................................................................... 2 1.5.2. Por radiación ....................................................................... 3 1.5.3. Por convección ..................................................................... 3

2. Medición de la temperatura ............................................................................ 3 2.1. Escala Celsius ..................................................................................... 4 2.2. Escala Fahrenheit ................................................................................ 4

3. Cero absoluto y escala termodinámica ............................................................. 5 3.1. Calor sensible y calor latente................................................................ 6

3.1.1. Bajo forma sensible .............................................................. 6 3.1.2. Bajo forma latente ............................................................... 6

3.2. Calor específico de un cuerpo .............................................................. 7 3.3. Calor latente de solidificación ............................................................... 7 3.4. Calor latente de fusión ........................................................................ 7 3.5. Calor latente de vaporización ............................................................... 7 3.6. Calor latente de licuefacción ................................................................ 7

4. Medición de las cantidades de calor ................................................................ 9 4.1. Unidades de las cantidades de calor ..................................................... 9

5. Cambio de estado físico ............................................................................... 10 5.1. Fusión y solidificación ........................................................................ 10 5.2. Leyes de fusión y de solidificación ...................................................... 10 5.3. Vaporización ..................................................................................... 10 5.4. Evaporación ..................................................................................... 10 5.5. Ebullición ......................................................................................... 11

5.5.1. Leyes de la ebullición.......................................................... 11 5.5.2. Punto normal de ebullición .................................................. 11

5.6. Condensación ................................................................................... 11 5.7. Sublimación ...................................................................................... 12 5.8. Temperatura crítica ........................................................................... 12

6. Nociones sobre las presiones ........................................................................ 12 6.1. Definición general de la presión ......................................................... 12 6.2. Unidad de presión ............................................................................. 13 6.3. Unidad legal ..................................................................................... 13 6.4. Unidad inglesa .................................................................................. 13 6.5. Presión atmosférica ........................................................................... 13 6.6. Presión relativa ................................................................................. 14 6.7. Vacío ............................................................................................... 14

Refrigeración y Aire Acondicionado TECSUP – PFR

6.8. Aparatos para la medición de presiones y del vacío .............................. 14 6.9. Medición de las presiones en general .................................................. 15

7. Diagrama presión - entalpía (diagrama de Molliere) ........................................ 16 7.1. Diagramas de Ciclo ........................................................................... 16

7.1.1. Entropía ............................................................................ 17 7.2. Sistema del diagrama Presión – Entropía............................................. 17 7.3. Cambios Termodinámicos .................................................................. 21

7.3.1. Un cambio adiabático ......................................................... 21 7.3.2. Un cambio isotérmico ......................................................... 21 7.3.3. Un cambio isoentrópico ...................................................... 21 7.3.4. Un cambio politrópico ......................................................... 21

8. Ciclo básico de refrigeración ......................................................................... 22 8.1. Modificación del ciclo básico ............................................................... 23

9. Sistemas múltiples ....................................................................................... 24 9.1. Con separador de vapor .................................................................... 24 9.2. Con 2 evaporadores y 1 compresor .................................................... 25 9.3. Con 1 evaporador y 2 compresores e intercooler ................................. 26 9.4. Sistemas en cascada ......................................................................... 26

10. Problemas de aplicación ............................................................................... 27 Unidad II: “COMPONENTES DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN” 1. Introducción ............................................................................................... 29 2. El compresor ............................................................................................... 31

2.1. Exigencias de los compresores ........................................................... 32 2.2. Clasificación de acuerdo al grado de accesibilidad ................................ 32 2.3. Cálculo de la potencia del motor de accionamiento en compresores

abiertos ........................................................................................... 44 3. Evaporadores .............................................................................................. 46

3.1. Coeficientes de paso de calor k para varios tipos de evaporadores ........ 54 4. Dispositivos de protección y control industriales ............................................. 55

4.1. Válvulas de expansión termostática .................................................... 55 4.2. Influencia de las pérdidas de carga en el evaporador ........................... 58 4.3. Tubo seco ........................................................................................ 64 4.4. Carga de los bulbos termostáticos ...................................................... 65

4.4.1. Carga de vapor saturado/líquido .......................................... 65 4.4.2. Carga de vapor (carga limitada) .......................................... 66 4.4.3. Carga de absorción ............................................................ 66 4.4.4. Carga con vapor antibombeo .............................................. 67

4.5. Válvulas de expansión electrónicas ..................................................... 68 4.6. Termostatos ..................................................................................... 69

4.6.1. Termostatos de ambiente ................................................... 70 4.6.2. Termostatos de evaporadores ............................................. 72 4.6.3. Termostatos para líquidos ................................................... 72

4.7. Regulación del termostato ................................................................. 74 4.8. Presostatos ...................................................................................... 76

4.8.1. Presostatos de regulación (presostatos de baja presión) ........ 76 4.8.2. Presostatos de seguridad (presostatos de alta presión).......... 80

4.9. Higrostatos ....................................................................................... 83 4.10. Aparatos secundarios de automatismos .............................................. 84


5. Condensadores .......................................................................................... 94 6. Componentes secundarios .......................................................................... 102

6.1. Válvula de retención (check valve) ................................................... 102 6.2. Válvula de registro .......................................................................... 103 6.3. Filtro secador (fs) ........................................................................... 103 6.4. Visor de líquido con indicador de humedad (vl) .................................. 105 6.5. Intercambiador de calor (ic) ............................................................. 105 6.6. Acumulador de succión .................................................................... 106 6.7. Separador de aceite ........................................................................ 107 6.8. Válvula de servicio .......................................................................... 108

Unidad III: “CÁLCULO DE CARGAS TÉCNICAS” 1. Introducción al cálculo de la carga térmica .................................................. 109

1.1. Transmisión de calor ....................................................................... 109 1.2. Infiltración de aire ........................................................................... 109 1.3. Cargas de los productos .................................................................. 109 1.4. Cargas suplementarias .................................................................... 109

2. Ganancia de calor por las paredes, techo y pisos .......................................... 110 2.1. Conductividad térmica ..................................................................... 110 2.2. Valores de conductividad térmica para materiales de construcción ...... 111 2.3. Selección del espesor óptimo del aislamiento..................................... 118 2.4. Efecto del sol .................................................................................. 118 2.5. Temperaturas de diseño .................................................................. 120

