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TÉCNICAS DE REFRIGERACIÓN

Luis Jutglar

Ángel L. Miranda

Tecnicas de REFRIG_PRIMERAS.qxp 09/06/2008 16:59 PÆgina i

Título: Técnicas de refrigeración

Colección: Técnicas de climatización - Tomo 2

Autores: © Luis Jutglar© Ángel L. Miranda

Editorial:© 2008 MARCOMBO, S.A.

Gran Via de les Corts Catalanes 594 08007 Barcelona (España)

Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del copyright,bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra porcualquier medio o procedimiento, incluidos la reprografía y el tratamiento informático, asícomo la distribución de ejemplares mediante alquiler o préstamo públicos.

ISBN: 978-84-267-1440-4

Depósito legal: Impreso en

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Índice

PRÓLOGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

PARTE I - TERMODINÁMICA DE LA REFRIGERACIÓN

CAPÍTULO 1APLICACIONES DE LA REFRIGERACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72. Refrigeración doméstica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83. Aire acondicionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84. Refrigeración industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4.1 Industria química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.2 Separación de gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.3 Almacenamiento de gases a baja presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.4 Control de procesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.5 Conservación de productos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.6 Tratamiento en frío de los metales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.7 Fabricación de hielo y de nieve carbónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.8 Deportes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

CAPÍTULO 2MÉTODOS FRIGORÍFICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112. Ciclos termodinámicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2 Coeficiente de eficiencia de una refrigeración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3. Principios de refrigeración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174. Métodos frigoríficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.2 El ciclo de compresión de vapor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.3 Ciclos de absorción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.4 Ciclos de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.5 Refrigeración termoeléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

CAPÍTULO 3FLUIDOS FRIGORÍFICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252. Resumen histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

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2.2 Los clásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3. La irrupción de Molina y Rowland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3. Clasificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2 Derivados halogenados saturados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3 Derivados halogenados insaturados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.4 Mezclas zeotrópicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.5 Mezclas azeotrópicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.6 Hidrocarburos saturados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.7 Hidrocarburos insaturados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.8 Compuestos orgánicos no alquílicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.9 Compuestos inorgánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4. Identificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.2. Standard 34 de ASHRAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

5. Propiedades de los refrigerantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.2 Clasificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.3 Propiedades físicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355.4 Propiedades químicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.4.1 Inflamabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355.4.2 Toxicidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355.4.3 Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.4.4 Compatibilidad con la carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.4.5 Compatibilidad con los materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.4.6 Compatibilidad con el aceite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.4.7 Estabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.5 Propiedades termodinámicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385.5.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385.5.2 Estados de un fluido frigorífico en un ciclo

de compresión de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385.5.3 Ecuación de estado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395.5.4 Determinación de la entalpía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405.5.5 Determinación de la entropía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415.5.6 Curva de tensión de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.6 Propiedades medioambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.6.1 La capa de ozono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.6.2 La radiación ultravioleta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435.6.3 El efecto invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435.6.4 Indices relacionados con el medio ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445.6.5 Normativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

CAPÍTULO 4CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

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Técnicas de refrigeración

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2. Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483. El ciclo simple de compresión de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484. Modificaciones del ciclo simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.2 Multicompresión por etapas y con cámara de flash . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.3 Multicompresión en cascada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5. Otros ciclos de compresión de vapor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.2 El ciclo transcrítico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

CAPÍTULO 5CICLOS DE ABSORCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692. Rendimiento teórico de la máquina de absorción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703. La máquina de absorción de NH3-H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.2 Propiedades de las mezclas NH3-H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.3 El ciclo tipo de NH3-H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.4 El ciclo mejorado de NH3-H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4. La máquina de absorción de H2O-LiBr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.2 Propiedades de las mezclas H2O-LiBr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.3 El ciclo tipo de H2O-LiBr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.4 El ciclo mejorado de H2O-LiBr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5. Sistemas de tres componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976. La máquina de doble efecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

6.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996.2 Cálculo de las propiedades termodinámicas

de los estados característicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996.3 Balances de masa y de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

6.3.1 Balance de masa en el absorbedor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1016.3.2 Balance de masa en el generador de baja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026.3.3 Balances de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

6.4 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

CAPÍTULO 6CICLOS DE GAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1071. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1072. Ciclo de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

2.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1092.2 El ciclo simple ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1102.3 El ciclo simple real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1132.4 El ciclo regenerativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

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Índice general

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CAPÍTULO 7LICUEFACCIÓN DE GASES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1191. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1192. Método Linde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1193. Método Claude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214. Conclusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

CAPÍTULO 8COMPONENTES DE LA INSTALACIÓN DE COMPRESIÓN DE VAPOR . . . 1271. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1272. Evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

2. 1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1272. 2 Clasificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1282. 3 Temperaturas características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1282. 4 Coeficientes de transmisión de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

3. Condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1313.1 Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1313.2 Utilización y clasificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1323.3. Coeficiente global de medio de transmisión de calor. . . . . . . . . . . . . . . . 133

4. Compresor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354.2 Compresores alternativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

4.2.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1364.2.2 Trabajo de compresión sobre el diagrama

convencional indicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1374.2.3 Trabajos, rendimientos y potencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1404.2.4 Compresor adiabático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

4.3 Compresores de tornillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1424.4 Compresión en etapas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1424.5 Lubricantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

5. Sistemas de expansión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1435.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1435.2 La válvula de expansión termostática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1435.3 La válvula de expansión a presión constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1445.4 La válvula de flotador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1445.5 El tubo capilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

6. Curvas características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1456.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1456.2 El evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1466.3 Unidad condensadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1466.4 Funcionamiento conjunto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

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PARTE II - CÁMARAS FRIGORÍFICAS

CAPÍTULO 1ASPECTOS GENERALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1511. Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1512. Transmisión de calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

2.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1512.2 Conducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

2.2.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1522.2.2 Conducción a través de una pared plana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1542.2.3 Conducción a través de una pared cilíndrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1582.2.4 Conducción a través de una pared esférica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

2.3 Convección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1612.3.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1612.3.2 Convección natural sin cambio de estado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1622.3.3 convección forzada sin cambio de estado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

2.4 Radiación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1672.4.1 Conceptos básicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1672.4.2 Intercambio de calor entre superficies radiantes. . . . . . . . . . . . . . . . . 169

2.5 Coeficiente global de transmisión de calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1722.5.1 Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1722.5.2 Coeficiente superficial convección-radiación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1732.5.3 Paredes planas: coeficiente global y distribución

de temperaturas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1742.5.4 Paredes cilíndricas: coeficiente global y distribución

de temperaturas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1772.5.5 Temperatura sol-aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1782.5.6 Puentes térmicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1792.5.7 Transmisión de calor a través del suelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

CAPÍTULO 2TRANSFERENCIA DE VAPOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1831. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1832. Conceptos básicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

2.1 Presión parcial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1832.2 Tensión de vapor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1842.3 Humedad relativa y humedad absoluta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1852.4 Temperatura de rocío. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1862.5 Entalpía del aire húmedo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1882.6 Volumen específico y densidad del aire húmedo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1882.7 Difusión de vapor a través de una pared plana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

CAPÍTULO 3AISLAMIENTO TÉRMICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1931. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

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Índice general

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2. Tipos de aislantes térmicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1933. Características de los aislantes térmicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1944. Elección del aislante térmico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1985. Cálculo del espesor necesario de aislante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

5.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1985.2 Prevención de condensaciones superficiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1985.3 Limitar el flujo de calor a un valor determinado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2005.4 Espesor óptimo económico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2015.5 Espesor óptimo energético. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2045.6 Estimación de los grados día. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

CAPÍTULO 4CÁMARAS Y ALMACENES FRIGORÍFICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2071. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2072. Clasificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2073. Distribución general de un almacén frigorífico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2084. Tipos y estructura de los cerramientos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

4.1 Posición del aislamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2094.2 Solera. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2114.3 Barreras de vapor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

5. Ventilación e infiltraciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2136. Operaciones puntuales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

6.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2156.2 Congelación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2156.3 Descongelación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2166.4 Recepción, manipulación y entrega de producto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

7. Cálculo de la carga de refrigeración. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2177.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2177.2 Carga debida a transmisión del exterior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2177.3 Carga debida al enfriamiento y congelación del producto. . . . . . . . . . . . 2227.4 Carga debida a ventilación e infiltraciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2267.5 Carga debida a operarios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2277.6 Carga debida a fuentes internas de calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2287.7 Carga total, sensible y latente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2297.8 Carga debida al descarche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

8. Potencia frigorífica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2318.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2318.2 Variación de la potencia demandada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2328.3 Inercia térmica del recinto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2328.4 Potencia instalada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238LISTA DE SÍMBOLOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240ANEXO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

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Prólogo

No hace falta remarcar la importancia de la refrigeración. En las casas o en el trabajo,raro sería que no conviviéramos con algún ingenio refrigerante. Las neveras domésti-cas, los aparatos acondicionadores de la oficina, el aire acondicionado del coche, sonejemplos de nuestra convivencia diaria con equipos relacionados con la refrigeración.Con este libro pretendemos aproximar al lector a esta técnica apasionante que tantosbeneficios, higiénicos, de confort e industriales ha proporcionado a la humanidad.

Hoy día la práctica de la refrigeración se articula en torno a dos o tres métodos a losumo, sin olvidar técnicas secundarias paralelas pero muy importantes, como son lalicuefacción de gases o, en menor grado, la refrigeración termoeléctrica. Los dos méto-dos básicos son la compresión de vapor y la absorción. De hecho los métodos de compre-sión de vapor abarcan más del 90 % del espacio del mercado y tradicionalmente se lespresta más atención, sin embargo en esta obra hemos querido dar una importanciaespecial a los métodos de absorción, dada su relación, cada vez más aceptada, con losprocedimientos frigoríficos respetuosos con el medio ambiente. Los conceptos deenergía primaria y energia útil aplicados a las máquinas de refrigeración puedenparecer extraños a primera vista, nosotros los aplicaremos con el mismo significadoque energía de cola y energía de cabeza respectivamente. La energía de cola es la dealimentación y la de cabeza la útil que nos proporciona la máquina frigorífica, esdecir, la energía frigorífica. Pues bien, la energía primaria de la máquina de absorciónpuede ser energía térmica producida directamente o bien reaprovechada de otro pro-ceso que de otra forma se perdería, de ahí su interés.

Desde un punto de vista de ingeniería la refrigeración es el conjunto de técnicas que per-miten enfriar una sustancia y mantenerla fría durante el tiempo que haga falta (desde unossegundos a años).

La refrigeración incluye la problemática relacionada con el foco frío que no debe con-fundirse con la sustancia o carga de refrigeración. El foco frío es el sumidero queabsorbe el calor que sale de la carga que deseamos enfriar. Un enfriamiento es un sim-ple proceso de transferencia de calor. La refrigeración incluye la técnica necesariapara mantener más frío que la carga el foco frío que permite su enfriamiento. Aquínos encontramos con una cuestión básica. ¿Este foco frío mantine constantes sus pro-piedades, por ejemplo una cantidad inagotable de agua fría, o bien deberá mantener-se frío?

