DEDICATORIAS. · DEDICATORIAS A Dios: Primero que a nadie le agradezco a Él por guiarme por el...

DEDICATORIAS.

A Dios:

En primer lugar, porque siempre iluminómis pasos y me guió en los momentosmás difíciles para no perder la direcciónhacia el camino correcto, el camino delbien.

A mis padres:

Sr. José Antonio Martínez MelchiSra. Silvia Alicia Torres Peña

Quienes han dedicado su vida y esfuerzo porinculcarme valores morales, por enseñarmeque cuando se da todo por un sueño, éste selogra y el esfuerzo se ve recompensado,

agradezco su amor y su fe en mí.

A mi esposa Eleonor Dodero Díaz de laVega e hijo Leonardo A. Martínez Dodero:

Quienes ha contribuido a que esta tesis fuera terminada, y que gracias a sus consejos

nunca me he dado por vencido en la luchapor alcanzar mis ideales.

A mi familia y amigos:

Que han estado junto a mi para alentarme aterminar mi carrera y a ser mejor diariamente,así como a mis hermanas Olga y Ruth quienessiempre me han brindado su cariño y su apoyo.

A mis profesores y asesores, en especial alIng. Agustín López Maldonado:

Quienes compartieron sus conocimientosy me guiaron siempre para hacer de miuna persona preparada y con conviccionesfirmes.

Al Instituto Politécnico Nacional y a laEscuela de Ingeniería Mecánica y EléctricaUnidad Azcapotzalco:

Que gracias a sus instalaciones y a la oportunidad que me dieron de ingresara la carrera de Ingeniería Mecánica,logré terminar mis estudios para asítener un mejor futuro y poder llevaren alto el nombre del IPN.

Ricardo Martínez Torres.

DEDICATORIAS

A Dios:

Primero que a nadie le agradezco a Élpor guiarme por el camino correcto, porpermitir que los seres más queridos quetengo estén junto a mí y principalmentepor ayudarme a terminar mi carrera.

A mis padres:

Sr. Juan Vargas Valencia.Sra. Guadalupe Zarco González.

Por el enorme apoyo moral, cariño compren-sión que durante mi vida me han brindado; por enseñarme a luchar por mis objetivos

sin dejar que los obstáculos fueran un impedimento, sino una prueba más de que todo se puede lograr con esfuerzo y dedicación; y por haberme brindado la oportunidad de realizar mis estudiosprofesionales.

A mis hermanos Saúl, Juan yGuadalupe:

Por el cariño y comprensión que mehan tenido, por estar conmigo enmomentos difíciles, gracias por todolo que han enseñado, además de laenorme motivación y consejos queme obsequiaron.

A mi esposa Edith Morales Hernández ehija Valeria Vargas Morales:

Por el amor y comprensión que durante eltiempo de conocernos siempre me hademostrado.

A mis profesores:

Por sembrar en mí la semilla delconocimiento y procurar que éstasiempre creciera, por transmitirmesus experiencias y por el tiempodedicado durante toda mi formaciónprofesional. En especial agradezcoal Ingeniero Agustín López Maldonado

por su apoyo y comprensión.

César Vargas Zarco

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INTRODUCCION

Desde los tiempos más remotos el hombre conoció, en un nivel empírico, el uso de

los espacios cerrados que, debido a su disposición, permitían conservar determinados

alimentos a una temperatura menor que la del medio. Por lo general, dichos espacios eran

cavernas que al tener entrada y salida de corrientes de aire natural permitían este milagro

de conservación.

Los animales prehistóricos al sentirse moribundos se adentraban por instinto en los

rincones más profundos de las cuevas y ahí morían. Al estar alejados de la acción del sol

y entre las corrientes de aire que ahí existían, sus cuerpos se secaban sin descomponerse,

gracias al frío sostenido de esos lugares. Los primeros hombres se percataron de tal

fenómeno y, después de agruparse en rudimentarias formas sociales, lo utilizaron para su

provecho. El hombre prehistórico adoptó estas cuevas y comenzó a almacenar grandes

trozos de carne para resguardarlos de la acción de los rayos solares. Primero los secaba

para eliminar la grasa, y después lo cubría con tierra para evitar la rápida putrefacción.

Durante los tiempos en que la caza escaseaba, podía obtener alimento de esta reserva de

carne.

En las tribus mas antiguas de Norteamérica también se conocía la conservación de

la carne mediante un método natural que se realizaba de la siguiente manera: se

localizaba una corriente de agua subterránea y en la piedra viva se hacía una cavidad, de

modo que al ras de ella y en la parte inferior se humedeciera ligeramente la tierra, sin

llegar a anegar la cavidad. Después se fabricaba una plataforma sobre la que se

colocaban, previamente cubiertos de tierra, los trozos de carne que se deseaba conservar.

Posteriormente, toda la cavidad se cubría con ramas y la misma corriente de agua

neutralizaba el calor del hueco. La carne se consumía antes de que comenzara a

descomponerse.

Otro uso de los espacios fríos en la antigüedad lo llevaron a cabo los egipcios a las

orillas del rió Nilo, para conservar determinadas clases de granos en tiempos de sequía.

En la América precolombina, los emperadores aztecas organizaban grupos de individuos

para su servicio exclusivo, que desempeñaban la tarea de llevar hielo de los volcanes

cercanos al Valle de México hasta la Gran Tenochtitlan. El uso del hielo de los glaciares

de las montañas nevadas también se conoció por los griegos y los romanos. En el siglo

XIX , la refrigeración artificial fue un producto de la industrialización.

Después de considerar los puntos anteriores surge inevitablemente esta pregunta: ¿

por que en la actualidad se hace mas indispensable el uso de la refrigeración que en la

antigüedad ? Tal vez pueda responderse con la siguiente explicación. Anteriormente los

rayos solares caían sobre la tierra y eran absorbidos por el suelo, ya que este se encontraba

en su forma natural. En las ciudades actuales, el uso del asfalto y del cemento en general,

y el espaciamiento entre los pisos y techos de las casas, no permiten que el calor de los

rayos solares se absorba, sino que por el contrario, hacen que éste rebote. Cuando el calor

sube, la densidad del humo – niebla (smog) en el aire lo detiene y lo rebota hacia el piso.

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Esta concentración de a aire caliente es lo que hace que sea indispensable el uso de los

refrigeradores domésticos, además de su gran ventaja como almacén que conserva los

alimentos durante días y evita las continuas salidas para aprovisionamiento.

El refrigerador actual es el resultado de más de un siglo de evolución. La construcción

del primer refrigerador artificial se le atribuye al ingeniero francés Carlos Tellier, en el

año de 1863.

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CAPITULO 1.- GENERALIDADES

1.1. PARAMETROS DE ESTADO Los parámetros que definen el estado de una masa de cualquier sustancia son: presión, volumen y temperatura. 1.1.1. PRESION

La tierra se encuentra rodeada por una capa de gases que se denomina atmósfera. Estos gases tienen un peso específico, por lo que ejercen una presión determinada en la superficie de la tierra. A la presión ejercida por la atmósfera contra la superficie se le conoce como presión atmosférica PRESIÓN ATMOSFERICA

La atmósfera alrededor de la tierra, que esta compuesta de gases como el oxigeno y el nitrógeno, se extiende muchos kilómetros sobre la superficie. El peso de esta atmósfera sobre la tierra crea la presión atmosférica. En un punto dado, la presión atmosférica es relativamente constante excepto por pequeños cambios debidos a las diferentes condiciones atmosféricas, con el objeto de estandarizar y como referencia básica para su comparación, la presión atmosférica al nivel del mar ha sido universalmente aceptada y establecida a 1.03 kilos por centímetro cuadrado (14.7 libras por pulgada cuadrada), lo cual es equivalente la presión causada por una columna de mercurio de 760 milímetros (29.92 pulgadas) de alto, en alturas sobre el nivel del mar, la altitud de la capa atmosférica disminuye a 1,525 metros (5,000 pies) de altura, la presión atmosférica es solo de 0.86 kilos por centímetro cuadrado (12.2 libras por pulgada cuadrada). .

ca manómetriesión

lutaesión abso

aatmósfericesiónP

PPP

ATM

MANAATM

PrP

Pr=P

Pr

:Donde

MAN

A

=

=

−=

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PRESIÓN MANÓMETRICA

Un manómetro de presión esta calibrado para leer cero kilos por centímetro cuadrado (cero libras por pulgada cuadrada) cuando no esta conectado a algún recipiente con presión; por lo tanto, la presión absoluta de un sistema cerrado será siempre la presión manométrica mas las presión atmosférica.

Las presiones inferiores a 0 kg/cm2 (psi) son realmente lecturas negativas en los manómetros y se llaman milímetros (pulgadas) de vacío. Un manómetro de refrigeración mixto (compound) esta calibrado en el equivalente de milímetros (pulgadas) de mercurio por las lecturas negativas. Puesto que 1.03 kg/cm2 (14.7 psi) son equivalentes a 760 milímetros de mercurio (29.92 pulgadas), 1 kg/cm2 ( psi) equivale aproximadamente a 738 milímetros (29.05 pulgadas).

Es importante recordar que la presión manométrica es siempre relativa a la presión absoluta. La expresión matemática para calcularla es:

ATMAMAN PPP −=

PRESIÓN ABSOLUTA

Generalmente, la presión absoluta se expresa en términos de kg/cm2 (lb/in2 ó bien psi) y se cuenta a partir de vacío perfecto en el cual no existe presión. Por lo tanto en el aire a nuestro alrededor, la presión absoluta y la atmosférica son iguales. La expresión matemática para calcularla es :

ATMMANA PPP +=

PRESIÓN DE VACIO (Pvacío) Cuando la presión manométrica indica que es negativa, se dice que hay un vacío y esta presión recibe el nombre de "Presión de Vacío". Su expresión matemática es :

MANATMVAC PPP −=

1.1.2. TEMPERATURA La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la magnitud absoluta de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas. Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se eleva su temperatura, con la

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que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades físicas que se pueden medir con precisión. Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia y, en el caso de un gas, su presión varía. La variación de alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala numérica precisa de temperaturas. La temperatura depende de la energía cinética media (o promedio) de las moléculas de una sustancia; según la teoría cinética, la energía puede corresponder a movimientos rotacionales, vibracionales y traslacionales de las partículas de una sustancia. La temperatura, sin embargo, sólo depende del movimiento de traslación de las moléculas. En teoría, las moléculas de una sustancia no presentarían actividad traslacional alguna a la temperatura denominada cero absoluto. ESCALAS DE TEMPERATURA En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas esta la escala Celsius también conocida como escala centígrada, la escala Fahrenheit, la escala Kelvin, la escala Rankine o la escala termodinámica internacional. En la escala Celsius, el punto de congelación del agua equivale a 0 °C y su punto de ebullición a 100 °C. Esta escala se utiliza en todo el mundo, en particular en el trabajo científico. La escala Fahrenheit se emplea en los países anglosajones para medidas no científicas y en ella el punto de congelación del agua se define como 32 °F y su punto de ebullición como 212 °F. En la escala Kelvin, la escala termodinámica de temperaturas más empleada, el cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, -273 °C. Otra escala que emplea el cero absoluto como punto más bajo es la escala Rankine, el punto de congelación del agua equivale a 492 °R y su punto de ebullición a 672 °R. En 1933, científicos de 31 naciones adoptaron una nueva escala internacional de temperaturas, con puntos fijos de temperatura adicionales basados en la escala Kelvin y en principios termodinámicos. La escala internacional emplea como patrón un termómetro de resistencia de platino (cable de platino) para temperaturas entre -190 °C y 660 °C. Desde los 660 °C hasta el punto de fusión del oro (1.064 °C) se emplea un termopar patrón: los termopares son dispositivos que miden la temperatura a partir de la tensión producida entre dos alambres de metales diferentes. Más allá del punto de fusión del oro las temperaturas se miden mediante el llamado pirómetro óptico, que se basa en la intensidad de la luz de una frecuencia determinada que emite un cuerpo caliente. En 1954, un acuerdo internacional adoptó el punto triple del agua, es decir, el punto en que las tres fases del agua (vapor, líquido y sólido) están en equilibrio , como referencia para la temperatura de 273.16 °K. El punto triple se puede determinar con mayor precisión que el punto de congelación, por lo que supone un punto fijo más satisfactorio para la escala termodinámica. En criogenia, o investigación de bajas temperaturas, se han obtenido

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temperaturas de tan sólo 0.00001 K mediante la desmagnetización de sustancias paramagnéticas. En las explosiones nucleares se han alcanzado momentáneamente temperaturas evaluadas en mas de 100 millones de Kelvin. En algunos países la temperatura se mide en grados Fahrenheit, pero en nuestro país, y generalmente en el resto del mundo, se usa la escala de grados centígrados, algunas veces llamada Celsius. Ambas escalas tienen dos puntos básicos en común: el punto de congelación y el de ebullición del agua a nivel del mar. La relación existente entre los grados Fahrenheit y los grados Celsius se establece con las siguientes fórmulas:

100 180 5 9

5 9 32

9 5 32

/ /

/ ( )

/ ( )

=° = ° −° = ° +C F

F C

Dicha relación se obtiene gráficamente con la siguiente relación:

Grafica 1. Relación entre escalas de temperatura

TEMPERATURA DE BULBO SECO (TBS) Es la temperatura obtenida con un termómetro preciso después de la corrección por radiación.

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TEMPERATURA DE BULBO HÚMEDO (TBH) La temperatura termodinámica de bulbo húmedo es aquella a la cual el agua o el hielo al evaporarse en el aire, puede saturarlo adiabáticamente a la misma temperatura. En forma práctica se define como la temperatura indicada por un Psicrómetro de bulbo húmedo, inmerso en una corriente de aire. TEMPERATURA DE ROCÍO (TR) La temperatura de rocío es aquella a la cual comienza la condensación del vapor de agua para un estado de humedad y presión dadas, cuando la temperatura del vapor se reduce. RELACIÓN TEMPERATURA-PRESIÓN

La temperatura a la cual hierve un líquido depende de la presión sobre este líquido. La presión del vapor de un líquido, que es la presión causada por las pequeñas moléculas al tratar de escapar del líquido para convertirse en vapor, aumenta con la temperatura hasta llegar al punto donde la presión interna de vapor iguala a la presión externa, dando lugar ala ebullición.

Puesto que todos los líquidos reaccionan de la misma forma, aunque de diferentes temperaturas y presiones, la presión es un medio para regular la temperatura de refrigeración, manteniendo en un serpentín de enfriamiento una presión equivalente a la temperatura de saturación (punto de ebullición) del líquido con la temperatura de enfriamiento deseada, dicho líquido hervirá a esa temperatura mientras este absorbiendo calor, consiguiéndose entonces la refrigeración. 1.1.3. VOLUMEN (V) Es una característica del estado de un cuerpo y se define como el espacio ocupado por el mismo. VOLUMEN ESPECÍFICO (v) Es la relación del volumen y la unidad de masa:

==

lbsKga

m

m

Vv

33 ft ó

seco aire de Kg

mezcla la deVolumen

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1.2. TERMODINÁMICA La termodinámica es una rama de la ciencia que trata de la acción mecánica del calor. Hay ciertos principios fundamentales de la naturaleza, llamados leyes de la termodinámica, que rigen nuestra existencia aquí en la tierra, varios de los cuales son básicos para el estudio de la refrigeración, la primera y la mas importante de estas leyes dice: la energía no puede ser creada ni destruida, solo puede transformarse de un tipo de energía a otro. Las leyes de la termodinámica son: 1.2.1. LEY CERO DE LA TERMODINAMICA Frecuentemente, el lenguaje de las ciencias empíricas se apropia del vocabulario de la vida diaria. Así, aunque el término "temperatura" parece evidente para el sentido común, su significado adolece de la imprecisión del lenguaje no matemático. El llamado principio cero de la termodinámica, que se explica a continuación, proporciona una definición precisa, aunque empírica, de la temperatura. Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad se puede medir, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura. Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito que se encuentra a una temperatura determinada, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste. (El llamado entorno infinito es una abstracción matemática denominada depósito térmico; en realidad basta con que el entorno sea grande en relación con el sistema estudiado). La temperatura se mide con dispositivos llamados termómetros. Un termómetro se construye a partir de una sustancia con estados fácilmente identificables y reproducibles, por ejemplo el agua pura y sus puntos de ebullición y congelación en condiciones normales. Si se traza una escala graduada entre dos de estos estados, la temperatura de cualquier sistema se puede determinar poniéndolo en contacto térmico con el termómetro, siempre que el sistema sea grande en relación con el termómetro.

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1.2.2 PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA La primera Ley de la Termodinámica da una definición precisa del calor, otro concepto de uso corriente. Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación de las temperaturas de ambos. Para explicar este fenómeno, los científicos del siglo XVIII conjeturaron que una sustancia que estaba presente en mayor cantidad en el cuerpo de mayor temperatura fluía hacia el cuerpo de menor temperatura. Según se creía, esta sustancia hipotética llamada "calórica" era un fluido capaz de atravesar los medios materiales. Por el contrario, La Primera Ley de la Termodinámica identifica el calórico, o calor, como una forma de energía. Se puede convertir en trabajo mecánico y almacenarse, pero no es una sustancia material. Experimentalmente se demostró que el calor, que originalmente se media en unidades llamadas calorías, y el trabajo o energía, medidos en julios, eran completamente equivalentes. Una caloría equivale a 4.186 julios. La Primera Ley también se conoce como la Ley de la Conservación de la Energía. Afirma que, como la energía no puede crearse ni destruirse, la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí. La expresión matemática que relaciona esto es:

∆ ∆ ∆

∆∆∆

U Q W= −Donde:

U = Variacion de Energia Interna (cal, julios)

Q = Variacion de calor (cal, julios)

W = Variacion de trabajo (cal, julios)

En cualquier máquina, hace falta cierta cantidad de energía para producir trabajo; es imposible que una máquina realice trabajo sin necesidad de energía. Una máquina hipotética de estas características se denomina móvil perpetuo de primera especie. La Ley de Conservación de la Energía descarta que se pueda inventar una máquina así. A veces, el primer principio se enuncia como la imposibilidad de la existencia de un móvil perpetuo de primera especie.