3. Infiltración de aire ..................................................................................... 120 4. Carga del producto .................................................................................... 122

4.1. Datos de almacenamiento ............................................................... 122 4.2. Calor sensible sobre el congelamiento............................................... 122 4.3. Calor latente de congelamiento ........................................................ 123 4.4. Calor sensible por debajo del congelamiento ..................................... 124 4.5. Carga total de producto ................................................................... 125

5. Carga Suplementaria ................................................................................. 125 6. Carga Horaria Total ................................................................................... 126 7. Selección de equipos ................................................................................. 128

7.1. Selección de compresores ................................................................ 128 7.2. Selección de evaporadores............................................................... 129 7.3. Selección de válvulas de expansión .................................................. 130

Unidad IV: “REFRIGERANTES Y ACEITES PARA REFRIGERACIÓN” 1. Refrigerantes ............................................................................................ 131

1.1. Definición ....................................................................................... 131 1.2. Propiedades de los Refrigerantes ...................................................... 131 1.3. Clasificación ................................................................................... 135 1.4. Nomenclatura de los refrigerantes .................................................... 137

1.4.1. Refrigerante R-12 ............................................................. 137 1.4.2. Refrigerante 22 ................................................................ 138 1.4.3. Refrigerante 717 .............................................................. 138 1.4.4. Refrigerante 134ª ............................................................ 139

2. Aceites ..................................................................................................... 142


2.1. Definición ....................................................................................... 142 2.2. Propósito del Aceite para Refrigeración ............................................. 142 2.3. Requerimientos del Aceite para Refrigeración .................................... 147 2.4. Tipos De Aceites Para Refrigeración .................................................. 148 2.5. Propiedades De Los Aceites Para Refrigeración .................................. 149

Unidad V: “SERVICIO A SISTEMAS DE REFRIGERANCIÓN” 1. Servicio y pruebas en los sistemas de refrigeración ...................................... 161

1.1. Medidas de temperatura .................................................................. 161 1.2. Medidas de presión ......................................................................... 163 1.3. Pruebas de fuga ............................................................................. 168 1.4. Purga ............................................................................................. 170 1.5. Evacuación ..................................................................................... 172 1.6. Bomba de vacío .............................................................................. 173 1.7. Método de evacuación con vacío profundo ........................................ 174 1.8. Evacuación triple ............................................................................. 176 1.9. Carga de sistema ............................................................................ 178 1.10. Técnicas de carga ........................................................................... 178

Unidad VI: “PSICOMETRÍA” 1. Introducción ............................................................................................. 181 2. Definiciones .............................................................................................. 181

2.1. El aire ............................................................................................ 181 2.2. Peso especifico ............................................................................... 181 2.3. Volumen específico ......................................................................... 181 2.4. Calor específico............................................................................... 182 2.5. Humedad específica ........................................................................ 182 2.6. Humedad Relativa ........................................................................... 182 2.7. Temperatura de Rocío ..................................................................... 182

3. El Confort ................................................................................................. 183 3.1. Temperatura .................................................................................. 183 3.2. Control de la humedad .................................................................... 184 3.3. Filtrado, limpieza y purificación del aire ............................................. 185 3.4. Circulación y movimiento del aire ..................................................... 185 3.5. Aire confortable .............................................................................. 186

4. Psicrometría .............................................................................................. 186 4.1. Carta Psicrométrica ......................................................................... 186 4.2. Procesos psicrométricos................................................................... 188 4.3. Mezclas de aire ............................................................................... 192 4.4. Factor de calor sensible ................................................................... 193

4.4.1. Calor sensible .................................................................. 194 4.4.2. Calor latente .................................................................... 194 4.4.3. Factor de calor sensible .................................................... 194

4.5. Trabajo práctico .............................................................................. 195


Unidad VII: “UNIDADES ACONDICIONADORAS” 1. Clasificación de los equipos acondicionadores .............................................. 201 2. según el método de expansión ................................................................... 201 3. Según el método de eliminación del calor .................................................... 202 4. Según su estructura ................................................................................... 204 Unidad VIII: “DIAGNÓSTICO DE FALLAS” 1. Introducción ............................................................................................. 213 2. Fallas eléctricas ......................................................................................... 213

2.1. Devanado del motor compresor defectuoso ....................................... 213 2.2. Termostato Defectuoso ................................................................... 213 2.3. Capacitor De Marcha O Arranque Defectuoso .................................... 213 2.4. Capacitor De Ventilador Defectuoso .................................................. 214 2.5. Motor Del Ventilador Defectuoso ...................................................... 214 2.6. Chapa De Teclas De Contacto Cruzada ............................................. 214 2.7. Relay De Corriente O De Voltaje Defectuoso ..................................... 214 2.8. Protector Térmico Defectuoso .......................................................... 215

3. Fallas Mecánicas ........................................................................................ 217 3.1. Desgaste Del Motor Compresor ........................................................ 217 3.2. Válvulas Del Compresor ................................................................... 217 3.3. Rodamientos O Bocinas Del Ventilador .............................................. 217

4. Fallas del sistema de refrigeración .............................................................. 219 4.1. Fuga de refrigerante (gas r - 22) ...................................................... 219 4.2. Obstrucción .................................................................................... 219 4.3. Humedad ....................................................................................... 219 4.4. Presión De Descarga ....................................................................... 220

4.4.1. Suciedad en el condensador .............................................. 220 4.4.2. Aire u otros gases no condensables en el circuito de

refrigeración .................................................................... 220 4.4.3. Sobrecarga de refrigerante ............................................... 220 4.4.4. Insuficiente medio de condensación ................................... 221 4.4.5. Alta temperatura del medio de condensación ...................... 221 4.4.6. Mala ventilación del medio condensador ............................. 222

4.5. Baja Presión De Succión .................................................................. 223 4.5.1. Deficiente flujo de aire a través del serpentín evaporador .... 223 4.5.2. Flujo de refrigerante restringido ........................................ 223 4.5.3. Falta de refrigerante ......................................................... 225 4.5.4. Falla de la válvula de expansión ........................................ 225

