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Fundamentos de
Refrigeración
(Parte 1) M. En C. José Antonio González Moreno
Máquinas Térmicas
Agosto del 2015
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Introducción:
En esta presentación se expondrán los conceptos
básicos de refrigeración, así como los componentes
principales de un sistema aislado y su
funcionamiento básico de dicho sistema de
enfriamiento.
También se expondrán los elementos de un sistema
de Aire acondicionado y su funcionamiento.
Finalmente se presentan las conclusiones y las
Referencias Bibliográficas consultadas.
Para cerrar la presentación se realizarán algunas
preguntas de repaso a los alumnos.
Antecedentes:
El arte de la refrigeración basado en el hielo natural
es muy antiguo y se practicó mucho antes de
construirse cualquier máquina térmica.
Existen escritos chinos, anteriores al primer milenio a.
J.C. que describen ceremonias religiosas para llenar
en invierno y vaciar en verano sótanos de hielo.
Los antiguos romanos utilizaban el hielo de los
Apeninos, y según Las mil y una noches, en la Edad
Media, caravanas de camellos transportaban hielo
desde el Líbano a los palacios de los califas en
Damasco y Bagdad.
Antecedentes:
Asimismo, hasta mediados del siglo XIX existían
navieras especializadas que transportaban miles de
toneladas de hielo de Suecia y de los Grandes Lagos
de EE.UU.A y Canadá a las Indias orientales, Australia,
las Antillas y América del Sur.
En la literatura anglosajona, la primicia de la
obtención de frío por evaporación se adjudica a
William Cullen (Hamilton 1712 - Glasgow 1790).
Por otro lado, ya se ha indicado que según Sigaud de
la Fond y Antoine Baumé, sobre la misma época,
provocaron frío artificial en 1730 con éter etílico.
Fundamentos:
La refrigeración se puede definir como la extracción
de calor de una sustancia o espacio produciendo en
ella una temperatura inferior a la de sus alrededores.
El enfriamiento se efectúa por la evaporación del
líquido refrigerante en un intercambiador de calor
denominado evaporador.
Desarrollo del tema:
La sustancia de trabajo usada en sistemas de refrigeración por compresión se denomina refrigerante. Las propiedades del refrigerante influyen mucho en el diseño de un sistema de refrigeración.
En la siguiente figura se muestra un sistema de refrigeración por medio de agua (llamado Chiller).
Desarrollo del tema:
Aplicaciones de la
Refrigeración: La industria de la refrigeración se encuentra
inmersa en varias aplicaciones, se han agrupado
en 6 categorías generales:
Ciclo Inverso de Carnot:
El Ciclo de Carnot inverso es el modelo perfecto del
ciclo de refrigeración por compresión de vapor más
eficiente que opera entre dos temperaturas y que
constituye un estándar de comparación con los
ciclos reales de refrigeración.
El ciclo inverso de Carnot consta de dos procesos
isotérmicos (DA-CB), y dos procesos isoentrópicos
(DC-AB).
Ciclo Inverso de Carnot:
Coeficiente Energético
(COP):
El coeficiente de funcionamiento del Refrigerador de
Carnot viene dado por la siguiente expresión:
Ciclo de Refrigeración Teórico
por Compresión Mecánica: En la siguiente figura se muestran los elementos de un
sistema de refrigeración por compresión mecánica de
una etapa, en el que se aprecian las 4 etapas
principales de un proceso de Refrigeración.
Ciclo de Refrigeración
Teórico por Compresión
Mecánica:
Etapas del Ciclo de
Refrigeración: El ciclo de Refrigeración Mecánica consta de 4
Procesos:
Proceso de Compresión:
El proceso de 1-2 la realiza el compresor , el cual cumple con dos funciones principales:
1) Succiona el refrigerante vaporizado (línea de succión), reduciendo la presión en el evaporador hasta un punto en el que puede mantenerse la temperatura de evaporación deseada.
