Principios De Refrigeracion k162e

Principios de Refrigeracion (Teoria)

PRINCIPIOS DE REFRIGERACION EN AIRE ACONDICIONADO (Teoría).

CECATI 121 Ing. Carlos Ramos Castro.

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INDICE INTRODUCCIÓN CURSO TEORICO 1 .- LOS REFRIGERANTES. 2.- EL PROCESO DE EVAPORACIÓN. 3.- EL PROCESO DE CONDENSACIÓN. 4.- LA EVAPORACIÓN Y LA CONDENSACIÓN ( a temperatura constante) 5.- EL SOBRECALENTAMIENTO. 6.- EL SUBENFRIAMIENTO. 7.- LA RELACION PRESION TEMPERATURA. 8.- EL CICLO DE REFRIGERACIÓN. 9.- EL CICLO DE REFRIGERACIÓN ( Explicado gráficamente).


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INTRODUCCIÓN


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La refrigeración mecánica es necesaria en los edificios debido a que estos tienen excedentes de calor que queremos expulsar al exterior. Dichos excedentes de calor provienen en principio de los rayos solares. Hay además en el inmueble ganancias térmicas que provienen de los sistemas de iluminación, del equipo eléctrico utilizado dentro del inmueble, como las computadoras, e incluso de las personas que lo ocupan. ( Fig. a)

Fig. a

Fig b

Dependiendo de la temperatura que haya en el exterior, un inmueble puede perder calor a través de sus ventanas y paredes, a través de la evacuación de aire. Si las ganancias térmicas son superiores a las perdidas decimos que el inmueble esta en modo de enfriamiento o de climatización (Fig. b) Existen dos modos de enfriamiento: El enfriamiento gratuito, que utiliza el aire exterior frío para absorber el excedente de calor interno (Fig. c). La refrigeración mecánica que toma el relevo cuando el enfriamiento gratuito no es posible debido al clima (Fig. d).

Fig. c

Fig. d

Este curso se concentra en la refrigeración mecánica. Pero antes de pasar a la practica, es necesario adquirir las nociones teóricas que acompañan la circulación del refrigerante en el sistema, como la evaporación, la condensación, el sobrecalentamiento y el subenfriamiento. CECATI 121 Ing. Carlos Ramos Castro.

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También es necesario comprender la importancia de la relación Presión-Temperatura. Al final tendremos que poner en practica Todas estas nociones en el estudio del ciclo de refrigeración.


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CURSO TEORICO


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REFRIGERANTES.


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1. -REFRIGERANTES. El elemento principal de un sistema de refrigeración es el refrigerante. Algunos fabricantes utilizan también el termino frigorigeno que encontramos en algunos textos y que se refieren a los CFC. En el campo de refrigeración encontramos frecuentemente el termino FREON. Sin embargo, el FREON es una marca comercial (Fig.1 a)

Fig. 1 a.

En este curso emplearemos el termino refrigerante. El refrigerante es una sustancia cuya formula química varia de acuerdo a la familia a la que pertenezcan (fig. 1 b). Existen 3 familias de refrigerantes (Fig. 1 c):

Fig. 1 b

Fig. 1 c.

Existe otro refrigerante que no forma parte de estos, debido a que no es una sustancia sintética, sino un producto orgánico natural. Es el amoniaco (NH3), el cual no contiene ni fluor ni Cloro (Fig. 1 d). En este curso se utilizara el más común que es el R22.

Fig. 1 d. CECATI 121 Ing. Carlos Ramos Castro.

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EL PROCESO DE EVAPORACIÓN


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2.- EL PROCESO DE EVAPORACIÓN El primer trabajo del refrigerante es absorber el calor del aire a climatizar o del agua a enfriar. Esta acción se produce cuando el refrigerante se evapora a cierta temperatura. Decimos que el refrigerante hierve a cierta temperatura, aunque en realidad se evapora. La evaporación se produce cuando el refrigerante pasa del estado liquido al gaseoso bajo el efecto de una ganancia térmica (Fig. 2 a).

