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UNIDAD 5

CLIMATIZACION

5. 1 REFRIGERACION

La refrigeración es el proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura(a un valor menor a la del medio ambiente) de un objeto o espacio. Lareducción de temperatura se realiza extrayendo energía del cuerpo,generalmente reduciendo su energía térmica, lo que contribuye a reducir latemperatura de este cuerpo.

La refrigeración implica transferir la energía del cuerpo que pretendemos enfriar a otro, aprovechando sus propiedades termodinámicas. La temperatura es elreflejo de la cantidad o nivel de energía que posee el cuerpo, ya que el fríopropiamente no existe, los cuerpos solo tienen más o menos energía térmica.

De esta manera enfriar corresponde a retirar Energía (calor) y no debepensarse en términos de " producir frío o agregar frío".

La salud y el bienestar de un país puede depender de los sistemas derefrigeración. Por ejemplo; la alimentación y el almacenamiento de vacunas,distribución, aplicación médica, industrial, comercial y doméstica de todo tipodepende de los sistemas de refrigeración.

5.1.1 SISTEMAS DE REFRIGERACION

Los denominados sistemas frigoríficos o sistemas de refrigeracióncorresponden a arreglos mecánicos que utilizan propiedades termodinámicasde la materia para trasladar  energía térmica en forma de calor entre dos -omás- focos, conforme se requiera. Están diseñados primordialmente paradisminuir la temperatura del producto almacenado en cámaras frigoríficas ocámaras de refrigeración las cuales pueden contener una variedad dealimentos o compuestos químicos, conforme especificaciones.

Cabe mencionar la radical diferencia entre un sistema frigorífico y un circuito de refrigeración, siendo este último un mero arreglo para disminuir temperatura elcual se define como "concepto", ya que su diseño (abierto, semi abierto,

cerrado), fluido (aire, agua, incluso gas refrigerante), flujo (sólo frío o "bomba de calor ") varían conforme la aplicación. Estos varían desde el clásicoenfriamiento de motores de combustión interna por medio de agua hasta elwater cooling utilizado en enfriamiento de computadores. Los sistemasfrigoríficos tienden a ser bastante más complejos que un circuito derefrigeración y es por eso que se presentan aparte.

En el estudio acabado y diseño de estos sistemas frigoríficos se aplicandiversas ciencias, tales como la química, en las propiedades y composición delos refrigerantes; la termodinámica, en el estudio de las propiedades de lamateria y su energía interna; la transferencia de calor, en el estudio de

intercambiadores de calor  y soluciones técnicas; así como la ingeniería mecánica, en el estudio de compresores de gas para lograr el trabajo de

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compresión requerido. Se han mencionado estas disciplinas dejando de lado laelectricidad, desde los tradicionales conocimientos en corrientes trifásicas parala alimentación de los equipos, hasta conocimientos relativamente avanzadosen automatización y PLC, para el control automático que estos requierencuando están operando en planta frigorífica.

Los sistemas frigoríficos se diferencian entre sí conforme su método deinyección de refrigerante y configuración constructiva, ambos condicionadospor sus parámetros de diseño. De esta manera, y haciendo un adecuadobalance de masas y energías, es posible encontrar la solución adecuada acualquier solicitación frigorífica.

5.1.2 CARACTERISTICAS TERMODINAMICAS Y QUIMICAS DE LOSREFRIGERANTES

Refrigerante Es cualquier cuerpo o sustancia que actúa como agente de

enfriamiento absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia.

Con respecto al ciclo compresión-vapor, el refrigerante es el fluido de trabajodel ciclo el cuál alternativamente se vaporiza y se condensa absorbiendo ycediendo calor, respectivamente.

Para que un refrigerante sea apropiado y se le pueda usar en el ciclo antesmencionado, debe poseer ciertas propiedades físicas, químicas ytermodinámicas que lo hagan seguro durante su uso.

No existe un refrigerante “ideal” ni que pueda ser universalmente adaptable atodas las aplicaciones. Entonces, un refrigerante se aproximará al “ideal”, soloen tanto que sus propiedades satisfagan las condiciones y necesidades de laaplicación para la que va a ser utilizado.

