PLANTAS DE REFRIGERACIÓN
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Introducción:
El trabajo de una planta de refrigeración es enfriar artículos o productos y mantenerlos a una temperatura mas baja que la temperatura ambiente.
La refrigeración se puede definir como un proceso que saca y transporta el ca1or.
Los más viejos y mejores refrigerantes conocidos son el hielo, el agua y el aire.
Al principio, el único propósito de la refrigeración fue conservar alimentos. Los chinos fueron los primeros en descubrir que el hielo aumentaba la vida y mejoraba el gusto de las bebidas y durante los siglos los esquimales han conservado alimentos congelándolos.
A principios del siglo XX fueron conocidos los terminas tales como bacterias, fermentación, enmohecimiento, encimas, etc.
También se descubrió que el aumento de microorganismos es dependiente de la temperatura y que este crecimiento disminuye cuando la temperatura desciende y que el crecimiento empieza a ser muy bajo a temperaturas por debajo de +10 ºC.
Como consecuencia de este conocimiento fue entonces posible el uso de la refrigeración para conservar productos alimenticios y el hielo se empezó a usar para este propósito.
El primer refrigerador mecánico para producir hielo apareció alrededor del año 1.860.
En 1.880 en los Estados Unidos se utilizó el primer compresor de amoniaco con cámaras de conservación aisladas.
La electricidad empezó a jugar su papel al principio del siglo XX y las plantas mecánicas de refrigeración empezaron a ser comunes en muchos campos: Por ejemplo, cervecerías, mataderos, pescaderías y fabricación de hielo.
Después de la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo de los pequeños compresores herméticos adquirió una seria reputación y los refrigeradores y congeladores empezaron a utilizarse en los hogares.
En la actualidad estas aplicaciones son estimadas como necesidades normales de un hogar.
Ahora hay numerosas aplicaciones para plantas de refrigeración. Como ejemplos tenemos:
- Conservación de productos alimenticios.
- Procesos de refrigeración
- Plantas de aire acondicionado
- Instalación de enfriamiento de agua
- Contenedores refrigerados
De hecho es difícil imaginar la vida sin refrigeración y congelación, este impacto en nuestra existencia es mucho más grande que lo que la gente se imagina.
2. Conceptos Fundamentales:
2.1. El Sistema Si:
A nivel internacional se ha conseguido un acuerdo de usar en el futuro el sistema Sí (Sistema Internacional. de unidades) como sustitución del sistema métrico.
DESIGNACION |
SISTEMA METRICO |
SISTEMA SI |
Temperatura |
ºC |
ºK ºC |
Fuerza |
Kilopondio |
Newton |
Presión |
KPM
Kcal |
Julio |
Potencia |
Hp.
Kcal/h |
Watio |
Entalpía |
Kcal/Kg. |
Julio/Kg |
Pasará algún tiempo antes de que este sistema sea generalmente incorporado en la industria de refrigeración, pero a causa de que muchos países industrializados por su legislación trabajan con este sistema, es necesario para el técnico de refrigeración empezar a acostumbrarse día a día al uso de las unidades Si.
2.2. Presión:
Cuando una fuerza se aplica a una superficie, el efecto producido depende del tamaño de ésta superficie.
Como un ejemplo demostrativo, un hombre que tenga colocados unos esquíes puede estar de pie sobre la nieve sin ellos se hundiría.
Esto quiere decir que los esquíes distribuyen el peso del hombre sobre su gran superficie de tal forma que su peso por unidad de la superficie de la nieve es menor.
La presión se define como la relación entre la fuerza ejercida y el tamaño del área .
Esto se mide en diferentes unidades dependiendo del propósito de la medida.
De estas unidades el Kg/cm2 es en el sistema métrico la mas común. Esta unidad es a menudo abreviada en "at" que define una atmosfera técnica.
Normalmente la presión de aire es de 1,033 Kg/cm2 y se le llama atmosfera física, el término abreviado es "atm".
Diferentes denominaciones de presión se obtendrán dependiendo del punto cero que se escoja.
Si se usa el cero absoluto, entonces la denominación será " ata" de donde la "a” indica absoluta. Esta unidad es la que más frecuentemente se utiliza en refrigeración, sin embargo a menudo puede verse "ato" en los manómetros. "Ato” es válido para sobrepresiones referidas a la atmosfera física. Entonces el punto cero corresponde a 1 atm. y 1,033 ata.