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Otra cuestión básica hace referencia a las temperaturas. Aceptaremos que refrigerarimplica enfriar hasta una temperatura generalmente inferior a la ambiente, indepen-dientemente de la temperatura inicial de la sustancia. Sin embargo, no todas las ope-raciones de enfriamiento se enmarcan dentro de lo que llamamos técnicas de refrige-ración. Así, por ejemplo, en un intercambiador un aceite pasa de 95 a 45 oC, siendo latemperatura ambiente de 25 oC. Evidentemente el aceite se ha enfriado (el otro fluidoen el intercambiador se habrá calentado) sin embargo este proceso no se enmarca den-tro de la refrigeración. Su estudio corresponde al cálculo y diseño de intercambiado-res de calor. Si enfriamos una pieza de cerámica a 400 oC con un chorro de aire a 70 oC,la pieza se enfriará pongamos hasta 75 oC. Sin embargo, aún tratándose de una refri-geración, este proceso sigue sin enmarcarse dentro de las técnicas generales de refri-geración. Se trata de un interesante problema de enfriamiento convectivo no estacio-nario, de fácil solución (resistencia interna constante) si no requerimos una soluciónmuy exacta.

El enfriamiento del aire dentro de una habitación en verano, hasta 24 oC, el enfria-miento en verano de la cámara interior de nuestra nevera hasta los 5 oC, el enfriamien-to de carne hasta un estado de congelación y el posterior enfriamiento hasta -30 oC, laobtención de agua relativamente fría en una torre de refrigeración, el enfriamientodel mosto para controlar la fermentación y tantos otros son ejemplos que se enmar-can dentro de la refrigeración. Antes mencionábamos que el enfriamiento debe pro-ducirse hasta una temperatura generalmente inferior a la ambiente. Casi siempre larefrigeración implica la obtención de temperaturas inferiores a la del ambiente. ¿Porqué es tan importante? El ambiente establece la frontera de los procesos refrigerativos querequieren un dispendio energético, excepto que dispongamos de una cantidad ilimitada de unasustancia que esté fría. Si no disponemos de ella, deberemos mantener el foco frío me-diante alguna técnica que necesariamente implicará consumo de energía útil. Llama-remos refrigeración mecánica a la que utiliza algún tipo de maquinaria, directa o indirecta-mente. Podríamos utilizar una refrigeración mecánica para enfriar una sustancia hastauna temperatura no inferior a la ambiente, sin embargo, siempre nos quedaría elrecurso de utilizar el ambiente como foco frío inagotable para hacer la refrigeración,puesto que el ambiente quedaría siempre por debajo de la sustancia a enfriar y en estecaso no habría coste energético para mantener frío el foco frío.

A veces la refrigeración mecánica no es evidente. Por ejemplo, el enfriamiento de unosalimentos en una antigua nevera utilizando hielo no parece una refrigeración mecáni-ca y el proceso que transcurre propiamente en la nevera no lo es. Pero no podemosignorar el proceso de fabricación del hielo en un estudio completo del problema, y elhielo se ha fabricado mecánicamente. Si el hielo lo sacamos de un lago helado, estarí-amos en el caso de utilizar una fuente ilimitada de sustancia fría, igual que si dispu-siéramos de un pozo de agua fría subterránea y la utilizásemos para refrigerar unlocal, en este caso tampoco se trataría de una refrigeración mecánica. También hay undispendio energético pero no se nos imputa a nuestro bolsillo sino a la naturaleza.Sería algo parecido a lo que ocurre con la energía solar; puede calentarse una vivien-

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da sin dispendio energético de energía primaria imputable al usuario (aunque sí lohay de instalación, circulación de fluidos y mantenimiento).

En un proceso de refrigeración hay que tener una visión de conjunto que nos puedeindicar que el proceso puede estar constituido por varios elementales. Por ejemplo, enuna cámara frigorífica de conservación de alimentos tenemos una transmisión decalor a través de las paredes de la cámara de fuera a dentro. El calor que entra en lacámara debe extraerse mediante un proceso mecánico de refrigeración. Para ello debe-remos crear un foco frío a menor temperatura que el producto que deseamos conser-var. Este foco frío será generalmente un fluido que perderá sus propiedades refrige-rantes y por lo tanto necesitaremos un procedimiento, forzosamente cíclico, para rege-nerar aquellas propiedades.

Si analizamos el fenómeno que nos permita mantener frío el foco frío observaremosque no podemos hacerlo con otro más frío porque de alguna forma esto representaríatrasladar el problema a otro foco. Para mantener frío el foco frío deberemos extraercalor hasta un sistema que esté más caliente y este proceso no puede ser una transfe-rencia de calor natural sino que se trata de una inversión del proceso natural que nece-sariamente implicará consumo energético. Siempre que nos referimos al proceso natu-ral estamos hablando de la transferencia de calor desde un foco caliente a uno frío. Elproceso inverso sería la transferencia de calor desde un foco frío a uno de caliente.

Desde un punto de vista termodinámico, que considera únicamente la refrigeraciónmecánica llevada a cabo de forma continua, la refrigeración es un proceso de extracción decalor desde una temperatura baja hasta una temperatura alta. Esta definición es muy inte-resante porque incluye el fenómeno fundamental de mantener frío el foco frío.

Esta obra está articulada en dos partes: en la primera abarcamos los aspectos termo-dinámicos de la refrigeración y en la segunda estudiamos la vertiente más práctica: lascámaras frigoríficas. Esta segunda parte lleva incorporados los estudios de carácterintroductorio que necesita la temática considerada, como son aspectos básicos detransmisión de calor, psicrometría y difusión del vapor.

Ambas partes pueden leerse de forma independiente por lo que hemos optado pordotarlas de numeración propia en lo que hace referencia a las ecuaciones, sin embar-go, la bibliografía sigue un orden correlativo común a las dos partes.

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Parte I

Termodinámica de la refrigeración


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Capítulo 1

APLICACIONES DE LA REFRIGERACIÓN

1. IntroducciónLa refrigeración [1] se aplica en tres grandes ámbitos para los que la industria ha de-sarrollado no sólo maquinaria específica sino también normativa y complementos:

Doméstica

La refrigeración doméstica incluye la línea de electrodomésticos constituida por neve-ras y congeladores para uso doméstico.

Aire acondicionado

La refrigeración relacionada con el aire acondicionado suele dividirse en industrial yde confort. La refrigeración relacionada con el confort incluye la fabricación de equi-pos para la producción de frío en aire acondicionado: climatizadores, bombas decalor, acondicionadores de ventana, autónomos, enfriadoras de agua, fan-coils, unida-des terminales, etc. La refrigeración relacionada con el aire acondicionado industrialse aplica al acondicionamiento de espacios no estrictamente domésticos, como podrí-an ser grandes almacenes, oficinas, laboratorios, naves industriales, etc.

Refrigeración industrial

La refrigeración industrial, a su vez, se clasifica en función de los tipos concretos deaplicación industrial, por ejemplo, plantas químicas, petroquímicas, fibras, alimenta-ción (almacenamiento, conservación), deporte (pistas de hielo, nieve artificial), alma-cenamiento de gases en estado líquido a baja presión (gas natural, hidrógeno, oxíge-no, nitrógeno), separación de gases y muchas otras.

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2. Refrigeración domésticaNo hace falta insistir en el desarrollo creciente de este sector de la refrigeración; elaumento de nivel de vida de la población se relaciona con el auge y crecimiento de lademanda de aparatos de refrigeración doméstica, que sean eficaces, silenciosos y res-petuosos con el medio ambiente.

En una posición indeterminada se sitúan los mostradores frigoríficos tan utilizados enbares y cafeterías, así como los congeladores y cámaras frigoríficas de pequeñas tien-das y comercios.

3. Aire acondicionadoEl aire acondicionado es el conjunto de técnicas utilizadas para procurar condicionesde confort en un cerramiento determinado, que puede ser desde una vivienda hastauna planta de oficinas o un supermercado. En invierno el objetivo será calentar elcerramiento, en verano enfriarlo. Precisamente esta actividad que debe llevarse a caboen verano es la que tiene que ver con la refrigeración. Para acondicionar un local esnecesario (en verano) enfriar el aire del mismo. Esta operación puede hacerse con airefrío, con agua fría o con un fluido frigorífico. En cualquier caso será necesario mante-ner frío continuamente el agente frigorífico.

No solamente por cuestiones de confort es necesario el acondicionamiento del aire;hay determinadas actividades industriales que necesitan unas condiciones de tempe-ratura y humedad que no siempre coinciden con las del ambiente exterior. Por ejem-plo es el caso de los laboratorios farmacéuticos; debe asegurarse que la temperatura,humedad, polvo y agentes patógenos del aire, estén férreamente controlados. En unafábrica textil, según el tipo de fibra que se manipule, también deberá controlarse latemperatura y la humedad.

4. Refrigeración industrial4.1 Industria químicaSon muchos los procesos industriales químicos que requieren la utilización de frío,por ejemplo, la separación de gases, que veremos en el apartado siguiente, la conden-sación de gases, el desecado del aire, disipación del calor de reacción, recuperación dedisolventes, control de procesos de fermentación. Por ejemplo, la eliminación de cerasen el proceso de desencerado del petróleo. La cera precipita entorno a los -25 oC ypuede separarse del líquido por filtrado.

4.2 Separación de gasesLa técnica consiste en practicar una destilación fraccionada a una mezcla líquida degases. Es el caso del aire, pero puede aplicarse a cualquier otra mezcla. Si licuamos

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Parte I - Termodinámica de la refrigeración


aire y posteriormente se controla su ebullición, primero pasará el oxígeno (punto deebullición 90,19 K), a continuación el argón (punto de ebullición 87,29 K), y por últi-mo el nitrógeno (punto de ebullición 77,35 K).

4.3 Almacenamiento de gases a baja presiónUn gas se puede almacenar licuado (ocupa mucho menos volumen) de dos formasmuy diferentes: a alta presión y temperatura ambiente o bien baja presión y baja tem-peratura. En este caso el depósito de almacenamiento debe estar calorifugado paraevitar que entre calor.

4.4 Control de procesosA menudo la refrigeración se utiliza para "ralentizar" determinados procesos naturales,cuya velocidad depende de la temperatura; a menor temperatura, más lento es el pro-ceso. Por ejemplo, el control de la fermentación en los procesos de elaboración de vinos,productos lácteos o incluso fermentos naturales de aplicación médica o biológica.

4.5 Conservación de productosLa baja temperatura inhibe el crecimiento bacteriano que produce el deterioro de losproductos orgánicos, así como de las reacciones enzimáticas que generan los propiosmicroorganismos. El resultado es lo que vulgarmente recibe el nombre de conservaciónde los alimentos. Esta conservación no está exenta de inconvenientes. El aspecto, cali-dad y composición de un alimento conservado en frío se altera, por lo tanto, un aspec-to secundario pero no menos importante de la refrigeración es la incidencia de lamisma sobre los productos refrigerados.

4.6 Tratamiento en frío de los metalesAlgunas propiedades mecánicas de los metales mejoran con un tratamiento de losmismos a bajas temperaturas durante un intervalo de tiempo más o menos corto. Porejemplo, la vida de un filo cortante aumenta si se somete la pieza a un baño criogéni-co a -100 oC durante unos minutos.

4.7 Fabricación de hielo y de nieve carbónicaEl hielo ya no se utiliza en los refrigeradores modernos (el autor de más edad recuer-da que en su juventud, una de las obligaciones diarias era la compra de un trozo dehielo en la bodega de la esquina para la nevera), sin embargo, sigue utilizándose engrandes cantidades en mercados, pescaderías y barcos de pesca. La nieve carbónicatiene una aplicación bastante limitada al uso de extintores contra incendios.

4.8 DeportesDesde hace algunos años puede alargarse el periodo de utilización de una pista deesquí con el vertido de nieve artificial mediante una maquinaria específica que produ-

9

Aplicaciones de la refrigeración


ce nieve artificial y la lanza sobre la pista. La única limitación a esta técnica es el costey la necesidad de bajas temperaturas. Las pistas de hielo artificial se obtienen hacien-do circular una salmuera a baja temperatura por una red de tuberías situada debajode la pista que se cubre con agua. De esta manera pueden practicarse unos deportes(patinaje sobre hielo y hockey sobre hielo) típicamente de invierno durante cualquierépoca del año.