Propiedades Para tener uso apropiado como refrigerante, se busca que losfluidos cumplan con lamayoría de las siguientes características:

Baja temperatura de ebullición: Un punto de ebullición por debajo de latemperatura ambiente, a presión atmosférica. (evaporador)

Fácilmente manejable en estado líquido: El punto de ebullición debe ser controlable con facilidad de modo que su capacidad de absorber calor seacontrolable también.

Alto calor latente de vaporización: Cuanto mayor sea el calor latente devaporización, mayor será el calor absorbido por kilogramo de refrigerante encirculación.

No inflamable, no explosivo, no tóxico.

Químicamente estable: A fin de tolerar años de repetidos cambios de estado.

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No corrosivo: Para asegurar que en la construcción del sistema puedan usarsemateriales comunes y la larga vida de todos los componentes.

Moderadas presiones de trabajo: las elevadas presiones decondensación(mayor a 25-28kg/cmª)requieren un equipo extrapesado. La

operación en vacío(menor a 0kg/ cmª)introduce la posibilidad de penetración deaire en el sistema.

Fácil detección y localización de pérdidas: Las pérdidas producen ladisminución del refrigerante y la contaminación del sistema.

Inocuo para los aceites lubricantes: La ación del refrigerante en los aceiteslubricantes no debe alterar la acción de lubricación.

Bajo punto de congelación: La temperatura de congelación tiene que estar muy por debajo de cualquier temperatura a la cuál pueda operar el evaporador.

Alta temperatura crítica: Un vapor que no se condense a temperatura mayor que su valor crítico, sin importar cuál elevada sea la presión. La mayoría de losrefrigerantes poseen críticas superiores a los 93°C.

Moderado volumen específico de vapor: Para reducir al mínimo el tamaño delcompresor.

Bajo costo: A fin de mantener el precio del equipo dentro de lo razonable yasegurar el servicio adecuado cuando sea necesario

5.1.2.1 EFICIENCIA DE ENFRIAMIENTO

La capacidad de refrigeración de un equipo está dada por el calor absorbidoen el evaporador (QB). En cambio, la carga de refrigeración corresponde a laenergía térmica que contiene el medio que se desea refrigerar.El trabajo ejercido por el compresor sobre el fluido refrigerante (W) puedeestimarse como la diferencia entre el calor disipado por el condensador (QA) yel calor absorbido por el evaporador (QB).El calor absorbido en el evaporador (QB), el calor expulsado en el condensador (QA) y la potencia o trabajo ejercido sobre el fluido refrigerante (W), pueden ser 

calculados de acuerdo a las variaciones de la entalpía del refrigerante en lasdistintas etapas del ciclo, suponiendo que las válvulas de expansión sonisoentálpicas (entalpía constante).Consultando un texto sobre termodinámica, se pueden extraer las ecuacionesque nos ayudarán a evaluar el proceso, las que vienen representadas por:

QB=m(h1-h5)evap = m(h1-h4)expQA=m(h2-h4)condW=m(h2-h1)comp

m : flujo de refrigerante en unidades de masa, masa/tiempo

hi : entalpías en los distintos puntos indicados en las Figura anterior 

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Los ciclos reales se alejan en la práctica de los ciclos teóricos y esto es debidoa que las sustancias no se comportan en los estados ideales sobre los cualesse define la teórica del proceso. Esta realidad se comprueba en las siguientesetapas del ciclo:

a) La compresión no sigue exactamente un proceso adiabático, ya que seproducen pérdidas de calor del gas refrigerante en el compresor.b) Los procesos de condensación y evaporación no son isobáricos debido a laspérdidas de carga por fricción.c) Existe normalmente un pequeño subenfriamiento del líquido que llega a laválvula de expansión y un sobrecalentamiento del vapor que llega alcompresor. Esto ya los hemos revisado anteriormente.

El coeficiente de operación (COP) nos da una idea de la eficiencia con que estáoperando el sistema de refrigeración.

