Frío Industrial - Salesiana de Jerez

Frío Industrial
Arturo Solís Parra
C.F.G.M. Técnico en Instalaciones Frigoríficas y de Climatización.
Salesianos Manuel Lora Tamayo
2 Técnico en Instalaciones Frigoríficas y Climatización. Índice
Conceptos básicos de Frío
1.1.
Unidades de medida ................................................................................... 4
1.2.
Temperatura ................................................................................................. 4
1.2.1.
Escala Centígrada o Celsius. ............................................................... 4
1.2.2.
Escala Fahrenheit. ................................................................................. 5
1.2.3.
Escala Kelvin. ......................................................................................... 5
1.2.4.
Factores de conversión de escalas de temperatura. ....................... 5
1.2.5.
Instrumentos de medida de temperatura. ......................................... 6
1.3.
Presión. .......................................................................................................... 7
1.3.1.
Presión absoluta y presión relativa. .................................................... 9
1.3.2.
Instrumentos de medida de presión. .................................................. 9
1.4.
Trabajo, potencia y energía. .................................................................... 10
1.4.1.
Energías almacenadas....................................................................... 11
1.4.2.
Energías de tránsito. ............................................................................ 12
1.5.
Calor ............................................................................................................ 12
1.5.1.
Estados de la materia. ........................................................................ 13
1.5.2.
Calor sensible y calor latente. ........................................................... 14
1.5.3.
Saturación, recalentamiento y subenfriamiento. ............................ 16
1.6.
Ley de los gases ideales. .......................................................................... 16
1.6.1.
Ley de Boyle-Mariotte. ....................................................................... 16
1.6.2.
Ley de Charles. .................................................................................... 17
1.6.3.
Ley de Gay-Lussac. ............................................................................ 17
Ciclos Frigoríficos
2.1.
Clasificación de los ciclos termodinámicos. .......................................... 18
2.1.1.
Máquinas de adsorción: .................................................................... 18
2.1.2.
Máquinas de absorción: .................................................................... 18
2.1.3.
Máquinas de eyección ...................................................................... 20
2.1.4.
Máquinas de compresión .................................................................. 22
2.2.
Ciclos de compresión especiales ............................................................ 24
2.2.1.
Sistemas multietapa. ........................................................................... 24
2.2.2.
Sistemas compuestos ......................................................................... 25
2.2.3.
Sistemas en cascada ......................................................................... 25
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Introducción:
En este texto se pretende dar una idea general de los conceptos,
procedimientos y técnicas utilizadas en la construcción, mantenimiento y
reparación de instalación de frío industrial.
Si bien el texto se fundamenta en conceptos teóricos, no es menos cierto
que pretende también aportar aplicaciones prácticas y problemas reales que
pueden aparecer en el diario de un técnico dedicado a las instalaciones de
frío. Pero, como en casi todas las facetas de la vida, la experiencia práctica es
la mejor herramienta para poder desarrollar de forma plena cualquier
profesión o empresa, por lo que acompañar al documento con un buen grupo
de prácticas y adquirir experiencia mediante practica profesional es
imprescindible para poder llegar a ser un buen técnico en frío industrial.
3
4 Técnico en Instalaciones Frigoríficas y Climatización. 1. Conocimientos básicos de
Frío
1.1. Unidades de medida
Cualquier técnico en instalaciones frigoríficas ha de ser capaz de manejar
un conjunto de unidades de medida que tienen relación con los distintos
fluidos que se ponen en juego dentro de una determinada instalación. Entre
estos fluidos podemos destacas el fluido termodinámico, conformado por el
refrigerante; el fluido caloportador, que puede ser aire, agua u otro que
permita transferir el calor en el sistema; el fluido eléctrico, necesario para
mover compresores, bombas o ventiladores de nuestro sistema…
Así pues el técnico debe estar habituado al manejo de las unidades de
medida de los distintos elementos de la instalación, así como de sus múltiplos,
submúltiplos y factores de conversión, puesto que en muchas ocasiones la
instalaciones proceden de diversos países con distintos sistemas de unidades
que no pueden impedir que el técnico sea capaz de conocer el estado del
sistema en cualquier momento.
1.2. Temperatura
Dentro de nuestro sistema frigorífico, una unidad fundamental a conocer es
la temperatura. Como profundizaremos más adelante, la temperatura es un
indicador de la variación de calor en un cuerpo o, en nuestro caso, en el fluido
refrigerante, si bien no todos las variaciones de calor, implican modificación de
temperatura como es el caso de la modificación del calor latente de un
cuerpo que implica un cambio de estado sin variar la temperatura.
Las temperaturas se pueden medir fundamentalmente mediante las
siguientes escalas:
1.2.1. Escala Centígrada o Celsius.
Creada por el científico sueco Anders
Celsius en 1742, establece como puntos de
referencia para la medida de temperatura la
correspondiente a la fusión del hielo y a la
ebullición del agua para una presión de 760
Torr, o lo que es lo mismo 760 mm Hg. Se
establece, de forma arbitraria, el valor 0 a la
fusión del hielo y 100 a la ebullición y se divide
en una escala de 100 partes la distancia entre
estos dos valores.
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Los valores superiores a la fusión del hilo son positivos y los menores a este
negativos o “bajo cero”. Es, pesar de no ser la escala establecida en el sistema
internacional de medida, la más utilizada en aplicaciones de medida de
temperatura en instalaciones frigoríficas y de climatización.
1.2.2. Escala Fahrenheit.
Escala de temperatura creada por el físico alemán Daniel Gabriel
Fahrenheit en 1724. En esta escala, y utilizando un termómetro de alcohol, se
estableció como 0 de la escala de temperatura a una mezcla de hielo y sal y
el valor 100 correspondía a la temperatura del cuerpo humano en condiciones
normales. A sí pues, comparando escalas de temperatura tendríamos que la
fusión del hielo correspondería a 0º C y 32 º F y la ebullición del agua a 100º C y
212º F. La distancia entre los dos valores Fahrenheit se divide en 180 partes
iguales que conforman la escala.
