Guia i Refrigeracion

INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA: “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”EXTENSIÓN BARQUISIMETO

ESCUELA DE TECNOLOGÍA MECÁNICAREFRIGERACIÓN

INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVAS

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Para poder entender los procesos que se llevan a cabo en un sistema de

refrigeración, es necesario comprender y manejar ciertos conceptos de

propiedades de las ciencias de la ingeniería.

La idea es que cuando el técnico se enfrente a estos sistemas sepa de lo que se

está hablando en el lenguaje apropiado y pueda tomar decisiones.

Se va a revisar los conceptos más básicos de variables físico – químicas, que

tienen que ver con la disciplina de la refrigeración.

Temperatura

Esta es una de las propiedades que más se presentan cuando se está trabajando

con sistemas de refrigeración. Que aunque no es la única propiedad que se

maneja, si es la más importante y con las que frecuentemente se asocia a la

refrigeración

Vamos a revisar este concepto.

La Temperatura mide el grado de agitación de las moléculas que forman parte de

una sustancia o cuerpo. Es decir, cuando medimos con un termómetro la

temperatura, de alguna manera nos está indicando cuán agitado está el cuerpo o

la sustancia que estamos estudiando.

Unidades de temperatura




Dependiendo del sistema de medidas y la referencia, las unidades de

temperatura son las siguientes:

En el sistema Internacional de Medidas (Antiguo MKS), la temperatura se mide en

grados centígrados (°C), o grados Celsius, si estamos hablando de la escala

relativa. Si estamos hablando de la escala absoluta, la temperatura se mide en

Grados Kélvin (°K).

En el sistema inglés de medidas, la temperatura se mide en grados Fahrenheit

(°F), si estamos en la escala relativa. Si estamos hablando de la escala absoluta,

la temperatura se mide en Grados Rankine (°R)

Transformaciones de escala

En ciertas situaciones es necesario transformar una medida de temperatura que

está en una escala y llevarla a otra escala. Es decir, hay ocasiones en las que se

necesita la temperatura en °C y sólo la tenemos en °F y viceversa. Entonces es

necesario realizar las transformaciones correspondientes.

Para llevar grados centígrados a grados Fahrenheit usamos la siguiente fórmula:

°F = (1.8) °C + 32

Ejemplo

Si tenemos una temperatura de 100 °C, a cuánto equivaldría en grados °F.




Solución: Usando la fórmula anterior y tomando como °C = 100, nos queda los

siguiente:

°F = (1.8) 100 +32 = 180 + 32 = 212 °F

Es decir, 100 °C equivalen a 212 °F

Para llevar grados Fahrenheit a grados centígrados usamos la siguiente fórmula:

° C= ° F−321 .8

Ejemplo:

Si tenemos una temperatura de 450 °F, a cuánto equivaldría en grados

centígrados?

Solución; Usando la fórmula anterior y tomando °F = 450, nos queda lo siguiente:

° C=450−321 .8

=4181 .8

=232 .22

Es decir, 450 ° F equivalen a 323.22 °C.

Existen tablas con las cuales no es necesario realizar cálculos. Al final de esta

guía se presenta un ejemplo.




Qué pasa con las temperaturas absolutas.

Los grados centígrados se llevan a grados kélvin y los grados Fahrenheit se llevan

a grados Rankine. De la siguiente manera.

Para llevar grados centígrados a grados kelvin se aplica la siguiente fórmula:

°K = °C + 273

Ejemplo.

Si se tiene una temperatura de 25 °C y se quiere llevar a grados Kelvin, entonces:

°K = 25 + 273 = 298 °K

Es decir, 25 °C equivalen a 298 °K

Para llevar grados Fahrenheit a grados Rankine, se aplica la siguiente fórmula:

°R = °F + 460

Ejemplo

Se tiene una temperatura de 68 °F y se quiere llevar a grados Rankine, entonces:



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVAS°R = 68 + 460 = 528 °R

Es decir, 68 °F equivalen a 528 °R

Temperaturas más comunes

°C °F Descripción

100 212 El agua hierve

40 104 Un baño caliente

37 98.6 Temperatura corporal

30 86 Tiempo de playa

21 70 Temperatura en una habitación

10 50 Día fresco

0 32 Punto de congelación del agua

-18 0 Día muy frío

-40 -40Día extremadamente frío (¡y el

mismo número en las dos escalas!)

