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    CURSO BASICO DEREFRIGERACIN

    Modulo 1CONCEPTOS BSICOS

    Ingeniero Ronald Calvo M.Ingeniero Mecnico Esp (En Curso)

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    Conceptos Bsicos Modulo 1

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    Contenido

    CONTENIDO ________________________________________________ - 1 -OBJETIVOS_________________________________________________ - 2 -REFRIGERACIN ____________________________________________ - 3 -CALOR ____________________________________________________ - 4 -Sensacin de calor en el ser humano _________________________________________________ - 4 -Unidades de medida ______________________________________________________________ - 4 -Calor especfico __________________________________________________________________ - 5 -Cambios de fase __________________________________________________________________ - 6 -Calor latente_____________________________________________________________________ - 6 -TRANSFERENCIA DE CALOR__________________________________ - 8 -Conduccin _____________________________________________________________________ - 8 -Radiacin _______________________________________________________________________ - 8 -Conveccin ______________________________________________________________________ - 8 -TEMPERATURA _____________________________________________ - 9 -PRESIN __________________________________________________ - 11 -Presin Atmosfrica _____________________________________________________________ - 11 -Presin Manomtrica ____________________________________________________________ - 11 -

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    Objetivos1. Que el estudiante se familiarice con los conceptos bsicos de

    refrigeracin.2. Que el estudiante conozco las diferentes formas a travs de la cual se

    puede transferir calor de un cuerpo a otro.3. Que el estudiante pueda tener claro los conceptos de CALOR, FRIO,

    TEMPERATURA, AISLAMIENTO Y PRESIN (Atmosfrica y Manomtrica).

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    RefrigeracinLa refrigeracin se puede definir como el proceso de bajar la temperatura aun cuerpo o espacio determinado, quitndole caloras de una formacontrolada.

    El objetivo bsico de la refrigeracin es transferir parte del calor de uncuerpo o un espacio hacia un lugar donde ese calor no produzca ningn efectonegativo. De esta manera se logra establecer una temperatura deseada en esecuerpo o espacio.

    Las aplicaciones de la refrigeracin son entre muchas:

    La Climatizacin, para alcanzar un grado de confort trmico adecuadopara la habitabilidad de un edificio.

    La Conservacin de alimentos, medicamentos u otros productos que sedegraden con el calor. Como por ejemplo la produccin de hielo onieve, la mejor conservacin de rganos en medicina o el transporte de

    alimentos perecederos. Los Procesos industriales que requieren reducir la temperatura de

    maquinarias o materiales para su correcto desarrollo. Algunos ejemplosson el mecanizado, la fabricacin de plsticos, la produccinde energa nuclear.

    La Criognesis o enfriamiento a muy bajas temperaturas' empleadapara licuar algunos gases o para algunas investigaciones cientficas.

    Motores de combustin interna: en la zona de las paredes de loscilindros y en las culatas de los motores se producen temperaturas muyaltas que es necesario refrigerar mediante un circuito cerrado dondeuna bomba enva el lquido refrigerante a las galeras que hay en el

    bloque motor y la culata y de all pasa un radiador de enfriamiento y undepsito de compensacin.

    Mquinas-herramientas: las mquinas herramientas tambin llevanincorporado un circuito de refrigeracin y lubricacin para bombear ellquido refrigerante que utilizan (aceite de corte) sobre el filo de laherramienta para evitar un calentamiento excesivo que la pudiesedeteriorar rpidamente.

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    CalorEl calor es la transferencia de energa entre diferentes cuerpos o diferenteszonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este

    flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpode menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que amboscuerpos se encuentren en equilibrio trmico (ejemplo: una bebida fra dejadaen una habitacin se entibia).La energa puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los quecabe resear la radiacin, la conduccin y la conveccin, aunque en lamayora de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor omenor grado.

    La energa que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipode transformacin que se efecte sobre ese cuerpo y por tanto depende del

    camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energa interna. El calor es parte dedicha energa interna (energa calorfica) transferida de un sistema a otro, loque sucede con la condicin de que estn a diferente temperatura.

    La energa existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor,que es la forma de la energa que se puede transferir de un sistema a otrocomo resultado de la diferencia de temperatura.