Al igual que la escala centígrada, la Fahrenheit puede tener valores
positivos o negativos, por lo que se denominan a ambas escalas relativas.
Esta escala es muy utilizada aún en países anglosajones (Gran Bretaña,
Estados Unidos, Australia…) si bien en el futuro se establecerá el sistema
internacional de unidades que toma como escala de temperatura el Kelvin.
1.2.3. Escala Kelvin.
Esta escala es la recogida por el sistema internacional de medidas. Se
parte del unos nuevos puntos de referencia, concretamente del punto triple
del agua, en donde se encuentran en equilibrio la presión, la temperatura y el
volumen específico del agua y donde podemos encontrar el agua en sus tres
estados. El otro punto de referencia es el cero absoluto de temperatura. Valor
que solo se ha podido alcanzar de forma teórica, puesto que aún no existen
medios físicos para bajar tanto la temperatura de un cuerpo y que
corresponde al punto donde cualquier molécula carece de movimiento
alguno.
Al cero absoluto se le da el valor “0 K” y al punto triple del agua, haciendo
corresponder las distancias a la escala Centígrada, le corresponde el valor
273,15 K.
A esta escala se la denomina absoluta, puesto que no existen valores de
temperatura negativos, al no existir temperatura inferior al cero absoluto,
origen de referencia Kelvin.
1.2.4. Factores de conversión de escalas de temperatura.
A continuación se presenta la relación de conversión de los distintas
escalas de temperatura consideradas.
100
180
º𝐹 = º𝐶
+ 32
180
100
º𝐶 = 𝐾 − 273,15 𝐾 = º𝐶 + 273,15
º𝐶 = º𝐹 − 32
5
6 Técnico en Instalaciones Frigoríficas y Climatización. 1.2.5. Instrumentos de medida de temperatura.
El instrumento utilizado para realizar la medida de temperatura es el
termómetro. Este inicialmente se basaba en la variación del volumen de un
líquido al aumentar su temperatura, manteniendo su presión constante. En la
actualidad el sistema de toma de temperatura se ha diversificado, siendo muy
aplicados en la actualidad aquellos vasados en sistemas electrónicos. Todos
estos pasaremos a continuación a describirlos brevemente.
Termómetros de Bulbo.
Están constituidos por una pequeña cámara, denominada bulbo, en
donde se encierra una pequeña cantidad de fluido en estado líquido o en
forma de gas, y conectados por un pequeño capilar a un manómetro que
registra la presión del gas contenido en el bulbo. Cuando aumenta la
temperatura del bulbo, la presión del fluido sube proporcionalmente,
indicando el manómetro, escalado en grados, la temperatura a la que se
encuentra el elemento en contacto con este bulbo.
La variación de presión, que se traduce posteriormente en temperatura, se
registra mediante un tubo en espiral que se denominado de “Bourdon” que al
soportar un amento de presión tiende a desenrollarse, desplazando a su vez la
aguja sobre la escala de medida.
Termómetros de resistencia.
Estos sistemas de medida de temperatura utilizan las propiedades eléctricas
de determinados materiales. Son muy utilizados en termómetros de contacto
para superficies y tienen rangos de medida entre -200º C y 1.700º C.
Podemos clasificar en:
•
Termoresistencias; formadas por alambres
finos cuya resistencia cambia al variar la
temperatura. Las mas usuales se fabrican
encapsuladas dentro de una vaina
cerrada por un extremo y sellada con
material aislante que evita la entrada de
humedad. Las más comunes son la PT100
con valor de 100 Ω a 0º C. Son las que
miden rangos de temperatura más
amplios, las más exactas y fiables. (de 200 a 500º C.)
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•
•
Termistores; denominados NTC, son diodos o transistores semiconductores
capaces de medir pequeñas temperaturas gracias a sus valores elevados
de resistencia. Son muy precisos pero tienen un rango de temperatura muy
estrecho (de 0 a 30º C.)
Termopares; Elemento formado por dos hilos de distinto material, que al
ponerse en contacto con una fuente de calor generan una diferencia de
potencial (tensión) proporcional a la
temperatura de la fuente de tensión
aplicada. En el termopar se distinguen
dos zonas diferentes denominadas unión
fría y unión caliente, siendo la
temperatura medida la diferencia de
temperatura entre estas dos zonas. Los
termopares se designan mediante letras
(T, E, J, K, R, N, B) que indican los
materiales que contienen. El más
utilizado en el mundo de la refrigeración
es el termopar tipo T (Cu-Constantan).
Termómetros de infrarrojos.
Son muy útiles en aplicaciones eléctricas, electrónicas, de calefacción,
ventilación y aire acondicionado, y resultan muy seguros en trabajos con
carga eléctrica, movimientos rotativos, en posiciones difíciles de alcanzar o
con temperaturas extremadamente altas. Generalmente poseen un rayo de
luz piloto para indicar el centro del punto de medida. Como inconveniente
fundamental, estos termómetros no dan mediciones precisas en superficies
pulidas o de pequeñas dimensiones, siendo afectados por la proximidad de
otras fuentes de calor.
1.3. Presión.
Se define el concepto de presión como la relación entre la fuerza ejercida
sobre un cuerpo y la superficie sobre la que se ejerce dicha fuerza.
𝑃=
𝐹
𝑆
Donde la fuerza en el sistema internacional viene expresada en Newton (N)
y la superficie en metros cuadrados (m2). La unidad en el sistema internacional
de presión es el “Pascal” Pa.
La presión es de aplicación para sólidos, líquidos y gases, siendo la presión
ejercido por ellos o sobre ellos de distinta naturaleza, en función, entre otros,
del recipiente que los contiene.
