Trasferencia de calor en los componentes de refrigeracion

Transferencia de calor en el Sistema de Refrigeración

Ing. Leopoldo Rosario Ramos Página 1

REFRIGERACION

Si echamos agua en fase líquido a temperatura ambiente en un recipiente y tomamos

agua en la fase sólido y las echamos en el mismo recipiente se produce una transferencia

de calor del agua que se encuentra en la fase líquido hacia el agua que se encuentra en

la fase solido hasta alcanzar el equilibrio térmico. Esta transferencia de calor que se

efectúa desde un cuerpo de mayor calor hacia uno de menor calor es los que se llama

refrigeración. Ya que el agua que se encontraba a una temperatura por encima de 0 oC

transfirió su calor a la que se encontraba por debajo de 0 oC, aumentando una su

temperatura y bajando la otra su temperatura.

Entonces podemos decir que refrigeración es cuando se le extrae calor a un cuerpo

provocando una transferencia de calor de uno de mayor calor a otro de menor calor hasta

alcanzar su equilibrio térmico.

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN

Cuando en un cuerpo existe un gradiente de temperatura, se puede observar que hay una

transferencia de energía desde la región de mayor calor hacia la región de menor calor.

Se dice que la energía se ha transferido por conducción y que el flujo de calor por unidad

de área es proporcional al gradiente normal de temperatura:

Resistencia térmica

Propiedad física de los materiales que mide su capacidad de oponerse a un flujo de calor

Transmitancia térmica

Propiedad física de los materiales que mide la cantidad de energía que atraviesa un

elemento en una unidad de tiempo, es decir, mide el calor que se pierde o se gana a

través de un elemento



CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

Propiedad física de los materiales que mide su capacidad de conducción de calor, es

decir, mide como de fácil es el paso de calor a través de ellos.

Donde q es el flujo de calor, A es el área de la superficie donde se transferirá dicho calor y

𝜕𝑇

𝑑𝑇 es el gradiente de temperatura en la dirección del flujo de calor. La constante positiva k

se llama conductividad térmica del material, y se ha puesto el signo menos para satisfacer

el segundo principio de la termodinámica; esto es, el calor debe fluir hacia las

temperaturas decrecientes, como se indica en el sistema de coordenadas de la Figura 1

.1.

La Ec. (1.1) se llama ley de Fourier de la conducción de calor en honor al físico-

matemático francés Joseph Fourier, quien hizo contribuciones muy importantes al

tratamiento analítico de la transferencia de calor por conducción. Es importante señalar

que la Ec. (1.1) es la ecuación que define la conductividad térmica y que k tiene las

unidades de vatios por metro y por grado Celsius en un sistema de unidades en el que el

flujo de calor se exprese en vatios.

La Ec. (1.1) es la que define la conductividad térmica. Basándose en esta definición

pueden realizarse medidas experimentales para determinar la conductividad térmica de

diferentes materiales. Para gases, a temperaturas moderadamente bajas, pueden

utilizarse los tratamientos analíticos de la teoría cinética de gases para predecir con

precisión los valores observados experimentalmente. En algunos casos, se dispone de

teorías para la predicción de las conductividades térmicas de líquidos y sólidos, pero, por

lo general, cuando se trata de líquidos y sólidos es preciso clarificar algunas cuestiones y

conceptos todavía abiertos.

El mecanismo de la conducción térmica en gases es muy simple. Se identifica la energía

cinética de una molécula con su temperatura; así, en una región de alta temperatura, las

moléculas poseen velocidades más altas que en una región de baja temperatura. Las

moléculas están en continuo movimiento aleatorio, chocando unas con otras e



intercambiando energía y cantidad de movimiento. Las moléculas tienen ese movimiento

aleatorio exista o no un gradiente de temperatura en el gas.

Si una molécula se mueve desde una región de alta temperatura a otra de menor

temperatura, transporta energía cinética hacia la zona del sistema de baja temperatura y

cede esta energía mediante los choques con las moléculas de menor energía.

En la Tabla 1.1 se da la lista de valores típicos de la conductividad térmica de algunos

materiales para indicar los órdenes de magnitud relativos que se esperan en la práctica.

En el Apéndice A se da una tabla con información más completa. En general, la

conductividad térmica depende fuertemente de la temperatura. Se señala que la

conductividad térmica tiene unidades de vatio por metro y por grado Celsius cuando el

flujo de calor se expresa en vatios. Nótese que está involucrada la rapidez del calor y el

valor numérico de la conductividad térmica indica lo rápido que el calor fluirá en un mate-

rial dado. ¿Cómo se ha tenido en cuenta la rapidez de la transferencia de energía en el

modelo molecular del que se ha hablado anteriormente?

