equipos de climatizacion y refriferacion manual completo

SiS-18

Equipo de climatizacin y refrigeracin

Manual de servicioEquipo de climatizacin y refrigeracin

Daikin AC Spain, S.A. ha obtenido la Certificacin en Gestin Medioambiental ISO14001 que garantiza la proteccin y cuidado por el medio ambiente frente al impacto potencial de nuestras actividades, productos y servicios.

Daikin Europe N.V. est autorizado por LRQA por su Sistema de Gestin de Calidad de conformidad con la norma ISO9001. La norma ISO9001 es una garanta de calidad tanto para el diseo, el desarrollo y la fabricacin como para los servicios relacionados con el producto. La norma ISO14001 garantiza un sistema de gestin medioambiental efectivo para ayudar a proteger la salud de las personas y el medio ambiente del impacto potencial de nuestras actividades, productos y servicios, y para contribuir a la conservacin y mejora de la calidad del medio ambiente. Las especificaciones estn sujetas a cambios sin previo aviso.

Las unidades Daikin cumplen los reglamentos europeas que garantizan la seguridad del producto.

Daikin Europe N.V. participa en el Programa de certificacin Eurovent para sistemas de climatizacin (AC), sistemas compactos de refrigeracin por lquido (LCP) y unidades fan coil (FC); los datos certificados de los modelos certificados aparecen listados en el directorio de Eurovent.

Impreso en Espaa por Grficas Vergara

SiS-18

DAIKIN AC SPAIN, S.A.

Labastida, 2 28034 Madrid Internet: http://www.daikin.es

SiS-18 09/2005

SiS-18.book Page 0 Tuesday, May 24, 2005 7:40 AM

PrefacioEste manual es conforme a su uso en clases de centros para tcnicos de mantenimiento de nivel bsico y medio. Aunque el contenido y las expresiones puedan ser a veces inadecuados, los conocimientos y conceptos mnimos necesarios para los tcnicos de mantenimiento se presentan de forma que se puedan comprender con facilidad. Deseamos que haga un uso eficaz del manual.

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SiS-18

ContenidoCaptulo 1 ..................... 1 Principios bsicos de refrigeracin................................ 1 Captulo 2 ..................... 2 Diagrama de Mollier....................................................... 33 Captulo 3 ..................... 3 Clasificacin de sistemas de climatizacin ................. 65 Captulo 4 ..................... 4 Componentes.................................................................. 79 Captulo 5 ..................... 5 Cableado elctrico....................................................... 109 Captulo 6 ..................... 6 Trabajos bsicos .......................................................... 147 Captulo 7 ..................... 7 Instalacin .................................................................... 211 Captulo 8 ..................... 8 Prueba de funcionamiento.......................................... 235 Captulo 9 ..................... 9 Deteccin de averas ................................................... 251 Captulo 10 ................... 10 Sistemas de climatizacin refrigerados por agua .. 271 Captulo 11 ................... 11 Grficos psicromtricos ........................................... 285 Captulo 12 ................... 12 Clculos sencillos de la carga de refrigeracin y calefaccin .................................................................. 311 Captulo 13 ................... 13 Refrigerantes R-407C y R-410A................................. 319 Captulo 14 ................... 14 Apndice..................................................................... 347 Captulo 15 ................... 15 Explicaciones adicionales ......................................... 383

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Captulo 1 Principios bsicos de refrigeracin1.1 Presin ...................................................................................................................................... 21.1.1 Masa .............................................................................................................................................. 2 1.1.2 Fuerza y peso ................................................................................................................................ 3 1.1.3 Definicin de presin ................................................................................................................... 3 1.1.4 Unidades de presin ...................................................................................................................... 4 1.1.5 Ley de Pascal................................................................................................................................. 4 1.1.6 Presin atmosfrica ....................................................................................................................... 5 1.1.7 Vaco .............................................................................................................................................. 5 1.1.8 Conversin de unidades de presin............................................................................................... 5 1.1.9 Presin absoluta y presin del manmetro.................................................................................... 7

1

1.2 Calor y temperatura................................................................................................................... 71.2.1 Definicin de calor ....................................................................................................................... 7 1.2.2 Flujo de calor.................................................................................................................................. 7 1.2.3 Transferencia de calor ................................................................................................................... 8 1.2.4 Definicin de temperatura............................................................................................................ 8 1.2.5 Escalas termomtricas................................................................................................................... 8 1.2.6 Cero absoluto................................................................................................................................. 9 1.2.7 Escalas de temperaturas absolutas ............................................................................................... 9 1.2.8 Frmulas de conversin de temperaturas.................................................................................... 10 1.2.9 Unidades de calor ........................................................................................................................ 11 1.2.10 Trabajo, energa y potencia ......................................................................................................... 13

1.3 Calor sensible y calor latente .................................................................................................. 141.3.1 Tres estados fsicos (fases) ......................................................................................................... 14 1.3.2 Cambio de fase del agua ............................................................................................................. 15 1.3.3 Saturacin, sobrecalentamiento y subenfriamiento ..................................................................... 16 1.3.4 Temperatura de saturacin .......................................................................................................... 17 1.3.5 Calor sensible y calor latente ....................................................................................................... 18 1.3.6 Clculo de la cantidad de calor .................................................................................................... 19

1.4 Refrigeracin ........................................................................................................................... 201.4.1 Definicin de refrigeracin y climatizacin .............................................................................. 20 1.4.2 Aislamiento trmico...................................................................................................................... 20 1.4.3 Carga de calor.............................................................................................................................. 21 1.4.4 Refrigerante ................................................................................................................................. 21 1.4.5 Principio de refrigeracin ............................................................................................................. 24 1.4.6 Ciclo de refrigeracin ................................................................................................................... 29 1.4.7 Partes principales del sistema de refrigeracin ........................................................................... 29 1.4.8 Lado bajo y lado alto .................................................................................................................... 30

1


Principios bsicos de refrigeracin

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Captulo 1Principios bsicos de refrigeracinPara el estudio de la refrigeracin y la climatizacin, es importante dominar los principios fundamentales de la fsica y la termodinmica que se explican en este captulo. Para aqullos que ya estn familiarizados con estos principios bsicos, este captulo les servir de revisin o como material de referencia. Las unidades son temas importantes en este captulo. Se utilizan varias unidades en funcin de las aplicaciones y zonas, y por el momento no estn unificadas en todo el mundo. El sistema de yardas y libras se sigue utilizando todava en algunos pases, y el sistema mtrico se utiliza en la industria de climatizacin y refrigeracin de Japn. Asimismo, existen numerosas clases de sistemas en el sistema mtrico. Para aclarar la confusin generada por la diversidad de unidades, se ha introducido el sistema internacional de unidades (SI: Systme International d'Units), que cuenta con un amplio apoyo. En este manual, no obstante, se explican principalmente las unidades del sistema mtrico utilizadas habitualmente porque creemos que es demasiado pronto para emplear nicamente el sistema mtrico SI en este manual, ya que este sistema no se utiliza en los manmetros, catlogos de productos ni materiales tcnicos que los tcnicos de mantenimiento utilizan a diario. Para que las personas familiarizadas con el sistema de yardas y libras puedan leer este manual fcilmente, se explican tambin las frmulas de conversin de las unidades del sistema mtrico convencional al sistema de yardas y libras, y al mismo tiempo, las unidades del sistema mtrico SI que sern necesarias en un futuro prximo.

Tabla 1-1Sistema de yardas y libras g 1 1000 28,35 453,6 kg 0,001 1 0,02835 0,4536 oz 0,03527 35,27 1 16 lb 0,002205 2,205 0,0625 1

* Las unidades de masa del sistema mtrico convencional y las de SI son las mismas.

Para convertir una unidad a otra, utilice la frmula siguiente.

(1)

g

kg

Para convertir gramos en kilogramos kg=0,001 g Para convertir gramos en onzas OZ=0,03527 g Para convertir kilogramos en gramos g=1.000 kg Para convertir kilogramos en libras Ib=2,205 kg Para convertir onzas en gramos g=28,35 oz Para convertir onzas en libras lb=0,0625 oz

(2)

g

oz

(3)

kg

g

(4)

kg

lb

(5)

oz

g

(6)

oz

g

(7)

lb

kg Para convertir libras en kilogramos kg=0,4536 Ib oz Para convertir libras en onzas oz=16 Ib : Convertir 200 g en kg : 200 g 0,001=0,2 kg : Convertir 500 g en oz : 500 g 0,03527=17,6 oz : Convertir 4 kg en g : 4 kg 1.000=4.000 g : Convertir 4 kg en lb : 4 kg 2,205=8,8 lb : Convertir 50 oz en g : 50 oz 28,35=1417,5 g : Convertir 200 oz en lb : 200 oz 0,0625=12,5 lb : Convertir 80 lb en kg : 80 lb 0,4536=36,3 kg : Convertir 5 lb en oz : 5 lb 16=80 oz

1.1 Presin1.1.1 Masamedida en gramos y kilogramos. 1 gramo [g] .....Un centmetro cbico [cm3] de agua a la temperatura de mayor densidad tiene una masa de 1 g (consulte la fig. 1-1).

(8)

lb

Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin

Fig. 1-1

Agua

Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin

Las relaciones entre gramos, kilogramos y otras unidades aparecen en la tabla 1-1.

Ejemplo Solucin

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1.1.2 Fuerza y pesoFuerza...Una fuerza se define como de empuje o de traccin. Es algo que tiende a poner un cuerpo en movimiento, a detener un cuerpo en movimiento o a cambiar la direccin del movimiento. Una fuerza puede cambiar tambin el tamao o la forma de un cuerpo. Peso...El peso es la fuerza ms conocida. El peso de un cuerpo es una medida de la fuerza ejercida en el cuerpo por la atraccin de la gravedad de la tierra. (Consulte la fig. 1-2). Las unidades de fuerza son el kilogramo fuerza [kgf] en el sistema mtrico convencional, el newton [N] en el sistema mtrico SI y la libra fuerza [lbf] en el sistema de yardas y libras. Kilogramo fuerza [kgf]...Un kilogramo fuerza es la fuerza de gravedad de un objeto que tiene una masa de 1 kg. La fuerza de gravedad proporciona una aceleracin de 9,807 metros por segundo al cuadrado al objeto. [Consulte la fig. 1-3 (a)]. Newton [N]...Un newton es la fuerza que, aplicada a un cuerpo que tiene una masa de 1 kg, le proporciona una aceleracin de un metro por segundo por segundo. [Consulte la fig. 1-3 (b)]. Las relaciones entre kilogramo fuerza, newton y libra fuerza se indican en la tabla 1-2.

Tabla 1-2Sistema mtrico convencional kgf 1 0,1020 0,4536 Sistema mtrico SI N 9,807 1 4,448 Sistema de yardas y libras lbf 2,205 0,2248 1

Fig. 1-4

* Existe la costumbre de abreviar el kilogramo fuerza como kilogramo o la libra fuerza como libra e incluso sus smbolos kgf como kg o lbf como lb. Casi todos los aparatos de peso indican las unidades de masa. En este captulo, se pueden comprender las diferencias entre peso y masa de manera muy clara.

