MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO. MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO

03/07/2012
404. ENFRIAMIENTO MECÁNICO
MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO.
Antiguo sistema de
aire acondicionado en
Egipto.
4000 A.C.
1921.
Primera Máquina centrífuga
de aire acondicionado Carrier
para uso industrial en
procesos de hilado o papel.
Willis Haviland Carrier
1876-1950
MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO
— ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN DE UN SÓLIDO.
— ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN DE UN
LÍQUIDO.
— ENFRIAMIENTO POR COMPRESIÓN DE VAPOR
(ENFRIAMIENTO MÉCANICO).
— ENFRIAMIENTO POR ABSORCIÓN.
Ing. Francisco Javier Vadillo
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03/07/2012
ENFRIAMIENTO
POR FUSIÓN
ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN
— Bloque de hielo posee un calor
específico de 0.5 BTU/lb-ºF se
encuentra a 32.2ºF en condición
saturada.
— Al absorber calor, el hielo se derrite y
se forma una mezcla de hielo y agua
en condición saturada a 32.2ºF.
— Mientras el hielo se derrita, la
temperatura del agua y el hielo se
mantendrán constantes.
ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN
— Históricamente, fue la primer
forma
de
enfriamiento
desarrollada por el hombre.
— Se aprovechaba el hielo de las
montañas o el congelado de lagos
en el invierno, almacenándolo en
cuartos fríos o en agujeros
rellenos de paja.
— Luego el hielo se iba utilizando
mientras duraran las existencias.
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ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN
— Para evitar que el agua saturada acelere la
licuefacción del hielo, se debe drenar y desechar al
ambiente.
— Se requiere reemplazar el hielo cada vez que se
derrita y la temperatura de absorción no puede
cambiarse para otras aplicaciones.
— Se utiliza en la actualidad para enfriar bebidas, en
hieleras y como baterías de “frío” para almacenar
calor.
ENFRIAMIENTO POR FUSIÓN
— Las desventajas más importantes de este
método son:
— Se requiere suministro continuo de hielo.
— Se no se logra las temperatura que uno desee, sino
la que normalmente el hielo provee (0°C).
— A medida que el hielo se derrite, hay menos
superficie del bloque que se puede utilizar, por lo
que absorbe calor más lentamente.
ENFRIAMIENTO
POR EVAPORACIÓN
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ENFRIAMIENTO POR
EVAPORACIÓN
— Recipiente destapado con agua a 21°C (70°F) y
rodeado de aire a 1 atmósfera de presión (14.7 psi)
se encontrará en estado líquido (el agua ebulle a
212° F a Patm).
— La velocidad molecular promedio del agua no es lo
suficientemente alta para que sus moléculas escapen
con rapidez.
— Sin embargo, algunas moléculas pueden tener una
velocidad mayor a la promedio.
ENFRIAMIENTO POR
EVAPORACIÓN
— Las moléculas cercanas a la superficie con la
velocidad
suficiente
podrán
escapar
por
evaporación lenta.
— El resto tendrán una velocidad promedio más baja
y por lo tanto, una temperatura menor.
— Esto ha producido un ligero efecto de enfriamiento
en el líquido.
— Las moléculas cercanas a la superficie con la
velocidad
suficiente
podrán
escapar
por
evaporación lenta.
ENFRIAMIENTO POR EVAPORACIÓN
— El resto tendrán una
velocidad
promedio
más baja y por lo
tanto, una temperatura
menor.
— Esto ha producido un
ligero
efecto
de
enfriamiento en el
líquido.
Ing. Francisco Javier Vadillo
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ENFRIAMIENTO POR
EVAPORACIÓN
C
— ¿Cuál es la presión de
saturación del R-22 a
80°F?
— ¿Cuál será la temperatura
de ebullición del R-22 a
250 psia?
— Cuando el R-22 pasa por
el orificio “A-B”, ¿a qué
presión se reducirá y que
temperatura tendrá?
250 psi
CALOR
A B
Presión
C
250 psi
CALOR
A B
— A medida el refrigerante
para por el tubo largo en
forma de serpentín,
absorbe calor de los
alrededores.
ENFRIAMIENTO POR
EVAPORACIÓN
— Este método se usaba
realmente a principios
del siglo XX.
— Las desventajas son:
— Requiere reponer el
refrigerante ($$$).
— No se tiene control de
la
temperatura
de
salida del refrigerante.
C
250 psi
CALOR
A B
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Presión
psia
250
Mezcla
Líquido-vapor
14.7
Hinicial
Entalpia
Hfinal
ENFRIAMIENTO
MECÁNICO POR
COMPRESIÓN DE VAPOR
ENFRIAMIENTO MECÁNICO POR
COMPRESIÓN DE VAPOR
— Si lográramos que el vapor refrigerante no
escapara a la atmósfera y lo regresáramos a su
estado líquido, el proceso de enfriamiento se
puede volver un ciclo.
— Esto se logra comprimiendo el vapor, enfriándolo
hasta condensarlo en líquido y regresarlo al
dispositivo de expansión.