4.6. Alta Presión De Succión ................................................................... 226 4.6.1. Condiciones severas de carga térmica ................................ 226 4.6.2. Ajuste insuficiente del sobrecalentamiento ......................... 226 4.6.3. Ajuste inapropiado de la válvula de expansión .................... 226 4.6.4. Mala instalación del bulbo sensor ....................................... 227 4.6.5. Falla del compresor (rompimiento de las válvulas de succión en

el compresor) .................................................................. 227 5. Fallas En Equipos Comerciales .................................................................... 227

5.1. Presostatos De Baja Y Alta ............................................................... 227


5.2. Vet ................................................................................................ 227 5.3. Solenoides ...................................................................................... 228 5.4. Filtros ............................................................................................ 228 5.5. Fajas O Correas .............................................................................. 228 5.6. Relays Térmicos Y Contactores......................................................... 228

6. Temporizadores......................................................................................... 228 Unidad IX: “PROTECCIÓN AMBIENTAL” 1. Identificación del problema ........................................................................ 229 2. Agotamiento de la capa de ozono ............................................................... 231 3. Consecuencias .......................................................................................... 232

3.1. Efectos sobre el medio ambiente ...................................................... 232 3.2. Riesgos para la salud humana .......................................................... 233 3.3. Cáncer de la piel ............................................................................. 233 3.4. Cataratas ....................................................................................... 234 3.5. Sistema inmunitario ........................................................................ 234 3.6. Otras repercusiones ........................................................................ 234

4. Calentamiento mundial de la atmósfera ....................................................... 236 4.1. Definiciones .................................................................................... 236 4.2. Contribución directa de los CFC ........................................................ 237 4.3. Diferencias en GWP para diferentes extensiones de tiempo ................ 238 4.4. El impacto total equivalente de recalentamiento (TEWI) ..................... 238

5. Protocolo de Montreal ................................................................................ 239 6. Reconversión de sistemas .......................................................................... 242 7. Reconversión para utilizar el HFC-134a en vez del CFC-12............................. 244

7.1. Pautas generales ............................................................................ 244 7.2. Lubricantes para los refrigerantes de alternativa ................................ 245


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Unidad I

LLOOSS CCIICCLLOOSS DDEE RREEFFRRIIGGEERRAACCIIÓÓNN

1. PRINCIPIOS BÁSICOS 1.1. CALOR

El calor es una forma de energía. Es la sensación percibida por nuestros órganos sensoriales al encontrarnos frente a un hogar en actividad o un cuerpo incandescente, por ejemplo. La vida terrestre es tributaria de una de las principales fuentes de calor: el sol. El calor se manifiesta igualmente al paso de una corriente eléctrica a través de una resistencia, por la compresión brusca de un gas, ante determinadas reacciones químicas, etc.

1.2. FRÍO Es la sensación que prueba la ausencia, pérdida o disminución del calor. Comparativamente, el frío ante el calor es lo que representa la oscuridad frente a la luz. El frío y la oscuridad son términos negativos. Indican simplemente la ausencia o la disminución, bien del calor o de la luz.

1.3. TEMPERATURA

Es el «nivel» en que el calor (energía calorífica) se encuentra en un cuerpo. Significa la acción más o menos enérgica del calor sobre nuestros sentidos. La temperatura nos permite decir que un cuerpo está más o menos caliente que, otro.

1.4. INTERCAMBIO DE CALOR Cuando dos cuerpos están en contacto, el calor pasa siempre del cuerpo caliente al cuerpo fría. El intercambio de calor no cesa hasta que los dos cuerpos se hallan a la misma temperatura. Ejemplo


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Cuerpo frío: el evaporador de un sistema frigorífico. Cuerpo caliente: los productos colocados dentro del frigorífico. Los productos (cuerpo caliente) ceden parte de su calor al evaporador (cuerpo frío) y al disminuir su calor desciende también su temperatura.

1.5. TRANSMISIÓN DE CALOR El calor puede transmitirse de un cuerpo a otro por tres medios de transmisión diferentes (fig. 1.1). 1.5.1. POR CONDUCCIÓN

La transmisión de calor por conducción tiene lugar en un mismo cuerpo cuando sus partes presentan temperaturas diferentes, y de un cuerpo a otro si ambos, con temperaturas diferentes, se ponen en contacto. Ejemplos: Calentamiento de una barra metálica en un horno, o bien, calentamiento de un recipiente colocado sobre la superficie de una resistencia eléctrica. Existen cuerpos que son buenos conductores de calor, por ejemplo el cobre, la plata, el aluminio, etc., y otros que son malos conductores (o calorífugos), como la madera, el corcho, los poliestirenos, el cartón, etc.

Figura 1.1. Transmisión de calor a través de las paredes de un refrigerador.


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1.5.2. POR RADIACIÓN (fig. 1.2). Los rayos caloríferos se propagan en línea recta por el espacio, y siendo emitidos a temperatura elevada son absorbidos parcialmente por los cuerpos más fríos que forman una pantalla a su propagación. siendo reflejada la parte no absorbida de forma idéntica a la reflexión de los rayos luminosos en un espejo.

1.5.3. POR CONVECCIÓN

Esta forma de transmisión de calor es propia de los líquidos y de los gases. El medio (líquido o gas) entra en movimiento por diferencia de densidad. Las partes calientes son más ligeras y ascienden conduciendo el calor a las partes elevadas más frías. Ejemplo Un radiador calienta un recinto por convección, sirviendo el aire como vehículo del calor. Un evaporador enfría una cámara frigorífica de forma similar.

2. MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA La temperatura indica el nivel al que se sitúa el calor en un determinado cuerpo. Para medir la temperatura se ha escogido la dilatación del mercurio, del alcohol o del tolueno, sustancias que se emplean para la fabricación de termómetros. Se utiliza igualmente la variación de tensión de vapor en determinados fluidos, así como también los fenómenos termoeléctricos. Para la graduación de los termómetros se han escogido dos referencias que corresponden a dos temperaturas constantes bajo las que se producen dos fenómenos físicos:

Figura 1.2 Forma de transmisión de calor por radiación.


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• la fusión del hielo de agua destilada, • la ebullición del agua destilada, Que deben tener lugar bajo la presión atmosférica normal. Estos dos fenómenos se llaman puntos fijos de la escala termométrica. Se emplean dos escalas termométricas: 2.1. ESCALA CELSIUS

El punto 0°C se define como la temperatura del hielo en fusión v el punto de 100`C corresponde a la temperatura del vapor de agua en ebullición bajo la presión atmosférica normal.