1.1.3 Definicin de presinPresin...Presin es la fuerza por unidad de rea. Puede describirse como la medida de la intensidad de la fuerza en cualquier punto dado de la superficie de contacto. Siempre que se distribuye la fuerza de manera uniforme en un rea determinada, la presin en cualquier punto de la superficie de contacto es la misma y se puede calcular dividiendo la fuerza total ejercida por el rea total en la que se aplica la fuerza. Esta relacin se expresa mediante la siguiente ecuacin. (Consulte la fig. 1-5). F P = --A Donde P = Presin F = Fuerza total A = rea total

Fig. 1-2Peso Balanza de resorte

Masa Fuerza de gravedad 9,807 m/s2

Fig. 1-5 Fig. 1-3Aceleracin 9,8007 m/s2

Masa:1 kg (a)

Fuerza:1 kgf

rea total Fuerza totalAceleracin: 1 m/s2

Presin Unidad de rea

Masa:1 kg

Fuerza:1 NUn bloque de hielo (slido) ejerce presin en su base. El agua (lquido) ejerce presin en los lados y la parte inferior de su contenedor. El vapor (gas) ejerce presin en todas las superficies de su contenedor. (Consulte la fig. 1-6).

(b)

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Fig. 1-6

Fig. 1-8

Bloque de hielo

Agua

Vapor

1.1.4 Unidades de presincuadrado [kgf/cm2] en el sistema mtrico convencional, el pascal [Pa], el kilopascal [kPa] en el sistema mtrico SI, y la libra por pulgada cuadrada [psi] en el sistema de yardas y libras. Kilogramo fuerza por centmetro cuadrado [kgf/cm2]...Un peso slido de 1 kgf con un rea de superficie inferior de 1 cm2 ejercera una presin de 1 kgf/cm2 sobre una superficie plana. [Consulte la fig. 1-7 (a)]. Pascal [Pa]...Un pascal es un newton por metro cuadrado. [Consulte la fig. 1-7 (b)]. 1 kilopascal [kPa]=1.000 Pa Libras por pulgada cuadrada [psi]...Un peso slido de 1 lb con un rea de superficie inferior de 1 in2 ejercera una presin de 1 psi sobre una superficie plana. [Consulte la fig. 1-7 (c)].

* Al igual que las unidades de peso, las unidades de presin se abrevian del modo siguiente: kilogramo fuerza por centmetro cuadrado como kilogramo por centmetro cuadrado o libra fuerza por pulgada cuadrada como libra por pulgada cuadrada y sus smbolos como kgf/cm2 como kg/cm2 o lbf/in2 como lb/in2. En los manmetros que suelen utilizar los tcnicos de mantenimiento, slo se indica kg/cm2 o lb/in2. No supone un problema pensar que kg/cm2 o lb/in2 equivalen a kgf/cm2 o lbf/in2 respectivamente.

1.1.5 Ley de PascalLey de Pascal...La presin aplicada a un fluido confinado se transmite igualmente en todas las direcciones. La fig. 1-9 ilustra la ley de Pascal. Muestra un cilindro lleno de fluido con distintas formas de cmaras. Hay un pistn instalado en un cilindro pequeo que est conectado al cilindro ms grande. Se aplica una fuerza al pistn del cilindro pequeo. Los manmetros muestran la presin transmitida por igual en todas las direcciones y cmaras independientemente del tamao y forma de las cmaras.

Fig. 1-7Fuerza (peso)=1 kgf rea de la superficie inferior: 1 cmX1 cm=1 cm2 Presin 1 kgf=1 kgf/cm2 1cm2

Fig. 1-9

1 cm 1 cm (a)

Fuerza (peso): 1 N

1m

rea de la superficie inferior: 1 mX1 m=1 m2 Presin 1 N=1 N/cm2=1 Pa 1 m2

1m

(a)

Pistnrea de la superficie inferior: 1 pulg.X1 pulg.=1 pulg.2 Presin 1 lbf=1 lbf/cm2=1 Psi 1 pulg.2

Fuerza

Fuerza (peso): 1 lbf

1 pulg. 1 pulg. (c)

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Principios bsicos de refrigeracin La presin atmosfrica se puede expresar de numerosas maneras tal como se muestra a continuacin. Presin atmosfrica =1,033 kgf/cm2 =1 atm =760 mmHg =101,3 kPa =14,70 lbf/in2 [psi] =29,92 in.Hg

1.1.6 Presin atmosfricaPresin atmosfrica...La tierra est rodeada por una envoltura de atmsfera o aire. El aire pesa y ejerce una presin sobre la superficie de la tierra. La presin ejercida por la atmsfera se conoce como presin atmosfrica. El peso de una columna de aire que tiene una seccin transversal de 1 cm cuadrado y que se extiende desde la superficie de la tierra al nivel del mar hasta los lmites superiores de la atmsfera es de 1,033 kgf (14,70 lbf). Por lo tanto, la presin sobre la superficie de la tierra al nivel del mar que resulta del peso de la atmsfera es de 1,033 kgf/cm2 (14,70 lbf/cm2) (consulte la fig. 1-10). Barmetros...Para medir la presin atmosfrica de forma experimental, se utiliza un barmetro. Un sencillo barmetro consta de un tubo de cristal cerrado en un extremo y abierto en el otro. Llene el tubo con mercurio, luego, tape el extremo abierto con un dedo, y dle la vuelta en un contenedor de mercurio. Al retirar el dedo, el mercurio caer al nivel correspondiente a la presin atmosfrica. La altura de la columna de mercurio es de 760 mm (29,92 in.) al nivel del mar en condiciones normales. (Consulte la fig. 1-11).

1.1.7 VacoVaco...Las presiones inferiores a la presin atmosfrica se denominan vaco. Vaco perfecto...Una presin que no se puede reducir ms se denomina vaco perfecto. (Vaco absoluto) Vaco parcial...Una presin inferior a la presin atmosfrica, pero sin que constituya un vaco perfecto, se denomina vaco parcial. Un vaco perfecto se puede expresar de numerosas maneras tal como se muestra a continuacin. Vaco perfecto =0 kgf/cm2 =0 mmHg =0 Pa =0 psi =0 in.Hg

Fig. 1-10

Presin atmosfrica 6 1,033 kgf/cm2

Fig. 1-12

1,03325 kgf

Molculas

1 cm2

Fig. 1-11

Vaco

Presin atmosfrica 760 mm (29,92 pulg.)

Vaco parcial

Vaco perfecto

Mercurio [Hg]

1.1.8 Conversin de unidades de presinLas relaciones entre kgf/cm2, kPa, psi y otras unidades aparecen en la tabla 1-3.

Tabla 1-3Sistema mtrico convencional kgf/cm 1 1,033 0,001360 0,01020 0,07031 0,034532

Sistema mtrico SI mmHg 735,6 760 1 7,501 51,71 25,40 kPa 98,07 101,3 0,1333 1 6,895 3,386

Sistema de yardas y libras psi 14,22 14,70 0,01934 0,1450 1 0,4912 in.Hg 28,96 29,92 0,03937 0,2953 2,036 1

atm 0,9678 1 0,001316 0,009869 0,06805 0,03342

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Principios bsicos de refrigeracin Para convertir una unidad a otra, utilice la frmula siguiente.

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(1)

kgf/cm2

atm

Para convertir kgf/cm2 en atm atm=0,96783kgf/cm2

Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin Ejemplo Solucin

: Convertir 20 kgf/cm2 en atm : 20 kgf/cm2 0,09678=19,36 atm

(2)

atm

kgf/cm2

Para convertir atm en kgf/cm2 kgf/cm2=1,033 atm

: Convertir 2 atm en kgf/cm2 : 2 atm 1,033=2,066 kgf/cm2

(3)

kgf/cm2

mmHg

Para convertir kgf/cm2 en mmHg mmHg=735,63 kgf/cm2

: Convertir 1,5 kgf/cm2 en mmHg : 1,5 kgf/cm2 435,6=1103 mmHg

(4)

mmHg

kgf/cm2

Para convertir mmHg en kgf/cm2 kgf/cm2=0,001360 mmHg

: Convertir 745 mmHg en kgf/cm2 : 745 mmHg 0,001360=1,013 kgf/cm2

(5)

kgf/cm2

MPa

Para convertir kgf/cm2 en MPa MPa=0,098 kgf/cm2

: Convertir 12 kgf/cm2 en MPa : 12 kgf/cm2 0,098=1,176 MPa

(6)

MPa

kgf/cm2

Para convertir MPa en kgf/cm2 kgf/cm2=10,2 MPa

: Convertir 105 MPa en kgf/cm2 : 105 MPa 10,2=1.071 kgf/cm2 : Convertir 20 kgf/cm2 en psi : 20 kgf/cm2 14,22=284,4 psi

(7)

kgf/cm2

psi

Para convertir kgf/cm2 en psi psi=14,22 kgf/cm2

(8)

psi

kgf/cm2

Para convertir psi en kgf/cm2 kgf/cm2=0,07031 psi

: Convertir 300 psi en kgf/cm2 : 300 psi 0,07031=21,09 kgf/cm2 : Convertir 15 MPa en psi : 15 MPa 145,0=2.175 psi

(9)

MPa

psi

Para convertir MPa en psi psi=145,0 MPa

(10)

psi

MPa

Para convertir MPa en kgf/cm2 kgf/cm2=0,07031 MPa

: Convertir 40 psi en MPa : 40 MPa 0,00689=0,275 MPa : Convertir 28 psi en in.Hg : 28 psi 2,036=57 in.Hg

(11)

psi

in.Hg

Para convertir psi en in.Hg in.Hg=2,036 psi

(12)

in.Hg

psi

Para convertir in.Hg en psi psi=0,4912 in.Hg

: Convertir 62 in.Hg en psi : 62 in.Hg 0,4912=30,45 psi

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1.1.9 Presin absoluta y presin del manmetroPresin del manmetro...La presin del manmetro es la presin que indica un manmetro. Es importante comprender que los manmetros estn calibrados para leer cero a la presin atmosfrica. Los manmetros miden slo la diferencia de presin entre la presin total del fluido en el vaso y la presin atmosfrica. Las presiones del manmetro se expresan en kgf/cm2G, psig o kPa(G). Presin absoluta...La presin absoluta es la presin total o verdadera de un fluido. Cuando la presin del fluido es superior a la presin atmosfrica, la presin absoluta del fluido se determina sumando la presin atmosfrica a la presin del manmetro, y cuando la presin del fluido es inferior a la presin atmosfrica, la presin absoluta del fluido se halla restando la presin del manmetro a la presin atmosfrica. Para la resolucin de la mayora de los problemas de presin y volumen o el uso del diagrama de Mollier, es necesario utilizar presiones absolutas. Las presiones absolutas se expresan en kgf/cm2 abs, psia o MPa. No obstante, es normal omitir G, g, abs o a excepto cuando sea necesario discriminar la presin del manmetro de la presin absoluta.