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1.2.3 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA La Segunda Ley de la Termodinámica da una definición precisa de una propiedad llamada entropía. La entropía se puede considerar como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema en equilibrio; también se puede considerar como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema. La Segunda Ley afirma que la entropía, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio. La naturaleza parece pues "preferir" el desorden y el caos. Se puede demostrar que La segunda Ley implica que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura más baja a una región de temperatura más alta. El segundo principio impone una condición adicional a los procesos termodinámicos. No basta con que se conserve la energía y cumplan así La Primera Ley. Una máquina que realizara trabajo violando el segundo principio se denomina "móvil perpetuo de segunda especie", ya que podría obtener energía continuamente de un entorno frío para realizar trabajo en un entorno caliente sin costo alguno. A veces, el segundo principio se formula como una afirmación que descarta la existencia de un móvil perpetuo de segunda especie. 1.3. CALOR Calor, en física, es transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito permanente; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo. La mayor parte del calor en la tierra proviene de la radiación del sol, existe calor a cualquier temperatura arriba del cero absoluto, incluso en cantidades experimentales pequeñas. 1.3.1. MEDIDAS DE CALOR En las ciencias físicas, la cantidad de calor se expresa en las mismas unidades que la energía y el trabajo, es decir, en julios. Otra unidad es la caloría, definida como la cantidad de calor necesaria para elevar un grado centígrado la temperatura de 1 gramo de agua destilada a la presión atmosférica. Esta unidad se denomina a veces caloría pequeña o caloría gramo para distinguirla de la caloría grande, o Kilocaloría, que equivale a 1000 calorías y se emplea en nutrición. La

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energía mecánica se puede convertir a calor a través del rozamiento, y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce como equivalente mecánico del calor. A una caloría le corresponden 4.1855 julios. Según la Ley de la Conservación de la Energía, todo el trabajo mecánico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energía en los objetos sobre los que se realiza trabajo. Joule fue el primero en demostrarlo en forma fehaciente en un experimento clásico: calentó agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y halló que el aumento de la temperatura del agua era proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas. La unidad de calor empleada comúnmente es la Kilocaloría que equivale a 1000 gramos-calorías y que puede ser definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un Kilogramo de agua, un grado centígrado. En el sistema ingles la unidad de calor es el British Termal Unit, comúnmente llamada BTU, un BTU puede definirse como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura 1°F de una libra de agua. Cuando el calor se convierte en energía mecánica, como en un motor de combustión interna, La Ley de la Conservación de la Energía también es válida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energía en forma de calor porque ningún motor tiene una eficiencia perfecta. 1.3.2. CALOR LATENTE El cambio de temperatura de una sustancia conlleva a una serie de cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4°C constituye una importante excepción a esta regla. Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en una sustancia pura tienen lugar a temperaturas y presiones definidas. El paso de sólido a gas se denomina sublimación, de sólido a líquido fusión, y de líquido a vapor vaporización. Si la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; existen calores latentes de sublimación, fusión y vaporización. Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100°C por mucho calor que se le suministre.

El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua es calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energía en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse.

Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su temperatura no

cambia hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y se almacena como energía en el agua. Para fundir 1 Kg de hielo se necesitan 19,000 julios y para convertir 1 Kg de agua en vapor a 100°C, hacen falta 129,000 julios.

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Grafica 2.- Calor y temperatura. CALOR LATENTE DE FUSIÓN

El calor latente de fusión es el que se requiere para cambiar una sustancia del estado sólido al estado líquido. A este calor ese le llama también calor latente de derretimiento o calor latente de congelamiento, según el caso específico.

Cuando se derrite un kilo (o una libra) de hielo, este absorbe 80 kilocaloría( 144 BTU ) a una temperatura constante de 0oC ( 32oF ). En la congelación de productos alimenticios, únicamente se considera el calor latente del porcentaje de agua que existe en dichos productos. CALOR LATENTE DE CONGELACIÓN El caso contrario al calor latente de derretimiento es el que ocurre cuando por ejemplo, un recipiente con agua en estado líquido se introduce a un congelador y se mide su temperatura, la cual bajara de 22 °C que es la temperatura a la cual se encuentra el agua en el momento de comenzar el experimento, hasta llegar al nivel de 0 °C en ese punto la temperatura se estacionará hasta que la última gota de agua se haya solidificado. Se puede aumentar la temperatura del congelador y el termómetro no se moverá hasta que esto haya sucedido. Después la temperatura bajará más y más. Esta cantidad de temperatura que se requirió para solidificar el agua cuando llegó al nivel de 0 °C y que no se registro por el termómetro es lo que se conoce como calor latente de congelación.

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CALOR LATENTE DE EVAPORACIÓN

Es el calor que se requiere para cambiar una sustancia de líquido a vapor o gas. Por ejemplo, si se toma una olla con agua y se pone sobre una llama y se usa un termómetro, se observará que el indicador del termómetro subirá gradualmente desde la temperatura que tenía el agua al iniciar el experimento hasta llegar alrededor de los 100 ° C, temperatura a la cual comienza a hervir el agua a la presión atmosférica; entonces aun cuando aumente la llama y se dé más calor al recipiente, el termómetro no registrará ningún cambio, o sea, que se mantendrá en 100 °C hasta que se evapore la última gota de agua del recipiente, momento en el cual el indicador del termómetro volverá a subir. Todo ese calor que se consumió para evaporar el agua y que no se registró en el termómetro se llama calor latente de evaporación o calor latente de ebullición.

Cuando un kilo ( o una libra ) de agua hierve o se evapora, absorbe 539 kilocalorías ( 970 BTU ) a una temperatura constante de 100 oC ( 212 oF ) al nivel del mar; igualmente, para condensar un kilo( o una libra) de vapor deben sustraerse 539 kilocalorías ( 970 BTU).

Debido a la gran cantidad de calor latente que interviene en la evaporación y en la condensación, la transmisión de calor puede ser muy eficiente mediante este proceso. Los mismos cambios de estado que afectan al agua se aplican también a cualquier líquido aunque a diferentes presiones y temperaturas.

CALOR LATENTE DE CONDENSACIÓN Si se desea transformar un vapor en líquido igualmente el termómetro registrará la temperatura del vapor hasta que llegue al punto de condensación que es cuando comienza a convertirse en liquido y se mantendrá en dicha temperatura hasta que todo el vapor se condense, momento en el cual la temperatura comenzará a bajar. 1.3.3. CALOR SENSIBLE Como se ha visto en todos los fenómenos anteriormente descritos, existe una determinada cantidad de calor que no se registra por los termómetros, para lograr alguna transformación, sin embargo se consumió. Este calor no se puede percibir por los sentidos, pero hay uno que si lo es, se trata del calor sensible. Todo el calor que se registro grado por grado en el termómetro hasta llegar al punto en el cual comenzaba la transformación deseada se denomina calor sensible. 1.3.4. CALOR ESPECÍFICO La gráfica representa el cambio de temperatura que se produce al suministrar calor al agua (a 1 atmósfera de presión). A 0° C y 100° C se le puede suministrar calor sin cambiar su temperatura. Este calor latente rompe los enlaces que mantienen unidas las moléculas, pero no aumenta su energía cinética. Para vaporizar un gramo de agua hace falta aproximadamente siete veces más calor que para fundirlo. Esa diferencia se refleja en las

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distintas longitudes de las partes horizontales de la gráfica. Las pendientes de las líneas inclinadas representan el número de grados de aumento de temperatura por cada julio de calor suministrado a un gramo de agua. El "calor específico" del agua es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado, es decir, hacen falta 4.185,5julios de energía para aumentar en un grado la temperatura de un kilogramo de agua. La cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia se conoce como calor específico. Si el calentamiento se produce manteniendo constante el volumen de la sustancia o su presión, se habla de calor específico a volumen constante o a presión constante. En todas las sustancias, el primero siempre es menor o igual que el segundo. El calor específico del agua a 15° C es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado Celsius. En el caso del agua y de otras sustancias prácticamente incompresibles, no es necesario distinguir entre los calores específicos a volumen constante y presión constante ya que son aproximadamente iguales. Generalmente, los dos calores específicos de una sustancia dependen de la temperatura. 1.3.5. TRANSMISIÓN DE CALOR

El calor se considera como una mas de las muchas formas de energía existente en el universo. Es el efecto del movimiento molecular de un cuerpo y está en relación directa con el movimiento de las moléculas que lo constituyen. En teoría dicho movimiento no cesa hasta que se elimina todo el calor específico del cuerpo. Esto se logra a una temperatura de 273 ºC (bajo cero) y – 460 ºF; dicha temperatura se considera en física como cero absoluto. La materia debe su estado en gran parte a la cantidad de calor que en si misma contiene.

Estado gaseoso: alta cantidad de calor; movimiento molecular intenso. Estafo líquido: calor intermedio; movimiento molecular regular. Estado sólido: baja cantidad de calor; movimiento molecular bajo. Existen tres formas de transmisión del calor.

CONDUCCIÓN

La transmisión de calor por conducción ocurre cuando, al calentar un cuerpo en uno de sus extremos, el calor se extiende hacia el extremo contrario y pasa de molécula en molécula hasta extenderse por todo el cuerpo. Si se toma un trozo de metal de forma alargada y se calentara uno de sus extremos, el calor se recorrería de molécula en molécula hasta alcanzar el extremo contrario e igualar el calor en todo el metal. Ésta sería una muestra de la transmisión por conducción.

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Fig. 1. Transmisión de calor por conducción.

El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientas que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida CONVECCIÓN

Por lo general este tipo de transmisión de calor es más apreciable en los líquidos. Por ejemplo, al tomar un litro de agua en un recipiente y ponerlo sobre una llama, el agua que se encuentra más próxima a la llama se calienta primero, por lo que se hace más liviana y comienza a subir. De esta manera, da lugar a que el agua que se encuentra en la superficie , que por estar mas frías es mas pesada ,baje, se caliente y suba. El agua que había subido se vuelve mas fría en comparación con la que se acaba de calentar, baja a calentarse y se establece una corriente que transmite el calor a toda la masa del líquido hasta que llega a su punto de ebullición; entonces comienza la evaporación. De esta manera se produce la transmisión de calor por convección que solamente se presenta en los gases y en los líquidos, nunca en los sólidos.

Fig. 2. Transmisión de calor por convecciòn.

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RADIACIÓN

La transmisión de calor por irradiación es la que se produce cuando el agente de transmisión es el aire que rodea a los cuerpos entre los cuales se efectúa el traspaso de calor, y cuando la fuente de calor se halla alejada del cuerpo. Un ejemplo de la transmisión de calor por irradiación seria la Tierra, ya que el Sol, que es la fuente de calor, calienta primero el aire de la atmósfera y ésta a su vez calienta al planeta.

Fig. 3. Transmisión de calor por radiación.

1.4. CAMBIOS DE ESTADO

La mayoría de las sustancias pueden existir en estado sólido, líquido o gaseoso,

dependiendo de su temperatura y de la presión a la que se encuentren expuestas. El calor puede cambiar la temperatura y el estado de las sustancias y también puede ser absorbido aun cuando no exista cambio de temperatura, como cuando un sólido cambia a líquido, o cuando el líquido se transforme en vapor. Cuando el vapor se vuelve en líquido, o cuando el líquido se vuelve en sólido, se despide la misma cantidad de calor, el ejemplo más común de este proceso es el agua, que existe como líquido y puede existir como sólido en forma de hielo y como gas cuando se convierte en vapor.

Como el hielo es una forma de refrigeración, absorbiendo calor mientras se derrite a una temperatura constante de 0o C ( 32oF ), si se coloca agua en un recipiente abierto y se pone al fuego, su temperatura se incrementara a la temperatura de ebullición o sea a 100oC al nivel del mar ( 212oF ).

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Sin importar la cantidad de calor aplicado, la temperatura no puede incrementarse arriba de los 100oC, por que el agua se estaría evaporando constantemente. Si este vapor pudiera ser retenido en el recipiente evitando la ebullición y se continuara agregando calor, entonces la temperatura podría nuevamente aumentarse. Obviamente, el proceso de evaporación o ebullición estará absorbiendo el calor y manteniendo la temperatura a 100oC.

Cuando el vapor se condensa nuevamente formando agua, despide exactamente la misma cantidad de calor que absorbió al evaporarse.

Si el agua se congela, debe extraerse la misma cantidad de calor que fue absorbida en el proceso de congelamiento por medio de algún proceso para causar la congelación. EVAPORACIÓN

Conversión gradual de un líquido en gas sin que haya ebullición. Las moléculas de cualquier líquido se encuentran en constante movimiento. La velocidad media (o promedio) de las moléculas sólo depende de la temperatura, pero puede haber moléculas individuales que se muevan a una velocidad mucho mayor o mucho menor que la media. A temperaturas por debajo del punto de ebullición, es posible que moléculas individuales que se aproximen a la superficie con una velocidad superior a la media tengan suficiente energía, para escapar de la superficie y pasar al espacio situado por encima como moléculas de gas. Como sólo se escapan las moléculas más rápidas, la velocidad media de las demás moléculas disminuye; dado que la temperatura, a su vez, sólo depende de la velocidad media de las moléculas, la temperatura del líquido que queda también disminuye. Es decir, la evaporación es un proceso que enfría; si se pone una gota de agua sobre la piel, se siente frío cuando se evapora. En el caso de una gota de alcohol, que se evapora con más rapidez que el agua, la sensación de frío es todavía mayor; Si un líquido se evapora en un recipiente cerrado, el espacio situado sobre el líquido se llena rápidamente de vapor, y la evaporación se ve pronto compensada por el proceso opuesto, la condensación. Para que la evaporación continúe produciéndose con rapidez hay que eliminar el vapor tan rápido como se forma. Por este motivo, un líquido se evapora con la máxima rapidez cuando se crea una corriente de aire sobre su superficie o cuando se extrae el vapor con una bomba de vacío. CONDENSACIÓN

En física, proceso en el que la materia pasa a una forma más densa, como ocurre en la licuefacción del vapor. La condensación es el resultado de la reducción de temperatura causada por la eliminación del calor latente de evaporación; a veces se denomina condensado al líquido resultante del proceso.

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La eliminación de calor reduce el volumen del vapor y hace que disminuyan la velocidad de sus moléculas y la distancia entre ellas. Según la teoría cinética del comportamiento de la materia, la pérdida de energía lleva a la transformación del gas en líquido. La condensación es importante en el proceso de destilación y en el funcionamiento de las máquinas de vapor, donde el vapor de agua utilizado se vuelve a convertir en agua en un aparato llamado condensador.

En meteorología, tanto la formación de nubes como la precipitación de rocío, lluvia y nieve son ejemplos de condensación.

En química, la condensación es una reacción que implica la unión de átomos dentro de una misma molécula o en moléculas diferentes. El proceso conduce a la eliminación de una molécula simple, por ejemplo de agua o alcohol, para formar un compuesto nuevo más complejo, frecuentemente de mayor peso molecular que cualquiera de los compuestos originales.

1.5. DEFINICIÓN DE REFRIGERACIÒN El uso de la refrigeración data desde el principio de la historia de la humanidad, pero por miles de años, el agua y el hielo fueron los únicos medios de enfriamiento. En este último siglo ha hecho su aparición la refrigeración mecánica. Se considera en la refrigeración que esta es parte de la vida diaria de las naciones industrializadas. Su uso para la preservación de alimentos y control de procesos industriales se ha vuelto parte indispensable de nuestra tecnología. El uso de hielo de origen natural o artificial como refrigerante estaba muy extendido hasta poco antes de la I Guerra Mundial, cuando aparecieron los refrigeradores mecánicos y eléctricos. La eficacia del hielo como refrigerante es debido a que tiene una temperatura de fusión de 0° C y para fundirse tiene que absorber una cantidad de calor equivalente a 333,1 kJ/kg. La presencia de una sal en el hielo reduce en varios grados el punto de fusión del mismo. Los alimentos que se mantienen a esta temperatura o ligeramente por encima de ella pueden conservarse durante más tiempo. El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo seco o nieve carbónica, también se usa como refrigerante. A la presión atmosférica normal no tiene fase líquida, y sublima directamente de la fase sólida a la gaseosa a una temperatura de -78,5 ° C. La nieve carbónica es eficaz para conservar productos a bajas temperaturas mientras dura su sublimación. En la refrigeración mecánica se obtiene un enfriamiento constante mediante la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado, donde se evapora y se vuelve a condensar en un ciclo continuo. Si no existen pérdidas, el refrigerante sirve par toda la vida útil del sistema. Todo lo que se necesita para mantener el enfriamiento es un suministro

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continuo de energía y un método para disipar el calor. Los dos tipos principales de sistemas mecánicos de refrigeración son el sistema de compresión, empleado en los refrigeradores domésticos grandes y en la mayoría de los aparatos de aire acondicionado, y el sistema de absorción, que en la actualidad se usa sobre todo en los acondicionadores de aire por calor, aunque en el pasado también se empleaba en refrigeradores domésticos por calor. Se entiende por refrigeración el conjunto de técnicas de la ingeniería mecánica que se utiliza para bajar o abatir la temperatura de un medio con respecto al ambiente que lo rodea. Por lo tanto, el termino refrigeración implica en términos generales el concepto de eliminar calor a un líquido, gas, etc., especificar el rango de temperatura en el cual se trabaja; sin embargo, este término será aplicado al efectuar procesos, de enfriamiento a temperaturas cercanas o muy abajo de cero grados centígrados. Como en la actualidad todos estos procesos se realizan por medio mecánico se aplicara el concepto de refrigeración mecánica. La refrigeración es el proceso de transferir o remover el calor. Un simple enfriador de comida campestre, por ejemplo se utiliza hielo para refrigerar su contenido. El calor es removido cuando se drena el agua de la hielera. Una unidad de refrigeración mecánica trabaja del mismo modo. Un refrigerador bombea el calor de la parte inferior hacia la parte exterior. El resultado es lo que llamamos frío. El frío no puede fabricarse, sino que es la condición resultante de mover el calor. En nuestro estudio aplicaremos los principios científicos del calor y como se aplican a la unidad mecánica de refrigeración. También identificaremos todos los componentes del sistema de refrigeración y se trazará el ciclo termodinámico de compresión. 1.5.1. APLICACIONES Y PROCESOS DE REFRIGERACIÓN. En la actualidad existen cinco tipos de la refrigeración, los cuales son: 1. Doméstica. 2. Comercial. 3. Industrial. 4. Aire acondicionado. 5. Marina. La finalidad de la refrigeración moderna es muy variable y va desde conservar un producto, hasta llegar a un proceso. Estos procesos se clasifican en grupos que son:

• ENFRIAMIENTO • REFRIGERACIÓN • CONGELACIÓN • PROCESO CRIOGENICO

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Los sistemas de enfriamiento operan normalmente con temperaturas que van desde + 15° C a + 2° C (59° F a 35.6° F) Aún cuando en algunos casos existe una disminución de temperatura hasta los 0° C (32° F) , en este proceso nunca se presenta cambio de estado en la sustancia que se maneja y solamente se elimina calor sensible. Su aplicación es muy amplia y se utiliza en productos que no requieren conservación y la temperatura en que se encuentran son sólo para efectos de gusto. Como ejemplos tenemos: � Enfriadores de bebidas carbonatadas. � Enfriadores de productos lácteos. � Sistemas de acondicionamiento de Aire. REFRIGERACIÓN: Los niveles de temperatura de este proceso comprenden valores ligeramente superiores de los 0° C a -18° C (32° F a -0.4° F) aproximadamente. En este proceso si existe cambio físico y lógicamente eliminación de calor latente. Este proceso se utiliza para la conservación de productos llevando acabo los procedimientos adecuados, se pueden mantener estos productos de dos semanas hasta un mes aproximadamente. Es utilizado ampliamente en instalaciones domésticas comerciales y de investigación. CONGELAMIENTO: Este proceso opera entre - 18° C y -40° C (-0.4° F y -40° F) y este proceso también existe cambio de estado en la sustancia y también se elimina calor latente. No obstante en algunos casos sólo se elimina calor sensible, por ejemplo, cuando se conserva la carne congelada en la transportación. Su principal utilidad es el área comercial, industrial y de investigación. El período de conservación va desde un mes hasta un año dependiendo del producto y que procedimientos se empleen. CRIOGÉNICO: Es un proceso que opera desde -40° C (-40° F) a valores cercanos al cero absoluto. Esto implica el cambio de estado físico en la sustancia si esta líquido o contiene agua para enfriarlo posteriormente.

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Su aplicación es muy fuerte en el área industrial y de investigación, también desarrollándose en áreas comerciales. Este proceso trata de la preservación de los productos alimenticios en su característica o condición muy crítica. Por lo tanto para poder descender la temperatura a un producto se puede utilizar alguno de los cuatro procedimientos mencionados, para poder realizar cualquiera de estos pasos es necesario que: 1. Que se diseñe un espacio enfriado. 2. Que se tenga el equipo o las facilidades para poder crear el efecto de enfriamiento. En 1975 las casas, plantas y edificios comerciales en los Estados Unidos añadieron nuevo equipo de refrigeración y aire acondicionado, valorando en mas de US $ 8 billones, la inversión total fue realmente mucho mayor, ya que el costo de varios productos accesorios tales como ductos, difusores, aislamiento y controles que van en un sistema completo no están incluidos, así pues la refrigeración y el aire acondicionado constituyen una de las mayores industrias domésticas. Los mercados mundiales en este campo también han experimentado un rápido crecimiento, Canadá, Japón, Alemania occidental, Reino Unido, Francia, México, Irán y Venezuela están entre los mayores usuarios de refrigeración y aire acondicionado. Este mercado continuará expandiéndose cuando otros países mejoren su nivel de vida y tengan un mayor desarrollo industrial. 1.5.2. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN. El sistema de absorción se asemeja al sistema de compresión en varios aspectos: el condensador, válvula de expansión y evaporador son equivalentes con cualquier sistema, la carrera de succión del pistón del compresor equivale al absorbedor, la bomba de agua a la compresión, y el generador a la entrega del amoníaco. La energía entregada al sistema consta de una pequeña cantidad de potencia consumida por la bomba y de una cantidad grande de energía térmica suministrada al generador. Se tienen tres circuitos principales de flujo a través del sistema: El circuito del amoníaco que eventualmente pasa del absorbedor al generador, el circuito de agua débil que pasa del generador al absorbedor y además se requieren vapor y agua de circulación. El ciclo de refrigeración por absorción es similar al ciclo vapor-compresión en el cual se emplea un refrigerante volátil, por lo común amoníaco o agua, el que alternativamente se vaporiza bajo la presión baja en el evaporador absorbiendo calor latente del material que esta siendo enfriado y se condensa a la presión alta que se tiene en el condensador entregando el calor latente al medio condensante.

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La principal diferencia entre los ciclos de absorción y de vapor-compresión es la fuerza motivante que hace circular el refrigerante a través del sistema y que proporciona el diferencial de presión necesario entre los procesos vaporizante y condensante. En el ciclo de absorción el compresor de vapor es reemplazado por un absorbedor y un generador, el cual realiza todas las funciones que efectúa el compresor en el ciclo de compresión del vapor. Además, mientras que la energía de entrada requerida en el ciclo vapor-compresión es suministrada por el trabajo mecánico realizado por el compresor, la energía de entrada en el ciclo de absorción es en forma de calor suministrada directamente al generador. Por lo general la fuente de calor suministrada al generador es vapor de baja presión o agua caliente, aunque para los sistemas pequeños por lo general el calor se suministra por la combustión de un combustible adecuado, tal como gas natural, propano o petróleo destilado, directamente en el generador o por una resistencia eléctrica instalada en el generador.

Fig.4. Ciclo básico de refrigeración por absorción.

23

1.5.3. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN MECÁNICA POR COMPRESIÓN DE VAPORES. Los sistemas de refrigeración mecánicos por compresión de vapores consisten básicamente de los equipos indispensables para obtener un ciclo termodinámico cerrado y varios equipos auxiliares convenientes sin ser absolutamente necesarios.

Fig. 5. Sistema de refrigeración por compresión de vapores

La figura 5 ilustra los procesos termodinámicos de evaporación, compresión, condensación y expansión; también es una vista en corte, que muestra todos los componentes del sistema. Los elementos fundamentales son: 1. Una válvula de expansión de diseño especial, no es otra cosa que dosifica y controla

automáticamente el flujo de refrigerante líquido en la línea de líquido al evaporador. Esta válvula recibe refrigerante líquido de alta presión y suministra refrigerante líquido de baja presión. Estas válvulas son específicas para cada uno de los diferentes empleados.

2. Un serpentín, cuya forma depende del tipo de enfriamiento deseado, por cuyo interior circula el refrigerante, el cual mediante la absorción de calor del medio que lo rodea se transforma del estado líquido al de vapor, designándose con el nombre del evaporador.

3. Un compresor, que puede ser de tipo reciprocante, centrífugo o rotatorio, el cual tiene por objeto elevar la P y la T del vapor refrigerante a un valor tal que su punto de condensación sea superior a la temperatura de los medios disponibles para que se realice la condensación. La compresión y aplicación del compresor también, es función del refrigerante a manejar.

4. Un serpentín destina a transformar el vapor refrigerante de alta presión que proporciona el compresor a líquido refrigerante de la misma presión, mediante el contacto exterior con aire o agua del medio ambiente, designándose con el nombre de condensador, existiendo también diferentes de ellos.

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5. Un tanque recibidor, de dimensiones adecuadas para almacenar el líquido refrigerante que sale del condensador y tenerlo disponible para un sólo ciclo.

6. Un filtro deshidratador, el cual filtra las partículas extraídas y absorbe humedad, ya que ésta perjudica mucho a cualquier sistema de refrigeración, de hecho, dicha humedad es considerada el enemigo número uno.

Además de estos elementos necesarios, se requiere que el fluido llamado refrigerante que va a circular por el sistema y cuya característica básica es tener punto de ebullición a presión normal inferior a los 32° F (° C). Los elementos auxiliares que se requieren en estos sistemas son: separadores de aceite, indicadores de fluido, manómetros, sensores, termómetros, válvulas para seccionamiento, controles para protección de equipos, etc.

Los siguientes 7 pasos pueden hacer más compresibles el estudio del ciclo termodinámico que sigue el flujo refrigerante.

1. Por aspecto práctico, el ciclo del refrigerante comienza en el orificio del dispositivo de control.

2. El líquido a alta temperatura y alta presión, reduce estos mismos parámetros de evaporación cuando entra al evaporador.

3. El dispositivo de control gobierna el flujo de refrigerante y separa el lado de alta del lado de baja presión del sistema.

4. El refrigerante se evapora al absorber calor en el evaporador. 5. La capacidad de evaporación se controla por el compresor. 6. El vapor refrigerante sale del evaporador con un sobrecalentamiento de 10° F

aproximadamente, esto es, 10° F más de temperatura que la de evaporación. 7. El compresor aumenta la temperatura del vapor hasta superar la del medio de

condensación, de manera que el calor se transmite al medio, por lo cual el vapor refrigerante se condensa y queda en forma de líquido para volver a usarse.

1.5.4. TONELADA DE REFRIGERACIÓN.

Aún en nuestro medio es muy frecuente hablar de toneladas de refrigeración, la cual es realmente una unidad americana en el efecto frigorífico de la fusión del hielo. La tonelada de refrigeración puede definirse como la cantidad de calor absorbida por la fusión de una tonelada de hielo sólido puro en 24 horas, puesto que el calor latente de fusión de una libra de hielo es de 144 BTU, el calor latente de una tonelada (2000 libras) de hielo sería 144 * 2000, o sea 288,000 BTU por 24 horas. Para obtener el calor por hora es necesario dividir entre 24 horas, lo cual da una cantidad de 12,000 BTU/hora, que a su vez recibe el nombre de "tonelada de refrigeración". Puesto que el calor latente del hielo en el sistema métrico es de 80 kilocalorías y que una tonelada americana es iguala 907.185 kilos, la tonelada de refrigeración es igual a 80 * 907.185 o sea 72.575 kilocalorías por 24 horas o sea 3,024 kcal/hora.

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CAPITULO 2.- BALANCE TÉRMICO.

Para poder determinar la capacidad del equipo que se necesita se debe realizar un balance térmico que se refiere al desarrollo de cálculos con el objeto de conocer la cantidad de calor que se debe absorber o transferir en el evaporador, para que un producto, sustancia o espacio descienda su temperatura en ciertas condiciones. El objetivo del balance térmico es identificar esta cantidad de energía térmica, determinarlas y finalmente analizarlas con el objeto de reducir su valor a una mínima expresión. En general se puede decir que se tienen las siguientes cargas térmicas parciales: 1. Carga térmica generada por transmisión a través de paredes. 2. Carga térmica generada por producto. 3. Carga térmica generada por alumbrado y equipo. 4. Carga térmica generada por infiltración. 5. Carga térmica por ocupantes. 6. Carga térmica generada por efecto solar. 2.1 CARGA TERMICA GENERADA POR TRANSMISIÓN A TRAVES DE PAREDES. Este concepto se calcula por la expresión general:

Q AU TBTU

hr= ∆

En el caso particular de la refrigeración, las paredes deben llevar una capa de aislante térmico de 2 a 3 pulgadas de espesor, la cual puede ser de corcho, paja de vidrio, poliuretano aspriado, frigolit, entre otros, los cuales son de muy bajo coeficiente de conductividad térmica. Todo elemento que se separa a las masas de fluidos a diferentes temperaturas está sujeto a un paso de calor que va desde el más caliente hacia el más frío y si el medio que los separa es de material homogéneo, la temperatura va descendiendo en el interior de dicho elemento según una recta como se muestra a continuación.

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Cálculo de la cantidad de calor que se transmite a través de una pared compuesta de un solo material.

Fig. 6. Transmisión de calor a través de una pared compuesta de un solo material

La cantidad de calor que fluye a través de una pared de espesor "e", se calcula de la siguiente manera:

( )qA

eT T k

BTU

hr= − =1 2

En donde:

q= Cantidad de calor transmitido enBTU

hr

A= Área de transmisión en ft 2

k= Coeficiente específico de conductividad térmica Btu p

hr F ft

−−° −

lg2

e= espesor de la pared en plg T T1 2, = Temperaturas en °F a ambos lados de la pared. El coeficiente específico de conductividad térmica es numéricamente igual a la cantidad de calor que pasa por una placa de material considerado de un ft 2 de sección por 1 plg de espesor cuando existe 1 °F de diferencia entre sus dos caras 1 hr.

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Con este conocimiento se podrá calcular la cantidad de calor que se transmite o fluye a través de paredes compuestas de un solo material. 2.1.1 CONDUCTANCIA DE LA CAPA (PELÍCULA) SUPERFICIAL DEL AIRE. La transferencia de calor a través de cualquier material está relacionada con la resistencia superficial del aire al flujo del aire al flujo de calor y ésta se determina según el tipo de superficie rugosa o lisa; su posición, vertical u horizontal y la intensidad de flujo del aire sobre la superficie. La conductancia de la capa superficial del aire se designa normalmente con la letra f2 para las superficies interiores y f1 para superficies exteriores, se expresa en el

sistema métrico enkcal

hr m C− −°2 y en el sistema inglés enBTU

hr ft F− −°2

Resulta bastante aproximado para la mayoría de los cálculos tomar el valor de 1.65 para f2, para paredes interiores casi sin movimiento de aire f1=6 para paredes expuestas a vientos hasta 24 km/hr (15 millas/hr) o en su defecto calcular dicha con las siguientes expresiones:

f =1.6+0.3v (para paredes lisas)

f =2.0+0.4v (para paredes medianamente rugosas)

f =2.1+0.5v (para paredes muy rugosas)

En donde "v" es la velocidad del viento en millas

hr

28

Cálculo de la cantidad de calor que se transmite a través de una pared compuesta de varios materiales.

Fig.7.Calculo de la cantidad de calor que se transmite a través de una pared compuesta de varios materiales.

Q q q q q qBTU

hr= + + + + =1 2 3 4 5

q Af T T T Tq

Af

qA

eT T k T T

q e

Ak

qA

eT T k T T

q e

Ak

qA

eT T k T T

q e

Ak

q Af T T T Tq

Af

1 1 1 3 1 31

1

21

3 4 1 3 42 1

1

32

4 5 2 4 53 2

2

43

5 6 3 5 64 3

3

1 2 6 2 6 25

2

= − → − =

= − → − =

= − → − =

= − → − =

= − → − =

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( )T TQ

A f

e

k

e

k

e

k f1 21

1

1

2

2

3

3 2

1 1− = + + + +

29

2.1.2 COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD TERMICA TOTAL.

La siguiente expresión permite el cálculo de la cantidad de calor que se transmite a través de una pared compuesta de dos o más materiales y que separan a dos fluidos que se encuentran a diferente temperatura.

Q A T T UBTU

hr

U

f

e

k

e

k

e

k f

= − =

=+ + + +

( )1 2

1

1

1

2

2

3

3 2

11 1

En donde:

Q= Calor transferidoBTU

hro

kcal

hr

A= Area expuesta al flujo de calor ( ) ( )m o ft2 2

U= Coeficiente de conductividad térmica total (BTU

hr ft F− −°2 o kcal

hr m C− −°2 )

∆T = Diferencia de temperaturas entre el lado exterior y el lado interior del espacio refrigerado (°C) o (°F) Se han llevado a cabo extensos ensayos por muchos laboratorios para determinar con exactitud los valores de transferencia de calor a través de todos los materiales de construcción. Ciertos materiales poseen una elevada resistencia al flujo de calor (una baja conductividad térmica) y se emplean, por consiguiente, como aislantes. Existen tipos de aislantes, tales como fibra de vidrio, corcho y los nuevos materiales de espuma. La mayoría de los buenos materiales aislantes poseen una conductividad térmica de 0.25 o menores, y los aislantes rígidos de espuma han llegado a factores de conductividad térmica de K= 0.22 a 0.11. 2.2 CARGA TÉRMICA GENERADA POR EL PRODUCTO. Las frutas, los vegetales o cualquier producto desprenden determinadas cantidades de calor durante su vida, las cuales se localizan en las tablas anexas a este trabajo, además introducirlas a un espacio refrigerado, se toma en cuenta que estas se encuentran a una temperatura ambiente o un poco más alta que esta, lo cual da como resultado realizar el abatimiento de su temperatura, hasta llegar a un rango de temperatura para su conservación.

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La extracción del calor de un producto o sustancia depende de la presión y temperatura. Como ya se mencionó anteriormente, uno de los elementos más importantes del balance térmico es la carga térmica generada por el producto. Al producto es a quien se le debe retirar calor principalmente para que una determinada sustancia o espacio se mantenga dentro de ciertas condiciones de temperatura y humedad. El producto puede ser, no solamente la sustancia que hay que conservar, si no también algunos materiales que complementen la función de contener o manejar el producto. Para poder calcular la cantidad de calor es necesario conocer la temperatura a la que se requiere mantener el producto o espacio y el proceso o la condición de trabajo que se usó. Para determinar la carga del producto se considera lo siguiente: � Tipo de proceso a realizar (enfriamiento, refrigeración, congelación, criogenia) � Tipo de calor a eliminar (este puede ser sensible o latente o su combinación) Calor sensible Es la cantidad de calor que hay que eliminar para bajar la temperatura de un producto sin cambiarlo de estado físico. Este parámetro se puede determinar de la siguiente manera.

q m Cp T

q m Cp TA A

B B

==( )( )( )

( )( )( )

∆∆

Donde: q A= Es la cantidad de calor sensible que hay que eliminar al producto arriba del punto de congelación (BTU). qB = Es la cantidad de calor sensible que hay que eliminar al producto abajo del punto de congelación (BTU). m= Cantidad de masa del producto. ACp = Calor específico arriba del punto de congelación (BTU/Ib °F).[ver tabla 2]

BCp = Calor específico abajo del punto de congelación (BTU/Ib °F).[ver tabla 2]

∆T = Diferencia de temperaturas entre la temperatura inicial del producto hasta la temperatura final requerida (°F).