Fig. 2 a Fig. 2 b Cuando las moléculas de un liquido son sometidos al efecto del calor, su actividad vibratoria aumenta a tal punto que su estructura cambia súbitamente. Es entonces que el liquido se transforma en gas.(Fig. 2 b) Cada refrigerante, como toda sustancia liquida tiene su temperatura de ebullición propia y que depende de su estructura molecular. Tomaremos como referencia el refrigerante 22. El refrigerante R22 entra en ebullición a – 40.7 °C o –40°F. Esto es, el R22 hierve a esta temperatura si la presión ejercida sobre el liquido es igual a la presión atmosférica. En un sistema de refrigeración vemos que esta presión es mas alta debido a la presión que se mantiene en el sistema.


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EL PROCESO DE CONDENSACIÓN.


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3.-EL PROCESO DE CONDENSACIÓN. Hemos visto entonces, que el refrigerante liquido se evapora y se transforma en gas a la temperatura indicada (-40.7 °C ó –40°F) bajo el efecto de una ganancia térmica. El segundo trabajo del refrigerante es expulsar al exterior, el calor absorbido durante su evaporación. Esta acción se produce gracias al proceso de condensación (Fig. 3 a ).

Fig. 3 a

Es decir, que si retiramos la ganancia térmica al refrigerante gaseoso, este recuperara su estado liquido a la misma temperatura a la cual se evaporo y liberara así su calor al aire exterior (Fig. 3 b).

Fig. 3 b


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LA EVAPORACIÓN Y CONDENSACIÓN ( a temperatura constante )


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4.-LA EVAPORACIÓN Y CONDENSACIÓN ( a temperatura constante ) La evaporación de un liquido o la condensación de un gas ocurre a temperatura constante. Fig. 3 a. Cambio de estado

El agua por ejemplo, que hierve en un recipiente a una temperatura indicada, se quedara en esa temperatura mientras exista liquido en el recipiente. Fig. 3 b El agua hierve

Con el refrigerante ocurre lo mismo. ¿Dónde va entonces la energía o el calor suministrado? Bien, este sirve para cambiar el estado de la sustancia, es decir, para convertir el liquido en gas, ya que se necesita mucha mas energía para cambiar el estado de una sustancia que para aumentar su temperatura.

Fig. 3 c Cambio de estado de una sustancia a temperatura constante. CECATI 121 Ing. Carlos Ramos Castro.

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Por ejemplo, se necesita 1 000 veces más energía para evaporar una masa de agua que para aumentar su temperatura en un grado Fig.

Fig. 3 d

Fig. 3 e

Con los refrigerantes esta diferencia es más pequeña pero continua siendo muy importante puesto que se necesita de 200 a 400 veces mas de energía para evaporar una masa de refrigerante que para aumentar su temperatura en un solo grado.

Fig. 3 f

Fig. 3 g

No hay que olvidar que las cantidades de energía de calor a suministrar a un liquido son las mismas que se necesita retirar a un gas para condensarlo.

Fig. 3 h

Fig. 3 i

Son entonces los procesos de evaporación y condensación los que permiten desplazar los excesos de calor en el interior de un local para evaporarlo al exterior del inmueble ( fig. 3 j)


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Fig. 3 j

El proceso de evaporación del refrigerante sirve para absorber el calor del inmueble (Fig. 3 k ), y la condensación sirve para expulsar este calor fuera del inmueble (Fig 3 l).

Fig. 3 k


Fig. 3 l

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SOBRECALENTAMIENTO


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5.-SOBRECALENTAMIENTO Cuando un refrigerante esta completamente evaporado (fig. 5 a, 5 b) y continuamos suministrándole calor, su temperatura aumenta, pero la presión no cambia, decimos que esta sobrecalentado. (Fig. 5 c y 5 d)

Fig. 5 a

Fig. 5 b

Fig. 5 c

Fig. 5 d

Cinco grados de sobrecalentamiento en el refrigerante gaseoso indica que el refrigerante esta 5 ° mas de su temperatura de evaporación (Fig. 5 e).