7
8 Técnico en Instalaciones Frigoríficas y Climatización. La medida de presión resulta de gran importancia a la hora de realizar el
análisis de funcionamiento de un sistema frigorífico. Además se da la
circunstancias que la presión es una variable a medir común en muchas
disciplinas técnicas y existen muchas unidades diversas que se ajustan mejor o
peor según los valores de presión que estemos midiendo. Por ejemplo, para las
instalaciones frigoríficas el “Pa” es una unidad muy pequeña, por lo que se
utilizan otras que se adecúan mejor a los niveles de las presiones de los equipos
frigoríficos.
La unidad más utilizada para medir presión en instalaciones de frío es el
“bar” , aunque en algunas ocasiones se pueden encontrar presiones medidas
en “kg/cm2” o en “psi” unidad esta última muy utilizada en países de habla
inglesa. En la siguiente tabla aparece la relación de las principales unidades
de presión:
Para la medida de presión en caso de vacío también se utilizan unidades
de medida de presión adecuadas a la magnitud, siendo comúnmente
utilizadas unidades como la “micra o micrón”, que no es más que 10-3 veces la
presión de un en milímetros de columna de mercurio o el “milibar”, submúltiplo
del “bar” de presión, más apropiado para la medida de vacío.
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1.3.1. Presión absoluta y presión relativa.
Para realizar correctamente los cálculos de medida de presión en una
instalación hemos de tener en cuenta que hay que distinguir dos presiones que
actúan sobre la instalación frigorífica; La presión absoluta y la presión relativa.
La presión relativa hacer referencia a la que podemos encontrar, por
ejemplo en el interior del circuito frigorífico de una instalación, indicándonos la
presión que ejerce el refrigerante sobre las paredes de las tuberías o la que
ejerce el compresor para hacer circular en refrigerante por el circuito. Esta
presión se mide con el manómetro.
La presión absoluta incluiría, además de la presión que hemos indicado
antes, la que ejerce la atmosfera o presión atmosférica de la zona en donde
estemos haciendo la medida de nuestra instalación. La presión atmosférica,
que se mide con el barómetro, es variable y es la que nos indican los
meteorólogos para cada día y cada zona, si bien es cierto que estas
variaciones son pequeñas en comparación con las registradas por el
manómetro de nuestra instalación, por lo que para operaciones técnicas la
presión atmosférica se estima con un valor de “1 bar” de presión.
Por consiguiente podemos deducir que:
𝑃! = 𝑃! + 𝑃!"#
𝑃! = 𝑃! + 1 𝑏𝑎𝑟
Donde PA indica la presión absoluta, PR la relativa medida con manómetro
y PATM la presión atmosférica medida en la zona.
De esta ecuaciones se deducen las siguientes cuestiones:
•
•
•
La presión absoluta siempre es positiva, puesto que parte del “0”
absoluto de presión o vacío perfecto en donde no existe presión.
Las presiones relativas si pueden ser negativas, pero no pueden ser
menores que la presión atmosférica de la zona.
Al realizar vacío a un sistema, su presión es negativa, si la medimos con
un manómetro de presión relativa, si bien algunos vacuómetros miden
en escala absoluta.
1.3.2. Instrumentos de medida de presión.
Como bien indicamos antes, los instrumentos utilizados para realizar las
medidas de presión son el manómetro y el barómetro. Como también se ha
indicado el primero de ellos mide presión relativa y el segundo presión
atmosférica, por lo que para el tema que tratamos nos vamos a centrar en el
manómetro como elemento de medida.
Este instrumento se basa
en la
deformación de un tubo de Bourdon,
sometido a la fuerza que ejerce el gas
refrigerante. Consta de un tubo enrollado y
cerrado por uno de sus extremos. El extremo
cerrado, al deformarse por efecto de la
presión desplaza una aguja sobre una
9
10 Técnico en Instalaciones Frigoríficas y Climatización. escala graduada, siendo el desplazamiento de esta proporcional a la presión.
El extremo opuesto que se encuentra en principio abierto, es el que se
conecta, mediante una unión hermética, con el fluido que se desea medir.
Para el trabajo del frigorista es muy usual montar un equipo para la medida
de presión denominado puente de manómetros o analizador de presiones.
Este conjunto consta de dos manómetros con diferentes escalas, una de alta
presión y otra de baja, junto con un cuerpo donde se sitúan dos válvulas que
comunican entre sí tres tomas de presión. Cierran este conjunto una gomas o
latiguillos con unas bocas apropiadas para la conexión con las válvulas de
servicio de la instalación frigorífica.
Las válvulas del puente de manómetro nos
permiten, cuando se encuentran cerradas, medir la
presión de aspiración y descarga de nuestro circuito
a través de las gomas de alta y baja presión (roja y
amarilla respectivamente) y cuando están abiertas
permiten operaciones de trasiego de refrigerante,
vacío del circuito y pruebas de estanqueidad entre
otras, con ayuda de la toma de servicio (de color
amarillo).
En la actualidad es
posible encontrar en el mercado analizadores
digitales que nos permiten, en un mismo
instrumento, realizar la medida de presión y
temperatura de nuestra instalación, obteniendo los
valores característicos y las desviaciones para cada
tipo de refrigerante.
Estos equipos poseen sondas de temperatura y
tomas de presión que nos indican incluso los valores
de recalentamiento y subenfriamiento de la
instalación.
1.4. Trabajo, potencia y energía.
Se entiende por trabajo al que realizar una
determinada fuerza al desplazarse una distancia. Si
esta distancia tiene cierto ángulo respecto al
desplazamiento este también ha de ser tenido en
cuenta.
Por ejemplo, cuando desplazamos un objeto
pesado deslizándolo por el suelo desde un punto a
otro, la fuerza aplicada y la distancia nos dan idea
del trabajo que hemos realizado.
Así pues, podemos indicar que el trabajo es igual a:
𝑇 = 𝐹×𝑑× cos 𝜃
Donde la Fuerza se mide en “Newton” la distancia en “metros” y el coseno
del ángulo de la fuerza aplicada la objeto no tiene dimensión. La unidad
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resultante del producto de fuerza por distancia es el “Julio”. Como veremos
más adelante el trabajo no tiene que ser siempre en línea recta ni tampoco
mecánico.
