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Fundamentos de
Refrigeración(Parte 1)
M. En C. José Antonio González Moreno6° BC T/V MAIAbril del 2015
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Introducción:En esta presentación se expondrán los
conceptos básicos de refrigeración, así como los componentes principales de un sistema aislado y su funcionamiento básico de dicho sistema de enfriamiento.También se expondrán los elementos de un sistema de Aire acondicionado y su funcionamiento.Finalmente se presentan las conclusiones y las Referencias Bibliográficas consultadas.Para cerrar la presentación se realizarán algunas preguntas de repaso a los alumnos.
Antecedentes:
El arte de la refrigeración basado en el hielo natural es muy antiguo y se practicó mucho antes de construirse cualquier máquina térmica.Existen escritos chinos, anteriores al primer milenio a. J.C. que describen ceremonias religiosas para llenar en invierno y vaciar en verano sótanos de hielo.Los antiguos romanos utilizaban el hielo de los Apeninos, y según Las mil y una noches, en la Edad Media, caravanas de camellos transportaban hielo desde el Líbano a los palacios de los califas en Damasco y Bagdad.
Antecedentes:Asimismo, hasta mediados del siglo XIX
existían navieras especializadas que transportaban miles de toneladas de hielo de Suecia y de los Grandes Lagos de EE.UU.A y Canadá a las Indias orientales, Australia, las Antillas y América del Sur.En la literatura anglosajona, la primicia de la obtención de frío por evaporación se adjudica a William Cullen (Hamilton 1712 - Glasgow 1790).Por otro lado, ya se ha indicado que según Sigaud de la Fond y Antoine Baumé, sobre la misma época, provocaron frío artificial en 1730 con éter etílico.
Desarrollo del Tema:La refrigeración se puede definir como la
extracción de calor de una sustancia o espacio produciendo en ella una temperatura inferior a la de sus alrededores.El enfriamiento se efectúa por la evaporación del líquido refrigerante en un intercambiador de calor denominado evaporador.
Desarrollo del tema:
La sustancia de trabajo usada en sistemas de refrigeración por compresión se denomina refrigerante. Las propiedades del refrigerante influyen mucho en el diseño de un sistema de refrigeración.En la siguiente figura se muestra un sistema de refrigeración por medio de agua (llamado Chiller).
Desarrollo del tema:
Aplicaciones de la Refrigeración:
La industria de la refrigeración se encuentra inmersa en varias aplicaciones, se han agrupado en 6 categorías generales:
Ciclo Inverso de Carnot:El Ciclo de Carnot inverso es el modelo perfecto del ciclo
de refrigeración por compresión de vapor más eficiente que opera entre dos temperaturas y que constituye un estándar de comparación con los ciclos reales de refrigeración.El ciclo inverso de Carnot consta de dos procesos isotérmicos (DA-CB), y dos procesos isoentrópicos (DC-AB).
Ciclo Inverso de Carnot:
Coeficiente Energético (COP):El coeficiente de funcionamiento del
Refrigerador de Carnot viene dado por la siguiente expresión:
Ciclo de Refrigeración Teórico por Compresión
Mecánica:En la siguiente figura se muestran los elementos de un sistema de refrigeración por compresión mecánica de una etapa, en el que se aprecian las 4 etapas principales de un proceso de Refrigeración.
Ciclo de Refrigeración Teórico por Compresión
Mecánica:
Etapas del Ciclo de Refrigeración:
El ciclo de Refrigeración Mecánica consta de 4 Procesos:
Proceso de Compresión:El proceso de 1-2 la realiza el compresor , el cual cumple con dos funciones principales:1) Succiona el refrigerante vaporizado (línea de
succión), reduciendo la presión en el evaporador hasta un punto en el que puede mantenerse la temperatura de evaporación deseada.