Ejemplo

: Un manmetro indica 1,8 MPa (18 kgf/cm2). Cul es la presin absoluta en este caso?

Solucin

: Presin absoluta =[1,8+0,1] MPa; (18+1,03) kgf/cm2 =1,9 MPa; (19,03 kgf/cm2)

Ejemplo

: Un vacumetro compuesto en el tubo de aspiracin indica 200 mmHg. Cul es la presin absoluta?

Solucin

: Presin absoluta=760-200=560 mmHg

1.2 Calor y temperatura1.2.1 Definicin de calorEl calor es una forma de energa. Est relacionado con el movimiento o la vibracin molecular. Una molcula es la partcula ms pequea en la que se puede dividir una sustancia sin que pierda su identidad qumica. Al calentar una sustancia, las molculas se mueven con mayor rapidez. Al enfriar una sustancia, se ralentizan. Si se elimina todo el calor de una sustancia, se detiene todo el movimiento molecular. En otras palabras, si se calienta una sustancia, se aade calor, si se enfra, se elimina calor. (Consulte la fig. 1-14).

Fig. 1-14

Fig. 1-13kgf/cm2G kgf/cm2abs

20 kgf/cm2

21,03 kgf/cm2 Molcula

10 kgf/cm2

11,03 kgf/cm2

1.2.2 Flujo de calorPresin atmosfrica 0 mmHg 0 kgf/cm2 1,03 kgf/cm2 760 mmHG

200 mmHG

560 mmHg

El calor siempre fluye de una sustancia ms caliente a una ms fra. Lo que sucede es que las molculas que se mueven con mayor rapidez transmiten parte de su energa a las molculas ms lentas. Por lo tanto, las molculas ms rpidas se ralentizan un poco y las ms lentas se mueven un poco ms rpido. (Consulte la fig. 1-15).

400 mmHG

360 mmHg

Fig. 1-15Elemento ms fro Elemento ms caliente

600 mmHG Vaco perfecto 760 mmHG

160 mmHg 0 mmHg

Presin absoluta = o

+ Presin atmosfrica (1,03 kgf/cm2)

Lectura de manmetro Calor

Presin absoluta=760 mmHg Lectura de manmetro

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1.2.3 Transferencia de calorEl calor se puede transferir de un cuerpo a otro mediante los mtodos siguientes. Radiacin...Transferencia de calor en forma de movimiento de onda parecido a las ondas luminosas en las que se transmite energa de un cuerpo a otro sin necesidad de intervencin de materia. [Consulte la fig. 1-16 (a)].

Fig. 1-17Calor

Temperatura

Calor

Conduccin...Flujo de calor entre las partes de una sustancia. El flujo puede establecerse tambin desde una sustancia a otra en contacto directo. [Consulte la fig. 1-16 (b)]. Conveccin...Movimiento de calor de un punto a otro a travs de fluido o aire. [Consulte la fig. 1-16 (b)]. Algunos sistemas de transferencia de calor utilizan una combinacin de estos tres mtodos.

Termmetro

1.2.5 Escalas termomtricasLa escala termomtrica ms comn en el sistema mtrico es la Celsius, a veces llamada tambin escala centgrada. Otra escala termomtrica habitual en el sistema de libras y yardas es la Fahrenheit. El sistema mtrico SI utiliza la Kelvin que se explica en 1.2.7. La calibracin de los termmetros para estas dos escalas se determinan por la temperatura de fusin del hielo y de ebullicin del agua. Centgrados...En la escala centgrada, la temperatura de fusin del hielo o de congelacin del agua es de 0 C. La temperatura de ebullicin del agua es 100 C. Hay 100 espacios o grados en la escala entre las temperatura de congelacin y de ebullicin.

Fig. 1-16Radiac in

Calentador elctrico (a)Con vecc in

Fahrenheit...En el termmetro Fahrenheit, la temperatura de fusin del hielo o de congelacin del agua es de 32 F. La temperatura de ebullicin del agua es de 212 F. Esto da 180 espacios o grados entre las temperaturas de congelacin y de ebullicin.* Los puntos de congelacin y ebullicin se basan en las temperaturas de congelacin y ebullicin del agua a la presin atmosfrica estndar.

Fig. 1-18Agua 100C 212F

ConQuemador (b)

duc

cin100 intervalos 180 intervalos

Punto de ebullicin

1.2.4 Definicin de temperaturaTemperatura...La temperatura mide la intensidad de calor o el nivel de calor de una sustancia. La temperatura sola no expresa la cantidad de calor de una sustancia. Indica el nivel de calor, o lo caliente o fro que est una sustancia o cuerpo. Es importante no utilizar las palabras calor y temperatura de cualquier manera.

0C

32F Punto de congelacin

Centgrados

Fahrenheit

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1.2.6 Cero absolutoCero absoluto... El cero absoluto es la temperatura a la que se detiene el movimiento molecular. Es la temperatura ms baja posible. Ya no queda ms calor en la sustancia en este punto.

Fig. 1-19

1.2.7 Escalas de temperaturas absolutasSe utilizan dos escalas de temperaturas absolutas cuando se trabaja con temperaturas muy bajas o se resuelven problemas de termodinmica. Tanto el sistema mtrico convencional como el SI utilizan la escala Kelvin, mientras que el sistema de yardas y libras utiliza el Rankine. Kelvin [K]...La escala Kelvin emplea las mismas divisiones que la escala Celsius. Cero en la escala Kelvin (0K) son 273 grados bajo 0 C. Rankine [R]...La escala Rankine emplea las mismas divisiones que la escala Fahrenheit. Cero en la escala Rankine (0R) son 460 grados bajo 0 C.

Fig. 1-20

273K 255,2K

0C -17,8C

32F 0F

492R 460R

-460F 0K -273C

180 intervalos 0R Cero absoluto

Kelvin

Rankine

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1.2.8 Frmulas de conversin de temperaturasA veces, es necesario convertir una temperatura de una escala a otra. A continuacin se indican las frmulas.

(1) C

F Para convertir grados Celsius en Fahrenheit Temp.C)+32 Temp.C)+32

Ejemplo Solucin

180 Temp.F= ( 100 9 =( 5 (2) F

: Convertir 40C en Fahrenheit 9 : Temp.F=( 40)+32=104F 5

C Para convertir grados Fahrenheit en Celsius 100 Temp.C= ( Temp.F)-32 180 5 =( Temp.F)-32 9 C K Para convertir grados Celsius en Kelvin

Ejemplo Solucin

: Convertir 50F en Celsius 5 : Temp.C= (50-32)=10C 9

(3)

Ejemplo Solucin

: Convertir -20C en Kelvin : Temp.K=(-20)+273=253K

Temp.K=Temp.C+273

(4)

K

C

Para convertir grados Kelvin en Celsius

Ejemplo Solucin

: Convertir 400K en Celsius : Temp.C=400-273=127C

Temp.C=Temp.K-273

(5)

Para convertir grados Fahrenheit en Rankine Temp.R=Temp.F+460

F

R

Ejemplo Solucin

: Convertir 20F en Rankine : Temp.R=20+460=480R

(6)

Para convertir grados Rankine en Fahrenheit Temp.F=Temp.R-460

R

F

Ejemplo Solucin

: Convertir 200R en Fahrenheit : Temp.F=200-460=-260F

10


SiS-18


1.2.9 Unidades de calorTal como ya se ha explicado, un termmetro mide slo la intensidad del calor pero no la cantidad. No obstante, cuando se trabaja con calor, a menudo es necesario determinar las cantidades de calor. Obviamente, se necesitan algunas unidades de calor. Hay varias unidades de calor. El sistema mtrico convencional utiliza la calora [cal] o la kilocalora [kcal]. El sistema mtrico SI utiliza el julio [J] o el kilojulio [KJ]. El sistemas de yardas y libras utiliza la unidad trmica britnica o British thermal unit [Btu]. Calora [cal]...La cantidad de calor necesaria/eliminada para aumentar/reducir la temperatura de 1 g de agua en 1 C es igual a 1 cal. [Consulte la fig. 1-22 (a)]. Kilocalora [kcal]...La cantidad de calor necesaria/eliminada para aumentar/reducir la temperatura de 1 kg de agua en 1 C es igual a 1 kcal. [Consulte la fig. 1-22 (b)]. Julio [J]...La cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de 1 g de agua en 1 C es igual a 4,187 J. A la inversa, la cantidad de calor eliminada para reducir la temperatura de 1 g de agua en 1 C es tambin igual a 4,187 J. [Consulte la fig. 1-22 (a)]. Kilojulio [kJ]...La cantidad de calor necesaria/eliminada para aumentar/reducir la temperatura de 1 kg de agua en 1 C es igual a 4,187 kJ. [Consulte la fig. 1-22 (b)]. Unidad trmica britnica [Btu]...La cantidad de calor necesaria/ eliminada para aumentar/reducir la temperatura de 1 lb de agua en 1 F es igual a 1 Btu. [Consulte la fig. 1-22 (c)]. Las relaciones entre cal, kcal y otras unidades aparecen en la tabla 1-4.

Fig. 1-21

Calor Calor Calor Calor Calor Calor Calor Calor Calor

Calor Calor Calor Calor Calor

Cunto?

Fig. 1-2215,5C 1 grado 14,5C

1 g de agua Quemador

(a) 1 cal o 4,187 J aadidos15,5C 1 grado 14,5C

1 g de agua

(b) 1 cal o 4,187 J aadidos64F 1 grado 63F

1 g de agua

(c) 1 Btu aadido

Tabla 1-4Sistema mtrico convencional cal 1 1.000 0,2389 238,9 252 kcal 0,001 1 0,0002389 0,2389 0,2520 J 4,186 4.186 1 1.000 1.055 Sistema mtrico SI kJ 0,004186 4,186 0,001 1 1,055 Sistema de yardas y libras Btu 0,003968 3,968 0,000948 0,9480 1

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Principios bsicos de refrigeracin Para convertir una unidad a otra, utilice las conversiones siguientes.