2) El compresor comprime ese refrigerante vaporizado, descargándolo a una presión lo suficientemente alta (línea de descarga) para que la temperatura de saturación sea mayor que la temperatura del ambiente a refrigerar, de modo que se produzca la condensación fácilmente.
Proceso de Compresión:
Proceso de Condensación:
El proceso de 2-3 la efectúa el condensador que es
básicamente un intercambiador de calor, en donde el
calor absorbido por el refrigerante en el proceso de
compresión es cedido al medio de condensación (al
aire en este caso).
A medida que el calor es cedido por el vapor de alta
temperatura y presión desciende su temperatura hasta
el punto de saturación, condensándose el vapor y
convirtiéndose en líquido el refrigerante.
Proceso de Condensación:
Proceso de Expansión:
El proceso de 3-4 lo realiza la válvula de expansión, su
misión es disminuir inmediatamente la presión y
dosificar la cantidad de fluido refrigerante que debe de
ingresar al evaporador con entalpia constante hasta el
punto 4.
Proceso de Expansión:
Proceso de Evaporación:
En el proceso de 4 -1 la función que realiza el
evaporador es extraer el calor del medio refrigerado
por medio de la evaporación del refrigerante.
El evaporador recibe refrigerante a baja presión y baja
temperatura y lo entrega a baja presión y alta
temperatura.
Proceso de Evaporación:
Resumen de Etapas:
Trabajo de Compresión: El trabajo de compresión se puede calcular con la
siguiente expresión:
Calor cedido del Refrigerante: El calor cedido del refrigerante al medio condensante puede expresarse como:
Efecto Refrigerante: La cantidad de calor absorbida por el refrigerante en el
evaporador se define como el efecto refrigerante y
viene definido por la siguiente expresión:
Flujo Másico: La masa de refrigerante que circula para producir la
capacidad de refrigeración requerida, viene dada por:
Unidades de Refrigeración:
Potencia Teórica: La potencia del sistema está dada básicamente por la
potencia del compresor y éste a su vez está dada por
la siguiente expresión:
Eficiencia del Ciclo de
Refrigeración: La eficiencia del ciclo de refrigeración se determina
mediante la comparación con el ciclo invertido de
Carnot definida por la siguiente expresión:
Elementos Básicos del Sistema
de Refrigeración: Los sistemas de refrigeración por compresión mecánica
constan, básicamente, de cuatro elementos que se
consideran fundamentales. Estos elementos son:
Compresor: El compresor constituye la verdadera máquina de toda
instalación frigorífica. Su función dentro del sistema de
refrigeración, consiste en aspirar el fluido refrigerante a
baja presión y temperatura, comprimirlo y descargarlo
a una presión y temperatura tales que se pueda
condensar.
Partes de un Compresor:
Partes de un Compresor:
Partes de
un
Compresor:
Partes de un
Compresor:
Partes de un Compresor:
Unidad condensadora: Cuando el compresor, condensador y recipiente del líquido vas montados en una misma bancada formando todos ellos un conjunto, constituyen las llamadas unidades condensadoras.
Una unidad condensadora está formada por:
Función de un Condensador: El condensador es un intercambiador de calor, su
función es eliminar el recalentamiento del gas
refrigerante proveniente del compresor y a
continuación licuarlo.
Tipos de Condensadores: 1) De Tubo Recto o Liso: Se emplean en instalaciones
pequeñas, como en los refrigeradores. El material es de cobre y funcionan por circulación natural, es decir, el aire que lo rodea a medida que se va calentando, va ascendiendo y es “sustituido” por aire nuevo; o sea, una renovación por gravedad.
Por este motivo, los fabricantes de los refrigeradores domésticos recomiendan dejar un espacio determinado entre la parte posterior del Refri y la pared. Ya que si no hay buena circulación de aire la temperatura de condensación es muy alta y en consecuencia también la presión de condensación.
Tipos de Condensadores: Estos evaporadores están formados por un serpentín de cobre y aletas de aluminio separadas entre sí. La transmisión de calor se produce a través del tubo y las aletas, con lo cual la superficie de transmisión es mayor. Si, además, la circulación del aire es forzada mediante ventiladores, la capacidad del condensador aumenta.