Muy relacionado con el trabajo está el término de potencia que por
definición se entiende por: “cantidad de trabajo realizado por unidad de
tiempo”. La ecuación que mide la potencia viene definida por:
𝑃=
𝑇 (𝐽)
𝑡 (𝑠)
La unidad de potencia es el “vatio” que se obtiene de dividir un Julio por
segundo. Como veremos en otras unidades existen otras medidas de potencia
que son de aplicación en frío y que se ajustan más al calculo de una
instalación. En la siguiente tabla:
1 kW
1.000 W
1 CV
736 W
1 HP
746 W
1 Pie-libra/segundo
1,356 W
1 kcal/hora
1,163 W
Por último, la energía se define como: “Capacidad que tiene un sistema de
realizar un trabajo”. También la podemos definir como la facultad que tiene un
sistema de almacenar trabajo, que se puede desarrollar posteriormente, como
por ejemplo la carga de una batería.
Dentro del concepto de energía podemos hacer una clasificación en
función de la forma de manifestación de esta energía. Nos vamos a centrar
fundamentalmente en las formas de energía más utilizadas en instalaciones
frigoríficas:
Energías almacenadas
Energías de tránsito
Energía
potencial.
Trabajo
mecánico.
Energía
cinética.
Trabajo de
flujo.
Energía
Interna.
Calor.
1.4.1. Energías almacenadas
Energía Potencia: Esta energía, común en todos los fluidos y en los solidos,
es aquella que se manifiesta al descender dicho fluido desde una altura
determinada a otra inferior. El ejemplo clásico es la energía almacenada en
una presa debido a la diferencia de altura entre la superficie del agua de la
presa y la salida por la parte más baja del agua para producir, por ejemplo,
electricidad en una turbina. Esta energía al liberarse cambia de tipo,
transformándose en, por ejemplo, energía cinética. Por último indicar que esta
11
12 Técnico en Instalaciones Frigoríficas y Climatización. energía, depende además de la diferencia de cotas (alturas) de la masa de
fluido y de la gravedad en le lugar.
𝐸! = 𝑚×𝑔×Δℎ ( 𝐽𝑢𝑙𝑖𝑜𝑠 𝑆. 𝐼. )
Energía Cinética: La energía potencial se debía, como antes indicamos, a
la diferencia de cotas en un fluido (o en un sólido) por lo que podemos afirmar
que esta energía se puede dar tanto en fluidos en reposo como en
movimiento. Sin embargo, la energía cinética solo se da en sistemas en
movimiento ya que esta depende de la velocidad del fluido en nuestro caso.
Así pues la expresión de esta energía relaciona la masa del cuerpo o fluido
“m” con la velocidad que este desarrolla “v” como regla general:
𝑣!
𝐸! = 𝑚× ( 𝐽 𝑆. 𝐼. )
2
Energía Interna: Esta energía se debe al movimiento interno de las
moléculas de una sustancia. Podemos decir pues que la energía interna se
debe a las energías cinéticas y potenciales de las moléculas y sus relaciones
de atracción y vibración.
1.4.2. Energías de tránsito.
Trabajo o Energía de Flujo: Podemos definir esta energía como aquella que
aparece un sistema termodinámico (como puede ser el circuito refrigerante
de un sistema frigorífico)al fluir un gas con unas determinadas presiones de
entrada y de salida y con secciones te tubería de entrada y salida distintas. Un
ejemplo de esta energía es la que podemos medir antes y después de una
válvula de expansión en una instalación frigorífica.
Trabajo o Energía Mecánica: Es el que podemos introducir en un sistema
termodinámico a través de energía mecánica. Un ejemplo claro sería la
energía que introducimos en nuestro sistema a través de la compresión del
refrigerante. Para comprimir el gas realizamos un trabajo mecánico que
disminuye el volumen del cilindro al desplazarse el pistón aumentando la
presión del gas. Este trabajo mecánico, una vez realizado, se transforma en
otro tipo, como por ejemplo en energía cinética en el fluido (aumentamos su
velocidad dentro de la instalación).
Calor: Forma de energía de transito por excelencia, no es muy diferente a
las otras formas de energía de tránsito, es decir, esta forma no se puede
almacenar, puesto que siempre tiene a escapar igualándose con su entorno.
El calor lo estudiaremos a continuación.
1.5. Calor
El calor, como hemos indicado en la sección anterior, es una forma de
energía. Esta transferencia de energía siempre se produce desde el cuerpo
más caliente al más frio, o dicho de otro modo, la energía calorífica se
desplaza siempre de forma natural del foco caliente al foco frío.
Foco Frío
CALOR
Foco
caliente
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Sin embargo, esta transmisión de calor se puede producir de distintas
formas en función de la fuente de calor y del medio por donde se transmite,
por lo que se clasifica esta transmisión en tres formas distintas, pero que
pueden aparecer vinculadas en muchas ocasiones:
Radiación
Convección
Conducción
•
•
•
Conducción: Forma de transmisión del calor que se produce en los
sólidos donde el calor se propaga entre átomos o moléculas
contiguas.
Convección: Transmisión que aparece en líquidos y gases en donde
aparecen corriente de fluido llamadas convectivas originadas por la
modificación de la densidad de los fluidos al cambiar su
temperatura.
Radiación:
Trasferencia
del
calor
a
través
de
ondas
electromagnéticas (fotones), que a diferencia de la otras formas de
transferencia, no necesitan un medio para su propagación (incluso
se propagan en el vacío. La radiación térmica, que a distintos niveles
emiten todos los cuerpos, suele corresponder con la banda de
frecuencia infrarroja.
1.5.1. Estados de la materia.
La materia podemos encontrarla en tres estados bien diferenciados, en
función de su temperatura, presión y contenido de calor. Podemos encontrar
Solido.
Aquella
sustancia
que
conserva su forma sin estar contenido
en
ningún
envase.
Los
sólidos
mantienen una estructura molecular
cuasi estática, donde estas moléculas
vibran
de
forma
rápida,
pero
manteniendo su posición relativa con
respecto a el resto de moléculas que le
rodean.