Otra unidad de medida de presión que frecuentemente podemos encontrar es la de mm. columna de mercurio. La presión de aire corresponde a 760 mm. Hg. a lo que corresponde también 1 atmosfera y 1,033 ata.
Finalmente en relación con las bombas de circulación de agua se encuentra la denominación "metro de agua".
La abreviación es m.c.a y 10 m.c.a corresponden a 1 ata, 10,33 m.c.a a 1 atm.
La unidad de presión en el sistema Si es el Newton/m2 , también llamado Pascal (Pa).
De aquí que ésta unidad representa un valor muy pequeño referido a presión, por ejemplo, en refrigeración, la unidad 1 bar = 105 Pa se usa en vez del Pascal.
Afortunadamente, 1 at =0,9807 bar ~ 1 bar, esto hace que en la practica sea a menudo posible utilizar las mismas unidades de presión tanto en el sistema Si como en el sistema métrico.
2.3. Calor:
El calor es una forma de energía que no se puede ver, solo su efecto es aparente y la medida de este efecto es el modo de definirlo. (Fig.5)
La unidad de calor en el sistema métrico es la caloría (Cal) la cual se define como el aumento de calor necesario para aumentar la temperatura de 1 gramo de agua de 15ºC a 16ºC.
En refrigeración es muy normal el uso de la kilocaloría (KCal) lo que es igual a 1.000 calorías.
En el sistema Si la unidad para todas las formas de trabajo, incluyendo el calor es el julio (J).
La conversión del sistema métrico al sistema Si:
1 Cal. = 4,187 J.
1 KCal = 4.187 J.
Hay una gran diferencia en la cantidad de calor que se necesita para aumentar la temperatura de distintas sustancias en 1 ºC.
1 Kg. de hierro necesita 0,114 KCal., por otra parte 1 Kg. de aire necesita 0,24 KCal. El calor especifico de una sustancia es el aumento de calor que requiere 1 Kg. de este cuerpo para incrementar en 1 ºC su temperatura.
El calor especifico de diferentes cuerpos se pueden encontrar en tablas y viene dado en KCal/KgºC (KJ/KGºC).
2.4. Cambios de estado:
Cada sustancia puede existir en tres formas diferentes:
Só1ida, líquida y gaseosa. El agua es el ejemplo mas natural. El estado líquido es el agua que nos rodea por todas partes y en forma de gas es el vapor de agua y en estado sólido es el hielo.
Lo común a estas tres condiciones es que las moléculas permanezcan sin cambios. Por esto el hielo, el agua y el vapor tienen la misma fórmula química H20.
La temperatura y la presión a que está expuesta una sustancia, determinan si está en forma sólida, líquida o gaseosa.
La temperatura a la cual una sustancia sólida se convierte en liquido se llama punto de fusión.
Durante la fusión, la temperatura de la sustancia no cambia, todo el calor aplicado se emplea en cambiar la sustancia de sólida a liquida.
Solo cuando la sustancia se ha fusionado, si se aplica un calor adicional, su temperatura ulteriormente se elevará.
Sustancias diferentes tienen distintos puntos de fusión, el chocolate se funde a 26ºC.
Aquí una nevera puede darse como ejemplo. Se coloca hielo y se dice si el hielo esta a -10ºC rápidamente empieza a calentarse hasta llegar a 0ºC porque el hielo toma calor de las paredes que le rodean y de los alimentos que hay dentro de la nevera etc., entonces el hielo comenzará a fundirse y durante este tiempo la temperatura permanecerá constante a 0ºC. Si no se añade de nuevo
hielo, la fusión se irá gradualmente completando y el agua procedente del hielo se recogerá en una bandeja que hay en la parte baja de la nevera. La temperatura de la nevera se elevará hasta alcanzar la temperatura exterior.
La cantidad de calor que necesariamente se aplica mientras que el proceso de fusión se lleva a cabo, es conocido como calor de fusión. (Fig.8)
El conocimiento del proceso que se lleva a cabo durante el cambio de estado de una sustancia es importante en la refrigeración a causa de que:
El cambio de estado se realiza a temperatura constante.