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Capítulo 2

MÉTODOS FRIGORÍFICOS

1. IntroducciónLa refrigeración consiste en la extracción de calor de una sustancia que deseamosmantener a una temperatura inferior a la del medio ambiente. Para ello será necesarioponer en contacto la sustancia, directa o indirectamente, con otra que esté a menortemperatura. Si no disponemos de una fuente fría permanente es esencial la obtenciónprevia de esta sustancia a menor temperatura que la que deseamos refrigerar. Ob-sérvese que este proceso implica: a) una extracción de calor a la carga, b) una segun-da extracción de calor de la sustancia refrigerante para mantener sus propiedadescomo tal, que se hace de forma "forzada", puesto que no disponemos de otra fuentefría a más baja temperatura. Deberá extraerse calor al sistema de baja temperatura yenviarlo a otro sistema de más temperatura. En la figura 2.1 se ha representado unesquema de este proceso. Es evidente que deberemos aplicar trabajo para invertir elproceso natural y este trabajo deberá proporcionarse mediante un proceso cíclico paraque sea viable de forma práctica.

Figura 2.1. Máquina térmica invertida.

Ha llegado el momento de matizar algunos conceptos:

Agente frigorífico. Es la sustancia que enfría la carga. Puede ser sólido o fluido.Si se trata de un fluido recibe el nombre de fluido frigorífico o refrigerante.Bomba de calor. No todo el mundo está de acuerdo en la definición. Algunos lla-man bomba de calor directamente al ciclo de compresión de vapor. Otros prefie-

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DC, To

Qo

QE

DF, TE

M W


ren llamar bomba de calor al ciclo de refrigeración cuando tiene por objetivoaprovechar el calor.Bomba de calor reversible. Es una bomba de calor que se utiliza como máquinafrigorífica en verano y calefactora en invierno.Carga frigorífica. Es el objeto que deseamos enfriar. Puede tratarse de una masacontinua o discontinua de producto. Por ejemplo, el contenido de una cámara oalmacén frigorífico es la carga frigorífica. El calor por unidad de tiempo que debeser extraído de la carga también recibe el nombre de carga frigorífica, que se mideen W. Así pues, se trata de un concepto que se aplica a dos cosas diferentes aun-que relacionadas.Máquina frigorífica. Es el dispositivo que permite llevar a cabo la refrigeración.A veces, máquina y método confunden el nombre, así, decimos máquina de com-presión de vapor o máquina de absorción.Principio frigorífico. Este concepto hace referencia al principio fundamental derefrigeración, no explícitamente al medio comercial o práctico de llevarla a cabo.Proceso o método frigorífico. Es el sistema para producir una refrigeración con-tinua y práctica. Puede basarse en un principio frigorífico o varios. Refrigeración activa. Es la que requiere el concurso de maquinaria con el consi-guiente consumo energético. Refrigeración pasiva. Es la que se lleva a cabo sin el concurso de máquinas. Estarefrigeración apenas consume energía (ninguna o muy poca). Aprovecha losmedios naturales para provocar pequeños descensos de temperatura. Por ejem-plo, inducir una corriente de aire procedente de la fachada norte para refrescar laparte de la vivienda con orientación sur, más calurosa. Refrigeración primaria. Es la que se lleva a cabo para refrigerar el agente secun-dario, por ejemplo, el aire que utilizaremos para refrigerar un local debe serenfriado previamente en el evaporador de una máquina frigorífica. El refrigeran-te de la máquina frigorífica que enfría al refrigerante secundario se llama refrige-rante primario. Solamente en el caso que utilizáramos una fuente inagotable deaire frío, agua fría o hielo, podríamos prescindir de la refrigeración primaria.También puede ocurrir que el refrigerante primario enfríe directamente la carga,pero se trata de una situación muy rara; casi siempre actúan el refrigerante pri-mario y el secundario.Refrigeración secundaria. Es la que se realiza directamente sobre la carga frigo-rífica. Por ejemplo, para enfriar un local utilizamos aire frío que se mezcla con eldel local. El resultado es un descenso de la temperatura del local. El aire frío queentra en el local recibe el nombre de refrigerante secundario.

12



2. Ciclos termodinámicos

2.1 IntroducciónPara llevar a cabo la refrigeración mecánica (la que no utiliza una fuente fría intermi-nable) deben mantenerse o reponerse, de una forma continua, las propiedades de lafuente fría, en la práctica un fluido frigorífico. La Termodinámica nos enseña que laúnica forma de poder hacerlo es mediante un proceso cíclico.

En los ciclos de sistemas cerrados [2] reversibles:

∑ qij = ∫ p dv ciclo

Si representamos gráficamente en un diagrama p-v un ciclo determinado, por ejem-plo, el constituido por las etapas 12, 23, 31 (véase la figura 2.2), la integral de ciclo esel área encerrada por el mismo y coincide con el trabajo útil sólo en caso de procesosreversibles.

Figura 2.2. Ciclo termodinámico de tres etapas.

El sentido en el que se recorre un ciclo no es irrelevante. En la figura 2.3 se han repre-sentado dos ciclos, el (a) recorrido en sentido horario y el (b) recorrido en sentido anti-horario. En el primer caso, el valor de la integral de ciclo será

∫ p dv = ∫ p dv + ∫ p dv = ∫ p dv - ∫ p dvciclo 1a2 2b1 1a2 1b2

que da un valor positivo, es decir, un ciclo recorrido en sentido horario permite obte-ner trabajo neto. Estos ciclos se llaman ciclos de potencia.

En el segundo caso,

∫ p dv = ∫ p dv + ∫ p dv = ∫ p dv - ∫ p dvciclo 1b2 2a1 1b2 1a2

13

Métodos frigoríficos


Figura 2.3. Ciclo termodinámico recorrido: a) en sentido horario; b) en sentido antihorario.

da un valor negativo (el signo negativo indica que se trata de trabajo que debe pro-porcionarse al sistema). Son los ciclos que absorben trabajo y ceden más calor que elque absorben y se pueden emplear como ciclos de refrigeración, precisamente utili-zando la etapa en la que se absorbe calor.

2.2 Coeficiente de eficiencia de una refrigeraciónSupongamos una máquina frigorífica ideal que funciona de forma cíclica. La relaciónentre el calor por ciclo, extraído a la carga, QE, y la energía por ciclo, E, empleada paraproducir la extracción de calor, recibe el nombre de coeficiente de eficiencia o COP. Siel proceso ideal es reversible indicaremos COPr; así pues suponiendo que el ciclo esreversible,

QECOPr = ⎯⎯⎯ (1) E

Este proceso lo hemos esquematizado en la figura 2.4. Si consideramos que el proce-so es ideal y que se lleva a cabo de forma reversible, se cumplirá que la variación deentropía de todo el conjunto (que correspondería a un sistema aislado) deberá sernula. Es decir,

∆SDC + ∆SDF + ∆SM = 0

14



Figura 2.4. Máquina térmica invertida.

donde

DC indica depósito caliente,DF depósito frío yM máquina o sistema que permite hacer la extracción.

Por tratarse de un proceso cíclico, ∆SM = 0. Teniendo en cuenta que, si se consideranconstantes las temperaturas de los depósitos frío y caliente, la variación de entropía esel cociente entre el calor transferido y la temperatura, tendremos:

⏐QE⏐ ⏐QO⏐– ⎯⎯ + ⎯⎯ = 0 (2)

TE TO

La variación de entropía del depósito frío debe ser negativa, puesto que se trata deuna extracción de calor; la del depósito caliente, positiva, porque se trata de una apor-tación de calor. Además, por el primer principio:

⏐QE⏐ + ⏐W⏐ = ⏐QO⏐ (3)

Combinando (2) y (3) se obtiene

⏐QE⏐ TECOPr = ⎯⎯⎯ = ⎯⎯⎯ (4)

⏐W⏐ TO - TE

que representa el coeficiente de eficiencia máximo que puede obtenerse trabajandoentre las temperaturas TE y TO. Más adelante veremos que una forma termodinámica-mente correcta (lo cual no quiere decir que sea práctica) para llevar a cabo un proce-so de estas características, es el ciclo inverso de Carnot.

Por ejemplo, para mantener una temperatura de -18 oC (255,15 K) con una temperatu-ra de medio ambiente de 30 oC (303,15 K) el máximo valor de la eficiencia sería:255,15/(303,15 - 255,15) = 5,31. Para tener una idea orientativa, el coeficiente de eficien-cia medio real entre estas temperaturas podría estar entre 2 y 3,5.

15


DC, To

Qo

QE

DF, TE

M W


El subíndice r, de reversible, refuerza la idea de que este coeficiente se aplica exclusi-vamente a una máquina de refrigeración ideal. El COPr puede ser mayor o menor quela unidad.

La máquina de refrigeración real tendrá una eficiencia menor, que designaremosCOPreal. La relación entre el real y el reversible, e, es una medida de la irreversibilidadde la máquina real:

COPreale = ⎯⎯⎯⎯ (5)

COPr

Ejemplo 2.1En una máquina de refrigeración por compresión de vapor (ver Fig. 2.5), la tempera-tura del evaporador es 285 K (foco frío) y la del condensador 325 K (foco caliente). Elcoeficiente e vale 0,262. Si la carga térmica de refrigeración es 10,3 kW, determinar lapotencia interna de la máquina térmica.

Figura 2.5. Ciclo simple de refrigeración por compresión de vapor.

El COP de la máquina reversible (ecuación 4) valdrá:

285COPr = ⎯⎯⎯⎯⎯ = 7,13

325 - 285

El COPreal ,ecuación (5),

COPreal = 0,262 × 7,13 = 1,87

y la potencia interna de la máquina térmica:

Nc = Qr/COPreal = 10,3/1,87 = 5,51 kW

donde Qr es la potencia de refrigeración.

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.

.


3. Principios de refrigeraciónSiguiendo a W. F. Stoecker [1] citaremos los siguientes principios generales de refrige-ración:

a) Elevación de la temperatura de la sustancia refrigerante. (Efecto sensible)Si disponemos de una sustancia a menor temperatura que la carga que deseamosenfriar aquélla enfriará la carga aumentando su temperatura. En este sentido esfrecuente la utilización de aire frío o agua fría para enfriar un recinto.Hagamos un sencillo cálculo para poner de manifiesto la forma de actuar de esteprincipio. Consideremos un agente frigorífico que actúa por el principio sensible,por ejemplo, agua fría para enfriar un local. De una forma práctica, este caso es elque se da cuando se utiliza un fancoil. Supongamos que la carga frigorífica dellocal es de 3.800 W. Se cumplirá la siguiente relación:

Q = m cp (t2 - t1) (6)siendo Q la carga frigorífica,m el caudal másico de agua fría,cp el calor específico del agua (aproximadamente 4.187 J/(kgK)),t2 la temperatura final del agua yt1 la temperatura inicial.

Para un caudal de 0,1 kg/s que sería el correspondiente a una tubería de 9 mm,con una velocidad aproximada de 1,5 m/s, la diferencia de temperaturas sería de:

Q 3800 ∆t = ⎯⎯⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯ = 9,1 ºC

m cp 0,1 × 4187

Es decir, que podríamos utilizar agua fría a 12 oC que saldría a 12 + 9,1 = 21,1 oC.

b) Cambio de fase de la sustancia refrigerante. (Efecto latente)Cuando un sólido pasa a gas directamente el proceso se llama sublimación y seabsorbe calor, por lo tanto puede utilizarse para enfriar una carga. Si un sólidopasa a líquido también absorbe calor y el proceso se llama fusión. Si un líquidopasa a gas también se absorbe calor y el proceso se llama evaporación. La subli-mación, la fusión y la evaporación pueden utilizarse para enfriar y el efecto frigo-rífico consiguiente se llama latente. El calor por unidad de masa absorbido paraproducir el cambio de estado se llama calor latente de evaporación, fusión osublimación.