2.2. ESCALA FAHRENHEIT En esta escala 0 °C equivalen a 32 °F, y el intervalo entre 0-100 °C es dividido en 180 partes iguales por lo que 100 °C se convierten en 32 + 180 = 212 °F. La escala Fahrenheit se emplea todavía en los países anglosajones, aunque la escala Celsius se utiliza en Gran Bretaña para nombrar las temperaturas oficiales (datos meteorológicos). La escala Celsius es de uso general en los países que han adoptado el sistema internacional de unidades (SI). La conversión de temperaturas de la escala Celsius a la escala Fahrenheit, y recíprocamente, se efectúa por medio de las fórmulas siguientes:

O bien con la ayuda de tablas de conversión. Se emplean otros termómetros distintos a los de mercurio (éstos no pueden utilizarse a muy bajas temperaturas, ya que el mercurio se solidifica a -39 °C). Entre ellos citamos: El termómetro de alcohol que permite medir temperaturas hasta - 80 °C.


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El termómetro con bulbo termostático en el que se registran las variaciones de presiones inherentes a las variaciones de temperatura de un fluido por medio de un «tubo Bourdon» o de una lámina de acero, variaciones referenciadas en un cuadrante graduado en temperatura. El termómetro con par termoeléctrico que se utiliza especialmente en la toma de temperaturas a distancia. El termopar formado por dos conductores de naturaleza distinta - Cobre y constantan, por ejemplo - el cual señala la diferencia de potencial provocada por la diferencia de temperaturas entre las dos extremidades de dichos conductores unidos por soldadura, de los que uno se mantiene a temperaturas constantes (hielo en fusión). Esta diferencia de potencial puede leerse en un mili voltímetro graduado en grados (fig. 1.3).

3. CERO ABSOLUTO Y ESCALA TERMODINÁMICA El calor se halla presente en todo cuerpo que se encuentre a una temperatura por encima de -273 °C. Se ha fijado que -273 °C es la temperatura más baja que puede obtenerse; es el punto en que hay una ausencia absoluta de calor en un cuerpo. Esta temperatura se denomina cero absoluto.

Figura 1.3 Utilización de un termopar.


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Las temperaturas valoradas a partir de este nuevo punto se conocen por tempe-raturas absolutas o temperaturas termodinámicas, y la nueva escala termométrica así definida ha recibido el nombre de escala Kelvin o escala termodinámica. Las temperaturas expresadas bajo esta escala se dan en Kelvin (K), que tienen el mismo valor que los grados Celsius, pasándose de una escala a otra por medio de la fórmula:

Ejemplo ¿Cuáles son las temperaturas absolutas correspondientes a las temperaturas Cel-sius de +25 °C y -10 °C?

3.1. CALOR SENSIBLE Y CALOR LATENTE Un cuerpo o una sustancia pueden recibir o suministrar calor bajo dos formas diferentes (fig. 1.4). 3.1.1. BAJO FORMA SENSIBLE

La absorción de calor bajo esta forma se manifiesta por una elevación de la temperatura del cuerpo receptor: si el cuerpo, por el contrario, ha cedido calor, su temperatura desciende. La absorción o cesión de calor no provoca la modificación del estado físico del cuerpo. La variación de temperatura está en función de la cantidad de calor intercambiado y de una característica física propia de cada cuerpo: su calor específico (o másico).

3.1.2. BAJO FORMA LATENTE

La absorción de calor por un cuerpo bajo esta forma - o el suministro de calor a este cuerpo - se caracteriza por una

273C θK T +°=


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constancia de la temperatura del cuerpo y por su cambio de estado físico.

3.2. CALOR ESPECÍFICO DE UN CUERPO Es la cantidad de calor que debe suministrarse a 1 kilogramo de este cuerpo para elevar 1 °C su temperatura, sin modificar su estado físico. Por definición, el calor específico del agua a presión normal (1,013 bar) es de 4185 julios por kilogramo y por grado Celsius a 15 °C (4,185 kJ/kg . K).

3.3. CALOR LATENTE DE SOLIDIFICACIÓN Es la cantidad de calor que se debe extraer a 1 kilogramo de un cuerpo para hacerlo pasar del estado líquido al estado sólido sin reducir su temperatura.

3.4. CALOR LATENTE DE FUSIÓN Es la cantidad de calor que debe suministrarse a 1 kilogramo de un cuerpo para hacerlo pasar del estado sólido al líquido sin elevar su temperatura.

3.5. CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN Es la cantidad de calor que debe suministrarse a 1 kilogramo de un cuerpo para hacerlo pasar del estado líquido al estado gaseoso sin aumentar su temperatura. Varía de acuerdo con la naturaleza y temperatura del líquido.

3.6. CALOR LATENTE DE LICUEFACCIÓN Es la cantidad de calor que se debe extraer a 1 kilogramo de un cuerpo para hacerlo pasar del estado gaseoso al estado líquido sin reducir su temperatura.


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Figura 1.4 Calor latente y calor sensible.


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4. MEDICIÓN DE LAS CANTIDADES DE CALOR 4.1. UNIDADES DE LAS CANTIDADES DE CALOR

El sistema legal de medidas en nuestro país (sistema S.I.) admite como unidad de calor el julio (J). El empleo de las antiguas unidades caloríficas, como la caloría, la kilocaloría, la frigoría ha dejado de utilizarse en los documentos oficiales desde hace muchos años. A continuación indicamos las equivalencias de dichas unidades en kilojulios (kJ): 1 kilocaloría ( 1 kcal ) = 4,186 kJ 1 frigoría ( 1 fg ) = - 4,186 kJ En los países que utilizan el sistema anglosajón de medidas, la unidad de cantidad de calor es diferente y depende de las unidades base de ese sistema. Es la BTU (British Thermal Unit: Unidad Térmica Británica). BTU es la cantidad de calor que debe suministrarse a 1 libra de agua (1 libra = 0,453 kg) para elevar su temperatura 1 °F. Así pues, 1 BTU = 4,185 x 0,453 x 100/180 = 1,053 kJ, siendo 100/180 la relación entre las escalas Celsius y Fahrenheit en los puntos fijados en las dos escalas termométricas. La cantidad de calor ( Q ) que debe suministrarse o extraerse de un cuerpo es proporcional a: • - la masa del cuerpo (m). • - La variación de temperatura que ha experimentado (∆T). • - Su calor específico ( C ). Por lo que la fórmula general que proporciona la cantidad de calor intercambiado se expresa así:

Ejemplo

T x m x C Q ∆=


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¿Cuál es la cantidad de calor que debe sustraerse a 1500 kg de carne cuyo calor específico C es de 2,93 kJ/kg . K, para rebajar su temperatura desde 30 °C hasta + 2 °C ?