Es de gran aplicación en instalaciones industriales porque un condensador de estas características tendría unas dimensiones mucho menor que otro de tipo liso de igualdad de capacidades. Dicho de otro modo, a igualdad de tamaño tendría mucho más capacidad de condensación.
Tipos de Condensadores:
Tipos de Condensadores:
Evaporador: Es el elemento de la instalación donde se produce el efecto refrigerante. Es un intercambiador de calor, en el cual el calor de la cámara o local pasa al interior del evaporador por efecto de la ebullición del fluido refrigerante en su interior.
El fluido refrigerante, ya expandido, entra en el evaporador a la presión y temperatura necesaria para que efectúe el enfriamiento del medio que lo rodea.
Resumen de Partes:
Resumen de Partes:
Resumen de Partes:
Tubo Capilar: Es un sistema muy elemental. Consiste en un tubo largo
de diámetro pequeño y ejerce control por imposición de
una restricción al flujo del refrigerante.
Aceite de Refrigeración: Los aceites de refrigeración son solubles en refrigerante
líquido. A esta capacidad se le llama miscibilidad.
Puesto que el aceite debe pasar por los cilindros del
compresor para lubricarlos, siempre circula una
pequeña cantidad de aceite con el refrigerante.
Conclusiones: El proceso de Refrigeración es muy amplio y extenso
de explicar. El sistema mecánico consta de muchas
partes importantes que hacen que funciones
adecuadamente el ciclo inverso de Carnot. Aquí se
explico sólo las partes básicas que conforman el
sistema, es necesario investigar más al respecto. Aún
falta más por entender del proceso, pero eso será en
otro capítulo aparte.
Referencias Bibliográficas: 1) El Ciclo de Refrigeración. Semarnat. (27 de Junio
2008). Consultado el 21 de Octubre del 2014 de la
página:
http://app1.semarnat.gob.mx:8080/sissao/archivos/
Ciclo%20de%20Refrig.pdf
2) Buenaño Sánchez y Esparza Montero. Diseño y
Construcción de un Sistema de Refrigeración. (27 de
Julio del 2010). Consultado el 7 de Noviembre del
2014 de la página:
http://dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/
394/1/15T00445.pdf
Referencias Bibliográficas: 3) Consultor de imágenes de Google. (2014).
Consultado el 8 de Noviembre del 2014 de:
https://www.google.com.mx/imghp?hl=es&tab=wi&
ei=5CZgVJzQMcH_yQSuyYLACw&ved=0CAQQqi4oA
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Preguntas de Repaso: 1) En la literatura anglosajona, la primicia de la
obtención de frío por evaporación se adjudica a:
R = William Cullen.
2) Personajes de la historia que provocaron frío artificial
en 1730 con éter etílico:
R = Sigaud de la Fond y Antoine Baumé.
3) Definir el concepto de Refrigeración:
R = La extracción de calor de una sustancia o espacio
produciendo en ella una temperatura inferior a la de
sus alrededores.
Preguntas de Repaso: 4) En un Refrigerador, dónde se lleva a cabo el proceso
de transferencia de calor:
R = En un Evaporador.
5) La sustancia de trabajo usada en sistemas de refrigeración por compresión se denomina:
R = Refrigerante.
6) Describir 3 de las 6 categorías en que se clasifica la industria de la refrigeración :
R = Refrigeración Doméstica, Comercial, Industrial, Marina, de Transporte, Aire acondicionado y Aire Industrial
Preguntas de Repaso: 7) Constituye un estándar de comparación con los
ciclos reales de refrigeración :
R = El Ciclo Inverso de Carnot.
8) Describa los 4 procesos que se llevan a cabo en el
ciclo de Refrigeración Mecánica :
R = Compresión, Condensación, Expansión y
Evaporación.
9) Su misión es disminuir inmediatamente la presión y
dosificar la cantidad de fluido refrigerante :
R =La válvula de Expansión.