SiS-18

(1)

cal

kcal

Para convertir caloras en kilocaloras kcal=0,001 cal

Ejemplo Solucin

: Convertir 2.500 cal en kcal : 2.500 cal 0,001=2,5 kcal

(2)

kcal

cal

Para convertir kilocaloras en caloras cal=1.000 kcal

Ejemplo Solucin

: Convertir 5 kcal en cal : 5 kcal 1.000=5.000 cal

(3)

kcal

kJ

Para convertir kilocaloras en kilojulios kJ=4,186 kcal

Ejemplo Solucin

: Convertir 5 kcal en kJ : 5 kcal 4,186=20,93 kJ

(4)

kJ

kcal

Para convertir kilojulios en kilocaloras kcal=0,2389 kJ

Ejemplo Solucin

: Convertir 100 kJ en kcal : 100 kJ 0,2389=23,89 kcal

(5)

kcal

Btu

Para convertir kilocaloras en unidades trmicas britnicas Btu=3,968 kcal

Ejemplo Solucin

: Convertir 2.500 kcal en Btu : 2.500 kcal 3,968=9.920 Btu

(6)

Btu

kcal

Para convertir unidades trmicas britnicas en kilocaloras kcal=0,2520 Btu

Ejemplo Solucin

: Convertir 20.000 Btu en kcal : 20.000 Btu 0,2520=5.040 kcal

(7)

Btu

kJ

Para convertir unidades trmicas britnicas en kilojulios kJ=1,055 Btu

Ejemplo Solucin

: Convertir 25.000 Btu en kJ : 25.000 Btu 1,055=26.375 kJ

(8)

kJ

Btu

Para convertir kilojulios en unidades trmicas britnicas Btu=0,9480 kJ

Ejemplo Solucin

: Convertir 500 kJ en Btu : 500 kJ 0,9480=474 Btu

(9)

J

kJ

Para convertir julios en kilojulios kJ=0,001 J

Ejemplo Solucin

: Convertir 8.000 J en kJ : 8.000 J 0,001=8 kJ

(10)

kJ

J

Para convertir kilojulios en julios J=1.000 kJ

Ejemplo Solucin

: Convertir 2 kJ en J : 2 kJ 1.000=2.000 J

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SiS-18


1.2.10 Trabajo, energa y potenciaTrabajo...El trabajo es la fuerza multiplicada por la distancia a la que se desplaza. Las unidades de trabajo son el kilogramo fuerza por metro [kgf m] en el sistema mtrico convencional, el julio [J] en el sistema mtrico SI, y el pie-libra fuerza [ftlbf] en el sistema de yardas y libras.(a) 1 kg

Fig. 1-231m

9,8 m/s2 Fuerza

Kilogramo fuerza por metro [kgfm]...Kilogramo fuerza por metro es la cantidad de trabajo realizado por una fuerza de 1 kgf que mueve su punto de aplicacin a una distancia de 1 m. [Consulte la fig. 1-23 (a)]. Julio [J]...Julio es la cantidad de trabajo realizado por una fuerza de 1 N que mueve su punto de aplicacin a una distancia de un metro. [Consulte la fig. 1-23 (b)]. Energa...Energa es la capacidad o aptitud para hacer un trabajo.

Fuerza: 1 kgf Trabajo=Fuerza distancia =1 kgf 1 m=1 kgfm

1m

1 m/s2

En el trabajo de refrigeracin, se deben tener en cuenta tres formas comunes y relacionadas de energa: mecnica, elctrica y trmica. El estudio de la refrigeracin trata principalmente de la energa trmica, pero sta suele producirse habitualmente por una combinacin de energa elctrica y mecnica. En una unidad de refrigeracin, la energa elctrica fluye a un motor elctrico y esta energa elctrica se convierte en energa mecnica que se utiliza para poner en marcha un compresor. El compresor comprime el vapor a una presin y temperatura altas, y transforma la energa mecnica en energa trmica. (Consulte la fig. 1-24). Se utilizan varias unidades para medir la energa mecnica, trmica y elctrica. En la tabla 1-5 aparecen las relaciones entre estas unidades. Potencia...La potencia es el porcentaje de tiempo para realizar un trabajo. Las unidades de potencia son kilogramo fuerza por metro por segundo [kgfm/s] en el sistema mtrico convencional, kilovatio [kw] en el sistema SI, y pie-libra fuerza por segundo [ft.lbf/s] en el sistema de yardas y libras. Existen varias unidades adems de las mencionadas. En la tabla 1-6 aparecen las relaciones entre estas unidades.

(b)

1 kg

Fuerza

Fuerza: 1 N Trabajo=Fuerza distancia =1 N 1 m=1 Nm=1 J

Fig. 1-24Energa elctrica

Energa mecnica

Energa trmica

Tabla 1-5Sistema mtrico convencional Energa elctrica PSh 0,000003704 1 1,3596 0,001581 0,0000003777 0,0000005121 1,014 0,0003984 kWh 0,000002724 0,7355 1 0,001163 0,0000002778 0,0000003766 0,746 0,0002930 632,5 860,0 1 0,0002389 0,0003289 641,6 0,2520 Sistema mtrico SI Energa trmica kcal 0,002343 9,807 2.648.000 3.600.000 4.186 1 1,356 2.686.000 1.056 Energa mecnica, elctrica y trmica J 7,233 1.953.000 2.655.000 3.087 0,7376 1 1.981.000 778,0 Sistema de yardas y libras

Energa mecnica kgfm 1 270.000 367.100 426,9 0,1020 0,1383 273.900 107,6

Energa mecnica ftlbf CVh 0,000003652 0,9859 1,3405 0,001559 0,0000003724 0,0000005049 1 0,0003928

Energa trmica Btu 0,009297 2.510 3.413 3.968 0,0009480 0,001285 2.546 1

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SiS-18

Tabla 1-6Sistema mtrico convencional kgfm/s 1 75 426,9 102 0,1383 76,07 107,6 PS 0,01333 1 5.691 1.360 0,001843 1,014 1,434 kcal/s 0,002343 0,1757 1 0,2389 0,003239 0,1782 0,2520 Sistema mtrico SI kW 0,009807 0,7355 4,186 1 0,001356 0,746 1,055 ftlbf/s 7,233 542,5 3,087 737,6 1 550,2 778,0 Sistema de yardas y libras CV 0,01315 0,9859 5,611 1,340 0,001817 1 1,414 Btu/s 0,009297 0,6973 3,968 0,9180 0,001285 0,7072 1

* En esta seccin se debe entender que el calor es una de las formas de energa y se puede convertir en otras formas y viceversa. Muchas unidades de conversin representadas en esta seccin se utilizan para calcular las cargas y determinar la capacidad necesaria de un equipo para aplicaciones de refrigeracin especficas.

Fig. 1-25

1.3 Calor sensible y calor latente1.3.1 Tres estados fsicos (fases)Las sustancias existen en tres estados en funcin de su temperatura, presin y contenido trmico. Por ejemplo, el agua a la presin atmosfrica estndar es un slido (hielo) a temperaturas bajo 0 C (32 F) y un lquido (agua) desde 0 C (32 F) a 100 C (212 F). A una temperatura de 100 C (212 F) y superior, se convierte en un gas (vapor). (Consulte la fig. 1-25). Slidos...Un slido es cualquier sustancia fsica que conserva su forma incluso aunque no est dentro de un contenedor. Consta de miles de millones de molculas, todas exactamente con el mismo tamao, masa y forma. Estn en la misma posicin relativa unas de otras, pero an as, estn en condicin de vibrar rpidamente. La velocidad de vibracin depender de la temperatura. Cuanto ms baja sea la temperatura, ms lentamente vibrarn las molculas, cuanto ms alta, ms rpida ser la vibracin. Las molculas se atraen con fuerza entre s. Es necesaria una fuerza considerable para separarlas. [Consulte la fig. 1-26 (a)]. Lquidos...Un lquido es cualquier sustancia fsica que toma libremente la forma de su contenedor. An as, las molculas se atraen con fuerza entre s. Piense en las molculas como si estuvieran nadando entre las dems molculas sin separarse nunca de ellas. Cuanto ms alta sea la temperatura, ms velozmente nadan las molculas. [Consulte la fig. 1-26 (b)]. Gases...Un gas es cualquier sustancia fsica que debe estar contenida en un contenedor hermtico para evitar que se escape a la atmsfera. Las molculas, que tienen poca o ninguna atraccin entre s, vuelan en lnea recta. Rebotan unas contras otras, contra las molculas de otras sustancias o contra las paredes del contenedor. [Consulte la fig. 1-26 (c)]. La mayora de las sustancias cambia su estado fsico al aadir o eliminar calor. Aadir calor provoca 2que los slidos se conviertan en lquidos...Fusin 2que los slidos se conviertan en gases...Sublimacin 2que los lquidos se conviertan en gases...Vaporizacin Eliminar calor provoca 2que los gases se conviertan en lquidos...Condensacin 2que los lquidos se conviertan en slidos...Solidificacin (Consulte la fig. 1-27).Hielo Agua Vapor

Fig. 1-26

Fig. 1-27Lquidosn i

Va po riz ac

Co

Fu s

n

in

ci fic a id i So l

Slidos

Sublimacin

Estos cambios de estado se producen con las mismas combinaciones de temperatura y presin para cualquier sustancia dada.

nd en sa ci n

Gases

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SiS-18


1.3.2 Cambio de fase del aguaSuponga que tiene hielo en laminillas de 50 C que se va a calentar en un vaso sobre una llama de gas. Al aplicar calor, la temperatura del hielo en laminillas aumentar hasta que el hielo comience a fundirse. Luego, la temperatura dejar de aumentar y se mantendr a 0 C siempre que quede algo de hielo. Por ltimo, todo el hielo en laminillas se convierte en agua a 0 C. Evidentemente, el gas ardiente suministra calor al hielo. Pero si la temperatura del hielo deja de aumentar, dnde va el calor? La respuesta es que el hielo se funde, y pasa de slido a lquido. Para cambiar cualquier sustancia de slido a lquido es preciso aplicar calor. Cuando el hielo en laminillas se funde por completo, al aplicar ms calor, aumentar la temperatura hasta que el agua comience a bullir. Luego, la temperatura dejar de aumentar y se mantendr a 100 C mientras el agua siga hirviendo. Por ltimo, toda el agua se convierte en vapor a 100 C. Para cambiar cualquier sustancia de lquido a vapor es preciso aplicar calor. Cuando el agua se haya vaporizado por completo, al aplicar ms calor al vapor a 100 C aumentar la temperatura del vapor. Temperatura de fusin...La temperatura a la que un slido cambia al estado lquido se llama temperatura de fusin o punto de fusin. Temperatura de ebullicin...La temperatura a la que un lquido cambia al estado de vapor se llama temperatura de ebullicin, a veces tambin punto de ebullicin, temperatura de vaporizacin o temperatura de saturacin. La explicacin anterior se produce cuando se aade calor a la sustancia. Si se elimina el calor de la sustancia, se invierte el proceso. Por ejemplo, el vapor se condensa y el lquido se solidifica al eliminar el calor. Temperatura de condensacin...La temperatura a la que un vapor cambia al estado lquido se llama temperatura de condensacin o temperatura de saturacin. Temperatura de solidificacin...La temperatura a la que un lquido cambia al estado slido se llama temperatura de solidificacin.