Fig. 5 e

El sobrecalentamiento es absolutamente necesario para impedir que el compresor aspire refrigerante liquido.


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SUBENFRIAMIENTO


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6.- SUBENFRIAMIENTO. Cuando un refrigerante liquido esta completamente condensado (Fig. 6 a y 6 b), es decir, nuevamente en estado liquido y continuamos retirándole calor, su temperatura disminuye, pero la presión no cambia. Decimos que el refrigerante esta subenfriado (Fig. 6 c y 6 d).

Fig. 6 a

Fig. 6 b

Fig. 6 c

Fig. 6 d

Cinco grados de subenfriamiento quieren decir que el refrigerante tiene 5° menos que su temperatura de condensación (Fig. 6 e).

Fig. 6 e

El subenfriamiento es un proceso normal en un sistema de refrigeración, y cuando este es bien utilizado permite tener un funcionamiento más eficaz del sistema.


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RELACION PRESION-TEMPERATURA


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7.- RELACION PRESION-TEMPERATURA. El objetivo de una sistema de refrigeración en aire acondicionado es mantener una temperatura confortable en el interior de un edificio, y que se sitúa alrededor de 23 a 25°C o 74 a 78°F (Fig. 7 a ).

Fig. 7 a

Fig. 7 b

En periodos de acondicionamiento ambiental, varias fuentes de calor aumentan la temperatura interior, por ejemplo: rayos solares, calor despedido por los aparatos de iluminación, equipos eléctricos, las personas, etc.(Fig. 7 b). Para evitar que la temperatura en las piezas no exceda el punto de consigna deseado, es necesario captar el excedente de calor contenido en el aire (fig 7 c). Para hacerlo, el aire caliente se enfría con un intercambiador de calor que contiene un refrigerante o agua enfriada por un refrigerante (fig. 7 d). Este refrigerante se evapora a una temperatura constante e inferior a la temperatura de la pieza (Fig. 7 e).

Fig. 7 c

Fig. 7 d

Fig. 7 e CECATI 121 Ing. Carlos Ramos Castro.

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De hecho, la evaporación se realiza cerca de los 4°C o 40°F dependiendo de los sistemas (fig. 7 f). El aire cede su calor al refrigerante y sale de la pieza a 13°C o 55°F (Fig. 7 g).

Fig. 7 f

Fig. 7 g

Este mismo aire regresa a la pieza y se calienta hasta 23°C o 74°F absorbiendo de nuevo el calor de la pieza (Fig. 7 h).

Fig. 7h

Para que el refrigerante se evapore a 4°C o 40°F es necesario que este a la presión correcta ya que la temperatura de evaporación (fig. 7 i) cambia según la presión que se ejerza sobre el refrigerante (Fig. 7j).

Fig. 7 i


Fig. 7 j

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Examinemos la grafica presión temperatura preparada para el refrigerante R-22. Nótese en principio que esta se evapora a –40°C y 40°F a la presión atmosférica. Nótese que esta temperatura es demasiado fria, nos congelaríamos inmediatamente.76 kpa o 69 lb/plg². Una vez que al evaporarse el refrigerante haya absorbido el calor del aire, lo condensamos para que ceda su calor al aire exterior. Pero para condensar el refrigerante con el aire exterior, necesitamos que este mas caliente que el aire. Su temperatura debe estar alrededor de 50°C o 122°F. Para esto, la presión debe estar a 1869 kpa o 270 lb/plg². Una vez que el refrigerante alcance esta temperatura lo ponemos a circular dentro de un intercambiador de calor por el cual pasara el aire exterior, cuya temperatura debe estar a 40°C o 104°F. Al atravesar el intercambiador, el refrigerante se condensa a temperatura constante y cede su calor al aire exterior que se recalienta a unos 8°C o 16°F. Para que un refrigerante este a la temperatura que deseamos, debiere estar a la presión correcta para que alcance dicha temperatura.