(los valores en negrita son exactos)

Presión

Se define como la fuerza que se ejerce sobre un área o superficie dada. La presión

se calcula mediante la siguiente fórmula:




P= FA

Donde:

P: Presión

F : Fuerza aplicada

A: Área o Superficie sobre la cual se aplica la fuerza perpendicularmente.

Ejemplo

Calcular la presión que ejerce una fuerza de 45 lb-f sobre una superficie de 2 pie2

Solución:

Aplicando la fórmula dada anteriormente tenemos. Siendo F = 45 Lb-f y A = 2 pie2

Tenemos:

P=45 lb−f2 pie2

=22 ,5 lb−fpie2

Tipos de presión



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVASPresión Absoluta

Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto.

La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las

moléculas lo que indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la

velocidad molecular es muy pequeña. Este término se creó debido a que la

presión atmosférica varia con la altitud y muchas veces los diseños se hacen en

otros países a diferentes altitudes sobre el nivel del mar por lo que un término

absoluto unifica criterios.

Presión Atmosférica

El hecho de estar rodeados por una masa gaseosa (aire), y al tener este aire un

peso actuando sobre la tierra, quiere decir que estamos sometidos a una presión

(atmosférica), la presión ejercida por la atmósfera de la tierra, tal como se mide

normalmente por medio del barómetro (presión barométrica). Al nivel del mar o a

las alturas próximas a este, el valor de la presión es cercano a 14.7 lb/plg2

(101,35Kpa), disminuyendo estos valores con la altitud.

Presión Manométrica

Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por

medio de un elemento que se define como la diferencia entre la presión que es

desconocida y la presión atmosférica que existe, si el valor absoluto de la presión

es constante y la presión atmosférica aumenta, la presión manométrica

disminuye; esta diferencia generalmente es pequeña mientras que en las



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVASmediciones de presiones superiores, dicha diferencia es insignificante, es

evidente que el valor absoluto de la presión puede abstenerse adicionando el

valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro.

La presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a

la lectura del manómetro.

Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.

Vacío

Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica, que

normalmente se miden, mediante los mismos tipos de elementos con que se

miden las presiones superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el

valor desconocido y la presión atmosférica existente. Los valores que

corresponden al vacío aumentan al acercarse al cero absoluto y por lo general se

expresa a modo de centímetros de mercurio (cmHg), metros de agua, etc.

De la misma manera que para las presiones manométricas, las variaciones de la

presión atmosférica tienen solo un efecto pequeño en las lecturas del indicador de

vacío.

Sin embargo, las variaciones pueden llegar a ser de importancia, que todo el

intervalo hasta llegar al cero absoluto solo comprende 760 mmHg.

Medida de la presión. Manómetro

Para medir la presión empleamos un dispositivo denominado manómetro. Como A

y B están a la misma altura la presión en A y en B debe ser la misma. Por una

rama la presión en B es debida al gas encerrado en el recipiente. Por la otra rama



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVASla presión en A es debida a la presión atmosférica más la presión debida a la

diferencia de alturas del líquido manométrico.

Unidades de Presión

La presión podrá expresarse en muy diversas unidades, tales como: kg/cm2, psi

(Pound per square inch), cm de columna de agua, pulgadas o cm de Hg, bar y

como ha sido denominada en términos internacionales, en Pascales (Pa), como la

medida estándar según la 3ra Conferencia General de la Organización de

Metrología Legal.

Dado que el Pascal (Newton/m2), es la unidad estándar, las equivalencias de las

demás medidas las expresaremos en función de esta medida, a continuación:

1 Pa=0,00014 psi

1 Pa=0,0039 pulgadas de agua

1 Pa=0,00029 pulgadas de Hg

1 Pa=0,987x10-5 Atmf

1 Pa=0,102x10-4 kg/cm2

1 Pa=0,01 cm de agua

1 Pa=0,0075 mm de Hg

1 Pa=10-5 Bar

o bien de la siguiente tabla:




Calor

Tipo de energía en tránsito que tiene lugar en los límites de un sistema, a

consecuencia de una diferencia de temperatura.

En este sentido, no se puede afirmar que un cuerpo “tiene” calor, porque si el

cuerpo tiene la misma temperatura en varios puntos, no existe transferencia de

calor.

Tipos de calor

Calor sensible: es cuando el flujo de calor provoca una variación (aumento o

disminución), de la temperatura del sistema hacia o desde el cual fluye el calor.

Como ejemplo, cuando se extrae calor de un cuarto y la temperatura disminuye,

entonces decimos que este calor es sensible.