El cambio del estado implica un aumento grande de calor por Kg. de sustancia.
2.5. Calor de evaporación:
Dado que las características del agua son fáciles de observar y dado que el agua es el mejor refrigerante, esto ha determinado utilizarlo como ejemplo, en esta sección.
Cuando el agua se calienta, su temperatura se eleva proporcionalmente hasta que empieza a hervir, su punto de ebullición depende de la presión que se ejerza sobre el agua.
En un recipiente abierto y la presión atmosférica normal y al nivel del mar 760 mm. de columna de mercurio el agua hierve a 100 ºC.
Si la presión desciende por debajo de la presión atmosférica, el punto de ebullición será mas bajo que 100 ºC.
Por ejemplo a una presión de 531 mm. HG (equivalente a 3000 m. por encima del nivel del mar) el punto de ebullición del agua es de 89 ºC. .
En un recipiente cerrado, el punto de ebullición es determinado por la presión del vapor. Si la presión es superior a 760 mm. HG el punto de ebullición será mayor de 100 ºC. Por ejemplo, el punto de ebullición del agua es de 120 ºC, cuando la presión es de 1 atm. y 183 ºC cuando la presión es de 10 atmósferas.
Este principio se usa en las ollas a presión.
El agua en su punto de ebullición, se le llama también liquido saturado y consecuentemente, el punto de ebullición es también conocido como temperatura de saturación.
A cualquier presión dada, le corresponde un punto de ebullición o una temperatura de saturación y los valores para el agua se contienen en la tabla que se da a continuación:
| PRESION |
TEMPERATURA |
PRESION |
TEMPERATURA |
| ATA |
ºC |
ATA |
ºC |
| 0,2 |
60 |
2,0 |
120 |
| 0,4 |
75 |
4,0 |
143 |
| 0,6 |
86 |
6,0 |
158 |
| 0,8 |
93 |
8,0 |
170 |
| 1,0 |
99 |
10,0 |
179 |
La cantidad de energía suministrada para llevar a un líquido a su punto de ebullición y que se evapore, se llama calor de evaporación.
A la presión atmosférica (760mm de Hg), la cantidad de energía requerida para evaporar 1 Kg. de agua a 100ºC y convertirlo en vapor a 100ºC de temperatura es de 539 KCal. (2.260 KJ). En el caso del agua, se forma un Kg. de vapor saturado seco. Si solo se aplica una pequeña cantidad de calor solo parte del líquido se evapora y el resultado será una mezcla consistente en líquido saturado y vapor saturado.
El calor de evaporación se llama también calor latente, puesto que es el calor que hay que aplicar a un cuerpo para que cambie de estado sin que cambie su temperatura.
Por otra parte, el calor sensible es el aplicado o tomado de un cuerpo, el cual está a una temperatura situada por encima o por debajo del punto de ebullición o del punto de fusión.
2.6. Recalentamiento:
Si se aplica calor a un vapor saturado, el resultado será vapor recalentado, el calor aplicado se llama calor de recalentamiento.
De aquí cuando se realiza un cambio de estado, el calor sensible entra en juego y él mismo es la causa que el vapor incremente de temperatura. El calor específico de un cuerpo cambia cuando pasa del estado líquido al estado gaseoso, por ejemplo solo se necesita 0,45 KCal. (1,9 KJ) para calentar 1 Kg. de vapor un grado centígrado, para obtener el mismo incremento de temperatura en el agua se necesita 1 KCal. (4.187 KJ).
2.7. El proceso de condensación:
El contrario de un cambio de estado de líquido a vapor. Es un proceso llamado de condensación (Precipitación). En vez de aplicar una cierta cantidad de calor, es necesario sacar del cuerpo la misma cantidad para convertir el vapor en líquido.
De nuevo la presión determina la temperatura a la cual la condensación se realiza.
2.8. Diagrama Temperatura/Entalpia:
Las características de un cuerpo se pueden ver en un diagrama temperatura/entalpía. Las entalpías se representan en la abscisa y las temperaturas en las ordenadas. La entalpia frecuentemente se define como el calor total contenido en un cuerpo y es la suma de la energía aplicada a este cuerpo.
Para clarificar conceptos, se ha tomado como ejemplo agua a la presión atmosférica.