5. CAMBIO DE ESTADO FÍSICO

5.1. FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN La fusión es el paso de un cuerpo del estado sólido al estado líquido por la acción del calor. Solidificación es la transformación inversa por enfriamiento.

5.2. LEYES DE FUSIÓN Y DE SOLIDIFICACIÓN 1. Bajo una presión igual, las temperaturas de fusión y de solidificación

de un cuerpo son idénticas:

sTT =f

Esta es una característica física de un cuerpo. 2. Bajo una misma presión, esta temperatura permanece constante

durante todo el tiempo de cambio de estado. Observación Durante el cambio de estado se produce una variación de volumen.

5.3. VAPORIZACIÓN Es el paso de un cuerpo del estado líquido al estado gaseoso. Puede producirse por evaporación o por ebullición.

Figura1.5 Cambios de estado físico.


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5.4. EVAPORACIÓN Es la formación de vapor sobre la superficie libre de un líquido. Será más rápida: • Si la superficie libre del líquido es grande; • Si se eleva la temperatura; • Si la atmósfera es seca y renovada; • Si la presión es baja; • Si la tensión del vapor saturante del líquido es elevada.

5.5. EBULLICIÓN Es la vaporización rápida de un líquido con la formación de burbujas de vapor en el interior del líquido. 5.5.1. LEYES DE LA EBULLICIÓN

1. Bajo una misma presión, un líquido empieza siempre a hervir a la misma temperatura.

2. Durante todo el período de ebullición, la temperatura permanece constante si la presión permanece también constante.

3. La tensión del vapor saturante del vapor emitido es igual a la presión soportada por el líquido.

5.5.2. PUNTO NORMAL DE EBULLICIÓN

Es la temperatura de ebullición bajo la presión atmosférica normal. Ejemplo Água: 100 °C; R12: -30 °C; NH,: -33,5 °C; R-22: --10,8 °C; R502: -45 °C Si se desea reducir la temperatura de ebullición, debe disminuirse la presión soportada por el líquido en ebullición. A la inversa, si se quiere elevar la temperatura de ebullición, deberá aumentarse esta presión.

5.6. CONDENSACIÓN Es el paso del estado gaseoso al estado líquido.


12

La condensación de un vapor se obtiene de dos maneras: 1. Por compresión hasta la presión correspondiente a la tensión del

vapor saturante del fluido a la temperatura considerada. 2. Por enfriamiento hasta la temperatura correspondiente a la tensión

del vapor saturante del fluido en cuestión.

5.7. SUBLIMACIÓN Es el paso del estado sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Esta propiedad la poseen solamente ciertos cuerpos. Este fenómeno se produce a presión constante frente a una temperatura bien determinada. Ejemplos La nieve carbónica, el yodo, el alcanfor, el hielo. Disolución Si se forma con absorción de calor, la mezcla se convierte en refrigerante; la disolución, no obstante, no se realiza en un punto fijo. Ejemplo Se puede alcanzar una temperatura de –21 °C con una mezcla de hielo y sal; aquí no existe una temperatura fija de disolución.

5.8. TEMPERATURA CRÍTICA No es posible la licuefacción por compresión de un gas o de un vapor por encima de una temperatura límite, cualquiera que sea la presión ejercida sobre el gas o el vapor; esta temperatura límite ha recibido el nombre de temperatura crítica.

R13 28,8 °C R22 96 °C R23 25,9 °C R134a 100,6 °C CO 31 °C R12 112 °C R502 82,2 °C R152a 113,5 °C

6. NOCIONES SOBRE LAS PRESIONES

6.1. DEFINICIÓN GENERAL DE LA PRESIÓN


13

Suponiendo una fuerza F que actúa sobre la superficie A de un cuerpo se dice que esta fuerza ejerce una presión p = F/A.

6.2. UNIDAD DE PRESIÓN Es la presión ejercida por la unidad de fuerza que actúa sobre la unidad de superficie de un sistema dado de unidades.

6.3. UNIDAD LEGAL El pascal es la presión ejercida por una fuerza de 1 newton que actúa de forma uniforme sobre una superficie de 1 m2. La unidad normalmente empleada es el bar, múltiplo 10 5 del pascal. Las equivalencias entre el bar y las antiguas unidades que son: el kilogramo fuerza por centímetro cuadrado (kgf/cmz), y la atmósfera (atm), se indican a continuación: 1 bar = 105 Pa = 1,02 kgf/cm2 = 1 hpz = 0,086 atm.

6.4. UNIDAD INGLESA Es la libra por pulgada cuadrada (psi). Es la presión ejercida por la unidad de peso, la libra (0,453 kg), sobre la de superficie, la pulgada cuadrada (1 pulgada = 1 inch = 2,54 cm).

6.5. PRESIÓN ATMOSFÉRICA

Es la presión ejercida sobre la superficie de todos los cuerpos por la capa gaseosa que constituye la atmósfera. Esta presión, al nivel del mar, es igual a la de una columna de mercurio de 760 mm de altura.

bar 0,0687 1,02

0,07037 psi 1

sea o , kg/cm 0,07037 (2,54)

0,453 psi 1 2

2

==

==


14

Si se utiliza otro líquido en lugar del mercurio, la altura que equilibra la presión atmosférica es inversamente proporcional a la densidad del líquido utilizado. Para el agua, esta altura es de 10,33 metros. La presión atmosférica disminuye al aumentar la altura.

6.6. PRESIÓN RELATIVA

Se mide a partir de la presión atmosférica. Presión absoluta Se mide a partir dei vacío absoluto.