Cuanto
más
calor
y
temperatura tienen estas moléculas,
mayor es esta vibración.
Líquido. Las moléculas de los líquidos se encuentran también muy próximas
entre sí pero no forman una estructura rígida como en el caso de los sólidos,
13
14 Técnico en Instalaciones Frigoríficas y Climatización. sino que pueden desplazarse con libertad. Una característica fundamental de
la materia en estado líquido es que toma la forma del envase donde se
encuentra.
Gas. El gas debe estar encerrado para herméticamente para evitar que se
escape a la atmósfera. También tiene como propiedad que sus moléculas
están mucho más separadas puesto que las moléculas tiene poca atracción
entre ellas, volando libremente dentro del contenedor y chocando contra las
paredes de este. Se puede comprimir, aplicando presión al envase que los
contiene y al aumentar su temperatura aumenta la velocidad de las
moléculas y los choques entre ellas y las paredes del recipiente.
Sublimación
Solidificación
Sólido
Condensación
Gas
Líquido
Fusión
Vaporización
Sublimación
•
•
•
•
Temperatura de fusión. Es la temperatura a la que un sólido cambia
al estado líquido. También se llama punto de fusión.
Temperatura de ebullición. Es la temperatura a la que un líquido
cambia al estado vapor. También se llama punto de ebullición,
temperatura de vaporización o de saturación.
Temperatura de condensación. Es la temperatura a la que un vapor
cambia al estado líquido. También se llama temperatura de
saturación.
Temperatura de solidificación. Es la temperatura a la que un líquido
cambia al estado sólido.
A presión constante:
Temperatura fusión = Temperatura solidificación
Temperatura vaporización = Temperatura de condensación
1.5.2. Calor sensible y calor latente.
El calor sensible es la energía que recibe un cuerpo para aumentar su
temperatura sin modificar su estructura molecular interna, es decir, si que se
produzca en este cuerpo un cabio de estado. Por ejemplo, si calentamos
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agua dejando que esta pase de 15º a 50º C todo el calor que le hemos
aplicado se ha utilizado para aumentar su temperatura.
Hablamos de calor latente cuando el calor que se aplica a un cuerpo (o se
extrae de este) se utiliza solo para que éste cambie de estado,
permaneciendo su temperatura constante. El ejemplo clásico es cuando
llevamos agua a ebullición a presión atmosférica. En este proceso se produce
vaporización del agua a estado gaseoso, todo el calor que se aplica se utiliza
para desprender moléculas de gas del agua líquida hasta que se agota por
completo esta agua en estado líquido. Todo el proceso se realiza a una
temperatura constante de 100º C. (caso particular del agua, dependerá esta
temperatura de la presión y del fluido en cuestión).
En forma general, y para los casos más simples podemos determinar el
calor que absorberá o cederá un determinado cuerpo o sustancia al
aumentar su temperatura, sin que se llegue a producir un cambio de estado
mediante la siguiente expresión:
𝑄! = 𝑚×𝐶! × 𝑡! − 𝑡!
Donde “Q” representa el calor, m es la masa de la sustancia, “Ce” es el
calor específico que dependerá de la sustancia y del estado en que se
encuentre (sólido, líquido o gas) y “t2“ y “t1” son respectivamente las
temperaturas final e inicial a las que se somete la sustancia.
Importante indicar que si el resultado anterior fuera positivo nos estaría
indicando que el calor se ha cedió, pero si el resultado es negativo nos quiere
decir que el calor es cedido al ambiente u a otro cuerpo en contacto con el
analizado.
La ecuación anterior no es aplicable para obtener el calor latente, es decir,
para calcular el calor en un cambio de estado, puesto que al coincidir las
temperaturas final e inicial, el resultado nos daría “0”. Para el cálculo del calor
latente se utiliza una fórmula similar que no tienen en cuente la temperatura:
𝑄! = 𝑚×𝐶!
En esta última expresión “CL “ indica el calor específico del cambio de fase,
que también dependerá de si estamos fusionando/solidificando o
vaporizando/condensando.
Gráfico de temperatura
en función del calor para
el agua
15
16 Técnico en Instalaciones Frigoríficas y Climatización. 1.5.3. Saturación, recalentamiento y subenfriamiento.
Estos tres conceptos están muy relacionados con los estados de la materia.
Para cualquier sustancia se denomina punto de saturación o simplemente
saturación en líquido o en vapor (gas) cuando estamos justo entre los extremos
del cambio de estado de líquido a gas. Tendremos líquido saturado cuando
comencemos el cambio de estado a gas, podemos decir que es el punto
donde aún no ha aparecido ninguna burbuja de gas. De igual modo, el punto
de saturación de gas o vapor es el punto donde ha desaparecido por
completo el líquido y solo podemos ya encontrar gas.
Se denomina líquido subenfriado a cualquier cantidad de sustancia que se
encuentre en estado líquido por debajo de la saturación, o lo que es lo mismo,
a temperatura inferior a la saturación del fluido para esa presión.
Se llama gas recalentado a cualquier cantidad de sustancia que se
encuentre en estado gaseoso por encima de la saturación, o lo que es lo
mismo, a temperatura superior a la saturación del fluido para esa presión.
La temperatura de saturación, que es diferente para cada fluido, también
es variable con la presión a la que está sometido dicho fluido.
Estos conceptos son de suma importancia para las instalaciones frigoríficas
y se estudiarán con más detenimiento en unidades posteriores.
1.6. Ley de los gases ideales.
Estas leyes, que son la base de la termodinámica y que también son el
fundamento del funcionamiento de cualquier sistema frigorífico, están
basadas en una serie de hipótesis que estiman un gas formado por moléculas
puntuales, sin masa y sin carga. Los choques entre las moléculas también son
ideales y estos son proporcionales a la temperatura que se aplica sobre dicho
gas.