Fig. 1 - Diagrama Temperatura - Entalpía
El diagrama comienza con agua a 0ºC, de aquí que la entalpía es también 0(KCal/Kg. de agua).
La aplicación de calor sensible produce un cambio de A a B (Temperatura de evaporación del agua). La diferencia entre A y B es que la temperatura alcanza 100ºC.
Como anteriormente se dijo, cada 1ºC de de aumento de temperatura requiere 1 KCal (4,187 KJ) de aquí que el calor total que necesariamente se ha aplicado, aquí es de 100 KCal., por tanto, el contenido de calor o calor total que es igual a la entalpía es de 100 KCal./Kg. de agua (418,7 J/Kg.).
La línea B-C corresponde al calor latente (calor de evaporación) que es el calor que se necesita para transformar 1 Kg. de agua (punto B) en vapor saturado seco (punto C).
Fig. 2: Diagrama Temperatura-Entalpía
El calor de evaporación del agua a la presión atmosférica, como anteriormente se dijo es de 539 KCal./Kg. de agua y como la entalpía o calor total es la suma del calor aplicado, será 100+539 = 639 KCal./Kg. de agua.
Es importante resaltar que no se produce incremento de temperatura entre los puntos B y C. La línea C-D muestra el efecto de aplicación de calor sensible al vapor, es decir el recalentamiento.
El calor especifico del vapor de agua, se dijo anteriormente que era de 0,45 KCal./Kg, (1,88 KJ/Kg.). En el ejemplo se muestra una elevación de temperatura en el vapor de 20ºC y por tanto, el calor aplicado es de 20 x 0,45 = 9 KCal./Kg. La entalpia o calor total como es la suma de los calores aplicados será en el punto D. igual a 639+9 = 648 KCal./Kg.
Fig. 3 Ciclo de enfriamiento en un diagrama Temperatura-Entalpía
2.9. Diagrama Presión/Entalpia:
Como anteriormente se explicó la relación temperatura/entalpía, es dependiente de la presión y en el punto 2.8. se explicó un diagrama en el cual se utilizaba el agua como ejemplo, sin embargo para poder mostrar las características temperatura/entalpia de cualquier medio que se utilice, hay que construir diagramas para todas las presiones posibles. Esto como se comprende es muy poco práctico, y, por lo tanto, se utiliza un diagrama presión/entalpía, en vez de temperatura/entalpía.
Este diagrama presión/entalpia, se muestra en la figura siguiente. La presión se encuentra en la ordenada, y es como una regla graduada de acuerdo a una escala logarítmica. En refrigeración es necesario trabajar con diferentes presiones y temperaturas y este diagrama ofrece un camino práctico de determinar gráficamente los cambios de energía de una planta de refrigeración.
Fig. 4 - Diagrama Presión-Entalpía
3. Circuitos Refrigerantes:
El ciclo de refrigeración por compresión de vapor
Con la excepción de las máquinas refrigeradoras de absorción, la mayoría de los sistemas de aire acondicionado comerciales se basan en el ciclo de compresión de refrigerante en estado de vapor. El proceso puede ser utilizado para extraer el calor del aire (un acondicionador de aire) o de agua (enfriador). Este puede rechazar el calor a la atmósfera (aire) o agua (refrigeración por agua). El proceso puede incluso ser aplicado como un calentador, moviendo el calor del fluido frío (aire exterior) a un fluido caliente (aire interior). Esto se conoce como bomba de calor.
Un enfriador refrigerado por agua se utilizará como ejemplo. El refrigerador utiliza el ciclo de compresión de vapor para refrigerar agua y rechazar el calor recogido desde el agua enfriada más el calor del compresor a un segundo circuito de agua enfriada por una torre de refrigeración. La figura 5 muestra el circuito básico de refrigeración. Este consta de los cuatro componentes principales siguientes:
Fig. 5 - Circuito de refrigeración básico
Evaporador
El evaporador es un intercambiador de calor que elimina el calor del edificio desde el agua enfriada, bajando la temperatura del agua en el proceso. El calor es utilizado para hervir el refrigerante, cambiándolo de un estado líquido a un gas.
Compresor
El montaje del compresor se compone de un elemento de tracción primario (normalmente un motor eléctrico) y un compresor. El compresor eleva la presión y la temperatura del gas refrigerante.