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVASCuando al calentar, por ejemplo agua, sin que ésta experimente un cambio de

estado, entonces decimos que el calor que se le está suministrando para provocar

un aumento de temperatura es de tipo sensible

Calor latente: es cuando el flujo de calor provoca un cambio de estado

permaneciendo constante la temperatura de un sistema.

Por ejemplo, cuando se le suministra calor al agua y ésta hierve (es decir cambia

de líquido a sólido), podemos comprobar que la temperatura permanece

constante, en aproximadamente 100°C, hasta que toda la masa líquida no se

convierta en vapor.

También podemos comprobar que cuando se le extrae calor al agua provocando

que la temperatura disminuya hasta que comience a congelarse, es decir, cambia

de líquido a vapor; la temperatura permanece constante (0°C), hasta que todo el

líquido se convierta en hielo. Ese calor que le extrae en el proceso, es de tipo

latente.

Transferencia de Calor

Ciencia que estudia los mecanismos a través de los cuales tiene lugar el flujo de

calor de un sistema termodinámico a otro.

Tipos de transferencia de calor

Conducción: Cuando la transferencia de calor se logra a través de un sólido, o un

fluido en reposo. Y también cuando dos cuerpos sólidos o líquidos en reposo, a

diferentes temperatura, entran en contacto entre si.



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVASConvección: Cuando la transferencia de calor tiene lugar gracias al movimiento de

un fluido. En este sentido, existen dos tipos de transferencia de calor por

convección; a saber:

Convección Libre: Cuando el movimiento del fluido que transporta el calor, es

consecuencia de una diferencia de densidad de dicho fluido.

Por ejemplo: En una nevera, el aire que se enfría en el congelador tiende a

moverse hacia la parte inferior, porque el aire “frío”, pesa mas, y cuando entra en

contacto con el producto a refrigerar, este aire se calienta, y como el aire

“Caliente” es menos pesado entonces, tiende a subir hacia el congelador, donde

es enfriado otra vez, provocando un recomienzo de la movilización del aire.

Convección Forzada: Cuando el movimiento del fluido que transporta el calor, es

provocado por un dispositivo mecánico, que puede ser un ventilador, un

compresor o una bomba.

Radiación: Transferencia de calor que tiene lugar en el vacío cuyo requisito es

solamente que el cuerpo que emite el calor tenga temperatura.

La transferencia de calor siempre se da mediante la combinación de los tres tipos

mencionados. Solo que predomina uno de ellos, dependiendo de la situación.

Refrigeración:

Proceso termodinámico mediante el cual se extrae energía en forma de calor, de

un sistema, con la finalidad de provocar una disminución de temperatura.



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVASRefrigerante.

Sustancia o elemento químico capaz de absorber y suministrar calor mientras

cambia de estado.

Proceso de refrigeración

La refrigeración tiene lugar cuando un refrigerante absorbe calor del medio a

refrigerar mientras cambia de estado.

Ejemplo: Cuando se coloca un hielo en un vaso de refresco; el hielo absorbe calor

del refresco mientras cambia de sólido a líquido.

Tipos de refrigeración

Con pérdida total de refrigerante: Ocurre cuando la sustancia refrigerante no se

recupera a medida que va cambiando de estado.

Ejemplo de este proceso: la refrigeración con hielo.

Este proceso lo podemos ver cuando se refrigera con hielo seco, que es anhídrido

carbónico en estado sólido, que al pasar, mediante un proceso de sublimación

(cambio de sólido a vapor), absorbe calor del medio que lo rodea provocando una

disminución de temperatura.

Con recuperación total de refrigerante



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVASEs este proceso tiene lugar la refrigeración por compresión de vapor y por

absorción de amoníaco.

Refrigeración por compresión de vapor.

El ciclo básico de refrigeración por compresión de vapor, consta de cuatro

elementos, a saber:

Un evaporador; donde tiene lugar la evaporación del refrigerante.

Un compresor; donde tiene lugar un aumento de presión del refrigerante

Un control de flujo de refrigerante; donde ocurre una disminución de la presión

del vapor.

Un condensador: donde ocurre la condensación del refrigerante.

Ciclo de refrigeración por compresión de vapor

Este ciclo consta de los siguientes procesos:

1.- Una absorción de calor a temperatura constante, que tiene lugar en el

evaporador, en el cual el refrigerante, cambia de líquido a baja temperatura y

presión a vapor a baja temperatura y presión.