Observación En el caso de medidas de presión a nivel del mar en la instalación, se admite: Presión absoluta = presión relativa + 1 bar La presión relativa viene dada por la lectura de los manómetros.

6.7. VACÍO Cuando se tienen presiones inferiores a la presión atmosférica, se dice que se halla bajo vacío. El vacío relativo se mide a partir de la presión atmosférica y varia, de acuerdo con los sistemas de unidades utilizadas, de: • 0 a 76 cm de mercurio de vacío absoluto; • 0 a 30 pulgadas de mercurio de vacío absoluto; • de 0 a 1,013 bar de vacío absoluto.

6.8. APARATOS PARA LA MEDICIÓN DE PRESIONES Y DEL VACÍO

Para la medición de la presión atmosférica se emplean barómetros.

Presión absoluta = presión relativa + presión atmosférica


15

Barómetro de mercurio, en el cual se mide la altura de la columna barométrica. Barómetro aneroide, aparato inventado por Vid¡ y perfeccionado por Bourdon. Se compone de un tubo de cobre que forma un círculo casi completo. Este tubo, en cuyo interior se ha hecho el vacío, queda fijo por uno de sus extremos. El otro se halla junto a una pequeña palanca, la cual pone en movimiento un sector dentado que engrana con un piñón portador de una aguja indicadora. La curva del tubo crece cuando aumenta la presión atmosférica, y la aguja señala la variación sobre un cuadrante.

6.9. MEDICIÓN DE LAS PRESIONES EN GENERAL

Se emplean manómetros metálicos basados en el sistema Bourdon. Un extremo del tubo en espiral se halla cerrado, mientras que el otro se comunica con la presión que debe medirse. El extremo cerrado acciona la aguja indicadora de las variaciones por el mismo procedimiento de la palanca y del sector dentado. En refrigeración, se emplean manómetros cuya escala está graduada de 0 a 25 bars para la medición de las presiones de descarga y también de manómetros llamados «de baja presión», cuyo cuadrante está graduado desde - 1 a 6 bars para medir las presiones de aspiración. Las lecturas de las depresiones se efectúan en la escala de 0 a -1 (es decir, desde cero al vacío absoluto) y las de las presiones relativas de 0 a 6 bars. En las instalaciones de refrigeración de tipo comercial y doméstico se utilizan también manómetros con los cuadrantes graduados en libras por pulgada cuadrada para medir las presiones de descarga, y en pulgadas y libras por pulgada cuadrada para la lectura de los vacíos y de las presiones de aspiración. En la práctica, la transformación de libras por pulgada cuadrada en bar se consigue rápidamente por medio de la siguiente equivalencia: 1 bar = 14,6 psi y 1 psi = 0,069 bar. Las frecuentes manipulaciones exponen estos aparatos a sacudidas que pueden perjudicar la exactitud de sus indicaciones. Los instaladores deben contrastarlos en el taller comparando sus indicaciones con las del manómetro patrón.


16

Para medir presiones muy bajas, especialmente en laboratorios se emplean los aparatos siguientes: • El manómetro truncado de mercurio, en el que se utiliza la diferencia

de nivel en las dos secciones de un tubo de cristal en forma de U (lectura entre 760 y 0,5 mm de Hg).

• El manómetro de tubo inclinado, análogo al anterior, cuya lectura es más precisa (entre 20 mm y 0,1 mm de Hg).

7. DIAGRAMA PRESIÓN - ENTALPÍA ( DIAGRAMA DE MOLLIERE )

7.1. DIAGRAMAS DE CICLO

Un buen conocimiento del ciclo compresión - vapor requiere un estudio intensivo de no solamente los procesos individuales que conforman el ciclo sino también los enlaces que existen entre varios procesos y de los efectos que tienen los cambios en cada proceso particular relacionados con los demás procesos del ciclo. Esto es en gran medida simplificado por el uso de Cartas y Diagramas sobre los cuales se muestra el ciclo completo gráficamente. La representación gráfica del ciclo de refrigeración permite observar las consideraciones simultáneas deseadas de toda la variedad de cambios en las condiciones del refrigerante que

a b

Figura 1.6 manómetros de alta (a) y baja(b).


17

pueden ocurrir durante el ciclo y el efecto que esos cambios tienen en el ciclo, sin la necesidad de memorizar los diferentes valores númericos involucrados en los problemas. Los diagramas frecuentemente usados en el análisis del ciclo de refrigeración son el diagrama de presión entalpía ( p - h ) y el diagrama de Temperatura - entropía ( T - s ). De los dos, el diagrama de presión - entalpía parece ser el más útil.

7.1.1. ENTROPÍA

Es la cantidad total de calor que tiene 1 Kg de refrigerante. Como es un poco complicado explicar lo que la entropía es específicamente, podríamos omitirla aquí. De todos modos, las condiciones de un gas como son la presión, temperatura y volumen específico, cambian a lo largo de una línea de entropía constante cuando el gas es comprimido adiabáticamente.

7.2. SISTEMA DEL DIAGRAMA PRESIÓN – ENTROPÍA La condición del refrigerante en cualquier estado termodinámico puede ser representada como un punto en el diagrama p - h. El punto en el diagrama p - h el cual representa la condición del refrigerante en cualquier estado termodinámico particular puede ser ubicado si dos de las propiedades del refrigerante son conocidas. Una vez que dicho punto ha sido ubicado en el diagrama, todas las otras propiedades del refrigerante para su estado pueden ser determinadas directamente del diagrama. Como es mostrada en la Figura 1.6, el diagrama típico p-h, la carta está dividida en tres áreas las cuales están separadas cada una de la otra por las curvas de líquido saturado y gas saturado. El área de la izquierda de la curva del líquido saturado en el diagrama es llamada región sub-enfriada. En cualquier punto en la región sub-enfriada el refrigerante está en el estado líquido, y su temperatura está por debajo de la temperatura de saturación correspondiente a esa presión. El área a la derecha de la curva de gas saturado es la región sobrecalentada y el refrigerante está en la forma de gas sobrecalentado. La sección central de la carta, entre las curvas de líquido saturado y de gas saturado, representa el cambio de fase del refrigerante entre los estados de líquido y gas. En cualquier


18

punto entre las dos curvas el refrigerante está en la forma de mezcla de gas y líquido. La distancia entre las dos curvas a lo largo de una línea de presión constante, que puede leerse en la escala de entalpía en la parte inferior del gráfico, es el calor latente de evaporación del refrigerante a esa presión. Las curvas de líquido y gas saturados no son exactamente paralelas una a la otra, porque el calor latente de evaporación del refrigerante varia con la presión a la cual ocurre el cambio de fase.