    Sensacin de calor en el ser humano

    Generalmente en la mayora de los pases, se habla ya de calor cuando latemperatura supera los 27 C, aunque en verano se hable de temperaturas dems de 32 C (caluroso). El clima por el cual las temperaturas diurnas superanlos 32 C y las nocturnas (o al amanecer) no bajan de los 23 C por 3 dasconsecutivos, son consideradas con el fenmeno de ola de calor. Estefenmeno es comn en verano en todos los pases, a excepcin de los pasescerca de los polos, y se hace ms frecuente las olas de calor cuando los pasesestn ms cerca del trpico (climas tropical y subtropical).

    El ser humano siente ms calor cuando hay ms humedad en el ambiente. Porejemplo, una temperatura de 30 C, pero con humedad ambiental del 10%, se

    sentir como si el ambiente fuese de solo 28 C. Pero con humedad ambientaldel 90%, se sentir como si el ambiente fuese de 40 C.

    Unidades de medidaLa unidad de medida del calor en el Sistema Internacional de Unidades es lamisma que la de la energa y el trabajo: el Julio.

    Otra unidad ampliamente utilizada para medir la cantidad de energa trmicaintercambiada es la calora (cal), que es la cantidad de energa que hay que

    suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura 1 C. Diferentescondiciones iniciales dan lugar a diferentes valores para la calora. La calora

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    tambin es conocida como calora pequea, en comparacin con la kilocalora(kcal), que se conoce como calora grande y es utilizada en nutricin.

    1 kcal = 1000 cal

    Joule, tras mltiples experimentaciones en las que el movimiento de unaspalas, impulsadas por un juego de pesas, se movan en el interior de unrecipiente con agua, estableci el equivalente mecnico del calor,determinando el incremento de temperatura que se produca en el fluidocomo consecuencia de los rozamientos producidos por la agitacin de laspalas:

    1 cal = 4,184 J1

    El BTU, (o unidad trmica britnica) es una medida para el calor muy usada

    en Estados Unidos y en muchos otros pases de Amrica. Se define como lacantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar sutemperatura en un grado Fahrenheit, y equivale a 252 caloras.

    1 BTU = 252 cal

    La tonelada de refrigeracin (TR) es la unidad nominal empleada en algunospases, especialmente de Norteamrica, para referirse a la capacidad deextraccin de carga trmica (enfriamiento) de los equipos frigorficos yde aire acondicionado. Puede definirse como la cantidad de calorlatente absorbida por la fusin de una tonelada corta de hielo slido puro en

    24 horas; en los equipos, esto equivaldra a una potencia capaz de extraer12.000 BTUs por hora, lo que en el Sistema Internacional de Unidades (SI)equivale a 3.517 W (3,517 kW).

    1 TR = 12.000 BTUs

    Calor especficoEl calor especfico es la energa necesaria para elevar 1 C la temperatura deun gramo de materia. El concepto de capacidad calorfica es anlogo alanterior pero para una masa de un mol de sustancia (en este caso es necesario

    conocer la estructura qumica de la misma).

    El calor especfico es un parmetro que depende del material y relaciona elcalor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con elincremento de temperatura.

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    cp

    (msico)Sustancia FasekJkg1C 1

    Agua lquido (25 C) 41,813

    Agua slido (0 C) 2,114

    Agua gas (100 C) 2,080

    Aluminio slido 0,897

    Almina Al2O3 slido 0,160

    Amonaco lquido 4,700

    Argn gas 0,5203

    Berilio slido 1,82

    Cobre slido 0,385

    Diamante slido 0,5091

    Etanol lquido 2,44

    Gasolina lquido 2,22

    Grafito slido 0,710

    Helio gas 51,932

    Hierro slido 0,450

    Oro slido 0,1291

    Oxgeno gas 0,918

    Plata slido 0,237

    Plomo slido 0,129

    Todas las medidas son a 25 C a menos que seindique lo contrario.

    Tabla 1. Valores de Calor especifico de algunos compuestos.

    Cambios de faseEn la naturaleza existen tres estados usuales de la materia: slido, lquido ygaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, sta puede cambiar de un estado aotro. A estos procesos se les conoce como cambios de fase. Los posiblescambios de fase son:

    de estado slido a lquido, llamado fusin,

    de estado lquido a slido, llamado solidificacin,de estado lquido a gaseoso, llamado evaporacin o vaporizacin,de estado gaseoso a lquido, llamado condensacin,de estado slido a gaseoso, llamado sublimacin progresiva,de estado gaseoso a slido, llamado sublimacin regresiva o deposicin,de estado gaseoso a plasma, llamado ionizacin.