Fig. 1-28

Temperatura [C]

Vapor Hielo en laminillas

Quemador Hielo en laminillas De A a B

Agua Hielo en laminillas y agua Agua Agua y vapor Vapor

De B a C De C a D De D a E

De E a F

P=Presin atmosfrica

Fig. 1-29Temperatura de fusin Temperatura de solidificacin

Temperatura de ebullicin

Temperatura de condensacin

*A presin constante

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SiS-18

1.3.3 Saturacin, sobrecalentamiento y subenfriamientoLquido saturado...Cuando la temperatura de un lquido alcanza la temperatura de saturacin, es decir, cualquier calor adicional aplicado al lquido provoca la vaporizacin de una parte del lquido, se dice que el lquido est saturado. Este lquido se denomina lquido saturado. Vapor saturado...Cuando la temperatura de un vapor disminuye a la temperatura de saturacin, es decir, cualquier enfriamiento del vapor provoca la condensacin de una parte del vapor, se dice que el vapor est saturado. Este vapor se denomina vapor saturado. Un vapor saturado puede describirse como un vapor del lquido de vaporizacin siempre que la temperatura y la presin del vapor sean las mismas que las del lquido saturado del que procede. Vapor sobrecalentado...Cuando la temperatura de un vapor aumenta por encima de la temperatura de saturacin, se dice que el vapor est sobrecalentado y se llama vapor sobrecalentado. Para sobrecalentar un vapor, es necesario separar el vapor del lquido de vaporizacin. Mientras el vapor siga en contacto con el lquido, estar saturado. Esto sucede porque cualquier calor adicional aplicado a una mezcla de lquido y vapor vaporizar simplemente ms lquido y no se producir ningn sobrecalentamiento. Lquido subenfriado...Si, despus de la condensacin, se enfra un lquido de modo que la temperatura baja por debajo de la temperatura de saturacin, se dice que el lquido est subenfriado. Un lquido a cualquier temperatura y por encima de la temperatura de fusin es un lquido subenfriado. La cantidad de sobrecalentamiento y subenfriamiento se determinan aplicando la ecuacin siguiente: Cantidad de sobrecalentamiento (S.C.)=temperatura del vapor sobrecalentado-temperatura de saturacin correspondiente a la presin Cantidad de subenfriamiento (S.E.)=temperatura de saturacin correspondiente a la presin-temperatura del lquido subenfriado

Fig. 1-30Calefaccin Refrigeracin Lquido subenfriado Mezcla de lquido y vapor Vapor sobrecalentado

Lquido

Vapor

Lquido saturado

Vapor saturado

Temperatura

Cantidad de sobrecalentamiento Cantidad de subenfriamiento

Calor sensible

Calor latente

Calor sensible

Fig. 1-28

Ejemplo

: Indique la cantidad de sobrecalentamiento de un vapor (agua) a 120 C, 1 atm.

Solucin : Temperatura de saturacin=100 C S.C.=120 C-100 C=20 C

Ejemplo

: Indique la cantidad de subenfriamiento del agua a 60 C, 1 atm.

Solucin : S.E.=100 C-60 C=40 C

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SiS-18


1.3.4 Temperatura de saturacinLa temperatura de saturacin de las sustancias vara de unas a otras. El agua hierve a 100 C, el alcohol se vaporiza a 78 C y R-22 a 40,8 C por debajo de la presin atmosfrica. La temperatura de saturacin de un lquido o un vapor vara en funcin de la presin. Al incrementar la presin, aumenta la temperatura de saturacin y al reducir la presin, disminuye dicha temperatura. Por ejemplo, la temperatura de saturacin del agua a una presin atmosfrica de 0,1 MPa (1,03 kgf/cm2abs) es de 100 C. Si se aumenta la presin del agua de 0,1 MPa (1,03 kgf/cm2abs) a 0,2 MPa (2,0 kgf/cm2abs), la temperatura de saturacin del agua pasa de 100 C a 119 C. Por otra parte, si se reduce la presin del agua de 0,1 MPa (1,03 kgf/cm2abs) a 0,05 MPa (0,5 kgf/cm2abs), la nueva temperatura de saturacin del agua es de 81 C. Diagrama de saturacin...La fig. 1-31 muestra la relacin entre la presin y la temperatura del agua y R-22. Este diagrama se llama diagrama de saturacin. El diagrama de saturacin es muy til para obtener la siguiente informacin. (1) Para conocer el estado fsico de una sustancia 2 Si la interseccin de las lneas de temperatura y presin estn a la izquierda de la curva de saturacin, se dice que esta sustancia est subenfriada. 2 Si la interseccin est a la derecha de la curva, se dice que esta sustancia est sobrecalentada. 2 Si la interseccin est exactamente en la curva, se dice que esta sustancia est saturada. [Consulte la fig. 1-32 (a)]. (2) Para obtener la temperatura de saturacin correspondiente a la presin 2 La temperatura de saturacin es la temperatura donde se cruzan la lnea de presin y la curva de saturacin. [Consulte la fig. 1-32 (b)]. (3) Para obtener la presin de saturacin correspondiente a la temperatura 2 La presin de saturacin es la presin donde se cruzan la lnea de temperatura y la curva de saturacin. [Consulte la fig. 1-32 (b)]. (4) Para buscar la cantidad de S.C. y S.E. 2 La distancia entre el punto de estado y la curva de saturacin representa la cantidad de S.C. o S.E. [Consulte la fig. 1-32 (c).] Utilice la tabla de saturacin que aparece en la Fig. 362 en lugar del diagrama de saturacin descrito anteriormente, ya que mejora la precisin de lectura, lo que es muy conveniente para los servicios posventa.

Fig. 1-31MPa 2,5

1,5

Presin absoluta [kgf/cm2 abs]

2,0

Regin de lquido subenfriado de R-22

Regin de vapor subcalentado de R-22

R-22

1,0

Regin de lquido subenfriado de agua

0,5

Regin de vapor supercalentado de agua Temperatura [C]

Fig. 1-32

Presin absoluta

A: Lquido subenfriado B: Lquido o vapor saturado C: Vapor sobrecalentado

Temperatura (a)

Presin absoluta

Temperatura (b)

Presin absoluta

Temperatura (c)

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Principios bsicos de refrigeracin En el punto B, el refrigerante R-410A de 0,1 MPa hierve a una temperatura de 51,6 C. Por lo tanto, en el punto D, si el refrigerante R-410A que tiene una temperatura de 35 C est en un estado de vapor saturado a una presin de 2,12 MPa, se convierte en refrigerante lquido saturado de 35 C al eliminar el calor latente de condensacin de dicho vapor saturado. Por el contrario, en el punto C, esto significa que es necesario reducir la presin a 0,94 MPa para que el refrigerante R-410A hierva a 5 C.

SiS-18

1.3.5 Calor sensible y calor latenteLa fig. 1-34 muestra el diagrama del contenido de temperaturacalor para 1 kg de agua calentado de -50 C a un vapor de 150 C a la presin atmosfrica. (1) De A a B, se han aadido 105,4 kJ (25,2 kcal) de calor para aumentar la temperatura del hielo de -50 C a 0 C. (2) De B a C, se han aadido 333,2 kJ (79,6 kcal) para fundir el hielo sin cambiar su temperatura. (3) De C a D, se han aadido 418,6 kJ (100 kcal) para llevar el agua al punto de ebullicin. (de 0 C a 100 C) (4) De D a E, se han aadido 2.256 kJ (539 kcal) para que el agua pase a vapor sin cambiar su temperatura. (5) De E a F, se han aadido 92,5 kJ(22,1 kcal) para aumentar la temperatura del vapor de 100 C a 150 C. En este ejemplo, 2 El calor necesario para aumentar la temperatura del hielo se llama calor sensible. (De A a B) 2 El calor necesario para cambiar el hielo en agua se llama calor latente de fusin. (De B a C) 2 El calor necesario para aumentar la temperatura del agua se llama igualmente calor sensible. (De C a D) 2 El calor necesario para cambiar el agua en vapor se llama calor latente de vaporizacin. (De D a E) Si se invierte el proceso, 2 El calor que se debe eliminar para cambiar el vapor en agua se llama calor latente de condensacin. (De E a D) 2 El calor que se debe eliminar para reducir la temperatura del agua se llama tambin calor sensible. (De D a C) 2 El calor que se debe eliminar para cambiar el agua en hielo se llama calor latente de solidificacin. (De C a B) 2 El calor que se debe eliminar para reducir la temperatura del hielo se llama calor sensible. (De B a A)

Fig. 1-33Curva saturada de R-410A y aguaMPa 2,2 2,0 1,8 2,12 MPaG 2,1 1,9 1,7

D

1,6

1,5

Lquido1,4

Gas1,3

R410A1,2(Lquido) Condensacin Vapor (gas)

1,1 0,9 0,94

1,0

0,8 0,6Lquido Evaporacin

0,7 0,5

Fig. 1-340,4 0,3

Agua5 35 0,1

B0 20 40 60

0 -40 -20 -51,6

0 -760mHg -0,1 80 100 120

A

Temperatura (C)

25,2 kcal 539 kcal

Temperatura [C]

0,2

0,1

22,1 kcal

Vapor Hielo en laminillas Quemador Agua

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SiS-18 Calor sensible...Si se caliente una sustancia y aumenta la temperatura al ir aadiendo calor, el aumento de calor se llama calor sensible. De igual manera, se puede eliminar calor de una sustancia. Si la temperatura baja, el calor eliminado se llama igualmente calor sensible. [Consulte la fig. 1-35 (a)]. El calor que provoca un cambio en la temperatura de una sustancia se llama calor sensible. Calor latente...Est establecido que todas las sustancias puras pueden cambiar su estado. Los slidos se vuelven lquidos, los lquidos se convierten en gases, etc. Es preciso aadir o eliminar calor para producir estos cambios. El calor que genera estos cambios se llama calor latente. [Consulte la fig. 1-35 (b)]. El calor que provoca un cambio de estado sin un cambio de temperatura se llama calor latente.


1.3.6 Clculo de la cantidad de calorCalor especfico...El calor especfico de una sustancia es la cantidad de calor que se debe aadir o eliminar para cambiar la temperatura de un kilogramo de sustancia en un grado Celsius. Tenga en cuenta que por la definicin de kcal el calor especfico del agua es 1 kcal por kilogramo por grado Celsius. El calor necesario para provocar un cambio de temperatura en las sustancias vara con las clases y cantidades de sustancias. En la tabla 1-7 se lista el calor especfico de varias sustancias comunes.

Tabla 1-7Calor especfico Sustancia Sistema mtrico convencional y sistema de libras y yardas kcal/kg C, Btu/lb F Agua 1,0 0,504 0,327 0,129 0,0333 0,615 0,095 Sistema mtrico SI kJ/kgK 4,187 2,110 1,369 0,540 0,139 2,575 0,398

Fig. 1-35

Ca

Hielolor

Madera Hierro Mercurio AlcoholElemento Elemento

Cobre

Nota: Los valores mencionados anteriormente se pueden utilizar para clculos que no impliquen cambios de estado.(a) Sin cambios en el estado fsico

* El calor especfico de cualquier material tambin vara algo en la escala de temperaturas. La variacin es tan leve que se puede considerar que el calor especfico es una cantidad constante para la mayora de los clculos.