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Diagrama 1. Abatimiento de calor sensible. Diagrama 2. Abatimiento de calor latente.

Calor latente. Es la cantidad de calor que se necesita para que el producto pase a su punto de congelación, por ejemplo, en los líquidos existe un cambio de estado físico cuando pasa a su estado sólido. La ecuación que define al calor latente es:

q mHL L=

Donde:

qL = Calor latente de fusión o cambio de estado (BTU). m = Cantidad de masa del producto para el cambio de estado(libras). HL = Calor latente de fusión del producto (BTU/libra). Existen ocasiones en donde se necesita eliminar calor sensible y latente al mismo tiempo por lo que de esta combinación el resultado será de acuerdo con la ecuación:

Q qs qs qsTOTAL A L B= + +

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La representación gráfica es:

Diagrama 3. Abatimiento del calor total.

2.2.1 TRABAJO INICIAL. Es la cantidad de calor que hay que eliminar a un producto para llevarlo de las condiciones iniciales del proceso (cualquier que sea) hasta la temperatura a la cual se desee llevar al final del mismo. Para conocer este trabajo se debe dividir el valor de la carga térmica del producto entre el tiempo en que se desea que se lleve a cabo el proceso en su totalidad. 2.2.2 TRABAJO SECUNDARIO. Es la cantidad de calor que hay que eliminar para que el equipo tenga tiempo de descanso y pueda ahorrar energía al momento en que mantiene las condiciones interiores requeridas por el proceso. 2.3 CARGA TÉRMICA GENERADA POR ALUMBRADO Y EQUIPO. En los sistemas de refrigeración existen equipos eléctricos de alumbrado que ceden energía calorífica al medio enfriado en el momento de operar. La cantidad de calor que estos ceden se obtiene directamente de la potencia eléctrica con la potencia térmica, esto es:

1 watt = 3.415 BTU/hr Todos los sistemas de iluminación ya sean incandescentes o fluorescentes básicamente transforman la energía eléctrica que reciben para su operación en calor, el cual desprende en su totalidad y se disipa en el interior del espacio que se desee refrigerar,

33

por lo tanto el siguiente modelo matemático nos permite calcular la ganancia de calor generado por alumbrado.

QAlumbrado = No. de lámparas (watt-de-cada-lámpara) (3.415)Btu/hr Como sabemos todas las máquinas son accionadas por motores eléctricos que emplean parte de su energía consumida en vencer rozamientos que a su vez se transforman en la energía eléctrica total, que toman de la línea de alimentación en forma de calor. El calor cedido al espacio con los motores y sus máquinas conducidas afectan a dicho medio de tres maneras: 1. Si el motor y la máquina se encuentran en el interior del espacio enfriado, el calor

cedido será igual a la expresión siguiente:

( )( )QN

BTU hrEQUIPO =

=η 746 3415. /

2. Si el motor está fuera del espacio y la máquina en el interior del mismo, el calor desarrollado esta dado por:

( )( )( )Q N BTU hrEQUIPO = =746 3415. /

3. Si el motor está dentro del espacio y la máquina fuera, el calor emitido será:

( )( )QN

N BTU hrEQUIPO = −

=η 746 3415. /

Donde: N = Potencia del motor eléctrico (HP) η = Rendimiento del motor eléctrico (%)

746 = Factor de conversión de HP a Watts 3.415 = Factor de conversión de Watts a BTU /hr Para:

Q Q QAyE A E= +

Para propósitos especiales dentro de las cámaras de refrigeración podemos incluir equipos de deshielo.

34

2.4 CARGA TÉRMICA GENERADA POR INFILTRACIÓN. El concepto de infiltración representa una cedencia o transmisión de calor originado por la entrada de aire exterior (a la temperatura de medio ambiente) al interior del espacio refrigerado. Esta carga térmica es ocasionada en el momento de apertura de las puertas, ventanas u otro medio que influya en la comunicación con el exterior. El procedimiento de cálculo para este punto se basa en considerar que el aire exterior del espacio se cambiará un determinado número de veces por hora, a este número se le llama Número de cambios de aire (CA) y se maneja en un intervalo de una hora. El número de cambios está en función directa del volumen total del espacio refrigerado, por lo tanto distinguiremos dos grupos: � Espacios con volúmenes altos (más de 200 pies2). � Espacios con volúmenes bajos (menos de 200 pies2). Cuando se trata de volúmenes bajos la cantidad de calor por este concepto se determinan de la siguiente manera: a) Por apertura de las puertas. � Para congeladores o diseños más bajos a esta condición se consideran 2.1 CA. � Para refrigeradores o instalaciones equivalentes con números iguales o superiores de refrigeración, se consideran 4.2 CA. b) Por infiltración. � Si tiene un lado expuesto al medio ambiente se considera 1 CA. � Si tiene dos lados expuestos al medio ambiente 1.5 CA. � Si tiene tres lados expuestos al medio ambiente 2 CA. � Si tiene cuatro lados expuestos al medio ambiente 2.5 CA. Para el caso de volúmenes más altos, las infiltraciones y apertura de puertas se dan en un sólo valor de acuerdo a tablas. Si se tienen instalaciones de uso pesado se debe multiplicar el valor de los cambios de aire por 2. Para el caso del almacenamiento con uso prolongado el valor de CA se multiplicará por 0.6 independientemente de que se trate de volúmenes altos o bajos una vez conociendo el valor de los cambios de aire que se tiene debemos de cambiar por hora, es decir:

V V CA Hr USOft

hrINFILTRADO ESPACIO INSTALACION= =( )( / )( )/

3

35

de aquí que: USO PESADO (2) PROLONGADO (0.6)

El calor a eliminar en el aire se obtendrá a partir de la carta psicrométrica, de aquí se toman los valores de la entalpía total del aire exterior correspondiente al valor de su volumen específico y del mismo modo para el aire interior, la ecuación que define la cantidad de calor del aire en función de las magnitudes será:

=

=

hr

BTUH

VQ

hr

BTUH

VQ

exteriorText

iltradoexterioraire

eriorTiltrado

erioraire

ν

ν

inf

intint

infint

Entonces el calor infiltrado es:

−=hr

BTU QQQ extiltrado intinf

2.4.1 CARTA PSICROMÉTRICA. El método de utilización es sencillo ya que es encontrar la intersección de cualesquiera de las cuatro propiedades principales:

� Temperatura de bulbo seco. � Temperatura de bulbo húmedo. � Humedad absoluta. � Volumen especifico. � Temperatura de rocío. � Porciento de humedad relativa � Entalpía o calor total.

La carta psicrómetrica la utilizamos para el cálculo de la carga térmica generada por infiltración.

36

COMPOSICIÓN DE LA CARTA PSICROMÉTRICA.

Figura 8. Líneas de temperatura de bulbo Figura 9. Líneas de la humedad relativa

seco sobre la gráfica psicrométrica. sobre la gráfica psicrométrica.

Figura 10. Líneas de calor total sobre la Figura 11. Líneas de temperatura de bulbo

gráfica psicrométrica. Húmedo sobre la gráfica psicrométrica.

Figura 12. Líneas de temperatura de punto Figura 13. Líneas de volúmenes específicos

sobre la gráfica psicrométrica. sobre la gráfica psicrométrica.

37

2.

Figura. 14 Trazo de propiedades sobre la Carta Psicrométrica

38

5 CARGA TÉRMICA GENERADA POR OCUPANTES.

El cuerpo humano al desarrollar cualquier actividad esta desprendiendo calor, aún cuando no realice actividad física, el simple hecho de que su organismo trabaje para mantenerlo vivo es suficiente para que libere calor. La energía calorífica cedida por los ocupantes esta en función directa de la actividad que desarrolle en el interior del espacio. La tabla No.7 proporciona los datos para una condición de trabajo equivalente a trabajo duro desarrollado en el interior del espacio, esto equivale a caminar a 2 millas/hr o a baile ligero.

Los valores que se muestran como equivalentes de calor por persona ECPP es la suma de calor sensible mas su correspondiente calor latente. Para calcular la carga térmica cedida por los ocupantes basta con identificar el equivalente de calor por persona en la tabla correspondiente de acuerdo con la temperatura interior del espacio, y a este valor multiplicarlo por el número de ocupantes esto es:

( )Q No Ocupantes ECPP BTU hrocupantes = ×. /

2.6 CARGA TÉRMICA GENERADA POR EFECTO SOLAR. Este cálculo se debe a la incidencia de los rayos solares y se calcula exclusivamente para las paredes o superficies afectadas en la hora critica y únicamente en verano. Los rayos solares al incidir sobre los muros, techos, etc.. de un espacio determinado originan calentamiento de estos, lo cual implica paso de calor al interior del espacio. El efecto solar esta dado por las siguientes características: � Rugosidad en la superficie en la que incide. � El ángulo de incidencia e intensidad de los rayos solares. � La constante proporcional del color en la superficie. Las características anteriores afectan la refracción de la radiación solar, la cual puede ocasionar un aumento en la ganancia de calor en el interior del espacio por este concepto. Un ejemplo sería que las áreas afectadas estuvieran pintadas con colores obscuros. Por tal motivo al realizar el cálculo de la carga generada por transmisión de calor a través de paredes, este se debe de corregir por efecto solar de acuerdo a la tabla No. 5. La ganancia por efecto solar se puede calcular suponiendo que el medio ambiente exterior tiene una temperatura superior a la real y se puede calcular con la expresión matemática general de la transmisión del calor.

Q AU T

T T TRS

real

= ′′ = +

∆∆ de tablas

39

2.7 MEMORIA DE CÁLCULO

CONDICIONES DE DISEÑO

UBICACIÓN DEL FRIGORÍFICO Texcoco, Estado de México. TEMPERATURAS EXTERIORES DE DISEÑO EN VERANO

Del manual de refrigeración Gilvert Copeland (G.C.) tabla 1 obtenemos:

Temperatura de bulbo seco (TBS): 32° C = 90° F Temperatura de bulbo húmedo (TBH): 19° C = 66° F

CARACTERISTICAS DEL PRODUCTO

PRODUCTO

Pollo TEMPERATURA PROMEDIO DE CONGELACIÓN

De acuerdo a la Norma Oficial Mexicana NOM-087/SSA1-1994 la temperatura promedio de congelación es:

-2°C a 2° C

Los datos que a continuación se mencionan son tomados del manual ASHRAE (Tabla 2). Calor especifico arriba del punto de congelación(Cp): 0.79 BTU/lb°F Calor especifico abajo del punto de congelación (Cp): 0.37 BTU/lb°F Calor latente de fusión: 106 BTU/lb Temperatura de la cámara: -5°C = 23 ° F Temperatura de entrada del producto: 4°C = 39.2 ° F Temperatura de salida del producto: 0°C = 32 ° F Humedad relativa del producto: 80%

40

Figura 15. Diseño de paredes

PISO

LOSA DE CONCRETO

f1 f24"f23"4"0.5"f1

POLIESTIRENO EXPANDIDO

LOSA DE CONCRETO

PELÍCULA IMPERMEABLE

TECHO

0.04" f23"0.04"f1

PLACA DE COLD ROLLED


PLACA DE COLD ROLLED

PUERTA

f1 1" 5" 3" f2

T2

T1

YESO

LADRILLO COMÚN


PAREDES

41

Figura 16. Diseño de la cámara frigorífica

PLANTA

ELEVACIÓN

0.2286

0.2286

18

35

ACOT: m

N

S

EO

0.19053.7079

0.1016

LOSA

PISO

42

ACOT: m

35

18

0.401.20

1.77140.2286

2

1.7714 0.2286

0.5 2.4 2

Figura 17. Distribución de racks

43

CA

JA

AC

OT

: cm

50

40

60

4040

4060

60

Figura 18. Diseño del rack

44

CARGA TÉRMICA GENERADA POR TRANSMISIÓN A TRAVES DE PAREDES

MATERIAL ESPESOR (Pulg) K

Btu puft F hr

. lgo

Yeso 1 1.57 Ladrillo Común 5 5

Poliestireno expandido 3 0.24 Placa de Cold Rolled 0.04 350 Película impermeable 0.5 1.40 Loza de concreto 4 12

Q AU T

Q Calor

F

1 =

=

−°

∆

transferido (Btu h)

A = Area expuesta al flujo de calor (ft )

U = Coeficiente de conductividad (Btu

hr - ft)

2

2

Corrección por efecto solar tomados del manual ASHRAE (superficies de color medio Tabla 5) • Pared Este 6° • Pared sur 4° • Pared Oeste 6° • Techo 15°

U

f

e

K

e

K

e

K f

UBtu

hr F ftPARED

=+ + + +

=+ + + +

=−° −

11 1

11

6

1

157

5

5

3

0 24

1

16

0 066985475

1

1

1

2

2

3

3 2

2

. . .

.

2

2

2

631578947.0

6.1

1

12

4

6.1

11

071519795.0

6.1

1

24.0

3

12

4

4.1

5.0

6

11

075233815.0

6.1

1

350

04.0

24.0

3

350

04.0

6

11

ftFhr

BtuU

ftFhr

BtuU

ftFhr

BtuU

PISO

TECHO

PUERTA

−°−=

++=

−°−=

++++=

−°−=

++++=

45

( ) ( )

T C F C F

T C F

T T T F F

T F

A ft

A ft

A ft

A

ENTRADA

CAMARA

EXT INT

piso

PARED

PARED

PARED

P

= ° = ° = ° = °= − ° = °

= − = − = ° =+

= °

= − = °

= × = =

= × = =

= × − × = =

= ×

4 39 2 0 32

5 23

39 23 1639 23

231

31 23 8

18 5 90 968 256

35 5 175 1882 72

18 5 2 35 83 892 9472

2 35

2

2

2

.

.

.

. .

.

T

T

m

m

m

SALIDA

piso

NORTE2

ESTE Y OESTE2

SUR2

UERTA

∆

∆

= =

= = × = =

7 753088

18 35 630 6777 792

2

2

m

m

2

TECHO2

.

.

ft

A A ftPISO

( )( )( )

( )( )( )

( )( )( )

( )( )( )

( )( )( )

( )( )( )

( )( )( )

QBtu

hr

QBtu

hr

QBtu

hr

QBtu

hr

QBtu

hr

QBtu

hr

QBtu

hr

PARED NORTE

PARED SUR

PARED OESTE

PARED ESTE

PUERTA

TECHO

PISO

= =

= + =

= + =

= + =

= =

= + =

= =

968 256 0 066985475 16 1037 745409

892 9472 0 066985475 16 4 1196 289847

1882 72 0 066985475 16 6 2774 527657

1882 72 0 066985475 16 6 2774 527657

753088 0 075233815 16 90 65229

6777 792 0 071519795 16 15 1502713513

6777 792 0631578947 8 3424568587

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

QBtu

hr

T RBtu

hrT R1 5714656386

1

120004 76=

=.. .

. . .

46

CARGA TERMICA GENERADA POR PRODUCTO

( )( )( )

( )( )hr

BtuQ

hr

BtuQ

TmCp

FCT

FCT

hr

lbs

hr

lbs

RT

lbsRTm

L

A

REQ

ENT

6667.666,971106667.9166

66667.50691779.0667.9166

Q

320

394

667.916624

000,220..1

200,2..100

B YA

==

==

∆=

°=°=°=°=

==

=⋅

( )( )( )QBtu

hr

Q T R

B = =

=

=

9166 667 0 37 7 2374166667

1 046 1001

871752

. . .

, , . . . Btu

hr

T.R.

12,000Btuhr

CARGA TERMICA GENERADA POR INFILTRACIÓN Dimensiones de la cámara:

L m

A m

H m

Vol de

===

34 5428

17 5448

4 7079

.

.

.

.

.

la camara = (4.7079)(17.5448)(34.5428) = 2,853.206399m

Vol. de la camara = 100,682.6692ft

3

3

Del Manual ASHRAE (Tabla 6) obtenemos los cambios de aire (C.A.) C.A.= 1.4 cambios de aire por 24 horas Temperatura del aire exterior = TBS = 32 °C = 90 °F. Temperatura de la cámara = -5 °C = 23 °F. Humedad relativa = 80 %.

47

Del Manual ASHRAE Tabla 8, de acuerdo a la temperatura del frigorífico (23 °F) y la temperatura exterior de bulbo seco y humedad relativa del exterior (80 %) nos da los BTU/ft3 para determinar la carga por infiltración: 2.786 BTU/ft3 .

Vol ftC A

horas

ft

horas

Volft

hr

=

=

=

100 682 669214

24140 9557369

24

5 873155704

33

3

, .. . .

, .

, ..

Como la instalación va a ser para uso pesado, por lo tanto tenemos que multiplicar por 2 el volumen infiltrado.

( )

..72.2000,12

..122359.725,32

22359.725,32786.23114.746,11

3114.746,112155704.873,5

3

3

3

33

RT

hr

BtuRT

hr

BtuQ

hr

Btu

ft

Btu

hr

ftQ

hr

ft

hr

ftVol

ONINFILTRACI

=

=

=

=

==

Infiltración por la carta psicrométrica. V Volumen

Volumen

Vol

Vol

aire inf

.

.

=

=

=

==

de aire infiltrado

V del espacio

C.A.= Cambios de aire

V especifico del aire exterior

V especifico del aire interior

H Entalpia total

esp

A.E.

INT

T

v

r

48

INTERIOREXTERIORINFILTRADO

ixtTaire

extTEA

aireext

espaire

QQQ

HV

VQ

HV

VQ

USOACVV

−=

×=

×=

××=

.int

intint

.,

int

inf ..

Condiciones interiores: Temp. de diseño = 32 F Humedad relativa = 80%

h VINT INT

°

= =11 12 43Btu

lb

pies

lb

v.