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVAS2.- Una compresión, que tiene lugar en el compresor, en el cual el refrigerante, en

forma de vapor, sufre un aumento de presión y temperatura.

3.- Una cesión de calor a temperatura constante, que tiene lugar en el

condensador, en el cual el refrigerante, cambia de vapor a alta temperatura a

líquido a alta presión y temperatura.

4.- Una disminución de presión y temperatura, que tiene lugar en el control de

flujo de refrigerante, en el cual el refrigerante es preparado para comenzar de

nuevo el ciclo, hacia el evaporador.

REFRIGERACIÓN CON HIELO

El hielo es uno de los refrigerantes por pérdida total, que mas se utiliza

mundialmente, desde antes que existiera la fabricación del hielo de forma

artificial, ya que se utilizaba para la conservación de productos alimenticios.

Desde tiempos remotos, el hombre observó que en los países templados se

atenuaba la corrupción de los productos en invierno con respecto al verano y



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVASdesde entonces se trató de conservar con hielo los productos de fácil

descomposición, logrando mantener grandes almacenes de hielo en cuevas,

protegido con mantas y otros medios para ser utilizado en la primavera y el

verano.

A finales del sigo XIX se comienza a producir hielo artificial y a competir con el

hielo natural, siendo uno de los usos mas difundidos en la utilización del sistema

de refrigeración en aquel entonces.

Antes del desarrollo de los compresores herméticos y los refrigeradores

domésticos y comerciales, el hielo era uno de los métodos más empleados para

enfriar agua y bebidas, así como para la conservación de productos perecederos.

Aún en la actualidad tiene una gran demanda para el transporte de productos,

tales como: leche, pescado y verduras cuando no se dispone de transporte auto

refrigerado.

Otro uso importante es para el consumo humano, en la conservación del pescado

en alta mar y en puerto, así como para glaseado de pollos y pescado antes de

pasar por el túnel de congelación, en la preparación de bebidas, etc.

TIPOS DE HIELO



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVASLos dos tipos de hielo fundamentales que se utilizan industrialmente son el agua y

el hielo seco (CO2 sólido).

El hielo de agua, comúnmente hielo, se fabrica en forma de bloque o

fragmentado.

CARACTERÍSTICAS DEL AGUA

El agua que se utiliza para hacer hielo debe ser apta para el consumo humano, o

sea, potable, inodora, incolora y con un contenido de sales menor de 250 mg/kg.

Un contenido mayor de sales, hace antieconómica la producción de hielo, y el

elemento más indeseable en ésta es el carbonato de calcio.

Si el agua es de acueducto se puede usar para hacer hielo, pero si es de pozo, rio

o lago requiere tratamiento (coagulación, filtrado y suavizado).

Para hacer el agua potable se le inyecta hipoclorito de sodio (3 a 5 mg de Cl

libre), si tiene mas de 8 mg se detecta por el olfato. El exceso de cloro elimina la

flora intestinal y descontrola el pH.

El pH debe ser de 6,5 a 9 para el consumo humano. Por encima de 9 y por debajo

de 5 es dañino para la salud.

SALMUERA

El punto de congelación del agua pura es de 0º C. Sin embargo cuando se

disuelve alguna sustancia en ella, el punto de congelación de la disolución



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVASresultante desciende. El descenso que se produce depende de la cantidad de

sustancia disuelta. Con 22 g de sal por cada 100 g de agua se consigue que el

punto de congelación disminuya hasta -21ºC.

EL HIELO SECO

El hielo seco es la denominación comercial del dióxido de carbono en estado

sólido.

Su producción sigue el proceso siguiente:

¿Como se produce el Hielo Seco?

- El hielo seco se produce por compresión y enfriamiento de CO2 gas a altas

presiones para obtener CO2 líquido.

- Se expande luego el CO2 líquido a presión atmosférica para producir nieve

carbónica.

- Esta nieve se comprime hidráulicamente en una cámara o matriz para formar

Hielo Seco en bloques .

¿En que formas puede fabricarse el Hielo Seco?

El Hielo Seco puede fabricarse en bloques

¿Cómo refrigera el Hielo seco?

El hielo seco refrigera por evaporación, sin dejar residuos ni humedad: pasa

directamente del estado sólido al gaseoso.



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVASAlmacenaje y suministro del Hielo Seco:

- El Hielo Seco debe de almacenarse en contenedores isotérmicos.

- Con un mejor aislamiento tardará más en sublimar el Hielo Seco.