En el gráfico, el cambio de fase de líquido a estado de gas toma lugar progresivamente de izquierda a derecha, mientras que el cambio de fase de gas a estado líquido ocurre de derecha a izquierda. Muy cerca a la curva de líquido saturado la mezcla líquido - gas es casi todo líquido; mientras más cerca a la curva de gas saturado, la mezcla líquido - gas es casi todo gas. Las líneas de condición constante (Fig. 1.7), extendiéndose

Región de cambio de fase. El refrigerante es una mezcla de líquido y gas

Región sobrecalentada. El refrigerante está en la forma de gas sobrecalentado.

Liq. a gas

Gas a líquido

Entalpía Kcal/kg

Pres

ión

abso

luta

kg/

cm2

Región subenfriada. El refrigerante está en forma de líquido sub-enfriado.

Figura 1.7 Diagrama típico p – h.


19

de arriba a abajo a través de la sección central del gráfico y aproximadamente paralela a las curvas de líquido y gas saturados, Indican la fracción de gas en la mezcla en incrementos de 0.10. Por ejemplo en cualquier punto de la línea de calidad constante cercana a la curva del líquido saturado, la condición de la mezcla líquido gas es 0.10 (10 %), lo cual significa que el 10% (en peso) de la mezcla es gas, similarmente la condición indicada de la mezcla en cualquier punto a lo largo de la línea de calidad constante cercano a la curva de gas saturado es 90% y la cantidad de gas en la mezcla líquido - gas es 90%. En cualquier punto de la curva de líquido saturado el refrigerante es un líquido saturado, y en cualquier punto a lo largo de la curva de gas saturado el refrigerante será gas saturado.

La presión es graficada a lo largo del eje vertical, y la entalpía a lo largo del eje horizontal. Por lo tanto, las líneas horizontales que cruzan el

Entropía constante

Presión constante

Entalpía Kcal/kg

Temperatura constante

Pres

ión

abso

luta

kg/

cm2 Volumen

constante

Curva de líquido saturado

Curva de vapor saturado

Fig. 1.8 Diagrama p – h mostrando líneas de presión y temperatura constante.

Calidad constante 10 %


20

gráfico son líneas de presión constante y las líneas verticales son líneas de entalpía constante. Las líneas de temperatura constante en la región sub-enfriada son casi verticales en el gráfico y paralelas a las líneas de entalpía constante. En la sección central, considerando que el refrigerante cambia de estado a temperatura y presión constantes, las líneas de temperatura constante corren horizontalmente cruzando el gráfico y paralelas a las líneas de presión constante. En la curva de gas saturado las líneas de temperatura constante cambian de dirección de nuevo y, en la región de gas sobrecalentado caen violentamente hasta hacerse nulo en el gráfico. Las líneas rectas que se extienden diagonalmente y casi verticalmente cruzando la región de gas sobrecalentado son líneas de entropía constante. Las líneas curvadas y casi horizontales que cruzan la región de gas sobrecalentado son líneas de volumen constante. Los valores de cualesquiera de las variadas propiedades del refrigerante que son de importancia en un ciclo de refrigeración pueden ser leídas directamente del gráfico p-h en cualquier punto donde el valor de esa propiedad particular sea significante para el proceso que ocurre en ese punto. Para simplificar el gráfico, el número de líneas en el gráfico es preferible que sea mínimo. Por esta razón, el valor de esas propiedades del refrigerante las cuales no tengan real significación en algunos puntos del ciclo, son omitidos en el gráfico. Por ejemplo, en la región del líquido y en la región del cambio de fase (sección central), los valores de entropía y volumen no son de particular interés y por lo tanto omitidos del gráfico en esas secciones. Considerando que el gráfico p-h está basado en 1 Kg de refrigerante, el volumen dado es el volumen específico, la entalpía está en Kcal por Kg, y la entropía está en Kcal por Kg por grado absoluto de temperatura. Los valores de entalpía se encuentran en la escala horizontal en la parte inferior del gráfico y los valores de entropía y volumen están dados adyacentemente a las líneas de entropía y volumen respectivamente. Los valores de entalpía y entropía están basados en el punto standard de 0 °C seleccionado arbitrariamente, donde la entalpía es 100 Kcal/Kg. y la entropía es 1 Kcal/kg °K en estado líquido.


21

La magnitud de la presión en Kg/cm2 (abs.) es leído en la escala vertical y al lado izquierdo del gráfico. Los valores de temperatura en grados centígrados se encuentran adyacentes a las líneas de temperatura constante, en las regiones sub-enfriada y sobrecalentadas del gráfico y en las curvas de líquido y gas saturados. Los diagramas de los refrigerantes que proporcionan los fabricantes se encuentran en unidades de S.I., kJ/kg para la entalpía y bar (abs) para las presiones, aunque también se tienen diagramas en kcal/kg y Btu/lb para las entalpías y kg/cm2 o bar y psi para las presiones. Se adjuntan en el anexo diagramas p – h de los refrigerantes más usuales.

7.3. CAMBIOS TERMODINÁMICOS Los cambios termodinámicos de un estado definido a otro, pueden seguir cualquier número de trayectorias, dependiendo de la manera en que dicho cambio es llevado a cabo. 7.3.1. UN CAMBIO ADIABÁTICO

Es aquel en que no hay flujo de calor hacia adentro o hacia afuera del sistema. SI el medio es tal que obedece a la ley de los gases perfectos en la región en cuestión, la relación funcional entre la presión y el volumen es pVk = const., dónde k = Cp/CV. Cp y CV son los calores específicos a presión y volumen constante respectivamente.

7.3.2. UN CAMBIO ISOTÉRMICO

Es aquel en que la temperatura de trabajo de la sustancia permanece constante. Este tipo de compresión sería la mas efectiva pero físicamente imposible.