Ca

lor

Sin cambios en la temperatura

Elemento

Elemento

La cantidad de calor que se debe aadir o eliminar de una masa de material dada, para provocar un cambio especfico en su temperatura, se puede calcular mediante la siguiente ecuacin: Qs= MC(t2-t1) Donde Qs= Cantidad de calor ya sea absorbida o eliminada por la sustancia M= Masa de la sustancia C= Calor especfico de la sustancia t2= Temperatura final t1= Temperatura inicial

(b) Cambio en el estado fsico

Ejemplo

: Calcule la cantidad de calor, en kcal, que debe aadirse para calentar 20 kg de un bloque de cobre de 30 C a 250 C

Solucin : Calor especfico del cobre = 0,095 kcal/kg C Qs = 20 kg 0,095 kcal/kg C (250 - 30)C = 418 kcal

Solucin

Calor especfico del cobre = 0,398 kJ/kgK Qs = 20 kg 0,398 kJ/kgK (250 - 30)C = 1.751,2 kJ

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Principios bsicos de refrigeracin El calor latente necesario para provocar un cambio de fase en las sustancias vara igualmente con cada material. En la tabla 1-8 se indica el valor latente de vaporizacin (condensacin) de varias sustancias.

SiS-18

1.4 Refrigeracin1.4.1 Definicin de refrigeracin y climatizacinRefrigeracin...Se define como el proceso de reducir y mantener la temperatura de un espacio o material por debajo de la temperatura del entorno. Climatizacin...Se define como el proceso de tratamiento del aire para controlar simultneamente la humedad, limpieza, distribucin, as como la temperatura para cumplir los requisitos del espacio climatizado. La climatizacin forma parte de la refrigeracin en sentido amplio. (Consulte la fig. 1-36).

Tabla 1-8Calor latente de vaporizacin (condensacin) Sustancia Sistema mtrico Sistema convencional mtrico SI kcal/kg Agua R-502 R-12 R-22 R-407C R-410A R-134a 539 a 100 C 38 a 15 C 38 a 15 C 52 a 15 C 58 a 15 C 56 a 15 C 50 a 15 C kJ/kg Sistema de yardas y libras Btu/lb

2.257 a 100 C 970,4 a 212 F 160 a 15 C 159 a 15 C 217 a 15 C 244 a 15 C 233 a 15 C 68,96 a 5 F 68,2 a 5 F 93,2 a 5 F

Fig. 1-36

Hume dad

El valor del calor latente de cualquier lquido en particular vara con la presin en el lquido. Al aumentar la presin, el valor del calor latente disminuye. La cantidad de calor que se debe aadir o eliminar de una masa de material dada, para provocar un cambio especfico en el estado, se puede calcular mediante la siguiente ecuacin: QL= Mh Donde QL= Cantidad de calor ya sea absorbida o eliminada por la sustancia M= Masa de la sustancia h= Calor latente de la sustancia

Calo r

Calo

r

209 a 15 C

DistribEspacio refrigerado Refrigeracin

ucin

Espacio climatizado Climatizacin

1.4.2 Aislamiento trmicoComo el calor se desplaza siempre de una zona de alta temperatura a una de baja temperatura, hay siempre un flujo continuo de calor hacia la zona refrigerada desde el entorno ms caliente. Para limitar el flujo de calor en el espacio refrigerado a lo mnimo factible, es necesario aislar el espacio de su entorno con un buen material termoaislante. (Consulte la fig. 1-37).

Ejemplo

: Calcule la cantidad de calor, en kcal, que debe aadir para vaporizar 10 kg de agua a 100 C

Solucin : Calor latente de vaporizacin del agua = 539 kcal/kg QL = 10 kg 539 kcal/kg = 5.390 kcal

Fig. 1-37Regin de alta temperatura

Solucin

or CalCalCalor

Calor latente de vaporizacin del agua = 2.257 kJ/kg QL = 10 kg 2.257 kJ/kg = 22.570 kJ

orRegin de baja temperatura

CalorRegin de baja temperatura Calor Aislante

Calor

20

Polvo


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1.4.3 Carga de calorCarga de calor...El porcentaje de calor que se debe eliminar del espacio o material refrigerado para producir y mantener las condiciones de temperatura que se desean se llama carga de calor. En la mayora de las aplicaciones de refrigeracin, la carga de calor total en el equipo de refrigeracin es la suma del calor que se escapa al espacio refrigerado a travs de las paredes aisladas, el calor que se introduce en el espacio a travs de las puertas y el calor que se debe eliminar del producto refrigerado para reducir la temperatura del producto a las condiciones de espacio o almacenamiento. El calor desprendido por la gente que trabaja en el espacio refrigerado y por motores, luces y otros equipos elctricos contribuye igualmente a la carga del equipo de refrigeracin. (Consulte la fig. 1-38). (1) Econmico (2) No txico (3) No explosivo (4) No corrosivo (5) No inflamable (6) Estable (inerte) (7) Gran calor latente de vaporizacin (8) Fcil de vaporizar y condensar (9) Fugas fcilmente detectables (10) No contaminante Se han utilizado muchas sustancias como refrigerantes. En aos pasados, los refrigerantes ms comunes han sido el aire, amonaco, anhdrido sulfuroso, dixido de carbono y cloruro de metilo. Hasta ahora se han utilizado en gran medida refrigerantes de fluorocarburos en los sistemas de climatizacin. No obstante, en aos recientes, el problema provocado especialmente por los refrigerantes de fluorocarburo han atrado considerablemente la atencin desde el punto de vista del potencial de destruccin de ozono (ODP). La relacin entre contaminacin y refrigerante flon se describe posteriormente en el captulo del apndice junto con la terminologa para la nueva clasificacin de refrigerantes (CFC, HCFC, HFC) en trminos de contaminacin. De cualquier modo, aqu en la tabla 1-9, la mayora de los refrigerantes utilizados en los equipos de climatizacin y refrigeracin aparecen divididos en inorgnicos y orgnicos. Asimismo, la nomenclatura del refrigerante flon se muestra en la tabla 1-10.

Fig. 1-38

Carga de calor total=

1.4.4 RefrigerantePara reducir y mantener la temperatura de un espacio por debajo de la temperatura del entorno, se debe eliminar el calor del espacio y transferirlo a otro cuerpo, cuya temperatura est por debajo de la del espacio refrigerado. Esto lo suele hacer el refrigerante. (Consulte la fig. 1-39).

Fig. 1-40

FLON Amonaco Dixido de azufre Cloruro de metilo

Fig. 1-39Exteriorcalor calor

Interiorcalor

calor calor calor

calor

calor

calor

Refrigerante...Un refrigerante es un portador de calor desde el ambiente que se debe enfriar hasta el exterior. En cuanto al ciclo de compresin de vapor, el refrigerante es el fluido activo del ciclo que se vaporiza y condensa alternativamente al ir absorbiendo y desprendiendo calor respectivamente. En general, se dice que el fluido que tiene las siguientes propiedades es adecuado para su uso como refrigerante.

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FLON



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Tabla 1-9 Tipos de refrigerantesRefrigerante (smbolo) Dixido de carbono Composicin CO2 Punto de ebullicin (C) (Punto de sublimacin) -79 ODP 0 GWP 1 Caractersticas Aunque Daikin utiliz el compresor de CO2 por primera vez en la serie Ecocute, el compresor de CO2 exista en el sector de refrigeracin desde hace tiempo y ofrece una alta presin importante. La mayora de las enfriadoras utilizaban amonaco en los periodos anterior y posterior a la guerra. Como el amonaco tiene un olor muy fuerte, sus escapes se pueden detectar de inmediato. Gracias a su elevado coeficiente de rendimiento, se sigue utilizando an en el campo de la refrigeracin. No est permitido el uso del cobre. Su inflamabilidad es una de sus desventajas. El agua se utiliza como refrigerante en las enfriadoras de tipo absorcin. Si se hace el vaco, se evapora a baja temperatura. La bomba de vaco est siempre lista para mantener la presin negativa dentro de la maquina en todo momento. Clasificacin Inorgnico

Amonaco

NH3

-33,3

0

0

Inorgnico

Agua

H2 O

100

0

0

Inorgnico

R-11

CCl3F

23,8

1

El R-11 se utilizaba como refrigerante de las enfriadoras turbo hasta que se estipul el control de CFC. El R-11 tiene baja presin y se permite su almacenamiento en bidones metlicos. En contrapartida, tiene una capacidad refrigerante reducida. Por lo tanto, a menos que se utilice 4.000 en grandes cantidades, no cumple los requisitos. Se utiliza, en consecuencia, para las mquinas que ofrecen una gran cantidad de circulacin, como las enfriadoras turbo. Como la presin de evaporacin baja por debajo de la presin atmosfrica, no se generan fugas de refrigerante. Por el contrario, se mezcla con aire mientras est en el ciclo de refrigeracin. Para purgar este aire se utiliza una bomba de purga. El R-12 tiene una capacidad de refrigeracin de slo el 60 % del R-22. Por lo tanto, no se utilizaba en los sistemas de climatizacin normales. 8.500 Como tiene una presin baja a altas temperaturas, todos los sistemas de climatizacin de automviles utilizan este refrigerante. El R-22 es el refrigerante ms utilizado para los climatizadores ms 1.500 conocidos. Tiene un alto nivel de rendimiento de retorno de aceite y ofrece una fcil aplicacin. 9.300 Teniendo en cuenta la baja presin, el punto de ebullicin se encuentra en el punto adecuado, lo que permite utilizarlo fuera del rea de vaco. Como es resistente a las altas temperaturas, se utilizaba en las enfriadoras de cabina de las gras en trabajos siderrgicos y vehculos de combate. Como refrigerante sustituto del R-11, el R-123 se utiliza para las enfriadoras turbo actuales. El R-123 tiene baja presin y se puede manipular del mismo modo que el R-11. La capacidad de refrigeracin es superior a la del R-11, por lo que no necesita un funcionamiento mejorado. No obstante, para obtener la temperatura de evaporacin (unos 2 C) en la enfriadora, se necesita el rea de vaco. Por lo tanto, al igual que el R-11, se requiere una bomba de purga.

CFC

R-12

CCl2F2

-29,8

1

CFC

R-22

CHCIF2

-40,8

0,05

HCFC

R-114

CCIF2CCIF2

3,8

1

CFC

R-123

CHCIFCCIF2

27

0,012

120

HCFC

R-134a

CH2FCF3

-26,1

0

Como el R-134a se parece al R-12 en las propiedades, se utiliza como refrigerante sustituto del R-12 para los sistemas de climatizacin de automviles. El R-134a tiene una capacidad de refrigeracin un poco baja en 1.300 comparacin con el R-12. Para presentar la misma capacidad, los tamaos del compresor y el intercambiador de calor se han aumentado ligeramente. El R-134a es sensible a su mezcla con humedad. Por lo tanto, se necesita un filtro desecador de gran tamao para eliminar la humedad. El R-407C se parece al R-22 en la presin (1,1 veces) y puede utilizar el mismo estndar de tuberas, lo que facilita la produccin. No obstante, no es una mezcla azeotrpica, y la composicin del refrigerante residual en 1.530 la mquina y las caractersticas varan cuando hay fugas de refrigerante. En consecuencia, no es adecuado para los sistemas de climatizacin de uso domstico, donde es difcil controlar la canalizacin. Se utiliza aceite sinttico para lubricante. No est permitido el uso de aceites minerales. El R-410A tiene una alta presin importante, que es 1,6 veces ms alta que el R-22. Para la canalizacin, no se pueden utilizar conductos de cobre de clase 1 (que resisten una presin de 3,45 MPa), mientras que s se pueden usar los de clase 2 (que resisten la presin de diseo de cada conducto). 1.730 Tiene unos cambios mnimos en la composicin debido a la fuga de refrigerante y es adecuado para su uso como nuevo refrigerante para las casas. No se permite el uso de aceites minerales como lubricante, aunque s aceite sinttico. Como caractersticas de rendimiento, el R-410A muestra propiedades similares a las del R-22.