Así por ejemplo, el calor latente de evaporación del agua (que varía con la tem-peratura) toma los valores indicados en la tabla 2.1[2], [3].

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. .

.

.

.

.


Tabla 2.1 Calor de evaporación del agua

tºC p(kPa) hf2(kJ/kg)

0 0,61 2.500

10 1,23 2.477

20 2,34 2.453

30 4,25 2.430

40 7,38 2.406

50 12,35 2.382

60 19,95 2.357

70 31,20 2.333

80 47,41 2.308

90 70,18 2.282

100 101,33 2.256

Si pudiéramos utilizar agua líquida a 12 oC y aprovechar el calor latente de eva-poración para enfriar el local del ejemplo numérico anterior, necesitaríamos uncaudal de agua:

Q 3800 m = ⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯ = 0,0015 kg/s

hfg 2472 × 103

Si comparamos esta cantidad con la que se precisaba en el caso de la refrigeraciónsensible parece evidente que la refrigeración sensible es menos eficiente que lalatente en lo que hace referencia a la cantidad de refrigerante. Otra cosa es la difi-cultad de utilizar agua líquida saturada a 12 oC. Obsérvese que a esta temperatu-ra la presión es muy baja.

c) Expansión de un gas real. (Efecto Joule-Thomson)La expansión de un gas real es un proceso que, aproximadamente, transcurre aentalpía constante. Para poner este hecho de manifiesto consideremos un flujo degas que entre las secciones 1 y 2 sufre una expansión brusca, por ejemplo porqueentre las secciones consideradas existe un tapón poroso. La ecuación de la ener-gía [2] entre 1 y 2 nos permite escribir:

c 22 - c 1

2

q = h2 - h1 + ⎯⎯⎯⎯ + g(z2 - z1) + wm (7)2

siendo q el calor por unidad de masa, intercambiado con el medio,h2 y h1 las entalpías específicas en 2 y 1 respectivamente,

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..


g la gravedad,z2 y z1 las alturas geométricas de referencia de las secciones 2 y 1 respectivamen-

te, ywm el trabajo de máquina.q es despreciable, la variación de energía cinética y energía potencial también yno hay trabajo de máquina, por tanto:

h2 ≅ h1 (8)

Consideremos ahora las isoentálpicas del gas en cuestión en un diagrama T,p (verFig. 2.6). Las isoentálpicas son curvas que presentan un punto de inversión.

Figura 2.6. Curva de inversión del efecto Joule-Thompson.

A la izquierda del punto de inversión una disminución de presión produce unadisminución de temperatura, pero a la derecha del punto de inversión, ocurre locontrario, es decir, una disminución de presión produce un aumento de la tem-peratura. Por tanto, si pretendemos enfriar un gas mediante una expansión debe-remos asegurarnos de que estamos dentro de la llamada curva de inversión, quesería la curva que une los diferentes puntos de inversión de las isoentálpicas. A priori podríamos saber si estamos a la izquierda o a la derecha del punto deinversión calculando la derivada, que recibe el nombre de coeficiente de Joule-Thomson, µ:

∂ Tµ = ( ⎯⎯ )

h(9)

∂ p

Si el coeficiente de Joule-Thomson es positivo la expansión produce una dismi-nución de la temperatura.

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No es difícil obtener una relación entre m y cp el calor específico a presión cons-tante [3],[4]:

1 ∂ vµ = ⎯⎯ [T (⎯⎯)

p- v] (10)

cp ∂ T

El signo vendrá determinado por la expresión interior del paréntesis. La deriva-da del volumen específico respecto a la temperatura, a presión constante, debeobtenerse a partir de una ecuación de estado fiable, sobre todo para gases con uncomportamiento próximo al ideal, puesto que para un gas ideal la expresión inte-rior del paréntesis es cero y en la práctica se obtendrán valores pequeños. Volviendo a la gráfica de la figura 2.3 podemos observar que la curva de inver-sión corta el eje vertical, en p = 0, en un punto que representa la temperaturamáxima de inversión, Tin, que representa la temperatura por encima de la cual nose produce enfriamiento, sea cual sea la presión inicial. Así por ejemplo, para elH2 esta temperatura es de -68 oC, lo cual quiere decir que para producir descen-sos de temperatura con una estrangulación primero deberemos enfriar el gas pordebajo de esta temperatura. Sin embargo, para el N2 es de 348 oC, temperaturasuficientemente alta para asegurar que casi siempre tendremos un enfriamiento.Para el helio es de -250 oC, por tanto, es otro gas que no se enfriará por estrangu-lación hasta muy baja temperatura.En la figura 2.7 se ha representado a escala real, el diagrama p-h del N2; la posi-bilidad de obtener enfriamientos o calentamientos mediante una estrangulación,es más fácil de ver en un diagrama de estas características. La línea 12 correspon-de a una expansión con calentamiento (de 72 MPa y 220 K a 35 MPa y 230 K). Lalínea 34 corresponde a una estrangulación con enfriamiento (de 7 MPa y 220 K a2,3 MPa y 200 K).

d) Refrigeración termoeléctrica. (Efecto Peltier)En 1822, Seebeck descubrió que la unión de dos metales diferentes, a diferentetemperatura, produce una fuerza electromotriz. Este fenómeno constituye elprincipio de un dispositivo de conversión directa de energía y también de un sen-sor utilísimo de temperatura, denominado termopar. Los metales corrientes gene-ran una fuerza electromotriz muy pequeña, equivalente a unos pocos milivoltspor grado de diferencia de temperatura, pero con semiconductores pueden obte-nerse voltajes de salida mucho mayores. En 1834, Peltier descubrió que el efecto Seebeck era reversible, es decir, que si sehace fluir una corriente eléctrica por un circuito formado por dos metales diferen-tes, una de las soldaduras se calienta mientras que la otra se enfría [5]. Igualmentesi se utilizan materiales semiconductores, el efecto Peltier se incrementa, con loque es posible obtener un refrigerador basado en este fenómeno.

20



Figura 2.7. Porción del diagrama p-h del nitrógeno.

e) Refrigeración paramagnéticaEs el método que permite aproximarnos al cero absoluto, es decir, los 0 K [1]. Lassustancias que son atraídas por un imán se llaman paramagnéticas. Cuando unasal paramagnética se somete a un campo magnético sus moléculas se orientan enél como si fuesen pequeños imanes. Se trata de enfriar la sal por procedimientosconvencionales hasta una temperatura de 1 K aproximadamente. A continuaciónse aplica un potente campo magnético que orienta las moléculas. Este procesogenera calor que debe absorber un refrigerante, por ejemplo, helio líquido. Sisacamos el helio y aislamos la sal retirando el campo magnético, la sal consumeenergía interna descendiendo su temperatura hasta una pequeña fracción porencima del cero absoluto. Técnicas parecidas pero aplicadas a los núcleos atómi-cos permiten obtener temperaturas de sólo millonésimas de grado K.

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Presión, MPa

Enta

lpía

, kJ/

kg


4. Métodos frigoríficos4.1 IntroducciónLos métodos frigoríficos que actualmente se consideran son (por orden de impor-tancia):

El ciclo de compresión de vaporCiclos de absorciónCiclos de gasRefrigeración termoeléctrica

4.2 El ciclo de compresión de vaporLa refrigeración mecánica implica una transferencia de calor desde una temperaturainferior a otra superior. Este proceso hará necesario utilizar un ciclo termodinámicoinverso (recorrido en sentido antihorario) que consumirá trabajo. Uno de los máscomunes es el ciclo de compresión de vapor. La idea fundamental del ciclo es evaporarun líquido a baja presión para que absorba calor y condensarlo a alta presión para queceda el calor extraído. Como habrá sido necesario comprimir el gas, el calor cedidoincluirá el absorbido más la energía mecánica de compresión. Los elementos funda-mentales de un ciclo de compresión de vapor son: el evaporador, el compresor, el con-densador y un sistema de expansión que puede ser una válvula o un simple tubo capi-lar (en la figura 2.8 se ha representado un ciclo simple de compresión de vapor).

Figura 2.8. Elementos del ciclo simple de compresión de vapor.

4.3 Ciclos de absorción¿Existe alguna posibilidad de pasar de las condiciones de baja presión en el evapora-dor a las de alta presión en el condensador, sin que tengamos que invertir la gran can-tidad de trabajo mecánico que se necesita para comprimir un gas? La respuesta a estapregunta no es indiferente porque si pudiéramos resolver el problema comprimiendouna disolución, la energía de calidad (mecánica o eléctrica) consumida sería práctica-mente despreciable. De hecho la respuesta a esta pregunta son los ciclos de absorciónconocidos de muy antiguo, la primera patente data de 1860, y que no han encontradoen el mercado el lugar que les corresponde, siempre ahogados por la superior deman-

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da de los ciclos de compresión de vapor. El auge de los sistemas de cogeneración, unade cuyas aplicaciones es la posibilidad de aprovechar el calor para obtener fríomediante una máquina de absorción, ha hecho reverdecer esperanzas en este métodotan prometedor y tan respetuoso con el medio ambiente, puesto que permite, por unaparte, aprovechar energías de origen entálpico que de otro modo se perderían, y deotra, utilizar energía térmica, que es más barata que la eléctrica o la mecànica.

La máquina de absorción utiliza un ingenioso procedimiento para sustituir la compre-sión del vapor por la compresión de una disolución generalmente acuosa. Bási-camente, se trata de absorber el vapor resultante del evaporador, diluirlo en un disol-vente y comprimirlo. Posteriormente, se calienta la disolución comprimida para libe-rar el vapor y enviarlo al condensador. La absorción se realiza en un tanque o depósi-to denominado absorbedor, y el calentamiento y producción de vapor en otro denomi-nado generador (véase la figura 2.9). La presencia inconfundible de estos depósitos,generalmente cilíndricos y situados uno encima del otro, confiere a la máquina deabsorción su aspecto típico.

Figura 2.9. Elementos del ciclo de absorción.

Existen dos ciclos básicos de absorción: el de amoníaco, que utiliza NH3 como fluidofrigorífico y agua como disolvente, y el de bromuro de litio, que utiliza agua comofluido frigorífico y una disolución de LiBr en agua como disolvente.

Las características fundamentales de los ciclos de absorción son:

Ventajas

Compresión de un líquido en lugar de un vapor. El consumo energético de estaoperación es un gasto menor en la instalación, hasta el extremo que en muchasocasiones ni siquiera se tiene en cuenta en los cálculos preliminares.La energía básica que consume la máquina de absorción es el calor que se propor-ciona al generador. El calor, aportado por un combustible, es una energía cara. Noobstante, el calor recuperado (en realidad deberíamos referirnos a la entalpía),procedente de los humos de escape de una turbina de gas o de los humos de unacaldera, es casi gratuito. Esta es la gran posibilidad que hace atractiva la máqui-na de absorción.

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La máquina de absorción puede ser el complemento valioso de una instalación decogeneración, en la que se produce simultáneamente calor y electricidad. El calorpuede utilizarse como fuente energética de la máquina de absorción. El objetivoprioritario de la instalación de cogeneración es la producción de electricidad; elcalor se obtiene de la entalpía de los gases de escape de la turbina de gas o delmotor de combustión, por lo que, en cierto sentido, podemos hablar de una fuen-te energética gratuita, en este caso, para la máquina de absorción.