Si bien los gases reales no son como es tomado para enunciar estas leyes,
es cierto que el comportamiento es similar y simplifica el cálculo para cualquier
instalación, por lo que las ecuaciones que se van a enunciar a continuación,
con algunas modificaciones, también son aplicables a instalaciones reales.
1.6.1. Ley de Boyle-Mariotte.
Esta ley que solo es aplicable a procesos isotérmicos, es decir, donde la
temperatura se mantiene constate durante el proceso, determina que el
volumen varía de forma inversa con la presión de este sistema:
𝑃! ∙ 𝑉! = 𝑃! ∙ 𝑉! 𝑃 ∙ 𝑉 = 𝑐𝑡𝑒.
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1.6.2. Ley de Charles.
Ecuación que si centra en los procesos Isobáricos, es decir donde la presión
del sistemas se mantiene constante. Esta ley determina que el volumen es
directamente proporcional a la temperatura en los proceso a presión
constante:
𝑉! 𝑉!
= 𝑉 𝑇 = 𝑐𝑡𝑒.
𝑇! 𝑇!
1.6.3. Ley de Gay-Lussac.
El principio de la ley de Gay-Lussac es que, para un proceso isocórico, o
sea donde el volumen es constante a lo largo del proceso, la presión sería
directamente proporcional a la temperatura del sistema por lo que
obtenemos:
𝑃! 𝑃!
= 𝑃 𝑇 = 𝑐𝑡𝑒.
𝑇! 𝑇!
De la combinación de estas ecuaciones podemos obtener la general de
los gases ideales aplicable a cualquier situación que se enuncia como la ley
general de los gases ideales, que además de tener en cuenta presión volumen
y temperatura, relaciona “n” o número de moles del gas y “R” denominada
constante de los gases ideales:
𝑃∙𝑉 =𝑛∙𝑅∙𝑇
17
18 Técnico en Instalaciones Frigoríficas y Climatización. 2. Ciclos Frigoríficos.
2.1. Clasificación de los ciclos termodinámicos.
La primera clasificación que podemos realizar en relación a los ciclos
termodinámicos se basa en la forma que opera el gas dentro del circuito, es
decir, en función de que el refrigerante produzca su efecto frigorífico en
estado sólido, líquido o gaseoso; con o sin cambio de fase y con o sin
adicción de uno o varias sustancias que modifiquen la concentración en el
sistema.
Podemos clasificar entonces en sistemas:
2.1.1. Máquinas de adsorción:
Los vapores del refrigerante son captados mediante un absorbente sólido.
Este adsorbedor, que puede ser de carbón activo a de algún tipo de silica-gel
es capaz de retener el gas a baja presión y temperatura proveniente del
evaporador. Posteriormente, mediante la adicción de calor a través de una
fuente externa, se libera el refrigerante en un proceso denominado
desadsorción, pasando el refrigerante a un estado de mayor presión y
temperatura que al inicio del proceso de adsorción.
Una particularidad de este proceso es que no es continuo, es decir que
debe existir una parada entre la adsorción y la desadsorción, con lo que es
necesario realizar configuraciones con una doble cámara de adsorbedor en
donde se realice el proceso de forma alternada.
Una de sus principales desventajas
es su bajo coeficiente de eficacia
energética
“COP”,
sin
embargo,
aunque el ciclo se conoce desde
principios de pasado siglo, ahora se ha
vuelto a apostar por el, puesto que
tiene cierta utilidad en instalaciones
donde la fuente de calor para el
proceso de adsorción provenga de
energías renovables, como por ejemplo
del calor residual procedente de una
placa solar térmica.
2.1.2. Máquinas de absorción:
El principio de funcionamiento es muy similar al explicado en la máquina de
adsorción, pero en este caso el fluido realiza la transición de calor mediante un
absorbente líquido que hace cambiar la concentración de refrigerante en
función de la cantidad de calor que este posea.
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Al igual que en una instalación
por compresión, existe una zona de
baja y otra de alta presión.
El absorbedor contiene una
mezcla débil en refrigerante (mayor
porcentaje de absorbente), el
refrigerante es absorbido en esta
parte del circuito. El refrigerante fluye
hacia el absorbedor porque su
presión es mayor en estado gaseoso
que la presión de vapor de la
mezcla con el fluido absorbente que encontramos en el absorbedor. Este
efecto de succión mantiene la presión y la temperatura bajas en el
evaporador. En el absorbedor se produce desprendimiento de calor de forma
natural.
Para continuar el proceso, mediante una bomba que permite la
circulación del fluido mezclado, que ahora es rico en refrigerante, se circula
hacia el generador separador, en donde mediante el aporte de calor
separamos el refrigerante del absorbente, alcanzándose una presión más
elevada que a la entrada de la mezcla. El refrigerante que se ha transformado
de nuevo en un gas ha ganado presión y temperatura y se dirige ahora hacia
el condensador de la instalación. El absorbente vuelve hacia el absorbedor
pobre en refrigerante, una vez que este ha salido hacia el condensador,
donde comienza de nuevo el proceso de absorción.
Desde el punto de vista energético, los sistemas de absorción tienen un
nivel de rendimiento superior a los de adsorción, pero a su vez este es menor
que los sistemas de compresión usados mayoritariamente en la actualidad,
siendo su COP bajo (del orden de 1,4) en relación a la compresión (del orden
19
20 Técnico en Instalaciones Frigoríficas y Climatización. de 3). Si bien es cierto que los sistemas de absorción se prestan a la utilización
con sistemas de cogeneración de energía o aquellos que aprovechan la
energía solar, lo que hace que actualmente se barajen nuevas posibilidades
para estos sistemas.
Por otra parte, los sistemas de absorción tienen un limitado grupo de
refrigerantes, que no permiten obtener rangos de temperatura de
evaporación muy amplios además de que uno de los refrigerantes más
utilizados en estos sistemas, el amoniaco, presenta un elevado grado de
toxicidad, lo que lo limita para ciertas aplicaciones. Sin embargo presenta la
ventaja de que los fluidos que utiliza para la
refrigeración son naturales, de bajo coste y
que no afectan ni a la capa de ozono y
producen efecto invernadero. En tabla que
se muestra a la izquierda vemos las
combinaciones de refrigerante absorbente
más utilizados en la actualidad.