HFC

R-407C

CH2F2/C2HF5/ CH2FCF3

-43,6

0

HFC

R-410A

CH2F2/C2HF5

-51,6

0

HFC

Notas) 1)ODP (potencial de destruccin de ozono) 2)GWP (factor de calentamiento global) 3)CFC, HCFC, HFC: La previsin de destruccin de la capa de ozono se clasifica segn el nombre de refrigerante. Un ODP libre significa HFC totalmente libre de cloro. El refrigerante existente es HCFC aunque tiene una pequea posibilidad de destruccin. CFC presenta un gran ODP y ya se ha dejado de producir.

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Tabla 1-10 Cmo se denominan los refrigerantes

Refrigerante orgnico nico

H

H

F

CLNmero de tomos de flor

CF

F

H

CF

CF

F

Nmero de tomos de hidrgeno +1 Nmero de tomos de carbono -1

R-22 CHClF2

R-134a CH2FCF2

Refrigerante inorgnico nico

H

H

H

N

H

O

H

Peso molecular

R-7177

R-718 H 2O

NH3Este refrigerante es una mezcla de 2 o ms tipos de gases con diferentes puntos de ebullicin, que tiene una propiedad con una relacin de mezcla constante, tanto en fase lquida como gaseosa, en una relacin de peso dada de igual manera que el refrigerante nico. Por lo tanto, incluso aunque se repitan la evaporacin y la condensacin, la composicin de este refrigerante no cambia, por lo que puede proporcionar otras caractersticas termodinmicas distintas de las de sus respectivos refrigerantes.

Refrigerante de mezcla azeotrpica

R-502: Mezcla de R-22 (48,8%) y R-151(51,2%) CHClF2-CH3CHClF:

Orden de desarrollo 5

Antes de cambiar al nuevo refrigerante, la mayora de las neveras de uso domstico utilizaban este refrigerante.

Non-azeotropic mixture refrigerant (including quasi azeotropix mixture refrigerant)

Orden de desarrollo 4

Este refrigerante es una mezcla de dos o ms refrigerantes que tienen diferentes puntos de ebullicin. Si se produce una fuga de gas, los refrigerantes mezclados se evaporan a partir del que tenga un punto de ebullicin menor, lo que provoca cambios en el consumo de refrigerante residual en el sistema de climatizacin. Por lo tanto, se deben tener en cuenta las fugas de refrigerante en particular. Esto tiene una baja conformabilidad con los lubricantes minerales. Se debe utilizar aceite sinttico porque el gas, que se descarga una vez del compresor, es de difcil retorno.

R-407C [R-32/125/134a(23/25/52 % peso)] CH2F2/C2HF5/CH2FCF3:Este refrigerante se parece al R-22 en propiedades como la presin y facilita la sustitucin como refrigerante sin contaminantes, lo que permite su aplicacin para fines comerciales como las series SkyAir y VRV.

R-410A [R-32/125(50/50 % peso)] CH2F2/C2HF5:

Este refrigerante tiene una presin 1,6 veces tan alta como la de R-22, lo que requiere especificaciones de resistencia a la presin, y presenta a la vez muchos menos cambios en la composicin debidos a las fugas.

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1.4.5 Principio de refrigeracin(1) Refrigeracin mediante agua enfriada Supongamos que hay 1 kg de agua a 0 C en un contenedor abierto dentro de un espacio aislado con una temperatura inicial de 25 C. Durante un periodo de tiempo, el calor fluir desde el espacio a 25 C al agua de 0 C, por lo que disminuir la temperatura del espacio. No obstante, para cada kcal de calor que el agua absorba del espacio, la temperatura del agua aumenta en 1 C, por lo que la temperatura del espacio disminuye y la del agua aumenta. Las temperaturas del agua y del espacio sern rpidamente las mismas y no tendr lugar ninguna transferencia de calor (consulte la fig. 1-41.) (2) Refrigeracin mediante hielo Ahora supongamos que sustituimos agua por 1 kg de hielo a 0 C. Esta vez la temperatura del hielo no cambia al ir absorbiendo el calor del espacio. El hielo pasa simplemente del estado slido al lquido mientras su temperatura sigue constante a 0 C. El calor absorbido por el hielo deja el espacio con agua ya que el drenaje y el efecto refrigerante sern continuos hasta que el hielo se haya fundido del todo. (Consulte la fig. 1-43).

Fig. 1-43

Fig. 1-410C, hielo, 1 kg 0C, agua, 1 kg Espacio a 25C Calor Espacio a 25C

Calor

Drenaje

Espacio a 20C

20C, agua, 1 kg

Espacio a 15C

Sin ms transferencias de calor

Desventajas 2 No es posible obtener temperaturas ms bajas que las del agua enfriada. 2 La refrigeracin no es continua. 2 No es posible controlar la temperatura ambiente. Para lograr la refrigeracin continua, se debe enfriar y poner de nuevo en circulacin el agua de forma continua. (Consulte la fig. 1-42). Algunos sistemas de climatizacin utilizan este mtodo.

Desventajas 2 No es posible tampoco obtener bajas temperaturas. 2 Es necesario reabastecer el suministro de hielo con frecuencia. 2 Es difcil controlar el porcentaje de refrigeracin, lo que dificulta a su vez el mantenimiento de la temperatura deseada.

Fig. 1-42Salida Espacio a 25C Agua enfriada Calor 7C Entrada 12C

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SiS-18 (3) Sistema de refrigeracin mecnico 1. Refrigeracin mediante refrigerante lquido Un espacio aislado se puede refrigerar adecuadamente permitiendo simplemente que se vaporice el R-22 lquido en un contenedor con salida al exterior tal como se muestra en la fig. 1-44. Como el R-22 est a presin atmosfrica, su temperatura de saturacin es -40,8 C. Al vaporizar a esta temperatura tan baja, el R-22 absorbe fcilmente el calor de un espacio a 25 C a travs de las paredes del contenedor. El calor absorbido por el lquido de vaporizacin deja el espacio en el vapor que se escapa a travs de la ventilacin abierta. Como la temperatura del lquido sigue constante durante el proceso de vaporizacin, la refrigeracin contina hasta que se vaporiza todo el lquido. Cualquier contenedor, como el que se muestra en la fig. 1-44, en el que se vaporiza un refrigerante se llama evaporador.

Principios bsicos de refrigeracin 3. Mantenimiento de una vaporizacin continua La vaporizacin continua del lquido en el evaporador requiere el abastecimiento continuo del lquido para mantener constante la cantidad de lquido en el evaporador. Un mtodo de reabastecer el lquido en el evaporador es utilizar un conjunto de vlvula de flotador tal como se ilustra en la fig. 1-46. La accin del conjunto de flotador es mantener un nivel constante de lquido en el evaporador dejando que el lquido fluya al evaporador desde el cilindro en el mismo porcentaje exactamente que est siendo drenado por vaporizacin el lquido en el evaporador. Cualquier dispositivo, como una vlvula de flotador, utilizado para regular el flujo de refrigerante lquido en el evaporador se denomina control de flujo de refrigerante.

Fig. 1-46

Fig. 1-44

Ventilacin

Presin atmosfrica

Vlvula de flotador

Cilindro

Calor R22 Espacio a 25C -40,8C 1,03 kgf/cm2 abs

2. Control de la temperatura de vaporizacin La temperatura a la que el lquido se vaporiza en el evaporador puede controlarse mediante el control de la presin del vapor sobre el lquido. Por ejemplo, si hay una vlvula manual instalada en la lnea del ventilador y ste est parcialmente cerrado de manera que el vapor no se escape libremente del evaporador. Ajustando con cuidado la vlvula del ventilador para regular el flujo de vapor del evaporador, es posible controlar la presin del vapor sobre el lquido y provocar la vaporizacin del R-22 a cualquier temperatura que se desee entre -40,8 C y la temperatura del espacio a 25 C. (Consulte la fig.1-45).

Fig. 1-45

Vlvula manual

Calor R22Espacio a 25C -40,8C~25C 1,03~10,6 kgf/cm2 abs

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Principios bsicos de refrigeracin 4. Recuperacin de refrigerante Para mayor comodidad y ahorro, no es prctico permitir que se escape el vapor de refrigerante a la atmsfera. Es preciso recoger el vapor continuamente, y utilizarlo de nuevo una y otra vez. Para reutilizar el refrigerante, debe transmitirse al evaporador en forma de lquido porque slo puede absorber calor mediante la vaporizacin. Aunque el refrigerante deje el evaporador en forma de vapor, es necesario reducirlo a un lquido antes de poderlo utilizar de nuevo. El modo ms sencillo de hacerlo es condensar el refrigerante evaporado cuando salga del evaporador. Para condensar el refrigerante, el calor latente entregado por el vapor durante la condensacin debe transferirse a otro medio. Para ello, se suele utilizar normalmente aire o agua. El aire o el agua debe estar a una temperatura inferior a la de condensacin del refrigerante. A cualquier presin determinada, las temperaturas de condensacin y vaporizacin de un fluido son las mismas. Si se debe condensar un refrigerante que se vaporiza a 10 C a la misma temperatura, se necesita para este objetivo aire o agua a una temperatura ms baja. Obviamente, si hay disponible aire o agua a esta temperatura ms baja, no se requiere refrigeracin mecnica. Como la temperatura del aire o agua disponible es siempre superior a la temperatura de refrigerante en ebullicin en el evaporador, no se puede condensar el refrigerante cuando sale del evaporador. Para condensar el vapor, su presin debe aumentar hasta tal punto que su temperatura de condensacin sea superior a la temperatura del aire o agua disponible para la condensacin. Por ejemplo, si la presin del vapor es 17 kgf/cm2abs, se condensar a una temperatura de 43,5 C. Luego, se puede enfriar el vapor a 43,5 C mediante el aire o agua disponible. Para este fin, se requiere un compresor. La bomba que se utiliza para presurizar el refrigerante evaporado y hacer circular el refrigerante se llama compresor. Cualquier contenedor, como el que se muestra en la fig. 1-49, en el que se condensa un refrigerante se llama condensador. Si se proporciona el compresor, la vlvula manual mostrada en la fig. 1-46 ya no ser necesaria. La presin en el evaporador se puede controlar mediante el compresor y el conjunto de la vlvula de flotador.