Inconvenientes

La máquina de absorción tiene un COP inferior, bastante inferior, en igualdad decondiciones, que el ciclo de compresión de vapor equivalente. Sin embargo, hayque matizar este hecho en tanto que no es tan importante el COP como el costede la energía primaria utilizada y en el caso de las máquinas de absorción el costees sensiblemente inferior. Además, el ciclo real de absorción de NH3 ha de incluirun dispositivo a la salida del generador para eliminar el disolvente, pues de locontrario éste pasaría primero al condensador y después al evaporador alterandolas temperaturas de condensación y de evaporación.Son muy pocos los fluidos frigoríficos que se pueden utilizar en la máquina deabsorción. Ello es debido a que a los condicionantes básicos necesarios hay quesumarles el de poder ser absorbidos por el disolvente.La máquina de absorción es más cara (euros/kW frigorífico).

4.4 Ciclos de gasSe llaman así los ciclos basados, fundamentalmente, en el ciclo termodinámico deBrayton invertido [6]. El fluido frigorífico generalmente es aire. El COP del ciclo esmuy bajo y la utilización de esta clase de ciclos ha de obedecer a causas muy precisas.

Los ciclos de gas se basan en aprovechar el efecto sensible para enfriar la carga; tie-nen un rendimiento muy bajo que les sitúa fuera del mercado frente a los ciclos decompresión de vapor y los de absorción. Sin embargo, se utilizan en aplicacionesespecíficas.

4.5 Refrigeración termoeléctricaYa citada anteriormente al hablar de los efectos frigoríficos. Esta interesante técnicafrigorífica está basada en el efecto peltier. La forma práctica de llevarla a cabo consis-te en instalar una batería de uniones frías en el recinto en el que quiere extraerse calory una batería de uniones calientes fuera [5]. Se han construido modelos experimenta-les que funcionan con eficiencias muy bajas, entre un 5 y un 15 %, pero es un sistemaque aún no se ha explotado comercialmente de una forma sistemática aunque puedencitarse determinadas aplicaciones puntuales.

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Capítulo 3

FLUIDOS FRIGORÍFICOS

1. IntroducciónLas máquinas frigoríficas trabajan mediante ciclos termodinámicos de refrigeraciónque requieren un fluido de trabajo que recibe el nombre de fluido frigorífico, refrigeran-te o frigorígeno. Según la naturaleza del ciclo (compresión, absorción y ciclos de gas) seconsideran más o menos aptas diferentes sustancias químicas. Cuando se utiliza lapalabra refrigerante hay que llevar cuidado porque se aplica indistintamente a los flui-dos frigoríficos de los ciclos termodinámicos y a las sustancias frigoríficas secundariasque nada tienen que ver con estos otros refrigerantes. Para evitar confusiones en eltexto, nos referiremos a los fluidos frigoríficos de los ciclos de compresión, absorcióny gas con el nombre de frigorígenos. Los ciclos de gas tienen una incidencia totalmen-te despreciable en el mercado, por lo que no serán objeto de estudio. Los ciclos decompresión y de absorción, a pesar de ser muy diferentes, utilizan o pueden utilizarlos mismos frigorígenos, con la salvedad de ser mucho más numerosos los utilizadosen los ciclos de compresión.

En esencia, un frigorígeno debe ser una sustancia química (o una mezcla de sustan-cias) que se evapore a baja presión y condense a alta presión, procurando que la dife-rencia de presiones no sea excesiva. Esta última condición es necesaria para evitar unapotencia de compresión muy elevada que encarezca el proceso. Hace falta considerarmuchas otras propiedades. Hemos empezado con ésta para situar al lector en estetema tan apasionante de los fluidos frigoríficos. El lector que conoce otras obras deesta colección sabe que nos gusta utilizar muchos ejemplos para ilustrar los temasexpuestos.

La incidencia de los refrigerantes que contienen cloro y bromo en su molécula, en lacapa de ozono, y todos en general, en el efecto invernadero, ha cambiado radicalmen-te el panorama de los refrigerantes introduciendo un debate que todavía no ha con-cluido. Este es el motivo que nos ha inspirado la redacción de este trabajo: poner aldía la información que tenemos hasta ahora sobre estos productos [7].

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Ejemplo 3.1Comparar el comportamiento del NH3 y del R-134a en un ciclo ideal de compresiónde vapor, entre -20 oC y 50 oC, suponiendo que la compresión es isentrópica, que nohay ni recalentamiento del gas a la salida del evaporador, ni subenfriamiento dellíquido a la salida del condensador.

Consideremos el ciclo simple de compresión de vapor cuyos elementos se muestranen la figura 3.1. El punto 1 representa la aspiración o salida del evaporador (estado devapor saturado), 2 la salida del compresor (estado de vapor recalentado), 3 la salidadel condensador (estado de líquido saturado) y 4 la entrada en el evaporador.

Figura 3.1. Elementos básicos del ciclo simple de compresión de vapor.

El trabajo específico de compresión,w'c :

w'c = h2 - h1 (11)

La potencia de compresión, N'c :

N'c = mr w'c (12)

El calor absorbido en el evaporador, qe:

qe = h1 - h4 (13)

Y la potencia de refrigeración,QE :

QE = mr qe (14)

siendoh la entalpía ymr el caudal másico de refrigerante.

El símbolo ' se emplea para indicar que el trabajo de compresión se expresa en valorabsoluto.

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.

.

. .

.


Se utilizarán los diagramas termodinámicos de ASHRAE [8] para determinar lasentalpías de los estados característicos una vez dibujados los ciclos (es una laborentretenida que dejamos de la mano del lector).

Para el NH3:

h1 = 480 kJ/kg h2 = 850 kJ/kg h4 = -525 kJ/kg

qe = h1 - h4 = 480 - (-525) = 1005 kJ/kg

Supondremos que deseamos obtener 1 kW de potencia frigorífica. Se necesita:

QE 1mr = ⎯⎯⎯ = ⎯⎯⎯ = 0,000995 kg/s

qe 1005

w'c = h2 - h1 = 850 - 480 = 370 kJ/kg

con lo que la potencia de compresión será:

N'c = mr w'c = 0,000995 ´ 370 = 0,3682 kW

Para el R-134a:

h1 = 387 kJ/kg h2 = 436 kJ/kg h4 = 272 kJ/kgw'c = h2 - h1 = 436 - 387 = 49 kJ/kg qe = h1 - h4 = 387 - 272 = 115 kJ/kg

El caudal necesario:QE 1

mr = ⎯⎯ = ⎯⎯ = 0,008696 kg/sqe 115

La potencia de compresión:

N'c = mr w'c = 0,008696 ´ 49 = 0,4261 kW

La conclusión es que para obtener la misma potencia frigorífica el consumo energéti-co ideal, en el caso de utilizar NH3, es:

0,4261 - 0,3682⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ × 100 = 13,59

0,4261

un 13,59 % menor. Si no hubieran otras consideraciones, el NH3 es termodinámica-mente mejor que el R-134a. [1].

27

Fluidos frigoríficos

..

.

..

.


2. Resumen histórico2.1 IntroducciónLa historia de los refrigerantes está íntimamente relacionada con la de la refrigeración.La primera máquina de refrigeración se patentó en 1834 por Jacob Perkins. Se tratabade una máquina de absorción que utilizaba éter. Así pues, esta sustancia tendría el pri-vilegio de ser el primer refrigerante industrial. En 1850 Edmond Carré patentó la pri-mera máquina de absorción que funcionaba con agua como refrigerante y ácido sul-fúrico como absorbente. Su hermano, Ferdinand, comercializó en 1859 una máquinade absorción con amoníaco como refrigerante y agua como absorbente. En 1867 se uti-liza el CO2 como refrigerante en la compresión de vapor, el NH3 en 1873, el SO2 y elCH3-O-CH3 en 1875 y el ClCH3 en 1878. En 1928 Carrier utiliza el C2H4Cl2 en lasmáquinas de compresión de vapor con compresores centrífugos.

Todos estos refrigerantes eran inflamables y tóxicos, excepto el CO2. El CO2 tiene unaspropiedades relacionadas con la seguridad excelentes pero sus propiedades termodi-námicas no son buenas.

Antes de 1928 se utilizaba en las máquinas de compresión de vapor el NH3 y algúnotro fluido, como el CO2, el SO2 y el ClCH3 (cloruro de metilo). Charles Kettering, dela General Motors Corporation, impulsó la investigación de nuevos compuestos quefueran menos tóxicos que el NH3. Se encargó de este trabajo Thomas Midgley que tra-bajaba en la Kinetic Chemical Company (más tarde llamada Freon Products Division)de Du Pont. En 1928, Midgley, junto a Henne y McNary, identificaron y sintetizaronel diclorodifluormetano (R-12).

No era tóxico al uso de la época ni inflamable. En una convención de la AmericanChemical Society, Midgley anunció las fabulosas propiedades del R-12 llegando aefectuar una demostración práctica inhalando sus vapores y soplando después sobreuna vela para demostrar que no era ni tóxico ni inflamable. La producción comercialdel R-12 empezó en 1931, la del R-11 en 1932, la del R-114 en 1933 y la del R-113 en1934. La del primer hidroclorofluor derivado, el R-22, empezó en 1936.

A los 17 años expiró la patente y otros fabricantes los pudieron comercializar con otrosnombres (ver tablas 3.1 y 3.2).

Tabla 3.1 Primeras patentes de refrigerantes

Nombre Compañía

Freon E.I. du Pont de Nemours

Genetron General Chemical Division of Allied Chemical and Dye Corporation

Isotron Pennsylvania Salt Manufacturing Company

Arcton Imperial Chemicals of England

28



Tabla 3.2 Situación actual del mercado de refrigerantes

Producto Compañía

Genetron Allied Signal

Klea ICI

Forane Elf Atochem

Solkane Solvay

Meforex Ausimont

Asahiflon Asahi Glass

Suva Mitsui-Du Pont

Diaflon Daikin

Ecoloace Showa Denko

2.2 Los clásicosHasta mediados de los noventa se han utilizado básicamente los siguientes refrigeran-tes, que llamaremos clásicos:

R-12, Cl2F2C (diclorodifluormetano) en aplicaciones de temperatura media (con-servación de productos frescos, cámaras de 0 oC);R-22, HC2F2C (clorodifluormetano) en aplicaciones de alta temperatura (aireacondicionado, bomba de calor, salas de preparación, etc.);R-502, mezcla azeotrópica de R-22 y R-115 (CClF2-CF3) con una proporción del48,8 y del 51,2% en peso respectivamente, en aplicaciones de baja temperatura(cámaras de congelación, túneles, etc.);R-11, Cl3FC (triclorofluormetano) en instalaciones con compresores centrífugos(chillers) y aerosoles;R-717, NH3, (amoníaco) instalaciones frigoríficas industriales [9].

Menos importantes:R-13B1, BrF3C (bromotrifluormetano) en aplicaciones de muy baja temperatura;R-500, mezcla azeotrópica de R-12 y R-152a (CH2F-CH2F) con una proporción del73,8 y 26,2% en peso, respectivamente, en aplicaciones de transporte frigorífico.

2.3 La irrupción de Molina y RowlandEn 1974 (Nature, 1974) Rowland y Molina alertan sobre el efecto de los compuestosclorofluorocarbonados sobre el ozono estratosférico. Mario Molina es profesor delMIT, Cambridge, y Sherwood Rowland es profesor de la Universidad de California,Irvine. Ambos recibieron en 1995 el Nobel de Química. De hecho, en 1973, otro inves-

29



tigador, James Lovelock, había publicado la existencia de trazas de refrigerantes en laatmósfera. A partir de los ochenta se analizan los datos del espesor de la capa deozono medida sobre la Antártida. Desde hacía años se venía recogiendo esta informa-ción computarizada pero no se había prestado atención a los datos relativos al grosorde la capa de ozono.