Condensador
Al igual que el evaporador, el condensador es un intercambiador de calor. En este caso, se elimina el calor del refrigerante haciendo que se condense de un estado gaseoso a un líquido. El calor eleva la temperatura del agua. El agua del condensador después, lleva el calor a la torre de refrigeración donde el calor es rechazado al ambiente.
Dispositivo de expansión
Después que el refrigerante se condensa pasando a líquido, éste pasa a través de un dispositivo de reducción de presión. Este dispositivo puede ser tan simple como una placa perforada o tan complicado como una válvula de expansión térmica modulante electrónica.
Diagrama de presión-entalpía
El diagrama de presión-entalpía (P-H) es otra forma de ver el ciclo de refrigeración. Este tiene la ventaja de mostrar gráficamente el proceso, el efecto de enfriamiento y el trabajo necesario para que pueda ocurrir.
La Figura 6 muestra el diagrama presión-entalpía (P- H) para el mismo circuito de refrigeración que se muestra en la Figura 5. El proceso para cada uno de los componentes está indicado en el gráfico. El proceso de evaporación es del punto 1 al punto 2. A medida que el refrigerante cambia de líquido a gas, la presión (y temperatura) se mantiene constante. El calor está siendo absorbido como un cambio de fase (energía latente). El efecto de refrigeración es el cambio en entalpía de 1 a 2, simplemente expresado en Btu / libra de refrigerante circulado.
La línea 2-3 representa el proceso de compresión. El trabajo es el cambio en la entalpía del punto 2 al punto 3 proporcional al flujo de refrigerante. Simplemente, Btu / lb. veces que las libras. / min sean iguales a la potencia del compresor. Los compresores terminan con el trabajo de compresión en forma de calor en el refrigerante. El aspecto vertical de la curva muestra el aumento de la presión del refrigerante (y la temperatura) a partir de 2 a 3.
El siguiente proceso tiene lugar en el condensador. La primera sección (fuera del domo del refrigerante) es el proceso de recalentamiento. Una vez que el refrigerante está saturado, se produce la condensación y el refrigerante cambia de un gas a un líquido. Al igual que el evaporador, la línea es horizontal, indicando presión (o temperatura) constante.
El proceso final es el dispositivo de expansión. Esto aparece como una línea vertical desde el punto 4 al punto 1, indicando la caída de presión (y temperatura) que se produce a medida que el refrigerante pasa a través de la válvula de expansión térmica (TX).
Fig. 6 - Diagrama Presión - Entalpía
Veamos otro ejemplo.
Los termines físicos del proceso de refrigeración han sido tratados con anterioridad, sin embargo por razones prácticas el agua no se usa como refrigerante. Veamos un circuito con gas refrigerante :
Fig. 7: Circuito Refrigerante
3.1. Evaporador:
Un refrigerante en forma liquida absorberá calor cuando se evapore, y este cambio de estado produce un enfriamiento en un proceso de refrigeración.
Si a un refrigerante a la misma temperatura que la del ambiente se le permite expansionarse a través de una boquilla con una salida a la atmosfera, el calor lo tomará del aire que lo rodea y la evaporación se llevará a cabo a una temperatura que corresponderá a la presión atmosférica.
Si por cualquier circunstancia, se cambia la presión de la salida (presión atmosférica) se obtendrá una temperatura diferente de evaporación.
El elemento donde esto se lleva a cabo es el evaporador cuyo trabajo es sacar calor de sus alrededores y así producir una refrigeración.
3.2. Compresor:
El proceso de refrigeración implica un circuito cerrado. Al refrigerante no se le deja expansionar al aire libre.
Cuando el refrigerante va hacia el evaporador este es alimentado por un tanque. La presión en el tanque será alta, hasta que su presión se iguale a la del evaporador. Por esto la circulación del refrigerante cesará y la temperatura tanto en el tanque como en el evaporador se elevará gradualmente hasta alcanzar la temperatura ambiente.
Para mantener una presión menor y con esto una temperatura más baja, es necesario sacar el vapor del evaporador. Esto lo realiza el compresor, el cual aspira vapor del evaporador. En términos sencillos, el compresor se puede comparar a una bomba que transporta vapor en el circuito del refrigerante.