2) El compresor comprime ese refrigerante vaporizado, descargándolo a una presión lo suficientemente alta (línea de descarga) para que la temperatura de saturación sea mayor que la temperatura del ambiente a refrigerar, de modo que se produzca la condensación fácilmente.
Proceso de Compresión:
Proceso de Condensación:El proceso de 2-3 la efectúa el condensador que es básicamente un intercambiador de calor, en donde el calor absorbido por el refrigerante en el proceso de compresión es cedido al medio de condensación (al aire en este caso).A medida que el calor es cedido por el vapor de alta temperatura y presión desciende su temperatura hasta el punto de saturación, condensándose el vapor y convirtiéndose en líquido el refrigerante.
Proceso de Condensación:
Proceso de Expansión:El proceso de 3-4 lo realiza la válvula de expansión, sumisión es disminuir inmediatamente la presión y dosificar la cantidad de fluido refrigerante que debe de ingresar al evaporador con entalpia constante hasta el punto 4.
Proceso de Expansión:
Proceso de Evaporación:En el proceso de 4 -1 la función que realiza el evaporador es extraer el calor del medio refrigerado por medio de la evaporación del refrigerante.El evaporador recibe refrigerante a baja presión y baja temperatura y lo entrega a baja presión y alta temperatura.
Proceso de Evaporación:
Resumen de Etapas:
Trabajo de Compresión:El trabajo de compresión se puede calcular con
la siguiente expresión:
Calor cedido del Refrigerante:El calor cedido del refrigerante al medio condensante puede expresarse como:
Efecto Refrigerante:La cantidad de calor absorbida por el refrigerante en
el evaporador se define como el efecto refrigerante y viene definido por la siguiente expresión:
Flujo Másico:La masa de refrigerante que circula para producir la capacidad de refrigeración requerida, viene dada por:
Unidades de Refrigeración:
Potencia Teórica:La potencia del sistema está dada básicamente por la potencia del compresor y éste a su vez está dada por la siguiente expresión:
Eficiencia del Ciclo de Refrigeración:
La eficiencia del ciclo de refrigeración se determina mediante la comparación con el ciclo invertido de Carnot definida por la siguiente expresión:
Elementos Básicos del Sistema de Refrigeración:
Los sistemas de refrigeración por compresión mecánica constan, básicamente, de cuatro elementos que se consideran fundamentales. Estos elementos son:
Compresor:El compresor constituye la verdadera máquina de toda instalación frigorífica. Su función dentro del sistema de refrigeración, consiste en aspirar el fluido refrigerante a baja presión y temperatura, comprimirlo y descargarlo a una presión y temperatura tales que se pueda condensar.
Partes de un Compresor:
Partes de un Compresor:
Partes de un Compresor:
Partes de un Compresor:
Partes de un Compresor:
Unidad condensadora:Cuando el compresor, condensador y recipiente
del líquido vas montados en una misma bancada formando todos ellos un conjunto, constituyen las llamadas unidades condensadoras.Una unidad condensadora está formada por:
Función de un Condensador:El condensador es un intercambiador de calor,
su función es eliminar el recalentamiento del gas refrigerante proveniente del compresor y a continuación licuarlo.
Tipos de Condensadores:1) De Tubo Recto o Liso: Se emplean en instalaciones
pequeñas, como en los refrigeradores. El material es de cobre y funcionan por circulación natural, es decir, el aire que lo rodea a medida que se va calentando, va ascendiendo y es “sustituido” por aire nuevo; o sea, una renovación por gravedad.
Por este motivo, los fabricantes de los refrigeradores domésticos recomiendan dejar un espacio determinado entre la parte posterior del Refri y la pared. Ya que si no hay buena circulación de aire la temperatura de condensación es muy alta y en consecuencia también la presión de condensación.