El año 1985 representa la inflexión. Un artículo en Nature describe el alcance del pro-blema. En 1989 se empiezan a tomar las primeras medidas. Se limita la utilización delos refrigerantes con cloro en su molécula y se llega a la total prohibición de su uso yfabricación el 12 de diciembre de 1994, en la Unión Europea y en muchos otros países.

Una consecuencia de estos hechos es la desenfrenada carrera establecida por los prin-cipales laboratorios y fabricantes de refrigerantes para hallar sustitutos de los refrige-rantes prohibidos. Primero en una fase que no requiera la modificación sustancial delos equipos (refrigerantes drop in) y posteriormente en otra que utilizaría los refrige-rantes llamados "definitivos", que sí requeriría la modificación de los equipos o laconstrucción de nuevos. Esta carrera aún no ha terminado y, por lo tanto, no podemosafirmar que existan determinados refrigerantes consensuados por todo el mundo co-mo sustitutos de los prohibidos. Además, el problema se ha complicado con otrohecho a tener en cuenta en los próximos años: se ha abierto un debate internacionalsobre la contribución de determinados gases, entre ellos los refrigerantes, en el efectoinvernadero, responsable del tan controvertido cambio climático. Así, resulta que al-gunos refrigerantes propuestos como sustitutos definitivos porque son benignos parala capa de ozono contribuyen al efecto invernadero.

3. Clasificación3.1. IntroducciónEn la clasificación de los refrigerantes utilizaremos el criterio de ASHRAE [8] y lasindicaciones de la EPA (Environmental Protection Agency) [10].

La ASHRAE clasifica los refrigerantes de forma muy general en los tipos siguientes:

Derivados halogenadosMezclas zeotrópicasMezclas azeotrópicasHidrocarburos saturadosHidrocarburos insaturadosCompuestos orgánicos no alquílicosCompuestos inorgánicos

30



3.2. Derivados halogenados saturadosProceden del metano, etano y propano por sustitución parcial o total de los átomos dehidrógeno por átomos de Cl, F. Pueden ser del tipo:

CFC

Contienen Cl, F y C en su molécula. Se denominan clorofluorocarbonados. Estos refri-gerantes dejaron de utilizarse a finales de 1994 en la UEE (Propuesta de ReglamentoCEE 594/91, modificado por el 3952/92) y a finales de 1995 en el resto de paises occi-dentales.

HCFC

Contienen H, Cl, F y C en su molécula. Se denominan hidroclorofluorocarbonados.Dejarán de producir en Europa a finales de 2014 (Propuesta de Reglamento CEE7409/94) y a finales del 2029 en los otros firmantes del Protocolo de Montreal, aunqueestas fechas pueden verse modificadas por decisión de los organismos competentes.

HFC

Contienen H, F y C en su molécula. Se denominan hidrofluorocarbonados. Son com-puestos que no perjudican la capa de ozono (un ODP nulo, ver apartado 5.6.4).

PFC

Sólo contienen F y C. Se denominan perfluorocarbonados. El prefijo "per" hace refe-rencia a que el compuesto tiene el máximo número posible de átomos de fluor. Soncompuestos que no perjudican la capa de ozono (un ODP nulo).

Halones

Contienen H, Br, F y C en su molécula. Se denominan hidrobromofluorocarbonados.Les afecta la misma prohibición que a los que contienen cloro en su molécula.

3.3. Derivados halogenados insaturadosProceden de hidrocarburos insaturados por sustitución parcial o total de los átomosde hidrógeno por átomos de F, Cl o Br. Por ejemplo, el R-1140 es el 1-cloroeteno.

3.4. Mezclas zeotrópicasSon mezclas de refrigerantes puros que se caracterizan por tener, a la misma presión,una temperatura diferente de ebullición y de condensación. La diferencia de estastemperaturas es una característica fundamental de estos refrigerantes, llamada desli-zamiento. Según la norma standard 34, su numeración empieza por el número 4, de ahíque también se les conozca como gama de los cuatrocientos. Un ejemplo sería el R-404A,

31



constituido por R-125, R-143a y R-134a, con una proporción del 44,52 y 4% en peso,respectivamente.

3.5. Mezclas azeotrópicasSon mezclas de refrigerantes puros con la particularidad de que tienen un únicopunto de ebullición, es decir, aun tratándose de mezclas, tienen un comportamientosimilar al de una sustancia pura. Según la norma standard 34 su numeración empie-za por el número 5. Un ejemplo sería el R-502, constituido por R-22 y R-115 con unaproporción del 48,8 y del 51,2% en peso, respectivamente.

3.6. Hidrocarburos saturadosAlgunos hidrocarburos saturados pueden utilizarse directamente como refrigerantes,otros forman parte de mezclas que se han propuesto como sustitutos de los CFC yHCFC. Por ejemplo, el R-600, butano, es un componente minoritario del R-416A.

3.7. Hidrocarburos insaturadosPodemos decir lo mismo que en el caso de los saturados. Algunos hidrocarburos insa-turados forman parte de mezclas propuestas como sustitutos de los CFC y HCFC. Porejemplo, el R-1270, el propileno, es un componente minoritario del R-411B.

3.8. Compuestos orgánicos no alquílicosEntre ellos estan el eter etílico, la metilamina, el eter metílico y algunos más que debenmencionarse debido a su utilización pionera más que a su utilización actual, puestoque son inflamables y tóxicos.

3.9. Compuestos inorgánicosEstán los gases simples, O2, N2, etc., y los compuestos inorgánicos, H2O, NH3, CO2,etc. Otros como el SO2 y compuestos derivados con el grupo éter sólo tienen un inte-rés histórico.

4. Identificación4.1. IntroducciónLa identificación de un refrigerante puede hacerse a partir de su nombre químico segúnla formulación oficial vigente, su fórmula química, el nombre comercial o el código asig-nado por un organismo internacional. Un ejemplo sería el clorodifluorometano, cuyafórmula es CHClF2, su nombre comercial (uno de ellos) freon 22 y su nombre de códi-go internacional R-22. El código internacional se basa en la instrucción Standard 34 dela ASHRAE que asigna a cada refrigerante un número determinado según unas nor-mas que explicaremos a continuación.

32



4.2. Standard 34 de ASHRAE

A - Derivados halogenados que no contienen bromo

Se utiliza un número de tres dígitos. El primero a partir de la derecha es el número de áto-mos de fluor, el segundo es el número de átomos de hidrógeno más uno y el tercero es elnúmero de átomos de carbono menos uno. Si este último es cero se omite. Por ejemplodifluoroetano, CH3CHF2, tendría el número de código 152.

Una forma práctica para descodificar el número sería sumarle 90, con lo que ten-dríamos el número de átomos de C, de H y de F. Por ejemplo,

152 + 90 = 242 (2 de C, 4 de H, 2 de F)

Estos compuestos pueden tener isómeros (la misma fórmula empírica pero dife-rente distrtibución atómica) por ejemplo, el R-141, el C2H3Cl2F, puede tener lasestructuras siguientes:

CHFCl-CH2Cl CHCl2-CH2F CFCl2-CH3

Cada una con el mismo peso molecular pero con propiedades químicas y físicasdistintas, por lo que será necesario diferenciarlos.

El criterio que se utiliza es el siguiente:

A1 - Derivados del etanoUna letra minúscula, a, b, c.. o ninguna letra. Los átomos de Cl, F y H tienenpesos atómicos diferentes. El Cl, 35,45, el F, 19,00 y el H 1,01. Según estén dis-puestos en uno u otro carbono queda una molécula más o menos equilibrada.Las letras indican el orden de equilibrio (sin letra el más equilibrado, a el siguiente, bel siguiente, etc.). Se verá mucho mejor con un ejemplo.

R-141, CHFCl-CH2Cl Es el más equilibrado.R-141a, CHCl2-CH2F Está en medio.R-141b, CFCl2-CH3 Es el menos equilibrado.

A2 - Derivados del propanoSe utilizan dos letras minúsculas. La primera letra indica alguna de las si-guientes combinaciones referidas al átomo central de carbono:

Cl2 a, Cl,F b, F2 c, Cl,H d, H,F e, H2 f

La segunda letra hace referencia al equilibrio de la molécula según el criterioque a corresponde a mayor equilibrio, b el siguiente, etc.

33



B - Derivados halogenados que contienen bromo (halones)

Se utiliza un número de cuatro dígitos, acompañado de la palabra halon, que indica direc-tamente el número de átomos de C, F, Cl y Br empezando por la izquierda. Por ejemplo,el Halon 1211 contiene 1 de C, 2 de F, 1 de Cl y 1 de Br, sería el CF2ClBr. Debeacompañarse el número con la palabra halon para que no se confunda con underivado halogenado insaturado que también utiliza cuatro dígitos.

C - Derivados halogenados insaturados

Se utiliza un número de cuatro dígitos. El primero por la izquierda, generalmente 1, indi-ca el número de enlaces insaturados, el segundo el número de átomos de C menos uno, eltercero el número de átomos de H más uno y el cuarto el número de átomos de F. Por ejem-plo el R-1114, sería el CF2=CF2.

5. Propiedades de los refrigerantes5.1 IntroducciónCuando mencionamos las propiedades de los refrigerantes nos referimos a las relacio-nadas con su comportamiento como fluidos frigoríficos. El estudio de estas propieda-des es esencial para comprender el funcionamiento de un ciclo frigorífico y tambiénpara elegir correctamente el refrigerante más adecuado en cada aplicación.

5.2 ClasificaciónPropiedades físicas

masa moleculardensidadviscosidad conductividad calor específicocalor latente de vaporizacióntensión superficial

Propiedades químicas

inflamabilidadtoxicidad y seguridadcompatibilidad con los lubricantescompatibilidad con la cargacompatibilidad con los materialesestabilidad

34



Propiedades termodinámicas

relación presión-temperatura para el estado de saturaciónvolumen específico, entalpía y entropía para el estado de saturación y para elvapor recalentadopunto de congelaciónpunto de ebulliciónpropiedades críticas: presión, temperatura, densidadrelación potencia caudalcoeficiente de eficacia

Propiedades medioambientales

Se trata de propiedades que ponen de manifiesto la interacción del refrigerante con elmedio ambiente. Fundamentalmente dos:

efecto sobre la capa de ozonoefecto invernadero

5.3 Propiedades físicasLas propiedades físicas dependen principalmente de la temperatura (excepto la masamolecular). Una información exhaustiva debería incluir una tabla de propiedades enfunción de la temperatura. Por su importancia incluimos las propiedades físicas delR-22, R-134a y NH3 en las tablas 1, 2 y 3 del Anexo I respectivamente. En la tabla 4incluimos las propiedades puntuales de otros refrigerantes.

5.4 Propiedades químicas

5.4.1 InflamabilidadRespecto a la inflamabilidad nos interesa conocer si es inflamable y la temperatura deautoignición. En la tabla 5 del Anejo I se dan algunos datos relativos a temperaturasde autoignición.

5.4.2 ToxicidadLa toxicidad se medía antiguamente con una numeración dada por los UnderwritersLaboratories. La numeración iba desde 1 hasta 6, indicando el número bajo mucha toxi-cidad (ver tabla 6 del Anexo I).