2.1.3. Máquinas de eyección
El principio de funcionamiento de los equipos de eyección se basa en el
efecto Venturi, por el que al circular un fluido por una sección más estrecha de
una tubería se produce una caída de presión en dicha sección y un aumento
de su velocidad. La caída de presión, cuando estamos en presencia de un gas
ideal o casi ideal, lleva aparejada una disminución de la temperatura de ese
gas.
𝑝! 𝑣!!
𝑝! 𝑣!!
+
+ 𝑧! = +
+ 𝑧!
𝜌
2
𝜌
2
De la expresión anterior se puede observar que si “z1” y z2” son
aproximadamente iguales puesto que la altura relativa de las dos secciones
del tubo es aproximadamente igual y la presión y la velocidad en la zona 1 del
tubo es constante, en el punto 2 (estrechamiento del tubo) la velocidad “v2”
aumentará y por consiguiente la presión en este punto ha de disminuir paraue
la igualdad se cumpla. En la ecuación “ρ” indica la densidad del fluido.
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En la figura que representa al sistema podemos observar como los gases
son impulsados por efecto Venturi en el eyector. La condensación y la
evaporación se producen igual que en un sistema de compresión pero a la
salida del condensador se produce un fraccionamiento del fluido refrigerante,
de tal forma que parte de este fluido va a parar al evaporador, absorbido por
el eyector y otra parte se dirige al generador, donde una vez calentador, se
utiliza como fluido de arrastre para producir el efecto de aspiración en el
eyector.
Por el tubo “1” del eyector circula el gas procedente del generador. Al
pasar por el estrechamiento 4 se produce un aumento de la velocidad y una
disminución de la presión en dicha sección. Este efecto origina la succión del
gas que proviene del evaporador en la cámara de mexcla y que accede al
eyector a través del tubo “0”. Una vez producido el efecto, los dos gases
mezclados pasan a trabes de un ensanchamiento que los lleva a su presión de
trebajo, saliendo por la sección “6” de nuevo camino del condensador.
Como se puede observar, este ciclo no posee compresor, y l a uníca
aportación eléctrica es la pequeña bomba que impulsa el gas en estado
líquido hacia el generador, que no es más que una caldera en donde
calentamos el gas y lo llevamos a estado gaseoso para realizar la impulsión.
También en este ciclo es necesaria la instalación de un elemento de
expansión a la entrada del evaporador que permite la caida de presión y
temperatura para que el ciclo pueda realizar el cambio de estado y robar
calor al sistema.
1 Generador de vapor.
2 Bomba.
3 Conexiones para refrigeración por agua.
4 Condensador
5 Válvula expansión con flotador.
6 Evaporador.
7 Eyector.
21
22 Técnico en Instalaciones Frigoríficas y Climatización. El dispositivo de la figura es el esquema de un sistema por eyección tipo,
donde el mismo refrigerante actúa como gas impulsor, si bien pueden existir
versiones de este ciclo que permiten la utilización de dos gases diferentes para
la succión del gas uno denominado refrigerante y otro impulsor, que a la salida
del condensador deberá ser separado en sus componentes para volver a
mezclarse en el eyector.
2.1.4. Máquinas de compresión
Esta forma de generar frío es la más utilizada hasta la fecha, siendo casi la
única utilizada para máquinas de pequeñas dimensiones y de tipo comercial.
Si bien es cierto que su coeficiente de eficacia energética “COP” es
relativamente alto, no lo es menos que necesitan un aporte de energía
externa, normalmente eléctrica, para lograr la impulsión del gas refrigerante.
Los componentes de este tipo de instalaciones son de todos conocidos.
Evaporador, condensador, válvula de expansión (o capilar) y compresor. Este
último elemento es el diferenciador con los ciclos antes descritos. En este caso
no es necesaria una fuente de calor externa para realizar el ciclo, pero si un
elemento que sea capaz de aumentar presión y temperatura en el fluido
utilizado de refrigerante cuando a la salida del evaporador se encuentra en
estado gaseoso.
En el esquema de la figura de la
izquierda podemos observar un ciclo de
compresor simple con una sola etapa.
Este tipo de esquema es muy común en
instalaciones de frío doméstico, para
temperaturas medias y altas, y en
procesos donde la potencia frigorífica es
relativamente pequeña. La sencillez del
ciclo, unido con su bajo coste de
fabricación e instalación han hecho que
este sistema prolifere en las instalaciones
actuales.
En el ciclo, como es sabido se
produce una cesión de calor a presión constante con un cambio de estado
de gas a líquido en el condensador, una
absorción o robo de calor en el sistema
también a presión y temperatura
constante en el evaporador y un aporte
de trabajo mecánico para aumentar la
presión y temperatura en el compresor.
Por último se produce una expansión o
laminado del refrigerante con caída de
temperatura en la válvula o dispositivo de
expansión del sistema.
Los puntos que se pueden ver en
diagramas T-S anterior son los siguientes:
1 Salida evaporador, entrada compresor
2 Salida compresor entrada condensador.
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3 Salida condensador entrada válvula expansión.
4 Salida válvula expansión entrada evaporador.
De los puntos obtenidos en el esquema anterior podemos deducir los
distintos valores de potencia y calor que el sistema pone en juego. Así pues
tenemos que la producción de frío en un circuito de compresión que siga el
diagrama sería igual a:
Q ! = m× h! − h!
De donde se Qa es el calor absorbido en el evaporador en kcal/h, m es el
caudal másico de refrigerante en kg/h y h1 y h4 son respectivamente las
entropías de los puntos 1 y 4 expresadas en kcal/kg.
De igual modo, para obtener el calor cedido al exterior en la fase de
condensación del proceso se utiliza la siguiente fórmula:
Q ! = m× h! − h!