En un circuito cerrado, a la larga prevalece una condición de equilibrio. Para ampliar más este concepto tenemos que ver si el compresor aspira vapor más rápidamente, que el que se puede formar en el evaporador, la presión descenderá y con esto la temperatura en el evaporador. Por el contrario, si la carga en el evaporador se eleva, el refrigerante se evaporará mas rápidamente lo que producirá una mayor presión, y por esto una mayor temperatura en el evaporador.
3.3. El compresor, forma de trabajo:
El refrigerante sale del evaporador, o bien como vapor saturado o ligeramente recalentado y entra en el compresor donde es comprimido. La compresión se realiza igual que en un motor de explosión, esto es por el movimiento de un pistón.
Fig. 8: Componentes de un sistema de refrigeración basado en compresor y refrigerante.
El compresor necesita una energía y produce un trabajo. Este trabajo es transferido al vapor refrigerante y se le llama trabajo de compresión.
A causa de este trabajo de compresión, el vapor sale del compresor a una presión distinta y la energía extra aplicada produce un fuerte recalentamiento del vapor.
El trabajo de compresión depende de la presión y temperatura de la planta. Mas trabajo, por supuesto requiere comprimir 1 Kg. de gas a 10 At ( ~ bar) que comprimir la misma cantidad a 5 At. (~ bar).
3.4. Condensador:
El refrigerante deja su calor en el condensador y el calor es transferido a un medio que se encuentra a más baja temperatura.
La cantidad de calor que suelta el refrigerante es el absorbido en el evaporador mas el calor recibido por el trabajo de compresión.
El calor se transfiere a un medio que puede ser aire ó agua, el único requisito es que su temperatura sea más baja que la correspondiente a la presión de condensación del refrigerante.
El proceso en el condensador de otra manera se puede comparar con el proceso en el evaporador, excepto que tiene el “signo” opuesto, es por consiguiente el cambio de estado de vapor a líquido.
3.5. Proceso de expansión:
El líquido procedente del condensador, penetra en un tanque colector, el recipiente.
Este tanque se puede comparar al mencionado en el punto 3.1. al hablar del evaporador.
La presión en el recipiente es más alta que la presión en el evaporador a causa de la compresión (incremento de presión) que se lleva a cabo en el compresor.
Para disminuir la presión, al mismo nivel del evaporador hay que colocar un dispositivo que lleve a cabo este proceso, el cual se llama de estrangulación o expansión, por lo que este dispositivo es conocido por dispositivo de estrangulación o dispositivo de expansión.
Normalmente se utiliza una válvula llamada, por lo tanto, válvula de estrangulación o válvula de expansión.
Delante de la válvula de expansi6n, el fluido estará a una temperatura por encima del punto de ebullición. Al reducirle rápidamente su presión se producirá un cambio de estado, el líquido empezará a hervir y a evaporarse.
La evaporación se lleva a cabo en el evaporador y así se completa el circuito.
3.6. Lados de alta y baja presión en una planta de refrigeración:
Fig. 9: Circuito de refrigeración con separador de aceite, bulbo sensor y regulador de válvula de expansión.
Hay muchas temperaturas diferentes implicadas en el funcionamiento de una planta de refrigeración. De aquí que hay diferentes fases como líquido subenfriado, líquido saturado, vapor saturado y vapor recalentado.
En principio, sin embargo solo hay dos presiones: presión de evaporación y presión de condensación.
Las plantas entonces se pueden dividir en lado de alta presión y lado de baja presión, tal como se muestra en la figura siguiente.
Fig. 10: Lados de Alta y Baja presión en un ciclo de Refrigeración
A. Ambiente externo hacia el cual el calor es rechazado
B. Sála de máquinas
C. Salón refrigerado ( en el cual el calor es absorbido)
- Compresor
- Motor
- Trampa de aceite
- Condensador de aire
- Receptor de líquido (con nivel transparente)
- Enfriador de aire (tipo pared)
- Evaporador (tubo con aletas)
- Válvula solenoide ( controlada con el compresor )
- Válvula de expansión termostática
- Embudo para evacuación de agua de deshielo
- Chorro de agua (deshielo de agua)
- Ventiladores
- Válvula de presión constante
- Dispositivo para evitar flujo intermitente del refrigerante (para halocarbones)
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