- El contenedor no debe de ser estanco pues el CO2 gas generado por

sublimación podría reventar el contenedor.

- Mantener el local donde está almacenado el Hielo Seco suficientemente

ventilado, evitar transportarlo en coches.

- No almacenar el CO2 en neveras domésticas para evitar congelar todo lo que

haya en ellas.

Características físicas del Hielo Seco:

-Temperatura de sublimación: -78,6ºC( temperatura mínima)

-Densidad: 1,56 Kg/dm3

-Calor de sublimación : 137 kcal/kg.

-Punto triple: T= -56,6ºC, P=5,18 bar

-Punto crítico: T= 31ºC, P=73,8 bar

-Densidad del gas a 20ºC: 1,84Kg/m3( 1,5 veces la del aire)

Capacidad Frigorífica del hielo seco en función de la temperatura:

Temperatura (ºC) -78,6 -50 -20 -10 0 10 20




Capacidad Frigorífica (Kcal/Kg) 137 142,5 148,3 150,4 152,6 154,8 157,2

Precauciones y seguridad en el manejo:

- La manipulación del Hielo Seco debe realizarse con guantes de protección para

evitar quemaduras. Un contacto breve no tiene consecuencias.

- La concentración de CO2 en el aire es de solo 0,035%, sin embargo, la

sublimación del Hielo Seco( 0,54m3/Kg) y la densidad del CO2 gas( 1,5 veces la

del aire) hacen que se debe evitar trabajar en recintos cerrados o poco ventilados.

A partir de una concentración de 0,5% en el aire, el CO2 es peligroso. Una

concentración de 5% o superior provoca asfixia.

- No jugar con el Hielo Seco.

- No almacenar Hielo Seco en depósitos estancos para evitar posibles causas de

explosión

AIRE ACONDICIONADO CON HIELO

Los equipos de aire acondicionado provocan que el sistema eléctrico de una

ciudad funcione al límite. Sin embargo, en muchos edificios se ha logrado

mantener el aire acondicionado al mínimo sin dejar de estar frescos, mediante un

novedoso sistema de ahorro de energía que envía aire refrigerado con hielo a

través de los conductos de ventilación.

Estos sistemas son una gran fuente de ahorro para numerosas compañías, al

mismo tiempo que reducen los niveles de consumo de electricidad durante los dí-

as de intenso calor.



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVASEl sistema de refrigeración por hielo puede usarse en combinación con otras

tecnologías para aliviar la demanda en los horarios pico. Por ejemplo, en el

edificio Met Life del Credit Suisse -uno de los mayores de Manhattan, Estados

Unidos- la compañía debe enfriar casi 180 mil metros cuadrados de oficinas. En el

sótano de la construcción, tres salas de refrigeración contienen las máquinas de

enfriamiento necesarias junto con 64 tanques de 3000 litros de agua congelada

cada uno. El sistema de refrigeración por hielo tiene prioridad en el edificio por

sobre los sistemas tradicionales.

Como se necesita cierta cantidad de electricidad para producir el hielo, el agua se

congela en los tanques metálicos durante la noche, cuando la demanda eléctrica

es menor. El aire fresco que emana de los bloques de hielo es conducido por los

sistemas de ventilación del edificio de manera similar al aire acondicionado

tradicional. Durante la noche, el agua es congelada nuevamente y el ciclo se

repite.

Los ingenieros que desarrollaron el sistema afirman que el ahorro económico

obtenido es del orden de varios millones de dólares. Por ejemplo, el Credit Suisse

redujo su demanda de electricidad en 2.15 millones de kilowatts/hora anuales, lo

que equivale al consumo de unos 200 hogares.

La iniciativa también reduce en gran medida los niveles de polución. El sistema de

refrigeración por hielo de la torre Met Life ejerce la misma influencia positiva en el



INSTRUCTOR: ING. MSc. FERNANDO JOSÉ RIVASambiente que plantar 7600 kilómetros cuadrados de árboles para absorber el

dióxido de carbono que emitiría un sistema eléctrico similar por año.

Esta reducción en la polución es mucho más valiosa en una ciudad como Nueva

York, en donde el principal contaminante proviene de la actividad en los edificios.

Las estadísticas oficiales indican que existen unos 3000 edificios en el mundo

refrigerados con hielo, y que este número se incrementa cada año.




CICLO BÁSICO DE REFRIGERACIÓN POR

COMPRESIÓN DE VAPOR

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