Condiciones exteriores: T F

Btu

lb

pies

lb

BS = °

= =

90

385 14 23

Humedad relativa = 50%

h VEXT EXT. .v

( ) ( )

( )

( )

V ftC A

hr

ft

hr

QBtu

hr

QBtu

hr

QBtu

hr

Btu

hr

Btu

hr

aire iltrado

EXT

INT

INFILT

inf , .. .

, .

, .

.. , .

, .

., .

, . , . .

=

=

=

=

=

=

= − =

100 682 669214

242 11 746 31141

11 746 31141

14 2385 31847 3936

11 746 31141

12 411 10 42011496

31847 3936 10 42011496 21427 2786

33

QBtu

hr

T RBtu

hr

T R3 21427 27861

12 000178=

=.. .

,. . .

Nota. Para efectos de cálculo tomaremos el valor de 2.72 T.R.

49

CARGA TÉRMICA GENERADA POR OCUPANTES La cámara va a necesitar de 5 personas que estén constantemente supervisando el área, de la tabla 7. se saca que cada persona genera 1020 Btu/hr.

QBtu

hr Btu

hr

4 5 1020 51001

0 425= × =

= T. R

12,000

T. R..

CARGA TÉRMICA GENERADA POR ALUMBRADO Y EQUIPO De acuerdo a normas técnicas para instalaciones eléctricas para bodegas o almacenes tenemos 2.5 watt/ metro cuadrado.

( )( )

Superficie mwatt

hrwatt

QT R

T R

= × = =

= =

=

345428 17 5448 606 0465 2 5 1515116294

1

1515116294 34121 5169 7281

12 0000 43

2. . . ( . ) .

. . .. .

,. . .

watt = 3.4121Btu

hr

Btu

hr Btu

hr

Calor por el montacargas

50

( )( )( )( )

( )( )( )

..79.13736.643.0

as.evaporativ unidades las deselección la de resultado el es obtenidocalor Este .

.7000,12

..17824.503,81

7824.503,814142.3746..32

..36.6000,12

..1796.409,76

796.409,76arg24142.3746.15

5 RTQ

Nota

RT

hr

BtuRT

hr

BtuQ

hr

BtuWPHQ

RT

hr

BtuRT

hr

BtuQ

hr

BtuasmontacWPHQ

=++=

−

=

=

==

=

=

==

RESUMEN DE CARGA TERMICA TRANSMISIÓN DE PAREDES 4.76 T.R. 57,146.56 BTU/hr PRODUCTO 87.175 T.R. 1,046,100 BTU/hr INFILTRACIÓN 2.72 T.R. 32,725.22 BTU/hr OCUPANTES 0.425 T.R. 5100 BTU/hr ALUMBRADO Y EQUIPO 13.79 T.R. 163,083.31 BTU/hr SUBTOTAL 108.87 T.R. 1,304,155.09 BTU/hr 10 % F.S. 10.88 T.R. 130,415.50 BTU/hr TOTAL 119 T.R. 1,434,570.59 BTU/hr

2.8. ANEXO DE TABLAS TABLAS PARA EL USO DEL BALANCE TÉRMICO 1.- Tablas para seleccionar temperaturas exteriores de diseño en verano. 2.- Tablas de características de productos alimenticios. 3.- Tablas de condiciones de almacenamiento y propiedades de productos alimenticios.

51

4.- Tabla de coeficientes de transmisión de calor. 5.- Tabla de corrección de temperatura por efecto solar.

6.- Tabla para seleccionar los cambios de aire en 24 horas para cámaras de refrigeración.

7.- Tabla de calor disipado por personas dentro de un espacio refrigerado.

8.- Tablas de calor removido en aire de enfriamiento de acuerdo a las condiciones de la cámara de refrigeración. TABLAS 1.- TEMPERATURAS EXTERIORES DE DISEÑO EN VERANO. La temperatura de diseño de bulbo seco y bulbo húmedo representa la temperatura igualada o excedida durante el 1% de las horas en verano.

LUGAR B S B H ALT

° C ° F ° C ° F (m)

52

AGUASCALIENTES AGUASCALIENTES BAJA CALIFORNIA ENSENADA MEXICALI LA PAZ

CAMPECHE CAMPECHE CD DEL CARMEN

COAHUILA MATAMOROS MONCLOVA NUEVA ROSITA

COLIMA COLIMA MANZANILLO CHIAPAS TAPACHULA TUXTLA GTZ.

CHIHUAHUA CAMARGO CASAS GRANDES CHIHUAHUA

DISTRITO FEDERAL MEX. TACUBAYA

DURANGO DURANGO GPE. VICTORIA CIUDAD LERDO

GUANAJUATO CELAYA GUANAJUATO IRAPUATO

GUERRERO ACAPULCO CHILPANCINGO IGUALA

HIDALGO PACHUCA TULANCINGO

JALISCO GUADALAJARA L. DE MORENO PTO. VALLARTA

MEXICO TEXCOCO TOLUCA MICHOACAN APATZINGAN MORELIA LA PIEDAD

MORELOS CUAUTLA CUERNAVACA

NAYARIT ACAPONETA SAN BLAS

34

34 43 36

36 37

34 38 41

36 35

34 35

43 43 35

32

33 43 36

38 32 35

33 33 39

29 32

33 39 36

32 26

39 30 34

42 31

37 33

93

93 109 97

97 99

93 100 106

97 95

93 95

109 109 95

90

91 109 97

100 90 95

91 91 102

84 90

91 102 97

90 79

102 86 93

108 88

99 91

19

26 28 27

26 26

21 24 25

24 27

25 25

23 25 23

17

17 21 21

20 18 19

27 23 22

18 19

20 20 26 19 17

25 19 20

22 20

27 26

66

79 82 81

79 79

73 75 77

75 81

77 77

73 77 73

63

63 70 70

68 64 68

81 73 72

64 66

68 68 79

66 63

77 66 68

72 68

81 79

1879

13 1 18

25 3

1120 586 430

494

3

168 536

1653 1478 1423

2309

1898 1982 1140

1754 2030 1724

3

1250 735

2445 2181

1589 1880

2

2216 2675

682

1923 1775

1291 1538

25 7

LUGAR B S B H ALT

° C ° F ° C ° F (m) NUEVO LEON LINARES

38

100

25

77

684

53

MONTEMORELOS MONTERREY

OAXACA OAXACA SALINA CRUZ

PUEBLA HUACHINANGO PUEBLA QUERETARO QUERETARO

QUINTANA ROO COZUMEL PAYO OBISPO

SAN LUIS POTOSI MATEHUALA SAN LUIS POTOSI

SINALOA CULIACÁN MAZATLÁN TEPOLCHAMPO

SONORA CIUDAD OBREGON EMPALME HERMOSILLO

TABASCO VILLAHERMOSA

TAMAULIPAS MATAMOROS NUEVO LAREDO TAMPICO

TLAXCALA TLAXCALA

VERACRUZ ALVARADO CORDOBA JALAPA YUCATÁN MÉRIDA PROGRESO

ZACATECAS FRESNILLO ZACATECAS

39 38

35 34

37 29

33

33 34

36 34

37 31 37

43 43 41

37

36 41 26

28

35 36 32

37 36

36 28

102 100

95 93

99 84

91

91 93

97 93

99 88 99

109 109 106

99

97 106 97

82

95 97 90

99 97

97 82

25 26

22 26

21 17

21

27 27

22 18

27 26 27

28 28 28

26

26 25 26

17

26 23 21

27 27

19 17

77 79

72 79

70 83

70

81 81

72 64

81 79 81

82 82 82

79

79 77 82

83

79 73 70

81 81

66 63

432 534

1563

56

1600 2150

1842

3 4

1597 1877

53 78 3

40 2

211

10

12 140 18

2252

9

871 1399

22 14

2250 2612

TABLA TOMADA DEL MANUAL DE COPELAND PARTE 3.

Tablas 2. CARACTERÍSTICAS DE PRODUCTOS ALIMENTICIOS.

Calor Específico BTU/lb.

Calor

Calor de Evolución BTU

54

Producto

Temperatura Promedio de

Porcentaje de

°F

Latente de

por (24 hrs)(ton) a la Temp. indicada

Congelación (°F)

Agua Arriba del punto de

Congelación

Abajo del punto de

Congelación

Fusión BTU/lb

.

(° F)

BTU

CARNES Y PESCADOS Aves (carne fresca) Aves (congeladas) Bacalao (fresco) Camarones Carne cortada (retazo)

Carnes de cordero Carne de puerco (ahumada) Carne de puerco (fresca) Carne de res (grasosa) Carne de res (magra) Carne de res (salada) Carne de res (seca) Carne de ternera Chorizos Embutidos

27 27 28 28 29

29

28 28 29

29 26

74 74

70.8 65

58 57 60 68

5-15 63 65.5

0.79 0.79 0.90 0.83 0.72

0.67 0.60

0.68 0.60 0.77 0.75

0.22-0.34 0.71 0.89 0.60

0.37 0.37 0.49 0.45 0.40

0.30 0.32

0.38 0.35 0.40

0.19-0.26 0.39 0.56

106 106 119 119 95

83.5

86.5 79 100

7-22 91 93

TABLA 3. CONDICIONES DE ALMACENAMIENTO Y PROPIEDADES DE PRODUCTOS ALIMENTICIOS.

Producto

Temp. de Almac. °F

Humedad Relativa

%

Duración aprox.

Producto

Temp. de Almac. °F

Humedad Relativa

%

Duración aprox.

CARNES VARIOS

55

Aves de corral frescas Aves de corral congeladas Carne de cerdo fresca carne de cerdo congelada Carne de res fresca Carne de res congelada Carne de ternera Conejos frescos Conejos congelados Cordero fresco Cordero congelado Hígados congelados Jamones y Lomos frescos Jamones y Lomos congelados Jamones y Lomos curados Lomos grasosos Salchichas ahumadas Tocino congelado tocino curado (de empacadora) Tocino curado (estilo granja) PESCADOS Y MARISCOS Pescado ahumado Pescado congelado Pescado curado Pescado salado Pescado fresco Marisco congelado Marisco fresco

32

-20.0 32-34 -10.0 32-34 -10.0

32-34 32-34 -10.0 32-34

-10.0 -10.0 32-34 -10.0 60-55

34-36 40-45 -10.0 34-40 34-40

40-50 -10.0 28-35

33

-20.0 33

85-90 90-95 85-90 90-95 88-92 90-95

90-95

90-95-90-95 85-90

90-95 90-95 -85-90

90-95-50-60

85-90 85-90 90-95 85 85

50-60 90-95 75-90 90-95 90-95

90-95 90-95

1semana 9-10 meses 3-7 días 4-5 meses 1-6 meses 9-12 meses 5-10 días 1-5 días 0-6 meses 5-12 días 8-10 meses 3-4 meses 7-12 días 6-8 meses 0-3 años 3 meses 6 meses 4-6 meses 2-6 sem 2-6 meses 6-8 meses 8-10 meses 4-8 meses 10-12 m 5-15 días 3-8 meses 3-7 días

Aceite para ensaladas Café de grano Cerveza en barril Dulces Huevos frescos Huevos congelados Levadura

Manteca de cerdo (sin antioxidante) Manteca de cerdo (sin antioxidante) Miel Oleomargarina Palomitas de maíz sin reventar Pan Pieles y tejidos PRODUCTOS LACTEOS Crema (endulzada) Helados Leche condensada y endulzada Leche evaporada Leche Pasteurizada Grado A Leche en polvo completa Leche en polvo sin grasa Mantequilla Mantequilla Queso

35

35-37 35-40 0-34 29-31

0

21-22 45 0 - 35

32-40 0

34-40

-15 -15 40 - 33

45-55 45-55 32-40 -10.0 30-45

-

80-85 -

40-65 80-85

- -

90-95 90-95 -

60-70 85 -

45-55 - - - - -

Baja Baja 80-85 80-85 65-70

1 año 2-4 meses 3-10 sem - 6-9 meses + de 1año - 4-8 meses 12-14 m 1 año 1 año - varias sem varios años

varios meses

varios meses

varios meses 1 año 7 días varios meses varios meses 2 meses 1 año -

Tomado del ASHRAE Guide & Data Book 1965-1967. Copiado con autorización.

TABLA 4. COEFICIENTES DE TRANSMISIÓN DE CALOR.

MATERIAL DENSIDAD libras / pie

TEMPERATURA MEDIA

°F

CONDUCTIVIDAD K

CONDUCTANCIA °C

RESISTENCIA (R)

Por Pulgada Total MATERIALES DE CONSTRUCCION

56

Concreto, arena y grava Ladrillo común Ladrillo de fachada Ladrillo Hueco de 2 caldos, 6" Bloque de concreto, arena y grava, 8" Bloque de concreto, cenizas, 8" Yeso para estucar, arena

140 120 130

105

75 75 75 75 75 75

12 5.0 9.0

5.8

.66

.90

.58

.06

.20

.11

.18

1.52 1.11 1.72

MATERIALES AISLANTES Capa de lana mineral Capa de fibra de vidrio Placa de corcho Placa de fibra de vidrio Uretano expandido, R-11 Poliestireno expandido Placa de lana mineral Cubierta de techo aislante de 2" Relleno suelto de lana mineral Perlita expandida

0.5 0.5

6.5-8.0 9.5-11.0

1.0 15.0

2.0-5.0 5.0-8.0

75 75 0 -16 0 0 0 75 0 0

.32

.32

.25

.21

.17

.24

.25

.23

.32

.18

3.12 3.12 4.0 4.76 5.88 4.17 4.0

4.35 3.12

5.56

TECHOS Techo de asbesto-cemento Asfalta en rollo para techos Techo prefabricado 3/8" Tejas de madera de 3/4"

120 70 70

75 75 75 75

4.76 6.50 3.0 1.06

.21

.15

.33

.94 MATERIALES PARA PISOS Alfombra con bajo-alfombra de fibra Alfombra con bajo-alfombra de hule espuma Losa de corcho de 1/8" Terrazzo, 1" Loseta asfáltica de vidrio de Linoleum Subsuelo de madera de 25/32" Suelo de madera de 3/4"

75 75 75 75 75

.48

.81 3.60 12.50 20.0 1.02 1.47

2.06 1.23 .28 .08 .05 .96 68

VIDRIO Vidrio plano sencillo Vidrio aislante doble Vidrio aislante triple Ventana de tormenta

.73

.49

.38

.44

1.37 2.04 2.83 2.27

MATERIALES PARA ACABADOS Placa de Cold Rolled Placa de asbesto -cemento Yeso de 1/2" Triplay Revestimiento de madera Fibracal Fieltro permeable al vapor Película plástica impermeable

120 50 34 20 65

75 75 75 75 75 75 75

350 4.0 1.57 .80 .38 1.40

1.40

2.25

16.70

.25

1.25 2.83 .72

.45

0.06

MADERAS Madera biselada de 1 x 8 Arce, roble, madera dura Abeto, pino, madera blanda

45 32

75 75 75

1.10 .80

1.23

.91 1.25

.81

VARIOS Agua Nieve Tierra Aserrín

75

4.2 1.2-3.8 7.2-12.0

.45

.24 .83-.27 .14-.08 2.22

Tabla 5. CORRECCION DE TEMPERATURA POR EL EFECTO SOLAR. (Grados Fahrenheit que han de añadirse a la temperatura normal en los cálculos de transmisión de calor para compensar el efecto solar. Esta tabla no es aplicable para diseños de acondicionamiento de aire).

Tipo de Superficie Pared este Pared sur Pared oeste Techo Plano

57

Superficies de color oscuro tales como: Techo de arcilla negra. Techo de chapopote. Pintura negra.

8

5

8

20

Superficies de color medio tales como: Madera sin pintar. Ladrillo. Losa roja. Cemento oscuro. Pintura roja, gris o verde.

6

4

6

15

Superficies de color claro tales como: Piedra blanca. Cemento de color claro. Pintura blanca.

4

2

4

9

Tomado del manual de Refrigeración de la ASHRAE, 1998.

TABLA 6. PROMEDIO DE CAMBIOS DE AIRE EN 24 HORAS PARA CAMARAS DE ALMACENAJE DEBIDO A LA APERTURA DE PUERTAS E INFILTRACIÓN.

58

Volumen pie3

Cambios de aire en 24 horas

200 44.0 300 34.5 400 29.5 500 26.0 600 23.0 800 20.0 1,000 17.5 1,500 14.0 2,000 12.0 3,000 9.5 4,000 8.2 5,000 7.2 6,000 6.5 8,000 5.5 10,000 4.9 15,000 3.9 20,000 3.5 25,000 3.0 30,000 2.7 40,000 2.3 50,000 2.0 75,000 1.6 100,000 1.4

Nota: Para uso frecuente intenso multiplicar por 2 los valores. Para almacenamientos prolongados multiplicar por 0.6. Tomado del Manual de Fundamentos ASHRAE, 1981.

Tabla 7. CALOR DISIPADO POR LAS PERSONAS. DENTRO DEL ESPACIO REFRIGERADO

Temperatura del Calor disipado por

59

refrigerador en °F persona BTU/hora 50 40 30 20 10 0 -10

720 840 950 1,050 1,200 1,300 1,400

Tomado del manual de fundamentos ASHRAE 1967.