Este se define como:COP=QB/W = (h4-h1)evp/(h2-h1)compEste coeficiente de operación es aplicable de la misma forma tanto al ciclo idealcomo al ciclo real. En la práctica, si no se conocen con precisión lascondiciones de P y T en punto 2, para el cálculo de h2 y W, estas variables sepueden determinar considerando compresión isentrópica y aplicandoposteriormente la corrección correspondiente por medio de la eficienciaisentrópica (ns)W=Ws/ns

donde Ws es el trabajo isentrópico, para lo que hemos asumido que s1=s2.Conocida el eficiencia isentrópica, calculamos el trabajo real W.

También se puede calcular la potencia activa que desarrolla el motor eléctrico,si este es el caso, conocida su tensión eléctrica, (V) volt, la corriente nominal(I), amp y el factor de potencia (cos f ) que toma el motor. Teniendo en cuentasi el motor es monofásico o trifásico, esta puede ser calculada por la expresión:

monofásico P = (V,volt )* (I,amp) * (cos (f))

trifásico P =1.7321 [(V,volt )* (I,amp) * (cos (f))]

5.1.3 APLICACIÓN DE LA REFRIGERACION A CUARTOS FRIOS

Son las fuentes que se originan por el producto refrigerado y el uso de luces,equipos y personas en el interior de los cuartos, por lo que están sujetas a loshorarios de permanencia y uso, más que a las condiciones climáticaspredominantes.La importancia de cada fuente interna depende del volumen del cuarto, peropor lo general el producto será lo de mayor importancia. Las frutas y verdurasson además un caso especial, ya que se consideran producto vivo y requieren

aire exterior para respirar oxigeno y generar CO2.

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El empaque de almacenamiento es importante y en estos casos debe tener agujeros. Si las frutas o verduras se almacenan en bolsas cerradas, el primer indicio será que la bolsa se sude por dentro y el producto se irá marchitandorápidamente.Los líquidos almacenados deben estar tapados herméticamente, ya que los

evaporadores deshidratan el aire y se pierde poco a poco agua en losproductos.Esto acelera la formación de escarcha en el evaporador y su eficiencia.Durante una auditoría energética, la evaluación de si el equipo está bien o malseleccionado se puede realizar simplemente midiendo con el termómetro ydeterminando si logra o no alcanzar la temperatura adecuada del productocuando éste ingresa y si no hay reportes de daños por deterioro acelerado.Normalmente no es necesario realizar un cálculo de la carga térmica en cuartosfríos. Refrigeradores y enfriadores comerciales son diseñados en fábrica yprobados, por lo que están construidos para un volumen determinado deproducto.

Es necesario tomar en cuenta que el cálculo de la carga térmica de cuartosfríos es un proceso que requiere recolectar diversos datos, como lasdimensiones de la construcción de área y el volumen del cuarto, los materialesusados, cuánto personal y tiempo permanece éste dentro con las lucesencendidas, cuántas luces hay y de que potencia en Watts y la cantidad deproducto que ingresa a una temperatura definida.Ningún método rápido reemplaza un estudio de carga formal y profesional ydeben utilizarse más como una referencia inicial y no como un valor exacto. Por lo general ofrece valores mayores como un factor de seguridad del cálculo.

5.2 ACONDIICIONAMIENTO DEL AIRE

El acondicionamiento de aire es el proceso que se considera más completo detratamiento del aire ambiente de los locales habitados; consiste en regular lascondiciones en cuanto a la temperatura (calefacción o refrigeración), humedad,limpieza (renovación, filtrado) y el movimiento del aire adentro de los locales. Sino se trata la humedad, sino solamente de la temperatura, podría llamarseclimatización.

Entre los sistemas de acondicionamiento se cuentan los autónomos y los

centralizados. Los primeros producen el calor o el frío y tratan el aire (aunque amenudo no del todo). Los segundos tienen un/unos acondicionador/es quesolamente tratan el aire y obtienen la energía térmica (calor o frío) de unsistema centralizado. En este último caso, la producción de calor sueleconfiarse a calderas que funcionan con combustibles. La de frío a máquinasfrigoríficas, que funcionan por  compresión o por  absorción y llevan el fríoproducido mediante sistemas de refrigeración.