Siendo en este caso Qc el calor cedido en el condensador y las entalpías
las correspondientes a los puntos 2 y 3 entrada y salida del condensador
respectivamente.
Para obtener la potencia isoentrópica del gas ideal, o potencia necesaria
para comprimir el gas ideal con un determinado caudal másico la expresión
sería:
W! = m× h! − h!
Esta potencia, que en realidad es un trabajo, se expresa en kcal/hora.
Por último representaremos un esquema de instalación de una sola etapa
en la que aparece recalentamiento y subenfriamiento representando el
proceso más real en instalaciones frigoríficas que existe.
En
esta
ocasión
representamos en los
ejes de la gráfica la
presión y la entalpía. Se
puede observar que los
punto B y C dan lugar
al
efecto
de
recalentamiento en el
evaporador y los punto
F a G el denominado
subenfriameinto
después
de
la
condensación.
23
24 Técnico en Instalaciones Frigoríficas y Climatización. 2.2. Ciclos de compresión especiales
Dentro de los ciclos de compresión podemos encontrar algunos que
buscan la mejora del rendimiento o de la capacidad energética a través de
modificaciones en parte de la instalación. Normalmente estas instalaciones un
tanto singulares no son de aplicación en frío doméstico y son poco usadas en
frío comercial, siendo su principal aplicación en las instalaciones de carácter
industrial.
2.2.1. Sistemas multietapa.
En las instalaciones en donde el refrigerante alcanza en la condensación
temperaturas muy elevadas, como ocurre en el caso del amoniaco, que
pueden originar averías en el compresor, fundamentalmente cuando la
relación de compresión sobrepasa en 7 u 8 veces la presión de aspiración se
suele utilizar este método que consiste en realizar una refrigeración intermedia
en el proceso de compresión.
El sistema consta de al menos dos compresores, uno denominado de baja
presión y otro de alta, el primero situado a la salida del evaporador y el
segundo a la entrada del condensador. Entre ambos se sitúa un
intercambiador térmico encargado de bajar la temperatura del refrigerante
pero sin modificar su presión. Este intercambiador puede estar alimentado por
agua u otro fluido refrigerante capaz de bajar la temperatura del gas sin llegar
a condensarlo.
A la salida del intercambiador se produce una segunda compresión que
lleva al refrigerante a su presión de condensación pero sin un valor tan
elevado de temperatura.
Este proceso presenta como ventaja un menor sufrimiento de la instalación
y una temperatura de descarga más baja, que permite la utilización de
condensadores menores. Como inconveniente, aunque la potencia total no
aumenta, incluso disminuye si la instalación se construye de forma óptima, si
que el mantenimiento es mayor al ser necesario vigilar dos compresores más
un sistema de intercambio térmico intermedio.
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2.2.2. Sistemas compuestos
Este tipo de sistemas es otra aplicación de los ciclos de compresor, que se
puede ver como una modificación de los sistemas de tipo mulltietapa.
Al igual que en los procesos multietapa necesita una compresión
escalonada y un enfriamiento intermedio. Pero a diferencia del sistema
anterior, en el caso de los ciclos compuestos se produce un fraccionamiento
del refrigerante.
Concretamente,
el
fluido
refrigerante se fracciona en el
punto 5 del esquema de la
izquierda, parte del refrigerante
(concretamente la fracción “mv”)
pasa a la expansión en la valvula
V2, donde extraerá el calor del
sistema a través de la evaporación.
Posteriormente,
el
gas
es
comprimido en una primera etapa
de baja presión. Tras esta primera
etapa el gas pasa a una cámara de mezcla donde se le sumará la masa de
refrigerante extraída previa expansión, “m” masa de refrigerante que no llega
a cambiar de estado en todo el proceso. El compresor de alta presión aspira el
total de la masa de refrigerante puesta en servicio con la ventaja añadida de
que al mezclar las masas mv + m el fluido resultante “mc” tiene una presión en
aspiración del segundo compresor igual
a la de descarga del compresor de baja
presión pero a menor temperatura.
El
proceso
finaliza
con
la
condensación
de
todo
el
gas
refrigerante en y la vuelta a fraccionar
antes de la cámara de mezcla. El control
de la proporción de refrigerante para la
evaporación
y
el
refrigerante
fraccionado se realiza a través de la
válvula de expansión V1.
Éste tipo de montaje puede tener diversas variantes con dos o más
compresores y el más utilizado en instalaciones frigoríficas industriales de
mediana y gran potencia.
2.2.3. Sistemas en cascada
Un sistema en cascada es aquel en el que se realizan distintas etapas
utilizando distintos tipos de refrigerante. La principal particularidad es que, al
poner en juego distintos refrigerantes, las distintas etapas son independientes y
no mezclan fluidos. La fuente fría (evaporador) de una máquina frigorífica de
compresión simple (o por etapas), se alimenta de una fuente caliente
(condensador) de la máquina correspondiente en la etapa inferior de la
cascada.
25
26 Técnico en Instalaciones Frigoríficas y Climatización. Para poder realizar esta instalación es necesario aprovechar el calor
absorbido en la vaporización de un escalón con el cedido en la condensación
del siguiente. Este procedimiento hace necesaria la instalación de
intercambiadores de calor entre las distintas etapas.
El número de escalones entre
las distintas etapas puede variar en
función de la instalación desde 2
en los casos más sencillos hasta 4 o
5 en instalaciones más complejas.
En la imagen se muestra un
sistema en cascada de dos etapas
en donde se han combinado un
proceso con R-134 a con un ciclo
con
CO2
produciendo
una
temperatura de salída en torno a
los -40º C, siendo la temperatura
de condensación de 45º C.
Como
ventaja
se
puede
apreciar que podemos llegar a
obtener
temperaturas
de
evaporación muy bajas, necesaria
para ciertos procesos industriales. El inconveniente principal que presentan
estos ciclos es que se pierde eficacia en el intercambiador intermedio, perdida
que se acumula en cada etapa, por lo que se hace especialmente
importante una buena selección de estos así como un adecuado aislamiento
para evitar pérdidas.