Tablas 8. CALOR REMOVIDO EN AIRE DE ENFRIAMIENTO A LAS CONDICIONES DE CAMARAS DE ALMACENAMIENTO.(BTU POR PIE3). Temperatura de la cámara de almacenamiento °F

Temperatura del aire exterior °F

40 60 90 100 Porcentaje de humedad relativa 70 80 70 80 70 80 70 80 25 0.39 0.43 0.69 0.75 2.44 2.71 2.54 2.84 20 0.52 0.56 0.82 0.89 2.62 2.90 2.68 2.97 15 0.65 0.69 0.95 1.01 2.80 3.07 2.80 3.10 10 0.77 0.82 1.08 1.14 2.93 3.20 2.93 3.22 5 0.89 0.94 1.20 1.26 3.12 3.40 3.05 3.34 0 1.01 1.05 1.31 1.38 3.28 3.56 3.16 3.46 -5 1.13 1.17 1.43 1.49 3.41 3.69 3.28 3.58 -10 1.24 1.29 1.55 1.61 3.56 3.85 3.40 3.70 -15 1.36 1.41 1.67 1.73 3.67 3.96 3.52 3.81 -20 1.48 1.52 1.78 1.85 3.88 4.18 3.64 3.93 -25 1.60 1.64 1.90 1.97 4.00 4.30 3.75 4.05 -30 1.72 1.76 2.03 2.09 4.21 4.51 3.88 4.17

Del manual de fundamentos ASHRAE, 1981 con autorización.

59

CAPITULO 3. CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL EQUIPO. 3.1 ESTABLECIMIENTO DE LAS CONDICIONES DE TRABAJO.

Para poder iniciar el cálculo del ciclo completo de refrigeración es necesario

primero establecer la forma en que se determinarán correctamente las temperaturas de trabajo: a) Para poder determinar la temperatura de succión o temperatura de evaporación, se fija la temperatura requerida del espacio, producto o sustancia a refrigerar. Considerando que el refrigerante debe estar a menor temperatura, a efecto de que exista transmisión de calor, por lo tanto se tiene que:

T TSUCCION REQ= − °8 a 10 F

Para nuestro cálculo tomaremos la temperatura crítica, teniendo entonces:

CFT

FFT

SUCCIÓN

SUCCIÓN

°−=°=°−°=5.522

1032

b) Si el sistema de refrigeración empleará aire ambiente para realizar la condensación del refrigerante, entonces la temperatura de descarga o temperatura de condensación será igual a la temperatura de bulbo seco del aire ambiente registrada y la adición de 10 a 15 °F.

T TDESCARGA BS= + °10 a 15 F c) Si la condensación del refrigerante se efectuará por medio de agua y esta a su vez enfriada por aire, entonces la temperatura de descarga será igual a la temperatura de bulbo húmedo del aire ambiente registrada más 40 °F, considerando que a través del proceso de condensación la temperatura se ira incrementando.

T T FDESCARGA B H= + °. . 40

En nuestro caso la condensación se efectuará por medio de condensadores evaporativos:

CFT

FFT

DESCARGA

DESCARGA

°=°=°+°=41106

4066

60

3.2. SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE CONCEPTO DE REFRIGERANTE.

Es cualquier sustancia capaz de absorber calor de otra, para nuestro estudio trataremos, aquellas que se pueden adaptar a la refrigeración mecánica. Sabemos que el refrigerante sufre transformaciones de líquido a gas y de gas a líquido. Por lo tanto se requiere que estas transformaciones se realicen a la temperatura adecuada para los diferentes servicios y a la presión conveniente y apropiada a la economía, diseño, construcción y operación de los equipos; además también se deben tomar en cuenta factores como:

♦ Propiedades termodinámicas. ♦ Propiedades químicas. ♦ De seguridad. ♦ Económicas.

Un refrigerante es aquel que tiene la capacidad de absorber calor de un medio o sustancia y también transmitirlo a otro. El refrigerante debe tener ciertas propiedades químicas, físicas y termodinámicas que lo hagan seguro, económico y funcional. Las principales características deseables son:

a) Que tenga bajo punto de ebullición (que un refrigerante este bajo condiciones normales de presión y temperatura).

b) Que no sea inflamable, ni explosivo, ni tóxico. c) Que no deba reaccionar con la humedad. d) Que no contamine el medio ambiente ni a los alimentos en caso de fuga. e) Que no reaccione con el aceite lubricante ni con cualquier elemento de

construcción del equipo de refrigeración. Sin embargo, no existe ningún refrigerante ideal, pues todos los conocidos tienen cierto grado de toxicidad, inflamabilidad, perjuicios al medio ambiente o cualquier otra característica no deseada. Entre los refrigerantes más comunes y prácticos, podemos encontrar el refrigerante 12, el refrigerante 22 y el refrigerante amoniaco.

61

Punto de Ebullición Es la temperatura en la que una sustancia cambia de estado a la presión atmosférica. El punto de ebullición de un refrigerante a la presión atmosférica es básico al escoger el equipo requerido y al tipo de servicio para el que se va usar. CLASIFICACIÓN DE LOS REFRIGERANTES DE ACUERDO A SUS TEMPERATURAS Y PRESIONES DE TRABAJO.

Los refrigerantes se pueden clasificar según sus temperaturas y presiones de trabajo. Los refrigerantes actualmente en uso se clasifican como sigue: a) Refrigerantes de baja presión y alta temperatura. Utilidad y aplicación: Aire acondicionado. Ejemplos de refrigerantes: R-13, R-11, agua, etc. b) Refrigerantes de presión media y temperatura media. Utilidad o aplicación: Doméstica, comercial e industrial. Ejemplo de refrigerantes: R-12, R-114. c) Refrigerantes de alta presión y baja temperatura. Utilidad o aplicación: Industrial, domestica y comercial. Ejemplo de refrigerante: R-717, R-22, R-12. d) Refrigerante de muy alta presión y muy baja temperatura. Utilidad o aplicación: Industrial. Ejemplo de refrigerantes: Eteno, Etano, R-13, R-24, etc.

62

CONSIDERACIONES PARA LA SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE.

La siguiente tabla muestra las características de la presión de condensación de unos de los principales refrigerantes, con la cual se puede determinar las conclusiones que presentamos abajo.

Tabla 3.1.Características del refrigerante

Refrigerante Punto de

ebullición a la Patm

Presión de evaporación a 5° F (psia)

Presión de condensación a 86° F (psia)

Relación de compresión

Amoniaco -28 34.27 169.2 4.94 C02 -109 332 1043 3.15 Etano -127.5 236 675.8 2.87 R-12 -21.6 26.51 107.4 4.08 R-21 48 5.24 31.23 5.97 R-22 -41.4 43 174.5 4.06 R-113 117.6 0.982 7.856 8.02 R-30 103.6 21 95.5 4.58

Bióxido de azufre -14 11.81 66.4 5.63 REFRIGERANTE 744 (CO2)

Bióxido de carbono (conocido también como hielo seco). Este refrigerante, tiene un punto de ebullición de -109.1 ° F a la presión atmosférica. Si se le quisiera condensar a 86° F y evaporar a 5° F, se necesitaría 1045.7 lb/pulg2. REFRIGERANTE R-30 (CH2CL2) DICLORO METANO.

Este refrigerante tiene un punto de ebullición de 103.6° F a la presión atmosférica. Si se desea condensar a 86° F se necesitaría una presión de vacío de 8.4 pulg de mercurio y si se quisiera evaporar a 5° F, se necesitaría una presión de vacío de 27.4 pulg de mercurio. REFRIGERANTE R-717 (NH3) AMONIACO.

Este refrigerante tiene un punto de ebullición de -28° F a la presión atmosférica. Si se desea condensar a 86° F se necesitaría una presión de 169.2 lb/plg2 absoluta y si se requiere que la ebullición sea a 5°F, la presión necesaria sería de 34.27 lb/plg2 absoluta. Por lo tanto lo ideal de un refrigerante sería que la presión de evaporación sea ligeramente mayor que la presión atmosférica, para que nunca exista vacío en el sistema.

63

Los refrigerantes admiten una división en cuanto a su temperatura o punto de ebullición, las cuales son:

♦ Temperaturas ultrabajas (-65° F ó más bajas). ♦ Temperaturas bajas (-65 a -20° F). ♦ Temperaturas intermedias (-20 a 20° F). ♦ Temperaturas altas (20° F ó más)

CONCLUSIÓN 1. La temperatura de ebullición a presión atmosférica no siempre da un índice definitivo de las características de presión y temperatura de condensación. Si se compara el R-12 con el amoniaco, la diferencia de temperaturas en el punto de ebullición es 6.4 ° F, sin embargo la diferencia en la presión de condensación es considerable (62.8). Si se compara el Etano con el CO2 la diferencia es todavía más marcada. CONCLUSIÓN 2. La relación ∆P-T no es la misma para todos los refrigerantes. Por ejemplo analizaremos ésta relación para el Amoniaco y para el R-12.

Amoniaco (NH ) R

R

3 P-T

P-T

=−−

=−−

=°

− =−−

=−−

= ≈°

P P

T T

Psi

F

RP P

T T

Psi

F

A B

A B

A B

A B

169 2 34 27

86 51665802

12107 4 2651

86 50 9986 1

. ..

. ..

CONCLUSIÓN 3. La presión de condensación depende del refrigerante usado y para temperaturas similares, la presión de condensación tiene variaciones a veces muy grandes, que en un momento dado pueden ser definitivas para la selección. Si comparamos a 3 refrigerantes como son: Bióxido de carbono (CO2), Amoniaco y R-12, sus presiones de condensación a 86° F son:

64

CO

NH2

3

==

− =

1043

169 2

12 107 4

Psia

Psia

R Psia

.

.

Como podemos observar la presión del CO2 para una condensación a 86° F resulta excesivamente elevada a comparación con los otros refrigerantes. RELACIÓN DE COMPRESIÓN.

Para elegir un refrigerante idóneo es muy importante tener relaciones de

compresión adecuadas. Se sabe que con altas relaciones de compresión, la potencia requerida por el compresor es muy grande, por lo tanto la temperatura de evaporación y de condensación se deben de establecer con un eficiente criterio técnico, como ya se estudió anteriormente. 3.3. DIAGRAMA DE MOLLIER Un ingeniero en diseño revisa cuidadosamente los datos del refrigerante en forma de gráficas y tablas antes de seleccionarlo para una instalación determinada. Esta información puede presentarse gráficamente en forma de diagrama, que son conocidos como diagrama de Mollier o de P-H. En ellos se grafican principalmente la presión absoluta y la entalpía. Estos diagramas son muy fáciles de entender y sirven como una herramienta valiosa para analizar y comprender el funcionamiento de la refrigeración. El ingeniero en diseño debe utilizar el diagrama de Mollier para graficar los ciclos de refrigeración y sirve además para detectar problemas prácticos en un sistema de refrigeración.

Diagrama 4. Ciclo del refrigerante

65

El diagrama representa al refrigerante. Es una representación gráfica de los datos obtenidos en las tablas termodinámicas. El diagrama muestra los tres diferentes estados físicos. Las líneas de frontera convergen al aumentar la presión y finalmente se juntan en un punto crítico, el cual representa la condición límite para la existencia del refrigerante líquido. A temperaturas mayores que la crítica, el refrigerante puede existir sólo en fase gaseosa. Propiedades del refrigerante. En el diagrama completo de Mollier aparecen cinco propiedades básicas del refrigerante: 1. Presión: Las líneas de presión constante corren en forma horizontal a través del diagrama. La escala de presión no esta graduada en intervalos constantes, sino que sigue una escala logarítmica, la cual permite un amplio rango de cobertura en un diagrama de tamaño razonable. 2. Entalpía: Las líneas de entalpía constante son verticales. En un punto de proceso de flujo constante tal como es un ciclo de refrigeración, la entalpía representa el contenido de energía calorífica por cada libra de refrigerante, los cambios de entalpía entre los puntos de un proceso son muy importantes. 3. Temperatura: Por lo general, las líneas de temperatura constante corren en dirección vertical en las zonas de líquido subenfriado y de vapor sobrecalentado. En la zona de mezcla, siguen una trayectoria horizontal entre las líneas de saturación. En el diagrama normalmente simplificado se incluyen líneas de temperatura sólo en zona de sobrecalentamiento. En la zona mixta se muestran los puntos de intersección con las líneas de saturación. 4. Volumen específico. Las líneas de entalpía se extienden y forman un ángulo contra la línea de vapor saturado. Estas líneas también aparecen solo en la zona de vapor sobrecalentado, porque es donde ordinariamente se requieren los datos de entropía la cual esta relacionada con la disponibilidad de la energía. Los cambios en la entropía, más que sus valores absolutos, son de mucho interés para el ingeniero. El ciclo termodinámico completo de refrigeración representa la historia de una libra de refrigerante fluyendo alrededor de un sistema.

66

Con este diagrama de Mollier se simplifica grandemente el trabajo de calcular los requerimientos para el ciclo. Conociendo simplemente las temperaturas de evaporación y de condensación, podemos representar en el diagrama de Mollier el ciclo completo. En el propio diagrama se pueden leer los valores para cada una de las propiedades en forma directa y los cambios a través de cada proceso.

Diagrama 5.Propiedades del refrigerante

Con el trazo adecuado del ciclo, se podrá establecer, calcular y conocer los siguientes parámetros: 1. Niveles de presión. 2. Relación de compresión. 3. Efecto neto de refrigeración. 4. Velocidad de flujo de refrigerante. 5. Potencia del compresor. 6. Coeficiente de rendimiento. 7. Temperatura de descarga del compresor. 8. Desplazamiento del compresor. 9. Desprendimiento de calor en el condensador.

67

Diagrama 6. Trazo del ciclo teórico

68

3.4. CÁLCULO DEL CICLO TEÓRICO

3.4.1.- NIVELES DE PRESIÓN. Para poder determinar este parámetro nos basamos en las temperaturas de trabajo del refrigerante empleado, en este caso nos apoyaremos en el diagrama de Mollier del amoniaco (Diagrama 6), en donde al señalar las temperaturas de evaporación y condensación obtendremos las presiones del lado de alta y de baja presión con lo cual estará cubierto el primer parámetro(Diagrama 7 ).

Diagrama 7. Niveles de Presión PSUCCION =

= 51 psi

P 232.5 psiDESCARGA

3.4.2.- RELACIÓN DE COMPRESIÓN.

Este parámetro se obtiene dividiendo la presión absoluta de condensación (lado de alta) entre la presión absoluta de evaporación (lado de baja), quedando entonces de la siguiente manera:

RP

P

psi

psiCCONDENSACION

EVAPORACION

= = = ≈232 5

51456 4 6

.. .

69

De la siguiente tabla tomando como referencia la relación de compresión, calculamos el rendimiento volumétrico.

Tabla 3.2. Valores del rendimiento volumétrico para el amoniaco

Rc ηV (NH3)

2.0 85.21 2.2 83.91 2.4 83.82 2.6 82.83 2.8 81.95 3.0 80.41 3.2 80.19 3.4 79.20 3.6 78.43 3.8 77.44 4.0 76.56 4.2 75.68 4.4 74.80 4.6 73.92

Podemos definir el rendimiento volumétrico (ηV ) como el coeficiente de dividir

el volumen de refrigerante producido en el evaporador entre el desplazamiento en el compresor.

compresor del entoDesplazami

evaporador elen terefrigeran deVolumen =Vη

Teóricamente el desplazamiento del compresor debe ser igual al volumen de vapor producido en el evaporador, pero como existen efectos prácticos que afectan dicho volumen, estos originan que el desplazamiento de la máquina deba ser mayor al volumen de vapor producido en el evaporador. Por lo tanto, para la determinación de este rendimiento, se realizan pruebas prácticas en función de las presiones de trabajo y con ellas se determina el rendimiento volumétrico de la máquina.

70

34.3.- EFECTO NETO REFRIGERANTE. Es la capacidad que tiene una libra de refrigerante para absorber calor bajo ciertas condiciones específicas de presión y temperatura. La línea de evaporación trazada en el diagrama de Mollier (Diagrama 6) representa la fracción del ciclo que es útil para la refrigeración. El cambio de entalpía a lo largo de esta línea representa la cantidad de enfriamiento por cada libra de refrigerante. Para nuestro cálculo tenemos que la entalpía aumenta de 162 Btu/lb, al comenzar la evaporación hasta 618 Btu/lb al final. Por lo tanto tenemos que el efecto neto de refrigeración será igual a:

hBtu

lbh

hBtu

lb

1 1

2

162

618

= −

=

E.R.= h

E.R.= 618 -162 = 456Btu

lb

2

Siendo esta la cantidad de calor que absorbe cada libra de refrigerante en este ciclo teórico. 3.4.4.- VELOCIDAD DE FLUJO DE REFRIGERANTE.

Es la cantidad de refrigerante que va a trabajar en el sistema de refrigeración, para nuestro proyecto la cantidad de refrigerante que requerimos circule por nuestros evaporadores será dividida entre el numero de compresores que serán utilizados.

h

lblb

lbBtu

RTW

RE

RTW

TOTAL

TOTAL

4.3131min

19.52456

.).119(200..

..200

===

=

&

&

3.4.5.- POTENCIA DEL COMPRESOR.

La energía ganada por el refrigerante durante la compresión esta representada por el cambio de entalpía durante el proceso de compresión. Tenemos que:

∆

∆

h h h

hBtu

lb

C

C

= −

= − =

3 2

715 618 97

71

A medida que se comprime el refrigerante, la entalpía se incrementa de 618 Btu/lb a 715 Btu/lb., generando una ganancia de 97 Btu/lb. Lo anterior nos representa el trabajo hecho por el compresor sobre el refrigerante. La potencia entonces estará dada por el incremento de la entalpía en el refrigerante multiplicado por la velocidad de flujo del mismo, pero debido a que utilizaremos dos compresores, entonces la velocidad de flujo total será dividida entre el número de compresores a emplear.

( )( )( )

( )compresor cadapor ..67.59

min/

.02357.0min1.2697

min/1.262

19.52

#

PHP

Btu

PHlblb

BtuP

KWhP

lbW

scompresore

WW

C

C

CC

parcial

totalparcial

=

=

∆=

==

=

&

&

&&

3.4.6.- COEFICIENTE DE RENDIMIENTO.

En refrigeración se utiliza este término para expresar la relación de la refrigeración útil con la energía aplicada en la compresión.

C RE R

h

Btu lb

Btu lb. .

. . /

/.= = =

−∆ 2 3

456

974 7

3.4.7.- TEMPERATURA DE DESCARGA DEL COMPRESOR.