Sencillamente cuando más rápidamente se mueven las moléculas, más rápidamente

transportaran la energía. Por tanto, la conductividad térmica de un gas debe depender de

la temperatura. Un tratamiento analítico simplificado muestra que la conductividad térmica

de un gas varía con la raíz cuadrada de la temperatura absoluta. (Conviene recordar que

la velocidad del sonido en un gas varía con la raíz cuadrada de la temperatura absoluta;

esta velocidad es aproximadamente la velocidad media de las moléculas.) En la Figura se

muestran la conductividad térmica de algunos gases típicos. Para la mayoría de los

gases a presiones moderadas la conductividad térmica es solo función de la temperatura.

Más debajo podremos ver cómo funciona la transferencia de calor en algunos equipos de

refrigeración, solo mencionaremos la transferencia de calor por conducción y por

convección.

Primero empezaremos hablando como interactúa la transferencia de calor en la válvula de

expansión termostática y el funcionamiento de esta válvula en el sistema de refrigeración.

También estaremos hablando de la transferencia de calor en el condensador, la línea de

descarga y la línea de descarga, y por ultimo hablaremos de la transferencia de calor en

el evaporador y la línea de succión



Transferencia de calor en la válvula de expansión termostática

Funciones de una Válvula de Expansión Termostática (VET)

Una VET tiene tres funciones principales las cuales podemos clasificar de las

siguientes formas:

Podemos decir que su primera función es provocar una caída de presión y de temperada

al fluido refrigerante al paso de este hacia el evaporador.

Atomizar el fluido refrigerante a la entrada de la tubería del serpentín del evaporador para

que este pueda ser distribuido en todas las paredes del conducto de dicho evaporador, y

así provocar una transferencia de calor más efectiva hacia las paredes del tubo.

Controlar el flujo de refrigerante hacia el evaporador de las siguientes maneras:

Si la temperatura dentro del evaporador aumenta por la transferencia de calor del aire

caliente succionado por el abanico del habitáculo, aire este que extrae el calor de las

carga térmica de este habitáculo, este refrigerante al salir del evaporador por la línea de

succión la cual va hacia el compresor con todo el calor recogido en el evaporador el

proporcional un recalentamiento de dicho en dicha línea. Este calor es transferido por

transferencia de calor por conducción al bulbo termostático de la válvula de expansión, el

cual contiene un refrigerante especial al cual también se les transfiere calor por

convección y al recibir este calor el refrigerante disminuye su densidad, viajando hacia la



el diafragma de la válvula de expansión, haciendo que esta se expanda, empujando hacia

abajo el resorte de sobrecalentamiento, anchando así el orificio de paso de refringente

para que este pueda fluir en mayor proporción hacia el evaporador.

Cuando al evaporador ha penetrado suficiente refrigerante en estado líquido con un

porcentaje de calor bien bajo, este se enfría los suficiente, provocando que parte del

refrigerante llegue a la línea de succión con poco calor, es decir frio, esto hace que el

bulbo al encontrarse caliente transfiera por conducción su calor a la tubería de la línea de

succión a la vez que el refrigerante que se encuentra en el capilar del bulbo transfiera su

calor a la pared del bulbo, lo cual ocasiona un enfriamiento del refrigerante, lo cual hace

que este refrigerante aumente su densidad y por tanto su volumen, provocando que el

diafragma deje la expansión y deje de presionar el resorte, disminuyendo así el orificio

que da paso al refringente por la válvula de expansión cuyo refrigerante es atomizado a la

entrada del evaporador.

Nota:

Este proceso es el que hace que cuando el refrigerando se encuentra muy caliente en el

evaporador la válvula deje pasar más refrigerante y cuando este se ha enfriado los

suficiente hace que la válvula sierre para que pase meno refrigerante, es los que se

puede denominar como control de flujo de refringente al evaporador.



En la figura de más arriba se muestra una válvula de expansión termostática para trabajar

en un sistema de aire para Vehículo de motor. Donde, si observa la figura podrá ver la

diferencia entre esta y la de un sistema de aire industrial, esta válvula no posee un bulbo

térmico, ni tubo capilar solo posee una varilla (embolo) especial que hace la veces de

sensor térmico que al recibir la sensibilidad del calor del refrigerante hace que el gas

refrigerante contenido en el diafragma (membrana) aumente o disminuya su densidad a la

vez que aumenta o disminuye su volumen al calentarse o enfriarse, los cual sucede como

se describe más abajo:

Cuando el refrigerante que has entrado al evaporador se calienta al recibir el calor que

trae el aire succionado por el abanico, calor este que es de la carga térmica del habitáculo

del vehículo, hace que el refrigerante sufra un sobrecalentamiento a la salida del

evaporador, este calor de sobrecalentamiento transfiere su calor por conversión al embolo

(varilla) de la válvula, la cual a su vez transfiere su calor por conversión al fluido

refrigerante especial que se encuentra en el diafragma (membrana) haciendo que este

aumente su volumen, haciendo que el diafragma (membrana) empuje el embolo para que

la bola habrá más el paso de refrigerante hacia el evaporador.