Tipos de Condensadores:Estos evaporadores están formados por un serpentín de cobre y aletas de aluminio separadas entre sí. La transmisión de calor se produce a través del tubo y las aletas, con lo cual la superficie de transmisión es mayor. Si, además, la circulación del aire es forzada mediante ventiladores, la capacidad del condensador aumenta.Es de gran aplicación en instalaciones industriales porque un condensador de estas características tendría unas dimensiones mucho menor que otro de tipo liso de igualdad de capacidades. Dicho de otro modo, a igualdad de tamaño tendría mucho más capacidad de condensación.
Tipos de Condensadores:
Tipos de Condensadores:
Evaporador:Es el elemento de la instalación donde se produce el efecto refrigerante. Es un intercambiador de calor, en el cual el calor de la cámara o local pasa al interior del evaporador por efecto de la ebullición del fluido refrigerante en su interior.El fluido refrigerante, ya expandido, entra en el evaporador a la presión y temperatura necesaria para que efectúe el enfriamiento del medio que lo rodea.
Resumen de Partes:
Resumen de Partes:
Resumen de Partes:
Tubo Capilar:Es un sistema muy elemental. Consiste en un tubo largo de diámetro pequeño y ejerce control por imposición de una restricción al flujo del refrigerante.
Aceite de Refrigeración:Los aceites de refrigeración son solubles en refrigerantelíquido. A esta capacidad se le llama miscibilidad.Puesto que el aceite debe pasar por los cilindros del compresor para lubricarlos, siempre circula una pequeña cantidad de aceite con el refrigerante.
Conclusiones:El proceso de Refrigeración es muy amplio y extenso de explicar. El sistema mecánico consta de muchas partes importantes que hacen que funciones adecuadamente el ciclo inverso de Carnot. Aquí se explico sólo las partes básicas que conforman el sistema, es necesario investigar más al respecto. Aún falta más por entender del proceso, pero eso será en otro capítulo aparte.
Referencias Bibliográficas:1) El Ciclo de Refrigeración. Semarnat. (27 de
Junio 2008). Consultado el 21 de Octubre del 2014 de la página: http://app1.semarnat.gob.mx:8080/sissao/archivos/Ciclo%20de%20Refrig.pdf
2) Buenaño Sánchez y Esparza Montero. Diseño y Construcción de un Sistema de Refrigeración. (27 de Julio del 2010). Consultado el 7 de Noviembre del 2014 de la página: http://dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/394/1/15T00445.pdf
Referencias Bibliográficas:3) Consultor de imágenes de Google. (2014).
Consultado el 8 de Noviembre del 2014 de: https://www.google.com.mx/imghp?hl=es&tab=wi&ei=5CZgVJzQMcH_yQSuyYLACw&ved=0CAQQqi4oAg
Preguntas de Repaso:1) En la literatura anglosajona, la primicia de la
obtención de frío por evaporación se adjudica a:
R = William Cullen.2) Personajes de la historia que provocaron frío
artificial en 1730 con éter etílico:R = Sigaud de la Fond y Antoine Baumé.3) Definir el concepto de Refrigeración:R = La extracción de calor de una sustancia o
espacio produciendo en ella una temperatura inferior a la de sus alrededores.
Preguntas de Repaso:4) En un Refrigerador, dónde se lleva a cabo el
proceso de transferencia de calor:R = En un Evaporador.5) La sustancia de trabajo usada en sistemas de
refrigeración por compresión se denomina:R = Refrigerante.6) Describir 3 de las 6 categorías en que se
clasifica la industria de la refrigeración :R = Refrigeración Doméstica, Comercial,
Industrial, Marina, de Transporte, Aire acondicionado y Aire Industrial
Preguntas de Repaso:7) Constituye un estándar de comparación con
los ciclos reales de refrigeración :R = El Ciclo de Carnot Inverso.8) Describa los 4 procesos que se llevan a cabo
en el ciclo de Refrigeración Mecánica :R = Compresión, Condensación, Expansión y
Evaporación.9) Su misión es disminuir inmediatamente la
presión y dosificar la cantidad de fluido refrigerante :
R =La válvula de Expansión.
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