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CICLO DE REFRIGERACIÓN


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8.- CICLO DE REFRIGERACIÓN. Un sistema esta constituido de 4 componentes principales (Fig. 8 a ). Sigamos ahora el recorrido que hace el refrigerante en el sistema (fig. 8 b).

Fig. 8 a

Fig. 8 b

Al inicio, el evaporador esta casi vacío de refrigerante, ya que este esta concentrado en estado liquido en el condensador (Fig. 8 c). Los aparatos de control que estudiaremos mas adelante, aseguran esta situación (Fig. 8d).

Fig. 8 c

Fig. 8 d

Cuando hay una demanda de acondicionamiento ambiental o enfriamiento, el refrigerante liquido es enviado al evaporador (fig. 8 e), el cual se llena hasta casi ¾ (Fig 8 f).


Fig. 8 f 26


La presión del refrigerante se selecciona para que la temperatura de ebullición sea la indicada 2°C o 36°F (Fig. 8 g). El aire caliente que atraviesa al evaporador esta a la temperatura indicada y este aire se enfría para alcanzar la nueva temperatura (Fig. 8h)

Fig. 8 g

Fig. 8 h

. El aire cede su calor al refrigerante (Fig. 8i). Al absorber este calor, el refrigerante liquido entra en ebullición, es decir, se evapora y se transforma en gas (Fig. 8 j).

Fig. 8 i

Fig. 8j

En el proceso de evaporación, el refrigerante en forma de gas esta a la misma temperatura que el refrigerante liquido, ya que la evaporación se hace a temperatura constante (fig. 8 k). Una vez convertido en gas , el refrigerante es sobrecalentado algunos grados por encima de su temperatura de ebullición por el aire que atraviesa la parte superior del evaporador tal y como esta indicado a 5°C o 10°F (Fig. 8 l).

Fig. 8 k


Fig. 8 l

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El gas ligeramente sobrecalentado (Fig. 8m), es absorbido luego por el compresor que lo comprime y le eleva su presión y su temperatura a un nivel un poco más elevado (Fig. 8n).

Fig. 8 m

Fig. 8 n

El trabajo del compresor, esto es, los HP’s de compresión, tiene como efecto aumentar el sobrecalentamiento del refrigerante gaseoso (Fig. 8 o). El refrigerante gaseoso a alta presión y sobrecalentado, es introducido al condensador (Fig.8p).

Fig. 8 o

Fig. 8 p

El aire exterior atraviesa el condensador (Fig. 8q). El refrigerante pierde entonces su grado de sobrecalentamiento en la parte alta del condensador y comienza a condensarse a temperatura constante para llegar liquido a la parte baja del condensador que sirve como deposito (Fig. 8r).

Fig. 8 q


Fig. 8 r

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Al perder su sobrecalentamiento y al condensarse, el refrigerante cede su calor al aire exterior que atraviesa el condensador. Este aire sale del condensador a una temperatura más alta que la que tenia cuando entro. El refrigerante a alta presión y subenfriado en algunos grados desciende entonces al evaporador (Fig. 8s).

Fig. 8 s

En consecuencia, es necesario reducir la presión para que esta corresponda a la temperatura deseada en el evaporador (Fig. 8 t). El papel de la válvula de expansión termostatica es reducir la presión del refrigerante (Fig. 8 u)

Fig. 8 t

Fig. 8 u

. La palabra termostatica indica que la válvula juega un papel de control de flujo, gracias a un sensor de temperatura que mide el numero de grados de sobrecalentamiento a la salida del evaporador Fig. (8v y 8w).