    Calor latenteUn cuerpo slido puede estar en equilibrio trmico con un lquido o un gas acualquier temperatura, o que un lquido y un gas pueden estar en equilibrio

    trmico entre s, en una amplia gama de temperaturas, ya que se trata desustancias diferentes. Pero lo que es menos evidente es que dos fases o

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    estados de agregacin, distintas de una misma sustancia, puedan estar enequilibrio trmico entre s en circunstancias apropiadas.

    Un sistema que consiste en formas slida y lquida de determinada sustancia,a una presin constante dada, puede estar en equilibrio trmico, peronicamente a una temperatura llamada punto de fusin simbolizado a vecescomo Tf. A esta temperatura, se necesita cierta cantidad de calor para poderfundir cierta cantidad del material slido, pero sin que haya un cambiosignificativo en su temperatura. A esta cantidad de energa se le llama calorde fusin, calor latente de fusin o entalpa de fusin, y vara segn las

    diferentes sustancias. Se denota por Lf.

    El calor de fusin representa la energa necesaria para deshacer la fase slidaque est estrechamente unida y convertirla en lquido. Para convertir lquidoen slido se necesita la misma cantidad de energa, por ello el calor de fusinrepresenta la energa necesaria para cambiar del estado slido a lquido, ytambin para pasar del estado lquido a slido.

    El calor de fusin se mide en cal / g.

    De manera similar, un lquido y un vapor de una misma sustancia pueden estaren equilibrio trmico a una temperatura llamada punto de ebullicinsimbolizado por Te. El calor necesario para evaporar una sustancia en estadolquido ( o condensar una sustancia en estado de vapor ) se llama calor deebullicin o calor latente de ebullicin o entalpa de ebullicin, y se mide en

    las mismas unidades que el calor latente de fusin. Se denota por Le.

    En la siguiente tabla se muestran algunos valores de los puntos de fusin yebullicin y entalpas de algunas sustancias:

    SUSTANCIAS Tf(C) Lf(cal/g) Te(C) Le (cal/g)Agua 0 79,71 100 539,60Oxigeno -219 3,30 -182,9 50,90Mercurio -39 2,82 357 65,00

    Cobre 1083 42,00 2566,9 --Tabla 2. Puntos de fusin y ebullicin y entalpas de algunas sustancias.

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    Transferencia de CalorEl calor puede ser transmitido de tres formas distintas: por conduccin, por

    conveccin o por radiacin. A continuacin describimos cada proceso:

    ConduccinEs la transmisin de calor desde un punto con una determinada temperaturahasta otro de menor temperatura, que puede ser dentro de un mismo cuerpoo de un cuerpo a otro.

    La velocidad de conduccin de calor depende del material utilizado comoconductor, los metales son buenos conductores de calor y uno de los mejoresy ms utilizados es el cobre. Otros materiales tales como el poliuretano, lalana de vidrio, el corcho son utilizados como aislantes trmicos.

    RadiacinEs la transferencia de calor que se da sin la necesidad de un cuerpo o agenteconductor, el calor se transmite por medio de ondas o rayos que son capacesde atravesar espacios vacos y el alcance de ellos depende de la potencia dela fuente calorfica.

    El acabado y el color de la superficie de los materiales son de sumaimportancia para los efectos de la radiacin, si la superficie es lisa y el colores claro o mejor an es reflectivo, los rayos de calor al igual que los de luzson reflejados. Si la superficie tiene rugosidades y es de color oscuro sobretodo negro, los rayos calorficos son absorbidos.

    ConveccinLa transferencia de calor por conveccin se da por la diferencia de densidadque sufren los gases y los lquidos. Cuando un gas o un lquido se calientapierde densidad por lo tanto tiende a subir y cuando un gas o lquido se enfrao pierde calor sube su densidad o peso especfico y tiende a bajar, esto haceque se forme un ciclo permanente que sube el gas o lquido mientras estcerca de una fuente de calor y bajar cuando se aleja de ella. En el momentoque la fuente calorfica se suspenda, se igualan sus temperaturas, susdensidades y desaparece el ciclo mencionado.

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    Figura 1. Ejemplos de Transferencia de Calor

    TemperaturaLa temperatura se puede definir como el grado de calor con respecto a uncero arbitrario dado por una de las escalas de temperatura. La temperaturasola no muestra la cantidad de calor. Indica nicamente que tan caliente estun cuerpo con respecto a otro.