7.3.3. UN CAMBIO ISOENTRÓPICO

Requiere que la entropía de la sustancia permanezca constante adicionalmente al estado adiabático que tenga.

7.3.4. UN CAMBIO POLITRÓPICO


22

Para un gas, es el que sigue la trayectoria representada por pVn = const., donde (1 < n <k). El cambio termodinámico real o práctico de un compresor es comúnmente politrópico.

8. CICLO BÁSICO DE REFRIGERACIÓN

Llamado también ciclo Rankine invertido esta conformado por los procesos • C´- D: compresión • D – A´: condensación • A´- D: expansión • D – C´; evaporación

Calor

Compresor

Calor

Evaporador

Condensador

Entalpía

Presión

Tanque recibidor

Disp. de expansión

Figura 1.9 Ciclo básico de refrigeración.


23


24

8.1. MODIFICACIÓN DEL CICLO BÁSICO

condensador

evaporador

ER

Q

C

capilar

3’

∆h

∆h

3 2

q 2

1’ 1

4

3

4 3’ q

1 1’

P

h

Carga Térmica = mR x ERU

(h1 - h4)

41r h - h

Térmica Carga m =

)h - (h

)h - (h COP

)h - (hmr x

ERUmr x

compresor del Potencia

Térmica Carga COP

1´2

41

1´2

=

==

Figura1.10 ciclo básico con regeneración.

H1-h4


25

9. SISTEMAS MÚLTIPLES

9.1. CON SEPARADOR DE VAPOR

C

Figura 1.11

ER

CONDENS

EVAPORAD

3

7

4 8 2

5

1 9 6

4 5

3 2

6

7

8 9 1

P

h

)h - (h

)h - (h m m

:separador elen térmicoBalance

)h - (h

Térmica Carga m

:evaporador elen masa de Flujo

47

548 7

699

==

=

981

121

699

m m m :

)h - (h m

)h - (h x m COP

+=

=

Nota


26

9.2. CON 2 EVAPORADORES Y 1 COMPRESOR

Figura 1.12

ER1

ER2

4

7

3 5 4

3

6

1 8 7

2

5

6 8 1

P

h

CONDENS

EVAP 1

EVAP 2

C

861121

788456

788

456

m m m :Nota )h- (h m

)h- (h m )h- (h m

h- h2 Térmica Carga

m

h- h1 Térmica Carga

m

+=+

=

=

=

COP


27

9.3. CON 1 EVAPORADOR Y 2 COMPRESORES E INTERCOOLER

Figura 1.13

9.4. SISTEMAS EN CASCADA Se denomina así a todo aquel sistema que tiene un intercambiador de calor que sirve de evaporador en un ciclo y a la vez de condensador en otro.

CONDENS

EVAPOR

5

3

6

4

2 7

1 8

6 7

5 4

8

3 2

1

P

h

COMP ALTA

COMP BAJA

)h- (h m )h- (h m

)h- (h m COP

:Perfomance de eCoeficient

)h- (h

)h- (h . m m

:separador el en Térmico Balance

h- hTérmica Carga

m

343121

811

63

7213

811

+=

=

=


28

El refrigerante que circula por cada uno de los ciclos es diferente, siendo a su vez los ciclos independientes uno del otro. Con los sistemas en cascada se pueden alcanzar hasta -100 °C utilizándose sucesivas cascadas.

Figura 1.14

10. PROBLEMAS DE APLICACIÓN PROBLEMA 1.- Una cámara frigorífica está compuesta por un sistema múltiple de 2 evaporadores y un compresor. La capacidad de refrigeración es de 1,5 TON y el sistema utiliza refrigerante R-22. La temperatura de condensación es de 40 °C y el vapor entra al condensador sobrecalentado. La temperatura de trabajo

2

1

q''''

EVAPORADOR

CONDENSAD

C

P

h

C

C 3

2

1 4

4’

3’ 2’

1’

q

)h- (h mr )h- (h mr

)h- (h mr COP

h- hTérmica Carga

mr :

h- h

)h- (h mr mr :Luego

)h- (h mr )h- (h mr

q) q ( cedido Calor ganado Calor

:calor de adorintercambi el en Balance

121122

412

412

41

3221

322411

+=

=

=

==′=

′′

′′

′′

′′

′′

donde


29

de cada evaporador es -15 °C y -30°C respectivamente y el evaporador de mas baja temperatura recoge 1 TON. Hallar: • Flujo total de refrigerante. • Pot del compresor. • COP del sistema. • ¿A que temperatura entra el refrigerante al condensador?

PROBLEMA 2.- Para una aplicación frigorífica se utiliza un sistema múltiple de 2 compresores y un evaporador, teniendo un depósito separador que a la vez es un enfriador intermedio. La evaporación del sistema es de 4 TON y se utiliza R-12 como refrigerante. Datos: Tamb= 30 °C Temperatura Cámara frigor. = -10 °C Calcular: • La potencia teórica de los compresores. • El COP en TON/ HP • El calor disipado en el condensador en 1 hora.

PROBLEMA 3.- Un sistema de refrigeración necesita una temperatura de cámara de -60 °C para lo cual utiliza un sistema en cascada con los refrigerantes R-22 y R-502. La carga térmica del sistema es de 4 TON. Si el compresor de alta recibe al refrigerante a -15 °C y la temperatura ambiente es de 25 °C, calcular: • El flujo de cada refrigerante. • La potencia de cada compresor. • El COP del sistema. PROBLEMA 4.- Seleccionar un compresor semi-hermético (BITZER) para una carga de 5 TON de refrigeración, si el equipo está instalado en un ambiente de 30 °C y se requiere una temperatura en la cámara de 0°C. El refrigerante utilizado es R-22. Nota: Utilizar ∆T = 10 °C PROBLEMA 5.- Seleccionar una unidad condensadora (COPELAMETIC) si se tiene una carga de 2,5 TON que se desea mantener a 10 °F y contestar: • Con que refrigerante el sistema es mas económico. • Que modelo de compresor requiere.


30

• ¿Cual es la potencia que consume? • ¿Cual es la eficiencia en BTU/WATTS-HR


31

ANOTACIONES: …………………………………………………………………………………………………………………………………………

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Los ciclos de refrigeración

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