Fig. 8 v


Fig. 8 w

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Con esta acción, la válvula de expansión asegura así un nivel de liquido estable en el evaporador protegiendo al compresor de los posibles daños que sufriría al aspirar refrigerante liquido en lugar de gas (Fig. 8 x).

Fig. 8 x

Una vez el refrigerante liquido entra en el evaporador (Fig. 8y), el ciclo recomienza durante todo el tiempo que el sistema este funcionando y que exista una necesidad de aire acondicionado (Fig. 8z).

Fig. 8 y

Fig. 8 z

Con las necesidades de aire acondicionado satisfechas (Fig. 8 aa), el compresor debe detenerse interrumpiendo la circulación del refrigerante (Fig. 8 ab).

Fig. 8 aa


Fig. 8 ab

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Un elemento adicional, es la presencia de aceite en el refrigerante que ha sido absorbido durante su paso por el compresor (Fig. 8 ac). Este aceite circula en pequeñas cantidades por todo el sistema, lo cual es absolutamente normal (Fig. 8 ad).

Fig. 8 ac

Fig. 8 ad

Lo que seria anormal, es que dicho aceite se acumule en uno de los componentes del sistema (Fig. 8 ae). Todos los componentes que aseguran que el sistema arranque y paro, se estudiaran en la parte practica de este curso (Fig. 8af).

Fig. 8 ae


Fig. 8 af

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EL CICLO DE REFRIGERACIÓN (Gráficamente explicado).


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9.- EL CICLO DE REFRIGERACIÓN (Gráficamente explicado). El ciclo completo del refrigerante en el sistema de refrigeración puede explicarse también con la ayuda de una grafica como la que se indica en la Fig. 9 a. El eje vertical indica una presión mas elevada hacia arriba (Fig. 9 b).

Fig. 9 a

Fig. 9 b

El eje horizontal indica la variación de calor contenida en el refrigerante. Hacia la derecha indica que el refrigerante absorbe calor (Fig. 9 c), hacia la izquierda lo expulsa (Fig. 9d).

Fig. 9 c

Fig. 9 d

Las dos curvas negras dividen la grafica en tres zonas delimitadas por las fronteras de la evaporación (Fig. 9e), y la condensación (Fig. 9f).


Fig. 9 f 33


En la zona de la izquierda que corresponde a la condensación, decimos que el refrigerante esta completamente liquido (Fig. 9g). En la zona de la derecha que corresponde a la evaporación, decimos que esta completamente gaseoso (Fig. 9 h).

Fig. 9 g

Fig. 9 h

Y en la zona del centro el refrigerante esta en la zona de transformación, se evapora si le suministramos calor (Fig. 9 i), o se condensa si se lo retiramos (Fig. 9 j).

Fig. 9 i

Fig. 9 j

Sigamos el camino del refrigerante en el sistema. El refrigerante sale de la válvula de expansión y esta listo para entrar al evaporador (Fig. 9k).

Fig. 9 k

Fig. 9 l

Ahí, el refrigerante esta casi completamente liquido, aunque no totalmente, ya que a la salida de la válvula de expansión, parte del refrigerante se evapora en la descompresión (fig. 9 l). CECATI 121 Ing. Carlos Ramos Castro.

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Es decir, pierde parte de su presión. Este fenómeno es llamado “flashing” ó evaporación prematura. Si el refrigerante estuviera 100% liquido, podríamos comenzar desde el punto cero (Fig. 9m).

Fig. 9 m

A partir de este punto, el refrigerante se evapora absorbiendo el calor del aire a climatizar ó del agua a enfriar (Fig. 9 n).

Fig. 9 n


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Aquí el refrigerante se ha evaporado completamente y esta a ¾ de su recorrido dentro del evaporador (Fig. 9 o).

Fig. 9 o

Una vez evaporado, el refrigerante continua recibiendo el calor del aire o del agua que atraviesa el evaporador, y esto, en el ultimo cuarto de su recorrido antes de salir del evaporador (Fig. 9 p).