    De acuerdo a los dos sistemas de medida; el sistema mtrico y el sistemaingles, existen dos escalas relativas y dos escalas absolutas o cientficas. En elsistema mtrico se utiliza la escala Centgrada y en el sistema ingles seutiliza la escala Fahrenheit. Estas escalas se basan en los puntos de fusindel hielo y de ebullicin del agua, en la escala Centgrada el punto de fusindel hielo es el grado cero y el punto de ebullicin del agua es el grado cien osea 100C. Las temperaturas por encima del punto de fusin del hielo sonpositivas y las inferiores a este punto son negativas.

    En la escala Fahrenheit el punto de fusin del hielo se marca como 32F y elde ebullicin del agua como 212F, por lo tanto entre estos dos puntos hay180 divisiones iguales. El nico punto de coincidencia entre las dos escalas esel grado 40.

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    La escala Kelvin corresponde al sistema mtrico donde el punto de fusin delhielo se marca con 273K y el punto de ebullicin del agua con 373 K. Laescala Kelvin se denomina escala de temperatura absoluta, porque ella partedel cero absoluto, donde se dice que hay ausencia total del calor, inmovilidadmolecular y una presin nula.

    En la figura 2 se puede observar la comparacin de las tres escalas: La Kelvin,la Centgrada y la Fahrenheit. Se indican los puntos de fusin del hielo, lospuntos de ebullicin del agua de cada una y el cero absoluto. En la tabla 3estn descritas las diferentes formulas utilizadas para pasar de una unidad demedida de temperatura a la otra.

    De hacia Fahrenheit hacia Celsius hacia Kelvin

    F F (F - 32)/1.8 (F-32)x5/9 + 273.15

    C (C x 1.8) + 32 C C + 273.15

    K (K-273.15)x9/5 + 32 K - 273.15 K

    Tabla 3. Formulas para pasar de una escala de medida de temperatura a otra.

    Figura 2. Comparacin de las tres escalas de Temperatura: La Kelvin, la

    Centgrada y la Fahrenheit.

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    Presin

    Se puede definir como la fuerza ejercida uniformemente sobre una superficie,por tanto se calcula dividiendo la fuerza total aplicada sobre la superficietotal en la cual acta.

    En el sistema mtrico se expresa en Kilogramos sobre Centmetro cuadrado seabrevia Kg/cm2 y en el sistema ingls Libras sobre pulgada cuadrada que seabrevia Lb/Plg2.

    Presin AtmosfricaEs la presin que ejerce el aire o la atmsfera sobre la superficie terrestre. Elaire es una mezcla de diferentes gases mezclados fsicamente ms noqumicamente.

    El aire o atmsfera rodea totalmente el globo terrestre formando una capa de320 kilmetros de altura, por lo tanto la presin de la atmsfera a nivel delmar es el peso de una columna de aire de 320 kilmetros de alto, estacolumna aire ejerce sobre la tierra a nivel del mar una presin de 1,033Kilogramos por centmetro cuadrado y se mide normalmente por la altura deuna columna de mercurio introducido en un tubo angosto de vidrio de 1 metro

    de longitud y que alcanza una altura de 760mm. Este instrumento sedenomina Barmetro y a esta medida se le llama 1 atmsfera (ver figura 3).

    En la medida en que se asciende en una montaa por ejemplo la presinatmosfrica disminuye debido a que la columna de aire que ejerce la presines menor.

    Presin ManomtricaLa presin manomtrica es la que se obtiene o se mide mediante el empleo

    del manmetro, instrumento diseado para medir las presiones. Cuando eneste instrumento la aguja indica cero quiere decir que se encuentra a lapresin atmosfrica.

    En refrigeracin los manmetros ms utilizados son los de tubo de Bourdonel cual es un tubo metlico aplanado, curvado y cerrado por un extremo (verfigura 4). El tubo tiende a enderezarse al aumento proporcional de la presinen su interior, en tanto que con el vaco tiende a curvarse ms. Estemovimiento es transmitido a una aguja indicadora sobre una cartuladebidamente demarcada por libras de presin por pulgada cuadrada (PSI) opor Kilogramos por centmetro cuadrado.

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    Figura 3. Barmetro de Mercurio midiendo una atmosfera.

    Figura 4. Manmetro Bourdon.