La expresión aire acondicionado suele referirse a la refrigeración, pero no escorrecto, puesto que también debe referirse a la calefacción, siempre que setraten (acondicionen) todos o algunos de los parámetros del aire de la

atmósfera. Lo que ocurre es que el más importante que trata el aireacondicionado, la humedad del aire, no ha tenido importancia en la calefacción,

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puesto que casi toda la humedad necesaria cuando se calienta el aire, seañade de modo natural por los procesos de respiración y transpiración de laspersonas. De ahí que cuando se inventaron máquinas capaces de refrigerar,hubiera necesidad de crear sistemas que redujesen también la humedadambiente.

5.2.2 CÁLCULOS DE LA CARGA TÉRMICA DE ACONDICIONAMIENTO

Para conocer la capacidad del aire acondicionado que se debe comprar paradeterminado lugar se deben tener en cuenta varios factores, ellos son:

a) Número de personas que habitarán el recinto.b) Potencia de los aparatos que se encuentran en el lugar que disipen calor (computadores, televisores, electrodomésticos en general). Toda la potencia seliberará como calor.c) Ventilación (posibles fugas de aire que puedan haber como ventanas,

puertas, etc.)d) Volumen del lugar en metros cúbicos (m³) Largo X Ancho X Alto.

Para realizar el cálculo de capacidad se debe tener en cuenta lo siguiente:

1kW = 860 kcal/h12.000 BTU/h = 1 TON. DE REFRIGERACION1 kcal = 3,967 BTU1 BTU = 0,252 kcal1kcal/h = 3,967 BTU/h

1HP = 642 kcal/hCÁLCULO DE CAPACIDADC = 230 x V + (#PyE x 476)

5.2.3 EQUIPOS DE ENFRIAMIENTO

ENFRIAMIENTO POR ABSORCIÓNLos ciclos de absorción se basan físicamente en la capacidad que tienenalgunas sustancias, tales como el agua y algunas sales, como el bromuro delitio, para absorber, en su fase líquida, vapores de otras sustancias tales como

el amoniaco y el agua, respectivamente.Las primeras aplicaciones industriales de los principios termodinámicos de laabsorción datan de los años treinta, pero en Centroamérica es prácticamentenulo su uso. El CDR es bajo, cercano a 1,0 y en sus versiones más eficientes,es casi de 2. La ventaja es que puede utilizar calor residual como fuente deenergía y no necesariamente electricidad, lo que reduce el tamaño de lassubestaciones de energía (y su costo) y la potencia máxima por cobrar, por loque se puede decir que permite ahorros indirectos al proyecto total y no sólo los costos asociadosal sistema de refrigeración.

Algunas ventajas de los sistemas de refrigeración por absorción son:

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- Silenciosos y sujetos a un desgaste limitado debido a que la única parte móviles la bomba de solución. En comparación con los sistemas mecánicos decompresión tradicionales de la misma capacidad, la máquina, bomba, motor oturbina es pequeña.- Cuando el sistema de absorción se diseña para operar con vapor de agua con

presión alta o baja, se pueden utilizar descargas de otros equipos. El sistemano tiene necesidad de depender de la energía eléctrica para los motores de labomba.- La tendencia en la industria es la instalación de turbinas de gas o motores decombustión interna para la generación de energía eléctrica, equipados concalderas de recuperación de calor, que generar el vapor para los sistemas derefrigeración por absorción.- Aún y cuando los sistemas de absorción requieren de mayor espacio, sepueden localizar en partes exteriores a modo de unidades verticales parareducir el área de terreno requerida.

- Solamente existe una limitada disminución de capacidad de las unidades derefrigeración por absorción cuando la temperatura y presión del evaporador disminuyen. Esto puede compensarse al aumentar la presión del vapor de aguaque se envía al generador. Por contraste, la capacidad del sistema decompresión se reduce notablemente cuando la presión del evaporador disminuye.- Las unidades de refrigeración por absorción son tan eficientes a cargasreducidas como en su capacidad total. La cantidad de solución circulada y elvapor de agua suministrado al generador se pueden cambiar para satisfacer diferentes condiciones de carga. Sin embargo su aplicación es limitada alcampo de aire acondicionado o refrigeración industrial, a temperaturas nomenores de 6° C.