Actualmente se utiliza el criterio de la A.C.G.I.H. (American Conference of GovernmentalIndustrial Hygiene) de los Estados Unidos. Fija valores de concentración máxima um-bral o permisible para distintas sustancias o índice TLV (Threshold Limit Value). La AI-HA (American Industrial Hygiene Association) propone un índice WEEL de característi-cas similares al TLV. En el caso de los refrigerantes se utiliza el TWA (Time-Weighted

35



Average) que representa el valor medio ponderado en el tiempo para una jornada nor-mal de 8 horas en una semana laborable de 40 horas, al que pueden estar expuestoslos trabajadores de forma continuada sin sufrir efectos adversos. El máximo valor per-misible que no debe sobrepasarse, para la gran mayoría de refrigerantes halogenados,se ha establecido en 1000 ppm; una excepción es el R-123 con 30 ppm. Por supuesto,el NH3 es un gas tóxico y por tanto su TLV es mucho más bajo, 25 ppm.

Otro tema a considerar es la descomposición de los refrigerantes a elevadas tempera-turas, con motivo de un accidente, explosión o incendio, incluso que no tenga que verdirectamente con la instalación frigorífica. Los derivados halogenados producen sus-tancias tóxicas cuando se descomponen, principalmente fosgeno, que es un gas vene-noso con un olor acre. Deben seguirse fielmente las instrucciones de seguridad deri-vadas del manejo de estos productos.

En el caso del NH3 , que es un frigorígeno especialmente tóxico, esta cuestión ha sidobien estudiada [2]. En la tabla 7 del Anejo I se indican algunos resultados.

5.4.3 SeguridadLa Standard 34 de ASHRAE clasifica los refrigerantes en el tema de la seguridad conel siguiente código: dos letras, A y B, y tres números, 1, 2 y 3.

El grupo A representa que no hay toxicidad manifiesta a una concentración infe-rior de 400 ppm en volumen y por tanto es una sustancia segura. El grupo B indica que hay algún tipo de toxicidad a la misma concentración.

Los números indican el carácter inflamable del gas. El 1 que no es inflamable en condiciones ambientes estándar. El 2 que es inflamable por encima de 0,10 kg/m3 a 21 oC y 1,013 bar y tiene unpoder calorífico inferior a 19000 kJ/kg.El 3 que es inflamable por debajo del mismo límite anterior y que tiene un podercalorífico superior a 19000 kJ/kg.

En la tabla 8 del Anexo I se indica la clasificación correspondiente a algunos refrige-rantes [8].

5.4.4 Compatibilidad con la cargaLa compatibilidad con la carga hace referencia al hecho de que en caso de fuga el refri-gerante puede entrar en contacto con el producto refrigerado y hay que tener presen-te el efecto de este contacto. Los refrigerantes halogenados son relativamente inocuoscon los productos de alimentación, no así el NH3 que se disuelve en agua (todos losproductos alimenticios contienen agua). Una exposición prolongada de los alimentoscon el NH3 puede hacer que estos tomen mal sabor y que lleguen incluso a ser perju-diciales para la salud.

36



5.4.5 Compatibilidad con los materialesLa compatibilidad con los materiales establece la tolerancia de los refrigerantes conlos materiales con los que estará en contacto. Por ejemplo, el NH3 no es compatiblecon el cobre, por lo que las tuberías deben ser de acero. Los derivados halogenados síque son compatibles con el cobre. Otro problema importante de compatibilidad es elque existe con los elastómeros, debido a la presencia de estos materiales en muchasinstalaciones frigoríficas.

Los fabricantes de frigorígenos [11] proporcionan tablas de compatibilidades de susproductos con diferentes plásticos y elastómeros.

5.4.6 Compatibilidad con el aceiteLa compatibilidad con el aceite es un tema muy importante. No lo podemos estudiaren profundidad porque excedería los límites y alcance de esta obra. Recordemos aquílos principales tipos y aplicaciones. Los lubricantes son necesarios para engrasar laspartes móviles del compresor y para sellar las camisas de los cilindros si es alternati-vo o las cavidades en el caso de un rotatorio. El aceite saldrá del compresor y de unaforma u otra debe volver al mismo. Un exceso de aceite en el condensador o en el eva-porador alteraría las funciones de estos dos intercambiadores, sobre todo en el casode existir separación entre la fase líquida del refrigerante y el aceite (caso de inmisci-bilidad total o parcial).

Los principales tipos de lubricantes son:

Lubricantes minerales (MO)Se obtienen directamente del petróleo. Están constituidos por diversas clases dehidrocarburos: parafinas, naftenos y aromáticos. Según predomine una u otracantidad dará carácter al aceite. Son lubricantes baratos, que se utilizaban con losantiguos refrigerantes.

Lubricantes alquilbencénicos (AB)Tienen una molécula del tipo:

(CH3)2-CH-CH2-C(C6H6)CH3-[CHCH3-CH2]n- CHCH3-CH3

Algunos refrigerantes nuevos sólo tienen una capacidad de miscibilidad mediabaja con los aceites minerales. Los alquilbencénicos tienden a mejorar esta misci-bilidad. Se trata de hidrocarburos con núcleos bencénicos. El lubricante alquil-bencénico es totalmente miscible con el aceite mineral por lo que se facilita el pro-ceso de sustitución de un refrigerante antiguo por uno nuevo.

Lubricantes polialquil glicoles (PAG)Tienen una molécula del tipo:

R - O - CHCH3- CH2OH

37



Se utilizan con el R-134a y sobre todo en aplicaciones de automoción. No son mis-cibles con los aceites minerales. Esto dará problemas en los procesos de reconver-sión (retrofiting). Otro inconveniente es la elevada higroscopicidad de este aceite(debido a su carácter fuertemente polar). Por otra parte un inconveniente añadi-do es que el agua absorbida puede hidrolizar el aceite descomponiendo su molé-cula y por tanto perdiendo su capacidad lubricante.

Lubricantes poliol-éster (POE)Tienen una estructura del tipo:

C(R-COOCH2)4

Tiene una gran ventaja: son miscibles con los aceites minerales y con los CFC,HCFC y HFC y una desventaja: pueden hidrolizarse en presencia de agua por lo quedeben preservarse de la humedad aunque son menos higroscópicos que los PAG.

5.4.7 EstabilidadDurante muchos años una de las propiedades que han propiciado los fabricantes defrigorígenos ha sido la estabilidad. Es evidente que es una interesante propiedad queevita muchos problemas relacionados con el uso seguro de estos productos. Una sus-tancia estable es casi sinónima de inerte. Si es estable no es ni oxidante ni reductora,ni ácida, ni básica, ni inflamable; sin embargo, si una sustancia estable resulta peligro-sa por alguna causa, esta propiedad se vuelve en contra si nos hemos de proponer sudestrucción o sustitución. Es el caso de los CFCs. En la tabla 9 del anexo se dan datossobre la estabilidad de algunos refrigerantes.

5.5 Propiedades termodinámicas

5.5.1 IntroducciónLas propiedades termodinámicas son necesarias para evaluar y estudiar los ciclos ter-modinámicos de refrigeración. En la práctica frigorífica se utilizan únicamente lassiguientes propiedades:

presión y temperatura para determinar el estado del fluido.entalpía, entropía y volumen específico para el análisis de los ciclos termodiná-micos.

5.5.2 Estados de un fluido frigorífico en un ciclo de compresión de vapor

Consideramos las posibilidades siguientes (para una sustancia pura):

a) Estado de líquido subenfriadoEs un estado tal como el A en la figura 3.2 utilizando un diagrama T-s. Un ejem-plo sería el líquido que sale del condensador después de un enfriamiento.

38



Figura 3.2. Representación de los diferentes estados de un fluido frigorífico.

b) Estado de líquido saturadoEs un estado de equilibrio tal como el B, situado en la curva de equilibrio dellíquido saturado. Un ejemplo sería el líquido de condensado inmediatamentedespués de condensar, sin subenfriamiento.

c) Estado de mezcla líquido vaporEs un estado tal como el C, dentro de la campana que forman las curvas de líqui-do y vapor saturado. Un ejemplo sería la mezcla líquido-vapor a la salida de laválvula de expansión o en una cámara de flash.

d) Estado de vapor saturadoEs un estado tal como el D, situado sobre la curva de equilibrio del vapor satura-do. Un ejemplo sería el vapor saturado que sale del evaporador, sin recalenta-miento.

e) Estado de vapor recalentadoEs un estado tal como el E, situado en la zona del vapor recalentado. Un ejemplosería el vapor recalentado a la salida del evaporador o en la aspiración del com-presor o a la salida del compresor.

5.5.3 Ecuación de estadoPara cada uno de esos estados, excepto en la zona de mezcla líquido-vapor, se utilizanecuaciones diferentes, llamadas ecuaciones de estado, que relacionan las variables ter-modinámicas entre sí.

En el caso de vapor o líquido saturado es fácil disponer de ecuaciones relativamentesencillas del tipo

p = p(T), v = v(t), h= h(T), s = s(T)

39



El estado más complejo es el del vapor recalentado por cuanto que se trata de una fun-ción del tipo

F(p, v, T) = 0 (15)

Una notable simplificación la constituye el gas ideal

p v = R' T (16)

siendo`v el volumen específico, en m3/kg,R' la constante específica del gas (R' = R/M, R = 8314 J/kmolK, M la masa molecular

en kg/kmol).Todo gas real, que por definición es no ideal, cumplirá la relación:

p v = ZR'T (17)

siendo Z el factor de compresibilidad, dado por expresiones del tipo:

A(T) B(T) D(T)Z = 1 + ⎯⎯ + ⎯⎯ + ⎯⎯ + ... (18)

v v2 v3

siendo A(T), B(T), D(T), ... funciones de T generalmente de tipo polinómico.

La ecuación (17) tiene un carácter general. En el caso de los refrigerantes se ha utiliza-do la ecuación de Benedic, Webb y Rubin (BWR) o la de Martin Hou [3]. Esta últimaresulta muy apropiada por su relativa sencillez,

R'T A1 5 (A + B T + C exp(kT/Tc))ip = ⎯⎯ - ⎯⎯⎯⎯⎯ + Σ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ +

v - b Tn (v - C1) i = 2 (v - b)i

A6 + B6 T + C6 exp(kT/Tc) A7+ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ + ⎯⎯⎯⎯⎯ (19)

(1 + C7 exp(B7 v)exp(B7 v) v(v + b) T1/2

A partir de (3) teniendo en cuenta (4) es posible obtener la presión en función de T yv de forma directa y v a partir de p y T de forma indirecta o iterativa.

5.5.4 Determinación de la entalpíaLa diferencia de entalpías, para un gas real, entre dos estados cualesquiera 1 y 2, vienedada por la expresión [8],

40



2 2 δ vh2 - h1 = ∫ cp dT + ∫ [v - T(⎯⎯) ] dp

1 1 T p

En la práctica utilizaremos la expresión

hp,T = hTr + (h* - h)pr,Tr -(h* - h)p,T + (hp,T - hpr,Tr)* (20)

siendohTr la entalpía del vapor saturado a Tr,(h* - h)pr,Tr la desviación de la entalpía a pr y Tr,(h* - h)p,T la desviación de la entalpía a p y T y(hp,T - hpr,Tr)* la variación de entalpía de un gas ideal entre los estados pr ,Tr y

p,T.

Estos términos pueden calcularse con relativa facilidad a partir de las expresiones de-sarrolladas con más detalle en el anexo I de [6].

5.5.5 Determinación de la entropíaAnálogamente [6],

2 cp 2 δvs2 - s1 = ∫ ⎯⎯ dT - ∫ (⎯⎯) dp (21)

1 T 1 δT p

Para calcular la entropía utilizaremos la expresión

sp,T = sTr + (s* - s)pr,Tr -(s* - s)p,T + (sp,T - spr,Tr)* (22)

siendosTr la entropía del vapor saturado a Tr,(s* - s)pr,Tr la desviación de la entropía a pr y Tr,(s* - s)p,T la desviación de la entropía a p y T y(sp,T - spr,Tr)* la variación de entropía de un gas ideal entre los estados pr ,Tr y p,T.