Fig. 9 p

Su temperatura aumenta. Decimos entonces que se sobrecalienta. CECATI 121 Ing. Carlos Ramos Castro.

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El sobrecalentamiento continua parcialmente en la línea de succión entre el evaporador y el compresor. Lo que provoca este sobrecalentamiento adicional es la transmisión al refrigerante de calor existente alrededor del tubo en el aparato de acondicionamiento ambiental o en la sala de mecánica (Fig. 9 q).

Fig. 9 q

Al atravesar el motor del compresor, el refrigerante gaseoso sufre un sobrecalentamiento adicional (Fig. 9 r).A pesar de los grados de sobrecalentamiento acumulados, el refrigerante gaseoso esta aun lo suficientemente frió para servir como enfriador para el motor.

Fig. 9 r


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El gas llega al compresor donde es comprimido a alta presión. Su temperatura aumenta instantáneamente. Toda la energía que el motor suministra al compresor se transforma en energía de presión y el sobrecalentamiento adicional (Fig. 9 s).

Fig. 9 s

Desde su salida al exterior, el refrigerante, mas caliente que el medio exterior comienza a perder calor. Lo primero que pierde son los grados de sobrecalentamiento acumulados durante su paso por el conducto que une al compresor con el condensador (Fig. 9 t).

Fig. 9 t


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Nótese también una ligera perdida de presión ocasionada por la fricción del refrigerante con el conducto (Fig. 9 u ).

Fig. 9 u

A su entrada al condensador, el refrigerante pierde todo lo que le queda de sobrecalentamiento. La condensación no ocurrirá sino hasta que el refrigerante haya cedido todo su sobrecalentamiento al aire exterior o al agua de enfriamiento que atraviesa el condensador (Fig. 9 v).

Fig. 9 v


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Una vez que el refrigerante descargado llega a la temperatura de condensación correspondiente a su presión, comienza a condensarse. El proceso de condensación continua durante el trayecto del refrigerante en el condensador. El calor de condensación es transferido al aire exterior si se trata de un condensador enfriado por aire, y al agua de refrigeración si se trata de un condensador enfriado por agua (Fig. 9 w).

Fig. 9 w

Nótese que durante la condensación, la temperatura del refrigerante permanece constante La perdida de energía se traduce en un cambio de estado.de gas a liquido (Fig. 9 x).

Fig. 9 x


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Nótese también una ligera disminución en la presión debido a la fricción entre el refrigerante y los tubos del condensador. En la parte baja del condensador, el refrigerante esta completamente liquido. Una vez condensado, el refrigerante liquido termina su recorrido en la parte baja del condensador. Allí pierde unos grados de temperatura. Este es el proceso de subenfriamiento (Fig. 9 y).

Fig. 9 y

Entre mas tiempo permanezca el refrigerante en el condensador, mas se subvendría. El subenfriamiento continua en los tubos que unen el condensador y la válvula de expansion.debida a las perdidas de calor de los tubos (Fig. 9 z). Una ligera perdida de presión causada por la fricción del refrigerante en los tubos acompaña al subenfriamiento.

Fig. 9 z CECATI 121 Ing. Carlos Ramos Castro.

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El refrigerante llega a la entrada de la válvula de expansión conservando unos grados de subenfriamiento. En la válvula de expansión, el refrigerante sufre una disminución importante de presión, lo que reduce instantáneamente su temperatura a la deseada en el evaporador (Fig. 9 aa).

Fig. 9 aa

La energía liberada en la descompresión se traduce en la vaporización de cierta cantidad del liquido (Fig. 9 ab). Alrededor del 20% del refrigerante liquido se vaporiza.

Fig. 9 ab


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Es por esta razón, que el punto se sitúa entre la línea de liquido saturado y de vapor saturado (Fig. 9 ac).

Fig. 9 ac

Nótese que la energía liberada a la descompresión, es casi tan importante como la suministrada por el compresor.


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