5.5.3 BOMBA TÉRMICA EN ACONDICIONAMIENTO DE AIRE

Bomba de calor, cuando además de refrigeración proporcionan calefacción, esdecir, climatización.

La gran ventaja de la bomba de calor reside en su eficiencia energética encalefacción, puesto que es capaz de aportar más energía que la que consume,

aproximadamente entre 2 y 3 veces más.

Esto es así porque el equipo recupera energía gratuita del ambiente exterior yla incorpora como energía útil para calefacción. Por tanto, para lograr el mismoefecto consume menos energía que otros aparatos o sistemas de calefacción y,lógicamente, el coste de calefacción es también más reducido, en línea con lossistemas más competitivos.

Además de esta ventaja, cabe señalar:

• Reúne dos servicios en un solo aparato y una sola instalación, lo que

limita la inversión necesaria y simplifica las instalaciones.

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• Variedad de marcas y modelos que facilitan la colocación en distintoslugares: pared, techo, suelo, etc.

• Prácticamente sin mantenimiento, salvo la limpieza periódica del filtro deaire.

Limitaciones:

En zonas donde las condiciones climáticas invernales son especialmenteadversas o cuando la temperatura exterior es muy baja, puede tener dificultades para aportar todo el calor necesario y requerirá resistencia deapoyo, con un coste de funcionamiento muy superior.

A pesar de que los equipos son muy silenciosos, el nivel de ruido causadopor el ventilador puede resultar molesto para determinadas personas endespachos, salas de reunión o dependencias similares.

Los tipos de bombas de calor.

Los equipos pueden ser compactos y partidos. Los primeros constan de unasola unidad, mientras que los partidos están formados por dos o más unidades.En cuanto al servicio que prestan, los equipos se denominan:

-Unitarios, cuando se trata de equipos independientes en cada dependenciacon descarga directa de frío o calor.

  -Individuales, cuando un solo equipo atiende al conjunto del local con

descarga indirecta a través de una red de conductos de aire.La mayor parte de los modelos que se indican, se fabrican con o sinincorporación de bomba de calor. Acondicionador portátil. Es un equipounitario, compacto o partido, de descarga directa y transportable de un lugar aotro.

5.4 BANCOS DE HIELO

Los bancos de hielo BUCO son almacenes de energía que están diseñados para generar hielo en horas no pico y esta energía utilizarla en puntos críticos de consumo de energíadel proceso.

Hoy en día es bien conocido el sistema de generación de agua helada (0.5ºC) por mediode los bancos de hielo. Los bancos de hielo BUCO son del interés económico cuando hayun requisito de agua helada durante el día con grandes variaciones de carga térmica.

La temperatura de evaporación para generar hielo en los equipos y la temperatura deagua destinada a proceso es de -0.5ºC. La temperatura es constante a lo largo delproceso de derretimiento pues el área de transferencia de calor no cambia.

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Ventajas AplicacionesAgua helada de hasta 0.5ºCTemperatura de agua constante a lo largo

de todo el periodo de derretimientoExcelente transferencia de calor debido a

la alta turbulenciaOperación segura debido a que no hay

partes en movimiento en el tanqueRequerimientos de espacio reducido para

su instalación

Industria LácteaIndustria Cervecera

Industria de bebidas carbonatadasIndustria química

Industria Farmacéutica

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REFERENCIAS

http://www.tendencias21.net/Ingenieros-daneses-desarrollan-el-primer-refrigerador-magnetico_a1168.html

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL SURESTE DE VERACRUZ QUMICAINDUSTRIAL 402 REFRIGERACIÓN

TIPOS DE REFRIGERANTES UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL SURESTEDE VERACRUZ QUMICA INDUSTRIAL 402 REFRIGERACIÓN

http://www.soliclima.es/productos/9-bomba-de-calor.html

http://www.elaireacondicionado.com.ar/bomba.html

http://www.bun-ca.org/publicaciones/manuales/espanol/ManualRefrigeracion30nov09.pdf