La temperatura de descarga de nuestro compresor se puede leer en el diagrama de Mollier (Diagrama. 6), al final de la línea de compresión. Teniendo entonces que en nuestro ciclo la temperatura es:

TDESCARGA DEL COMPRESOR = 223 °F

72

3.4.8.- DESPLAZAMIENTO DEL COMPRESOR. (Volumen desplazado de la máquina).

El volumen específico del refrigerante al comienzo de la compresión puede leerse en el Diagrama de Mollier (Diagrama 6), para nuestro caso es de aproximadamente 5.5 ft3/lb. Por lo tanto para nuestro sistema de refrigeración en el que circulan 52.19 lb/min del mismo; el desplazamiento del compresor se calcula de la siguiente manera:

( )( )

( )( )

VW

V

Vft

d

SUCCION

V

d

d

=

=

=

&

. .

.

. min

υη

261 55

07392

194 23

Cabe señalar que el volumen calculado será el que desplazara un solo compresor.

3.4.9.- DESPRENDIMIENTO DE CALOR EN EL CONDENSADOR. El cambio de entalpía durante el proceso de condensación refleja los requerimientos de transmisión de calor en el condensador. La entalpía disminuye de: ∆

∆

h h h

hBtu

lb

C

C

= −

= − = −

4 3

162 715 553

El cambio inicial de 715 Btu/lb (Punto 3) a 634Btu/lb (Punto 3´) representa el enfriamiento del vapor de descarga del estado de sobrecalentamiento al de saturación, la disminución restante de 634 Btu/lb (Punto 3´) a 162 Btu/lb (Punto 4) representa la conversión de vapor saturado a líquido saturado. Para obtener la cantidad de calor que deberá ser disipada en nuestro equipo de condensación, debemos utilizar la siguiente formula:

( )( )( )( )

hr

BtuBtuQ

Q

hWQ

RCONDENSADO

RCONDENSADO

CRCONDENSADO

2.664,731,1min

07.861,28

55319.52

==

=∆= &

73

Esta será entonces la carga térmica que deberá ser retirada durante el proceso de condensación de nuestro sistema, por consiguiente para la selección del equipo adecuado, esta carga será divida entre el número de unidades a utilizar.

El cálculo anterior es totalmente teórico, por lo que para que pueda ser tomado en consideración se deberán agregar dos características propias de un sistema real. Dichas consideraciones son el subenfriamiento al final de la condensación y el sobrecalentamiento en la succión del compresor. A continuación se realizará un análisis de la forma en que se realizan; y las ventajas y desventajas de cada uno en comparación con el ciclo teórico. 3.5. EFECTOS DEL SOBRECALENTAMIENTO EN LA SUCCIÓN.

Nuestras condiciones de trabajo obtenidas mediante los modelos matemáticos nos dan como resultado el trazo de un ciclo totalmente teórico, este tiene ciertos puntos que en la práctica no pueden cumplirse, tales como el subenfriamiento del líquido refrigerante al salir del condensador y el sobrecalentamiento del vapor refrigerante en la succión del compresor. Después de que el líquido refrigerante ha sido completamente vaporizado en el evaporador, el vapor saturado frío continua absorbiendo calor, convirtiéndose así en vapor sobrecalentado al momento de ser succionado por el compresor, (Diagrama 8).

Diagrama 8. Efecto del sobrecalentamiento en la succión

En el trazo del diagrama se puede apreciar el sobrecalentamiento del vapor refrigerante del punto 2´ al punto 2, cabe mencionar que este proceso afecta de manera significante en cuanto a las características de nuestro equipo debido a que puede o no existir aprovechamiento en el enfriamiento.

74

Es visible en el trazo del ciclo con sobrecalentamiento (Diagrama 8), que el efecto refrigerante aumentará, pero no necesariamente este será aprovechado por nuestro sistema, ya que depende de donde y como ocurra el sobrecalentamiento. Con el sobrecalentamiento en algunas ocasiones se puede absorber calor útil en el evaporador, o bien, absorbiendo el calor después del evaporador, lo cual no nos produce ningún beneficio, sin embargo, siempre es preferible contar con el sobrecalentamiento, pues de este modo hay menor posibilidad de que entre vapor húmedo al compresor, lo cual es perjudicial. En nuestro caso consideraremos que el sobrecalentamiento se llevará a cabo después de haber pasado por el evaporador, debido a que al salir el vapor refrigerante estará en contacto con el medio ambiente y absorberá calor durante la trayectoria entre el evaporador y el compresor, por lo que no habrá aprovechamiento del enfriamiento. Comparando, un ciclo teórico y uno con sobrecalentamiento sin aprovechamiento de enfriamiento, trabajando a las mismas condiciones de presión de succión y descarga se llega a la conclusión de que la potencia requerida por el compresor será mayor así como la capacidad del condensador. La ventaja de este agregado al ciclo teórico es que se podrá evitar en mayor proporción la entrada de líquido refrigerante al condensador, lo cual ocasionaría daños en el mismo. 3.6. EFECTO DEL SUBENFRIAMIENTO DEL LÍQUIDO REFRIGERANTE. El subenfriamiento del líquido refrigerante puede efectuarse en varias partes, y de muchas maneras (Diagrama 9), con frecuencia el líquido refrigerante se subenfría mientras se encuentra almacenado en el deposito del liquido o mientras esta circulando a través de la tubería cediendo su calor al medio que lo rodea. En algunos casos se utiliza un equipo subenfriador especial, para dicho proceso, y a veces también se realiza en el condensador. La ganancia de la capacidad del sistema y la eficiencia resultante por el subenfriamiento compensa el gasto adicional del equipo subenfriador.

Diagrama 9. Efecto del subenfriamiento en el líquido.

75

Diagrama 10. Trazo del ciclo real

76

3.7. CALCULO DEL CICLO REAL 3.7.1.- NIVELES DE PRESIÓN. En lo referente a los niveles de presión del ciclo teórico, al realizar la selección de nuestro principal equipo, el compresor, éste esta diseñado para trabajar bajo condiciones de presión diferentes (Diagrama 11), así que por recomendación de nuestro proveedor se realizará el calculo de nuestro sistema bajo los niveles de presión recomendados además de considerar un subenfriamiento de 41 °F (5 °C) en nuestro líquido refrigerante, así como un sobrecalentamiento de 23 ° F (- 5 °C) en la succión del compresor, realizando entonces una modificación completa en lo que se refiere al trazo de nuestro ciclo en el diagrama de Mollier (Diagrama 10)

Diagrama 11. Niveles de Presión.

Psucción = 52 PSI Pdescarga = 231 PSI

77

3.7.2.- RELACIÓN DE COMPRESIÓN. Este parámetro se obtiene dividiendo la presión absoluta de condensación (lado de alta) entre la presión absoluta de evaporación (lado de baja), quedando entonces de la siguiente manera:

RP

P

Psi

PsiCCONDENSACION

EVAPORACION

= = =231

524 4.

Tomando como dato la relación de compresión, obtenemos que el rendimiento volumétrico de acuerdo con la tabla es:

Como RC =4.4 ∴ ηV =74.80 % 3.7.3.- EFECTO NETO DE REFRIGERANTE. Para nuestro cálculo tenemos que la entalpía aumentada de 114 Btu/lb al comenzar la evaporación hasta 618 Btu/lb al final, sin considerar el cambio que se da debido al sobrecalentamiento ya que este se da fuera del evaporador. Por lo tanto tenemos que el efecto neto de refrigeración será igual a: E R h h

E RBtu

lb

. .

. .

= −

= − =

′2 1

618 114 504

Siendo entonces esta la cantidad de calor que absorbe cada libra de refrigerante en este ciclo real. 3.7.4.- VELOCIDAD DE FLUJO DE REFRIGERACIÓN.

Es la cantidad de refrigerante que va a trabajar en el sistema de refrigeración, para nuestro proyecto la cantidad de refrigerante que requerimos circule por nuestros evaporadores será dividida entre el número de compresores que serán utilizados.

hrlblb

RE

RTTOTAL 2.2833min22.47

504

)119(200

..

).(200 ====ω

78

3.7.5.- POTENCIA DEL COMPRESOR. La energía ganada por el refrigerante durante la compresión esta representada por el cambio de entalpía durante el proceso de compresión. Tenemos que:

∆

∆

h h h

hBtu

lb

C

C

= −

= − =

3 2

748 644 104

A medida que se comprime el refrigerante, la entalpía se incrementa de 644 Btu/lb a 748 Btu/lb., generando una ganancia de 104 Btu/lb. Lo anterior nos representa el trabajo hecho por el compresor sobre el refrigerante. La potencia entonces estará dada por el incremento de la entalpía en el refrigerante multiplicado por la velocidad de flujo del mismo, pero debido a que utilizaremos dos compresores, entonces la velocidad de flujo total será dividida entre el número de compresores a emplear.

( )( )( )

( )compresor cadapor ..85.57

min/

.02357.0min6.23104

min/6.232

22.47

#

PHP

Btu

PHlblb

BtuP

KWhP

lbW

scompresore

WW

C

C

CC

parcial

totalparcial

=

=

∆=

==

=

&

&

&&

3.7.6.- COEFICIENTE DE RENDIMIENTO. En refrigeración se utiliza este término para expresar la relación de la refrigeración útil con la energía aplicada en la compresión.

C RE R

h

Btu lb

Btu lb. .

. . /

/.= = =

−∆ 2 3

504

1044 8

79

3.7.7.- TEMPERATURA DE DESCARGA DEL COMPRESOR. La temperatura de descarga de nuestro compresor se puede leer en el diagrama de Mollier (Diagrama. 10), al final de la línea de compresión. Teniendo entonces que en nuestro ciclo la temperatura es:

TDESCARGA DEL COMPRESOR = 275 °F (135 °C) 3.7.8.- DESPLAZAMIENTO DEL COMPRESOR. (Volumen desplazado de la máquina).

El volumen específico del refrigerante al comienzo de la compresión puede leerse en el Diagrama de Mollier (Diagrama 10), para nuestro caso es de aproximadamente 6.2 ft3/lb. Por lo tanto para nuestro sistema de refrigeración en el que circulan 47.22 lb/min del mismo; el desplazamiento del compresor se calcula de la siguiente manera:

( )( )

( )( )

VW

V

Vft

ft m

ft hr

m

hr

d

SUCCION

V

d

d

=

=

=

=

&

. .

.

. min

.min

. min.

υη

236 6 2

07480

1956

19560 3048

1

60

1332 326

3

3 3

3

3

Cabe señalar que el volumen calculado será el que desplazara un solo compresor.

3.7.9.- DESPRENDIMIENTO DE CALOR EN EL CONDENSADOR. El cambio de entalpía durante el proceso de condensación refleja los requerimientos de transmisión de calor en el condensador. La entalpía disminuye de:

lb

Btuh

hhh

C

C

587748161

34

−=−=∆

−=∆

El cambio inicial de 748 Btu/lb (Punto 3) a 644 Btu/lb (Punto 3´) representa el enfriamiento del vapor de descarga del estado de sobrecalentamiento al de saturación, la disminución restante de 644 Btu/lb (Punto 3´) a 161 Btu/lb (Punto 4) representa la conversión de vapor saturado a líquido saturado.

80

Para obtener la cantidad de calor que deberá ser disipada en nuestro equipo de condensación, debemos utilizar la siguiente formula:

( )( )( )( )

hr

BtuBtuQ

Q

hWQ

RCONDENSADO

RCONDENSADO

CRCONDENSADO

4.088,663,1min

14.718,27

58722.47

==

=∆= &

3.8. COMPARACIÓN DEL CICLO REAL CON RESPECTO AL CICLO TEÓRICO.

• El efecto refrigerante es mayor, teniendo que para el ciclo real es de 504 Btu/lb y para el ciclo teórico es de 456 Btu/lb.

• El flujo másico es menor, ya que para el ciclo real es de 2833.2 lb/hr y para el ciclo teórico es de 3131.4 lb/hr.

• La potencia del compresor es menor, debido a que en el ciclo real es de 57.85 H.P. y en el ciclo teórico es de 59.67 H.P.

81

3.9. SELECCIÒN DEL COMPRESOR. Su función es succionar refrigerante en forma de vapor, elevarle la presión y bombearlo hacia el condensador. El tipo de compresor más usado en los sistemas de refrigeración y aire acondicionado del tipo comercial, industrial y doméstico es el reciprocante.

Compresor Reciprocante.

La fuente original de energía de este tipo de compresores es usualmente un motor

eléctrico en el que el movimiento de rotación de estos es cambiado a un movimiento reciprocante. El mecanismo completo es ensamblado en un contenedor contra fugas llamado carcaza. Los compresores reciprocantes se clasifican de acuerdo al tipo de transmisión en:

a) Compresores abiertos o de transmisión por bandas: El motor y el compresor abiertos, están montados sobre una base de acero. El motor conduce al compresor por medio de una polea y bandas.

b) Compresores herméticos o soldados: el motor esta unido directamente al compresor en la misma carcaza. La carcaza es soldada, y se dice que es un compresor no reparable.

c) Compresores semi-herméticos: es una variante del compresor hermético, en el cual las tapas son atornilladas. Es llamado también compresor accesible.

82

Como datos requeridos para la adecuada selección del compresor tenemos los siguientes: Refrigerante: R-717 NH3 (amoniaco) Presión de succión: 52 PSI (3.5 kg/cm2) Presión de descarga: 231 PSI (15.7 Kg/cm2) Desplazamiento: 195.6 ft3/min (332.326 m3/hr) Temperatura de evaporación: 23 °F (-5 °C) Temperatura de condensación: 106°F (41 °C) Potencia del compresor: 57.85 H.P. Carga térmica parcial (se emplearan 2 compresores, por lo tanto la carga térmica total se dividirá entre 2): 60 T.R. Con estos datos se podrá seleccionar el compresor en el catálogo proporcionado por MAYEKAWA de MEXICO (Tabla 3.3)

Tabla 3.3. Selección del compresor Refrigerante Modelo Desplaz.

(m3/hr.) Temperatura

Evaporación (°C) Potencia

al freno (HP) T.R. BHP -15 -10 -5 -15 -10 -5

R-717 N4WB 303 62.1 62.1 N4WB 319 63.1 67.7 N6WB 335 74.7 94

El compresor seleccionado es el modelo N6WB debido a que era el único que manejaba una temperatura de evaporación de -5°C. Aunque el modelo seleccionado sobrepasa en valores a los de diseño, en este caso será preferible que el equipo tenga mayor capacidad a la requerida.

83

3.10. SELECCIÒN DEL CONDENSADOR. Su función es proporcionar un área de transferencia de calor para pasar el calor del refrigerante al medio condensante y con esta transferencia permitir que el gas refrigerante se convierta en líquido refrigerante. En la actualidad prácticamente solo se emplean 3 tipos de condensadores que son: 1. Condensadores enfriados por agua. 2. Condensadores enfriados por aire. 3. Condensadores evaporativos. CONDENSADORES ENFRIADOS POR AGUA. Muchos sistemas industriales y comerciales usan condensadores enfriados por agua. Este condensador se construye en tres estilos principales: a) De casco y tubos: es un cilindro de acero, con tubos de cobre por el interior. El agua circula a través de los tubos, condensando a su paso los vapores del refrigerante en el interior del cilindro. La parte inferior del cilindro sirve como recibidor del líquido. b) De casco y serpentín: es más eficiente que el condensador de casco y tubos; tiene un tubo en espiral en el interior del casco para el flujo de agua, lo que lo hace más eficiente. c) Tubos dentro de tubo: es muy popular porque es fácil de fabricar. El agua pasa a través del interior, enfriando al refrigerante que pasa por el tubo exterior. El tubo exterior es enfriado además por el medio ambiente, lo que incrementa su eficiencia. El diseño de este condensador es en contra flujo, el agua entra al condensador en el punto donde el refrigerante abandona al condensador.

84

CONDENSADORES ENFRIADOS POR AIRE. Estas unidades consisten en un serpentín de varias hileras de tubos, en varios circuitos y equipados con ventiladores de gran capacidad para poder desarrollar las cantidades de aire que se requieren.

Condensador enfriado por aire

CONDENSADORES EVAPORATIVOS. Estos condensadores constan de una cámara metálica dividida en dos secciones, en una de las cuales se encuentran colocados los tubos que integrados al condensador y sobre ellos se descarga una determinada cantidad de agua por medio de un bando de rociadores, esta agua descarga en un tanque colocado en la parte interior de la unidad y dicha agua es recirculada por una bomba. La otra parte de la cámara cuenta con un ventilador el cual hace circular el aire en sentido contrario al del agua, con lo cual se obtiene un enfriamiento adicional del serpentín y a la vez se baja la temperatura del agua rociada. El condensador evaporativo es actualmente uno de los más usados en los sistemas de refrigeración industrial y de aire acondicionado.

85

Condensador evaporativo.

Para realizar la selección del equipo de condensación lo haremos mediante el método llamado "Rechazo de calor", recomendado por los fabricantes. Tenemos entonces que el calor que deberá ser removido en el condensador ya no será el obtenido por los cálculos anteriores, si no que se hará de la siguiente forma:

( )Q Q P F C F SCONDENSADOR sensible total compresor= + × ×. . . .

Donde: Qcondensador = Calor removido en el condensador (MBTU). Qsensible total = Carga térmica total (MBTU). Pcompresor = Potencia del motor (MBTU) F.C. = Factor de corrección obtenido del procedimiento de selección de EVAPCO para el método de rechazo de calor (Tabla 3.4.). F.S. = Factor de Servicio. Para obtener el factor de corrección debemos de utilizar los siguientes valores para poder utilizar la tabla: PCONDENSACIÓN = 231 psi. TB.H. = 66 °F.

86

Tabla 3.4. Selección del factor de corrección .