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Fig. 1-47Recuperacin

Fig. 1-48Vapor saturado 1,03 kgf/cm2 abs Vapor saturado 17 kgf/cm2 abs

agua, 25C Sin condensacin (el agua se enfriar)

agua, 25C El vapor se condensar

Fig. 1-49Compresor

Calor Condensador

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SiS-18 5. Mejora del intercambio de calor La eficacia del intercambio de calor depende del rea de superficie del evaporador y del condensador en la que se produce el intercambio de calor. Si se sustituye el simple contenedor por un serpentn ondulado, la eficacia del intercambio de calor mejora debido a su mayor rea de superficie. [Consulte la fig. 1-50 (b)]. Asimismo, si se proporcionan aletas al serpentn ondulado, mejora la eficacia del intercambio de calor. [Consulte la fig. 1-50 (c)]. El volumen de aire es tambin uno de los factores principales en el intercambio de calor. El suministro de un ventilador elctrico hace que la transferencia de calor sea ms eficaz. [Consulte la fig. 1-50 (d)].

Principios bsicos de refrigeracin Durante la compresin, se realiza un trabajo mecnico para la compresin del vapor a una presin ms alta. Por lo tanto, el calor que se debe desprender del medio de condensacin en el condensador es la suma del calor absorbido en el evaporador y el calor de compresin correspondiente al trabajo mecnico en el compresor. Por ello, el tamao de un condensador suele ser mayor que el de un evaporador. (Consulte la fig. 1-51).

Fig. 1-51Calor de compresin Compresor Condensador

Fig. 1-50

Evaporador Calor rechazado

Calor

Calor Serpentn ondulado

Calor absorbido

Calor

Calor

6. El refrigerante que fluye del condensador al cilindro ya est totalmente licuado (condensado) y est listo para circular de nuevo hacia el evaporador. Cualquier contenedor, como el que se muestra en la fig. 1-52, en el que se almacena un refrigerante condensado se llama receptor. 7. Se utiliza normalmente una vlvula de expansin, como la que se muestra en la fig. 1-52, en lugar del conjunto de la vlvula de flotador. El sistema de refrigeracin ya est completo.

Ventilador

Aletas

Fig. 1-52

Ventilador

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SiS-18

Fig. 1-53

Aire de salida

Aire de salida Condensador

Ventilador Control de flujo Evaporador

Receptor Ventilador

Aire de entrada Compresor

Aire de entrada

Expansin

Evaporacin

Compresin

Condensacin

Temperatura de condensacin Temperatura de evaporacin

Parte alta

Parte baja

Parte alta

Lquido subenfriado

Mezcla de lquido y vapor

Vapor sobrecalentado

Vapor Mezcla de Lquido sobrecalentado lquido y subenvapor friado

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Principios bsicos de refrigeracin (4) Condensacin El vapor fluye por la lnea de descarga al condensador donde desprende calor al aire relativamente fro extrado a travs del condensador por el ventilador del condensador. Cuando el vapor caliente desprende calor al aire ms fro, su temperatura se reduce a la temperatura de saturacin correspondiente a su nueva presin y el vapor se condensa de nuevo en estado lquido al ir eliminando ms calor. Cuando el refrigerante alcanza el fondo del condensador, se condensa todo el vapor y se enfra an ms. Luego, el lquido subenfriado pasa al receptor y est listo para volver a circular.

1.4.6 Ciclo de refrigeracinCiclo de refrigeracin...Al circular el refrigerante por el sistema, pasa por determinados cambios de estado o condicin, cada uno de los cuales se llama proceso. El refrigerante comienza en un estado o condicin inicial, pasa por una serie de procesos en una secuencia definida y vuelve a la condicin inicial. Esta serie de procesos se llama ciclo de refrigeracin. El ciclo de refrigeracin simple consta de cuatro procesos fundamentales. (1) Expansin (2) Vaporizacin (3) Compresin (4) Condensacin (1) Expansin A partir del receptor, el refrigerante lquido de alta temperatura y presin fluye desde el receptor por la lnea de lquido al control de flujo de refrigerante. La presin del lquido se reduce a la presin del evaporador cuando el lquido pasa por el control de flujo de refrigerante para que la temperatura de saturacin del refrigerante que entra en el evaporador sea inferior a la temperatura del espacio refrigerado. Una parte del lquido se vaporiza cuando pasa por el control de refrigerante para reducir la temperatura del lquido a la temperatura de evaporacin. (2) Vaporizacin En el evaporador, el lquido se vaporiza a una presin y temperatura constantes cuando el calor que se proporciona al calor latente de vaporizacin pasa del espacio refrigerado a travs de las paredes de evaporador al lquido de vaporizacin. Se vaporiza por completo todo el refrigerante del evaporador y se sobrecalienta en el extremo del evaporador. Aunque aumenta algo la temperatura del vapor en el extremo del evaporador como consecuencia del sobrecalentamiento, la presin del vapor no cambia. Aunque aumenta algo la temperatura del vapor en el extremo del evaporador como consecuencia del sobrecalentamiento, la presin del vapor no cambia. Aunque el vapor absorbe calor del aire del entorno de la lnea de aspiracin, y aumenta su temperatura, tambin reduce ligeramente su presin debido a la prdida de friccin en la lnea de aspiracin, estos cambios son insignificantes en la explicacin de un ciclo de refrigeracin simple. (3) Compresin Por la accin del compresor, el vapor resultante de la vaporizacin se extrae desde el evaporador por la lnea de aspiracin a la entrada de aspiracin del compresor. En el compresor, la temperatura y la presin del vapor se elevan por compresin, y el vapor de alta temperatura y presin se descarga desde el compresor a la lnea de descarga.

1.4.7 Partes principales del sistema de refrigeracinA continuacin se indican las partes principales del sistema de refrigeracin. (1) Receptor Su funcin es proporcionar almacenamiento para el condensador de lquido de modo que haya un suministro contante de lquido disponible para cuando lo necesite el evaporador. (2) Lnea de lquido Su funcin es transportar el refrigerante lquido desde el receptor al control de flujo de refrigerante. (3) Control de flujo de refrigerante Su funcin es medir la cantidad adecuada de refrigerante que va al evaporador y reducir la presin de lquido que entra en el evaporador para que se vaporice dentro a la baja temperatura que se desee. (4) Evaporador Su funcin es proporcionar una superficie de transferencia de calor a travs de la cual pueda pasar el calor desde el espacio refrigerado al refrigerante de vaporizacin. (5) Lnea de aspiracin Su funcin es conducir el vapor de baja presin desde el evaporador a la entrada de aspiracin del compresor. (6) Compresor Su funcin es eliminar el vapor del evaporador, y aumentar la temperatura y la presin del vapor hasta tal punto que se pueda condensar con los medios de condensacin disponibles. (7) Lnea de descarga Su funcin es proporcionar vapor de alta presin y temperatura desde la descarga del compresor al condensador. (8) Condensador Su funcin es proporcionar una superficie de transferencia de calor a travs de la cual pueda pasar el calor del vapor de refrigerante caliente al medio de condensacin.

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SiS-18

1.4.8 Lado bajo y lado altoUn sistema de refrigeracin se divide en dos lados en funcin de la presin ejercida por el refrigerante en ambas partes. Lado bajo...La parte de baja presin del sistema consta del control de flujo de refrigerante, el evaporador y la lnea de descarga. La presin ejercida por el refrigerante en estas partes es la baja presin a la que se vaporiza el refrigerante en el evaporador. Esta presin se conoce por varios nombres como baja presin, presin de lado bajo, presin de aspiracin o presin de vaporizacin. Lado alto...La parte de alta presin del sistema consta del compresor, la lnea de descarga, el condensador, el receptor y la lnea de lquido. La presin ejercida por el refrigerante en esta parte del sistema es la alta presin a la que se condensa el refrigerante en el condensador. Esta presin se llama alta presin, presin de descarga o presin de condensacin. Los puntos de divisin entre los lados de alta y baja presin del sistema son el control de flujo de refrigerante, donde la presin del refrigerante se reduce desde la presin de condensacin a la de vaporizacin, y las vlvulas de descarga del compresor, a travs de las cuales se extrae el vapor de alta presin despus de la compresin.

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Captulo 2 Diagrama de Mollier2.1 Composicin del grfico de P-h ............................................................................................... 322.1.1 Presin: P [MPa abs].................................................................................................................... 32 2.1.2 Entalpa especfica: h [kJ/kg]........................................................................................................ 32 2.1.3 Lnea de lquido saturado y lnea de vapor saturado ................................................................... 33 2.1.4 Temperatura: t (C) ...................................................................................................................... 33 2.1.5 Volumen especfico: v [m3/kg ] ..................................................................................................... 33 2.1.6 Factor de sequedad: X ................................................................................................................. 34 2.1.7 Entropa especfica: s [kJ/(kgK)].................................................................................................. 34 2.1.8 Resumen ...................................................................................................................................... 35

2

2.2 Cmo dibujar el ciclo de refrigeracin...................................................................................... 362.2.1 Ciclo de refrigeracin de compresin del vapor ........................................................................... 36 2.2.2 Cmo dibujar el estado de funcionamiento real en un grfico de P-h.......................................... 37 2.2.3 Resumen ...................................................................................................................................... 39 2.2.4 Mtodo de clculo del ciclo de refrigeracin ................................................................................ 40

2.3 Ciclo bsico por modelo........................................................................................................... 412.3.1 Ciclo de refrigeracin estndar .................................................................................................... 41 2.3.2 Ciclo de refrigeracin en sistemas de climatizacin refrigerados por agua ................................. 42 2.3.3 Ciclo de refrigeracin en sistemas de climatizacin refrigerados por aire ................................... 43 2.3.4 Ciclo de calefaccin en sistemas de climatizacin refrigerados por aire ..................................... 44

2.4 Variaciones en los grficos de P-h en funcin de los cambios en las condiciones de funcionamiento.................................................................................................................... 452.4.1 Factores que influyen en los equipos........................................................................................... 45 2.4.2 Cambios en los grficos de P-h y problemas con averas ........................................................... 45

2.5 Clculo de la capacidad de refrigeracin ................................................................................. 482.5.1 Parmetros del compresor ........................................................................................................... 48 2.5.2 Clculo de la capacidad de refrigeracin ..................................................................................... 50

2.6 Propiedades termodinmicas y grficos de P-h de refrigerantes ............................................ 54

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Diagrama de Mollier

SiS-18

Captulo 2 Diagrama de MollierEl estado del refrigerante en un ciclo de refrigerante vara en una amplia serie de condiciones cuando el sistema de climatizacin o la enfriadora estn en funcionamiento. Cuando se trazan en un diagrama los cambios de estado en estas condiciones, se pueden calcular cada estado y los valores numricos del estado en cada parte del equipo. Asimismo, se puede calcular la capacidad o el estado de funcionamiento mediante estos valores. Este grfico se llama grfico de P-h. El eje vertical del grfico de P-h especifica la presin (P) y el eje horizontal, la entalpa especfica (h). A veces se hace referencia al grfico de P-h como Grfico de presin-entalpa. Asimismo, este grfico ha recibido otro nombre derivado del nombre del inventor del grfico, es decir, Diagrama de Mollier (o Morieru en japons). El grfico de P-h cons

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