Cuando al evaporador ha pasado una cantidad de refrigerante suficiente para provocar

que todo el refrigerante que se encuentre en el evaporador se encuentre frio, empezará a

salir refrigerante más frio del evaporador por donde se encuentra el embolo (Varilla), y al

el embolo encontrarse caliente, este empieza a transferir su calor al refrigerante, a la vez

que este pierde calor, el gas refrigerante especial que se encuentra en el diafragma

(membrana) también transfiere su calor por convección al embolo (varilla). Al refrigerante

trasferir su calor al embolo (varilla) este aumenta su densidad y por tanto disminuye su

volumen haciendo que el diafragma deje de expandirse y deje de presionar el resorte para

que la bola cierre más el espacio por donde fluye el refrigerante que va al evaporador.

Transferencia de Calor en el Condensador

Cuando el refrigerante sale del compresor a alta temperatura, alta presión y con la

máxima cantidad de calor hacia el condensador a través de la línea de descarga, es

desde este inicio donde empieza la transferencia de calor por convección natural, cuando

el aire a temperatura ambiente choca con la tubería de descarga y esta transfiere su calor



al aire que choca contra ella, de igual manera el refrigerante caliente que viene del

compresor en dirección al condensador transfiere su calor por convección a la pared de la

tubería, la cual transfiere su calor al aire del medio ambiente iniciando así su

condensación durante este proceso.

Ya el refrigerante dentro del condensador, al recibir el aire extraído o expulsado por el

abanico de del condensador aumenta la transferencia de calor por convección forzada,

cuando las tuberías y aletas de enfriamientos transfirieren su calor al aire exterior, al

transferir su calor las aletas de enfriamientos y la tubería del serpentín al aire exterior

estas se enfrían, para dar comienzo a la transferencia de calor del refrigerante a las

paredes de las tubería del serpentín al tiempo en que los tubos transfieren su calor a las

aletas de enfriamiento por conducción. Al refrigerante transferir su calor a las paredes de

la tubería, este deja de perder el calor sensible de evaporación para perder el calor latente

de evaporación para su cambio de fase, donde pasa a la fase liquida ya a la salida del

evaporador, dirigiéndose al depósito de líquido a través de la línea de líquido.

Sistema de refrigeración y aire acondicionado por compresión

Transferencia de Calor en el Evaporador

Cuando el refrigerante sale de la válvula de expansión ya viene a baja presión y a baja

temperatura, con su mínima cantidad de calor ya a la entrada del evaporador.

Durante el paso del refrigerante a través de las tuberías del evaporador este empieza

recibir calor transferido desde las paredes de la tubería por convección natural por lo cual

el refrigerante gana una cantidad de calor sensible hasta llegar hasta la línea de succión

don recibe un sobrecalentamiento ya en la salida del evaporador al recibir una cantidad de

calor latente de evaporación para convertirse en vapor. Cuando la tubería transfiere su



calor al fluido refrigerante esta se enfría por lo cual empiezan a ganar calor transferido

desde las aletas de enfriamientos por conducción y del aire extraído o expulsado por el

abanico del evaporador por convección forzada. Al aire transferir su calor a las tuberías y

las aletas de enfriamiento del serpentín del evaporador este se enfría al traspasar el

evaporador y llegar al habitáculo donde se encuentran los cuerpos a refrigerar, donde

este aire empieza a ganar calor por las cargas térmicas producidas por los cuerpos,

equipos y materiales que generan calor en dicho espacio.

Este aire al ganar calor de estas cargas térmicas es extraído nuevamente por el abanico

del evaporador para transferir su calor a las tuberías y aletas de enfriamiento

nuevamente.

Sistema de refrigeración y aire acondicionado



El grafico muestra una circulación de aire en un Sistema automotriz y sus componentes

Nota de conclusión:

Para que un sistema de refrigeración pueda funcionar tiene que haber un intercambio de

calor del sistema con el medio que los rodea, por tanto es preciso decir que la

refrigeración no existiría si no existiera la trasferencia de calor, puesto que sus

componentes más importantes son intercambiadores de calor. Sin temor a equivocarme

puedo decir que la refrigeración y la transferencia de calor van tomada de las manos en

todo el trayecto del funcionamiento de un equipo de refrigeración y aire acondicionados.

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