Presión de

Temperatura de

Temperatura de bulbo Húmedo (°F)

condensación (PSI)

condensación (°F)

50 55 60 62 64 66 68

185 96.3 0.69 0.75 0.82 0.86 0.90 0.94 0.98 197 100 0.63 0.68 0.73 0.76 0.79 0.81 0.84 214 105 0.56 0.59 0.62 0.64 0.67 0.69 0.71 232 110 0.50 0.53 0.55 0.57 0.58 0.60 0.62

Realizando las conversiones correspondientes tenemos que:

( )( )( )( )( ) .509545.22..100

.142812..119

MBTUscompresorePHP

MBTURTQ

compresor

totalsensible

==

==

Entonces:

( )( )( ) MBTUMBTUMBTUQ rcondensado 48.12721.16.05091428 =+=

Tabla 3.5. Selección del ventilador. Modelos ATC

(ventiladores axiales) Modelo MBTU 80B 1176 90B 1323 105B 1544

El modelo seleccionado es el 90B de la marca EVAPCO y sus características se muestran a continuación:

Tabla3.6. Características del ventilador seleccionado. Modelo T.R. Ventiladores Peso

Operando Carga de

refrigerante Volumen de la tina

Bomba de agua

ATC 717 H.P. CFM (lb.) Operando(lb.) (ft3) H.P. GPM

90B 150 6 21,200 5,550 96 15 1 200

87

3.11. SELECCIÒN DEL EVAPORADOR. La función del evaporador es proporcionar una superficie de transferencia de calor a través de la cual pueda pasar calor del espacio enfriado al refrigerante. El líquido refrigerante que entra al evaporador desde el control de flujo del refrigerante (válvula de expansión termostática) baja súbitamente su presión, esto provoca que se evapore y absorba calor. El vapor se mueve en dirección de la línea de succión. Si no se evapora todo el refrigerante líquido en el evaporador, hay un recipiente para evitar la llegada del refrigerante líquido a la succión del compresor. Los evaporadores se pueden clasificar de acuerdo a:

• El método de alimentación del líquido. • El tipo de construcción. • Condiciones de operación. • Métodos de circulación de aire. • Tipo de control de refrigerante.

Los evaporadores de acuerdo al método de alimentación del líquido son principalmente de dos tipos:

• De expansión seca. • Sistema inundado.

En el evaporador de expansión seca el refrigerante se alimenta tan rápido como lo va requiriendo el evaporador para mantener la temperatura especificada. En el sistema inundado, el evaporador está siempre lleno de líquido refrigerante. El tipo de control del refrigerante determina el tipo de evaporador a usar. Por su tipo de construcción se dividen en tres:

1. Los evaporadores de tubos descubiertos. 2. Evaporadores de superficie de placa. 3. Evaporadores aletados.

EVAPORADORES DE TUBOS DESCUBIERTOS. Este tipo de evaporadores se utilizan frecuentemente en sistemas de enfriamiento de líquido y en aplicaciones de enfriamiento de aire, donde la temperatura del aire es mantenida por debajo de cero grados centígrados y la acumulación de escarcha no puede evitarse tan fácilmente.

88

EVAPORADORES DE SUPERFICIE DE PLACA. Estos son de varios tipos: Los de dos placas realzadas y soldadas unas con otras de tal modo que pueda fluir el refrigerante entre las dos placas. Este tipo en particular es muy utilizado en refrigeradores domésticos, por ser de fácil limpieza, económicos, de fácil manufactura y se puede construir en cualquiera de sus formas requeridas. Existe otro tipo muy común, que consiste en un tubo doblado instalado entre dos placas metálicas las cuales están soldadas en sus orillas. Con objeto de tener un buen contacto térmico entre la tubería que conduce el refrigerante y las placas soldadas, ese espacio entre placas es llenado con una solución eutectica o se hace un vacío entre ellas de tal manera que la presión atmosférica ejercida sobre la superficie exterior de las placas permita tener un contacto firme entre la placa y la tubería. EVAPORADORES ALETADOS. El tipo de evaporador más común es por convección forzada (generada por un motor y un ventilador). Estos serpentines aletados son serpentines de tubo sobre el cual se colocan aletas. Las aletas sirven como superficies absorbedoras de calor y tienen como función la de incrementar el área de transferencia de calor externa del evaporador, mejorando por lo tanto su eficiencia para enfriar aire o gases. Para incrementar aún más la eficiencia de éstos evaporadores, el tubo debe estar perfectamente unido a las aletas para asegurar un buen contacto entre ellos. En algunos casos las aletas están soldadas a los tubos y en otros el tubo se desliza dentro de la aleta y se hace expandir el tubo quedando perfectamente sujeto a la aleta.

Evaporador aletado.

89

EVAPORADORES DE CASCO Y TUBO. Son compactos, de poca altura, y requieren poco espacio de piso. Este evaporador consiste esencialmente de un casco cilíndrico de acero, en el cual se tiene un determinado número de tubos rectos paralelos y colocados en cabezales de tubo en su extremo. Estos evaporadores son utilizados para enfriar líquidos. Cuando el evaporador trabaja con expansión seca, el refrigerante pasa por el interior de los tubos mientras que el líquido a enfriar circula a través del casco. Cuando el enfriador trabaja inundado el líquido enfriado circula por dentro de los tubos y el refrigerante líquido dentro del casco, se mantiene a cierto nivel con algún tipo de control de flotador. En ambos casos el líquido enfriado circula a través del enfriador conectado a una tubería por medio de una bomba.

Evaporadores de casco y tubo.

90

Carga térmica total = 102 T.R. + 10 % F.S. = 112 T.R. 112 T.R. = 1,344,000 Btu/h. Por recomendación de nuestro proveedor y debido a las dimensiones de la cámara utilizaremos 4 unidades evaporativas, por lo tanto la carga por cada unidad evaporativa será:

Q unidades evap.c/u evaporativa = =

1 344 000

4336 000

, , /,

Btu h Btu

h

De acuerdo a la Tabla 3.7. proporcionado por EVAPCO para poder seleccionar el modelo de nuestra unidad evaporativa debemos de sacar la diferencia que existe entre la temperatura de diseño y la temperatura de la cámara y luego dividir la carga por cada unidad evaporativa entre la diferencia de temperatura que resulte. T F

T F

TD T T F F TD

QBtu h

TD

Btuh

D

DISEÑO

CAMARA

DISEÑO CAMARA

c u evaporativa

= °= °

= − = ° − ° = °

=°

=°

32

23

32 23 9

336 000

937 33333

.

, /

., ./

De la siguiente Tabla seleccionamos el evaporador Modelo 4S-1036 este modelo

contará con 4 motores de 2H.P. por cada unidad evaporativa Por lo tanto serán 16 motores de 2 H.P. c/u lo que nos dará una carga por motores de 32 H.P.

32746

1

1

12 0007H P

W

H P

T RBtu

hT R. .

.

. .

,. .=

=

*Nota.- Esta carga se agrego con anterioridad a la carga térmica total para poder hacer el cálculo y selección del equipo. Ahora la carga térmica total será = 112 T.R. + 7 T.R. = 119 T.R. 119 T.R. = 1,428 MBtu/hr, esta carga es la que se utilizó para hacer el cálculo del ciclo teórico y real, además para seleccionar el equipo. Por recomendación de nuestro proveedor y debido a las dimensiones de la cámara utilizaremos 4 unidades evaporativas, por lo tanto la carga por cada unidad evaporativa será:

91

Q unidades evap.c/u evaporativa = =

1 428 000

4357 000

, , /,

Btu h Btu

h

De acuerdo a la Tabla 3.7. proporcionado por EVAPCO para poder seleccionar el modelo de nuestra unidad evaporativa debemos de sacar la diferencia que existe entre la temperatura de diseño y la temperatura de la cámara y luego dividir la carga por cada unidad evaporativa entre la diferencia de temperatura que resulte. T F

T F

TD T T F F TD

QBtu h

TD

Btuh

D

DISEÑO

CAMARA

DISEÑO CAMARA

c u evaporativa

= °= °

= − = ° − ° = °

=°

=°

32

23

32 23 9

357 000

939 666 6

.

, /

., ./

La unidad evaporativa que seleccionamos anteriormente con una térmica total de 112 T.R. es la misma que nos resulto en este nuevo cálculo por lo tanto nuestras unidades evaporativas son: Modelo 4S-1036 con 2 motores de 2 H.P. c/u y con una carga por cada unidad evaporativa de 40,000 Btu/hr/°D

Tabla 3.7. Selección del evaporador.

MODELO HP BTU/°TD 4S-1036 11/2 37 480 4S-1036 2 40 000 4S-1036 3 41 100

92

3.12. SELECCIÓN DE LAS TUBERÍAS. Para realizar la conducción del refrigerante, se utiliza diferentes tubos:

• Tubos de succión. • Tubo de descarga o de gas caliente. • Línea de líquido.

La función del tubo de succión es transportar el refrigerante en forma de vapor hacia la succión del compresor. El tubo de descarga o de gas caliente entrega vapor a alta temperatura y presión desde el compresor hasta el condensador. La línea de líquido lleva el líquido desde el recibidor hasta el dispositivo de control de flujo del refrigerante. El material de los tubos comúnmente empleado es cobre, sin embargo en otras ocasiones también se emplean tubos de acero o de aluminio. Debido al uso que se le da, el tubo debe ser adecuado considerando su espesor (pared), sus características de fabricación (sin costura) y su manejo durante su almacenamiento y su instalación. La selección de la tubería es parte importante del diseño de un sistema de refrigeración, por lo cual para una correcta elección es necesario conocer las presiones, temperaturas y el tipo de refrigerante con que trabajará. Respecto al tipo de material que se empleará, este depende fundamentalmente del tipo de refrigerante a utilizar. El amoniaco corroe el cobre, por lo que optaremos por tubería de acero. Para la selección nos basaremos en la tabla (3.8) sustraída del manual ASHRAE (Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Acondicionamiento de Aire)

93

Tabla 3.8. Selección de las tuberías. Dimensiones Temperatura

Succión (°F) Línea de Descarga

Dimensiones Líneas de Líquido

∅

Ced.

20(-6.6 °C)

T.R.

∅

Ced.

Condensador a recibidor

Líquido

(pulg.) T.R. (pulg.) T.R. T.R. 3/8 80 3/8 80 8.5 11.6 1/2 80 3.43 1/2 80 13.5 23.5 3/4 80 2.58 7.55 3/4 80 24.9 53.2 1 80 5.14 15 1 80 41.5 105

1-1/4 40 13.4 39.2 1-1/4 40 75.3 225 1-1/2 40 20.2 58 1-1/2 40 103 351 2 40 39.4 113 2 40 193 805

2-1/2 40 62.5 180 2-1/2 40 276 1280 3 40 111 316 3 40 425 2270 4 40 226 640 4 40 736 4630 5 40 408 1160 5 40 6 40 662 1900 6 40

Para la línea principal de succión y descarga, tenemos que la carga térmica a utilizar será la total, por lo que la tubería seleccionada será: Si T.R. = 119, entonces:

descarga la para 40 Cedula pulg. 2/12

succión la para 40. Cedula pulg. 4

−=∅=∅

En la línea de succión y de descarga individual emplearemos la carga dada por el compresor: Si T.R = 74.7, entonces:

descarga. la para 40. Cedula pulg. 2

succión. la para 40. Cedula pulg. 3

=∅=∅

Para la línea del condensador al recibidor recurriremos a una tubería con las siguientes características: ∅ = 2 pulg. Cedula 40

Respecto a la línea que va del tanque recibidor al evaporador será: ∅ = −1 1 4/ pulg. Cedula 40

94

Tabla 3.9. Dimensiones de las tuberías seleccionadas Ubicación Diámetro

(pulg.) Cédula

Succión (principal) 4 40 Descarga (principal) 2 -1/2 40 Succión (individual) 3 40 Descarga (individual) 2 40 Condensador-recibidor 2 40 Recibidor-evaporador 1-1/4 40

3.13. DISTRIBUCIÓN DE VÁLVULAS La distribución de las válvulas se presenta en el diagrama 12, así como las dimensiones de la tubería. El siguiente cuadro (Tabla 3.10) nos muestra la ubicación, marca, modelo y número de válvulas que se colocará, así como de diversos dispositivos.

Tabla 3.10. Distribución de válvulas. UBICACIÓN TIPO DE VÁLVULA NUM. DE VÁLVULAS

Succión del Compresor Descarga del Compresor Entrada al Condensador Salida del Condensador Entrada al Tanque Recibidor Salida del Tanque Recibidor Entrada al Visor de Nivel de Líquido Salida del Visor de Nivel de Líquido Entrada al Evaporador Salida del Evaporador Entrada a la Trampa de Líquido Salida de la Trampa de Líquido

GLOBO

1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Descarga del Compresor Entrada al Evaporador

CHECK 1 1

Entrada al Evaporador SOLENOIDE 1

Salida del Evaporador REGULADORA DE PRESIÓN

1

Descarga del Compresor Entrada al Evaporador Salida del Evaporador

FILTRO

1 1 1

95

Diagrama 12. Arreglo del equipo seleccionado.

Tabla 3.11. Nomenclatura de válvulas.

Válvula de Globo

Válvula Check

Válvula de Seguridad

Manómetro

Válvula Solenoide

Válvula Reguladora de Presión

Filtro

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CAPITULO 4.- COSTOS.

4.1. PRECIOS DE LOS EQUIPOS.

Para poder obtener un costo aproximado de los equipos que integran al sistema se

tuvo la necesidad de recurrir a catálogos.

Todo esto con el propósito de poder establecer si el sistema diseñado esta dentro

de las normas de rentabilidad de un proyecto.

EQUIPO MODELO MARCA NUM.

UNID.

PRECIO DE

LISTA ($USD)

PRECIO

NETO ($USD)

TOTAL

($USD)

Compresor N6WB MYCOM 2 23,060 16,142 32,284

Motor de 100 HP 2 2,860 2,000 4,000

Separador de aceite MNCO-8 2 1,176 823 1,646

Condensador ATC-90B EVAPCO 1 16,100 11,270 11,270

Tanque recibidor 1 14,290 10,000 10,000

Trampa de Líquido 1 10,000 7,000 7,000

Evaporador 4S-1036 EVAPCO 4 21,430 15,000 60,000

Válvula de Globo

de ∅=1" SVA-ST 25 A 221 DANFOSS 4 119 48 192

Válvula de Globo

de 3/4"

SVA-ST 20 A 221 DANFOSS 2 107 43 86

Válvula de Globo

de 2"

SVA-ST 50 A 221 DANFOSS 9 265 106 954

Válvula de Globo

de 21/2"

SVA-ST 65 A 221 DANFOSS 1 355 142 142

Válvula de Globo

de 3"

SVA-ST 80 A 221 DANFOSS 2 552 221 442

Válvula de Globo

de 4"

SVA-ST 100 A 221 DANFOSS 2 733 293 586

Válvula Check

de 2"

NRVA 50 DANFOSS 2 440 176 352

Válvula Check

de 1"

NRVA 25 DANFOSS 4 280 112 448

Válvula Solenoide

de 1"

EVRA 25 DANFOSS 4 348 139 556

Válvula reguladora

de Presión 2"

PM 1-50 DANFOSS 4 951 380 1,520

Filtro de 1" FIA recto 25 A DANFOSS 4 240 96 384

Filtro de 2" FIA recto 50 A DANFOSS 6 325 130 780

TOTAL

($USD)

132,642

97

4.2. RENTABILIDAD DEL PROYECTO.

El equipo seleccionado tiene un costo total de $USD 132,642 ($1,525,383

aproximadamente), por lo que nuestro proyecto resulta ser muy rentable, sabiendo de

antemano que para que ésto sea posible es necesario que el capital que se invierte se

recupere en un plazo no mayor a cinco años, de acuerdo al criterio de nuestros

proveedores.

Para respaldar la conclusión a la que llegamos en el párrafo anterior nos dimos a la tarea

de preguntar en diferentes empresas que rentan cámaras frigoríficas: ¿Cuánto es la renta

mensual de una cámara frigorífica con capacidad para 100 Toneladas?; después de recibir

respuesta de varias empresas tomamos un precio estándar de $45,000 (IVA incluido)

mensual lo que nos da un total anual de $540,000 por almacenar esta cantidad de pollo al

año, lo anterior multiplicado por cinco años (tiempo límite para recuperar la inversión)

nos da un total de $2,700,000; determinando así que nuestro proyecto es rentable ya que

nosotros estaríamos gastando $1, 525,383 de equipo más gastos de instalación eléctrica,

mano de obra, etc., igual a $2,300,000 aproximadamente, teniendo en cinco años una

ganancia de $400,000 y posteriormente nuestra ganancia se iría incrementando.

98

CONCLUSIÓNES.

El elaborar un proyecto de un sistema de refrigeración, no sólo implica realizar un

simple cálculo, sino que también es necesario conocer los fundamentos del mismo, los

cuales van desde los conceptos básicos, a los procesos termodinámicos que están

implicados y la adecuada elección del equipo necesario, además de que el sistema mismo

sea rentable.

Como ingeniero es fundamental saber seleccionar el equipo adecuado y poder darle

a nuestro distribuidor todos los datos que se requieran, el poder entablar una comunicación

correcta con los proveedores da como resultado que se llegue a una selección adecuada.

En nuestro caso el equipo seleccionado cumplió con los requerimientos del sistema,

por tal motivo se procedió a su cotización.

Para que un proyecto de refrigeración no presente pérdidas económicas se necesita

que el mismo sea rentable a un plazo no mayor a cinco años .

99

BIBLIOGRAFÍA.

� Principios básicos de Refrigeración. � Industrias Gilvert. � Fundamentos de Aire Acondicionado y Refrigeración. � Ing. Eduardo Hernández Garibay. Edit. Limusa. � Apuntes de Refrigeración. � Prof: Ing. Agustín López Maldonado. � Manual de Refrigeración. � Copeland. � Manual ASHRAE Fundamentals. � Manual de Refrigeración. � KCRACK. � Catálogo de controles para refrigeración industrial. � DANFOSS. � Catálogo de sistemas de refrigeración y aire acondicionado. � Proporcionado por EVAPCO. � Catálogo de compresores reciprocantes. � Proporcionado por MAYEKAWA DE MÉXICO.

DEDICATORIAS. · DEDICATORIAS A Dios: Primero que a nadie le agradezco a Él por guiarme por el...

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