Estos términos pueden calcularse con relativa facilidad a partir de las expresiones de-sarrolladas con más detalle en el Anexo I.

En los anexos se dan las tablas de propiedades de los principales fluidos frigoríficos.

5.5.6 Curva de tensión de vaporConstituye otro dato fundamental de los frigorígenos. La relación p-T correspondien-te al estado de saturación recibe el nombre de curva de tensión de vapor. Esta infor-

41



mación puede utilizar en forma de tablas, gráficos o ecuaciones. Es corriente utilizaruna expresión del tipo [8],

log p = A1 + A2 /T + A3/T2 + A4log T + A5 T + A6 T2 + A7 T3 ++ [A8 (A9 - T)/T] log [(A9- T) A10] (23)

donde log indica logaritmo decimal.

A título de ejemplo incluimos las constantes correspondientes al R-22.

A1 = 25,189356867A2 = -2136,2184178A3 = 0,0A4 = -7,8610312200A5 = 0,0039436902792A6 = 0,0A7 = 0,0A8 = 0,44574670300A9 = 381,16666666667A10 = 1,8

5.6 Propiedades medioambientales

5.6.1 La capa de ozonoEl ozono es una forma alotrópica del oxígeno. La variedad más común del oxígeno esel O2, presente en la atmósfera en un 21% aproximadamente. El ozono es el O3. Elozono es venenoso. Se encuentra disperso en toda la atmósfera en muy pequeña pro-porción aunque en la estratosfera se encuentra más concentrado entre los 10 y 50 kmsobre la superficie terrestre. El ozono se produce a partir del oxígeno molecularmediante una serie de reacciones catalizadas por los rayos ultravioletas (UV) que a suvez actúan sobre la molécula de ozono volviéndola a descomponer en oxígeno mole-cular. Esta acción activa y destructiva de la radiación solar ha mantenido la propor-ción de ozono prácticamente constante [12].

Las reacciones químicas son complejas; aplicándolas, a título de ejemplo, con el CCl3F,serían:

O2 + UV → O3

CCl3F + UV → Cl + CCl2FCl + O3 → ClO + O2

ClO + O → Cl + O2

42



y la reacción sigue con el átomo de cloro libre. Se trata de una reacción química encadena que va eliminando sistemáticamente el ozono.

Una característica de la capa de ozono es su inestabilidad periódica. En octubre de1987, sobre la Antárdida, había un agujero del tamaño de Estados Unidos, en cuyaparte central estaba destruido el 97% del ozono. En diciembre las concentracioneshabían vuelto a su nivel normal.

5.6.2 La radiación ultravioletaLa radiación ultravioleta (UV) abarca un rango de longitud de onda comprendidoentre 100 y 400 nm (nanómetros). A efectos de su incidencia en los seres vivos se cla-sifica esta franja del espectro en tres subzonas: alta (UV-C), media (UV-B) y baja (UV-A). La alta corresponde a la radiación de onda corta, entre 100 y 280 nm, que es la másdañina y a la vez la más fácilmente absorbida por el ozono en la parte alta de la atmós-fera. Una gran parte de la radiación de onda media, comprendida entre 280 y 315 nm,es absorbida por el ozono de la estratosfera. La baja, que corresponde a longitudes deonda comprendidas entre 315 y 400 nm, es prácticamente inocua. Si se daña la capade ozono la radiación más dañina es la que llega a la superficie terrestre. Los efectosson los siguientes: cáncer de piel, cataratas, menor productividad agrícola, alteracio-nes en el ADN, rápido deterioro de plásticos, pinturas y recubrimientos.

5.6.3 El efecto invernaderoAlgunos gases presentes en la atmósfera permiten el paso de la radiación solar deonda corta y retienen la de onda larga (principalmente radiación térmica) que reemi-te la superficie terrestre hacia el espacio exterior. El efecto es un progresivo calenta-miento de la atmósfera terrestre que aumenta su energía interna a costa del exceden-te energético solar. Es el mismo fenómeno que ocurre en un invernadero donde elvidrio de las paredes y claraboyas actúa como una trampa para la radiación de ondalarga, de ahí el nombre. No todos los gases tienen esta propiedad; los más importan-tes son el vapor de agua y el CO2 (ver tabla 3.3).

Tabla 3.3 - Acción de la radiación solar sobre ciertos gases

H2Ov (vapor de agua)

CO2 (dióxido de carbono)

Activos a la radiación solar de acción directa O3 (ozono)CH4 (metano)

N2O (óxido nitroso)

CFCs (derivados clorofluoro carbonados)

CO (monóxido de carbono)

Activos a la radiación solar de acción indirecta NOx (óxidos de nitrógeno)

SO2 (dióxido de azufre)

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Se calcula que una duplicación de la cantidad de CO2 emitido hasta la fecha por moti-vos antrópicos (debidos a la acción humana) ocasionaría un aumento de la tempera-tura media superficial del planeta entre 1,5 y 4,5 oC. Este aumento tendría efectosdevastadores relacionados con un cambio climático y la fusión del hielo de los polos.Hasta el año 1997 no se tenía la certeza de que se hubiese producido un aumento dela temperatura media global. Hoy día se puede considerar una certeza. Otra cosa sonlos efectos de este aumento que algunos científicos tienden a magnificar y otros aminimizar. Los diferentes gases mencionados que producen el efecto invernadero nolo hacen con la misma intensidad porque su concentración en la atmósfera es muydiferente. Así, por ejemplo, el CO2 con una tasa de aumento anual del 0,5% participaen el aumento del efecto invernadero en un 50%. El R-12, con una tasa (antes de la pro-hibición) del 5,0% sólo participa en un 13 % (ver tabla 3.4).

Tabla 3.4 - Participación de distintos gases en el efecto invernadero

Gas Capacidad Concentración Tasa de Participación potencial de actual en crecimiento en el aumento

calentamiento ppm anual del efecto

CO2 1 346 0,4 % 50 %

CH4 25 1,65 1,0 % 15 %

R-11 17.000 0,00023 5,0 % 13 %

R-12 20.000 0,0004 5,0 %

R-22 1700 - -

R-134a 1300 - -

N2O 250 0,35 0,2 % 9 %

5.6.4 Índices relacionados con el medio ambientea) Aplicados a la capa de ozono

Unidad Dobson. 100 unidades Dobson equivalen a una capa de ozono de 1 mmde espesor a nivel del mar.

TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer). Es un procedimiento para evaluarla concentración y representarla con un mapa de colores, donde el color indica laconcentración.

b) Aplicados a los refrigerantesODP (Ozone Depletion Potential). Poder destructivo frente al ozono. Se mideutilizando como referencia el valor unitario atribuido al R-11. Los compuestoshalogenados privados de cloro tienen un ODP igual a cero.

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GWP (Global Warming Potencial). Valoración del efecto invernadero. Es el nú-mero de kg de CO2 que deben ser lanzados a la atmósfera para provocar el mismoefecto sobre el recalentamiento global que 1 kg de fluido muestra. Influye el pe-riodo temporal considerado. Así se establecen baremos para 20, 100 y 500 años.

TEWI (Total Equivalent Warming Impact). Valoración del efecto invernadero porcausa directa e indirecta. Este índice tiene en cuenta algunas objeciones que losfrigoristas han puesto a la utilización única del GWP. Si un gas tiene un GWPmayor que otro pero permite utilizarlo con ciclos de alto rendimiento, se consu-mirá menos energía primaria y por lo tanto se contribuirá a una menor emisiónde CO2 a la atmósfera. El TEWI tiene en cuenta, además, el efecto invernaderoproducido por la emisión de CO2 que se ha producido como consecuencia de laenergía eléctrica consumida por la máquina de refrigeración utilizada.

En la tabla 12 del Anexo I se indican los índices medioambientales de algunos refri-gerantes.

5.6.5 NormativaConvenio de Viena (Protocolo de Montreal)En 1987 se celebra el Convenio de Viena y se firma el llamado Protocolo de Mon-treal, primer documento básico que establece un calendario de reducción de losderivados halogenados que destruyen la capa de ozono. Con algunas enmiendasposteriores (Londres 1990, Copenhague 1992, Viena 1995, Montreal 1997 y Beijing1999) el Protocolo de Montreal estableció una clasificación y un calendario deconsumo indicados de forma resumida en la tabla 2.13. Para cada grupo estable-ce el nivel base que representa la producción en aquel año de referencia y unaserie de reducciones progresivas en años sucesivos; en la tabla sólo se indica elaño en que cesa la producción y el consumo. Es importante advertir que elProtocolo deja una puerta abierta una puerta para lo que denomina "usos esen-ciales" y que posiblemente ha sido objeto de algunos abusos.Otra característica importante del Protocolo es que define y fija una clasificaciónde los refrigerantes, y derivados halogenados en general, bajo el prisma de suinfluencia en el medio ambiente.

Normativa europeaLa normativa ha sido más restrictiva que la derivada del protocolo de Montreal.Puede resumirse de forma muy sucinta:

31 de diciembre de 1995, cese de la fabricación y consumo de cualquier tipo deCFC.31 de diciembre de 2014, cese de la fabricación y consumo de cualquier tipo deHCFC.

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Protocolo de KiotoEl 11 de diciembre de 1997 se firmó en Kioto un acuerdo de buenas intencionespara para paliar los efectos del cambio climático por parte de un grupo bastantenumeroso de países. Entró en vigor el 16 de febrero de 2005. Básicamente obligaa los paises desarrollados a disminuir las emisiones de gases de efecto invernade-ro un 5,2% entre 2008 y 2012 respecto a las existentes en el año 1990.

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Capítulo 4

CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR

1. IntroducciónEl estudio de la refrigeración, como el de cualquier otra técnica o disciplina, compren-de una parte teórica llamada también de fundamento y otra práctica. La primera partede esta obra está dedicada al estudio de los ciclos de refrigeración y la segunda a lascámaras frigoríficas con sus capítulos dedicados a los aspectos introductorios de cadatema.

El ciclo de compresión de vapor es el más comúnmente utilizado. Emplea como fuen-te de energía trabajo mecánico, obtenido casi siempre a partir de un motor eléctrico.Por tanto, en estos casos, la fuente primaria de energía es la electricidad. El ciclo sefundamenta en la compresión de un vapor que al hallarse a mayor temperatura queel medio caliente le cede calor. Con ello el vapor se enfría y, si la presión es adecuada,incluso condensa. El condensado se expande en una válvula de expansión o en untubo capilar, con lo que, de una parte, pierde la presión proporcionada por el compre-sor y, por otra parte, experimenta un enfriamiento súbito que hace posible la absorciónde calor del medio frío que produce la vaporización del líquido. El gas será de nuevocomprimido por el compresor y de esta forma prosigue el ciclo. La condensación delvapor se efectúa en un condensador y la vaporización en un evaporador. Podría buscar-se una interpretación termodinámica del ciclo de comprensión de vapor en el cicloinvertido de Carnot [4]. En el capítulo 6, dedicado a los ciclos de gas, hacemos unamención especial del ciclo invertido de Carnot, como referencia de los ciclos de refri-geración.

Hay que señalar el hecho fundamental siguiente: el ciclo de compresión de vapor sepuede utilizar tanto para aprovechar el efecto frigorífico en el evaporador (máquinafrigorífica) como para aprovechar el efecto calorífico en el condensador (bomba decalor). Es difícil encontrar aplicaciones en las que se puedan utilizar simultáneamen-te ambos efectos, aunque no es imposible.

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