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Presión
psia
250
Mezcla
Líquido-vapor
14.7
Hinicial
Entalpia
Hfinal
CICLO TERMODINÁMICO
condensador
A
D
compresor
Dispositivo de
expansión
B
C
evaporador
PROCESO A-B. EXPANSIÓN
A
D
CONDENSACIÓN
A
DC-D
COMPRESIÓN
A-B
EXPANSIÓN
B
EVAPORACIÓN
B-C
C
Ing. Francisco Javier Vadillo
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PROCESO B-C. EVAPORACIÓN
A
D
CONDENSACIÓN
A
DC-D
COMPRESIÓN
A-B
EXPANSIÓN
B
EVAPORACIÓN
B-C
C
Ing. Francisco Javier Vadillo
PROCESO C-D. COMPRESIÓN
A
D
CONDENSACIÓN
A
DC-D
COMPRESIÓN
A-B
EXPANSIÓN
B
EVAPORACIÓN
B-C
C
Ing. Francisco Javier Vadillo
PROCESO D-A. CONDENSACIÓN
A
D
CONDENSACIÓN
A
DC-D
COMPRESIÓN
A-B
EXPANSIÓN
B
EVAPORACIÓN
B-C
C
Ing. Francisco Javier Vadillo
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La tonelada de refrigeración
TR
— Para poder medir la potencia de enfriamiento o
capacidad de remover calor de un sistema de
refrigeración o de aire acondicionado, se utilizan
unidades de KW y KWH.
— Sin embargo, existe una medida aún en uso en el
país llamada la “tonelada de refrigeración”.
— Esto equivale a la cantidad de calor que una
tonelada de hielo puede absorber en un tiempo
determinado.
— El equivalencia es de 12,000 BTU/h por TR
COMPONENTES DEL SISTEMA
— Los componentes básicos para realizar el ciclo de
refrigeración son:
— El dispositivo de expansión.
— El evaporador.
— El compresor.
— El condensador.
— Pueden existir otros dispositivos auxiliares como:
— Un acumulador del líquido condensado, tuberías para
el flujo del refrigerante, válvulas de control o
mantenimiento, etc.
El dispositivo de expansión
— El dispositivo de control de flujo
debe realizar dos funciones:
— Regular el flujo del refrigerante
líquido que se alimenta al
evaporador, según sea la demanda.
— Crear una caída de presión desde
el lado de alta al lado de baja del
sistema.
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03/07/2012
El Evaporador
El Evaporador
— Es un intercambiador de calor
y su objetivo es proveer de
una transferencia continua y
eficiente de calor del medio a
enfriar al refrigerante.
— La sustancia a enfriar puede
ser sólida, líquida o gaseoso
(normalmente es agua o aire).
El Evaporador
— Los más comunes son hechos de tubos por los
que fluye el refrigerante mientras que el aire a
enfriar pasa por el exterior, a estos se les llama
serpentines y constituyen la superficie de
trasferencia de calor.
— Pueden se con aletas o sin aletas.
— De convección natural o Forzada.
— Expansión seca o inundados.
— Enfriador de aire o agua (líquidos).
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Evaporador con aletas y sin
aletas
Ing. Francisco Javier Vadillo
Evaporador convección natural o
Forzada
— En la convección natural, el
aire se mueve dentro del
recinto por la diferencia de
densidad que tiene el aire
frío y el caliente.
— En la convección forzada, se
utilizan ventiladores para
crear el movimiento.
Evaporador Expansión Seca
— Son más baratos y fáciles de fabricar, pero
obligatoriamente
deben
tener
un
sobrecalentamiento en la salida para prevenir
que líquido llegue al compresor y lo rompa.
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Evaporador Inundado
— Son mas eficientes porque no requieren
sobrecalentamiento y aprovechan más la superficie
del evaporador.
— Son de mayor costo.
Enfriadores de aire o agua
— Las aplicaciones convencionales enfrían aire para
que por medio de su movimiento, se enfríe el
espacio refrigerado o acondicionado.
— Cuando el fluido a enfriar es agua, el evaporador
recibe el nombre de “enfriador de agua” o “cooler”.
Problemas
típicos
— Escarcha en los
serpentines.
— Taponamiento por
suciedad.
— Rebalse del drenaje del
evaporador.
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El Compresor
— Es el corazón del sistema.
— Se
encarga de producir la
diferencia de presiones y el flujo
de refrigerante en las tuberías.
— En cuanto a costos, el compresor
constituye un poco más del 50%
del valor inicial total del equipo y
aproximadamente un 95% del
consumo
de
potencia
de
funcionamiento.
Funcionamiento
— El
compresor aspira o succiona el
refrigerante del evaporador y luego lo
comprime para incrementar su presión y su
temperatura.
— Para
evaluar la operación de los
compresores se define la presión de succión
saturada (TSS) que compara cual sería la
temperatura de saturación del refrigerante a
la presión de succión.
Ing. Francisco Javier Vadillo
Temperatura de succión saturadas
TSS
— La TSS no será la temperatura real en la
succión del compresor.
temperatura real se mide con el
termómetro y la diferencia entre estas
temperaturas será aproximadamente de 5.5
a 8° C (10 a 15° F).
— Los fabricantes hacen referencia a sus
equipos en base a la TSS.
— La
Ing. Francisco Javier Vadillo
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Tipos de compresores
— Por su forma de operar pueden ser:
— Dinámicos o centrífugos.
— Desplazamiento positivo:
— Reciprocante.
— Rotativo.
—
—
Tornillo.
Espiral o “scroll”.
Compresores Dinámicos
Compresores Dinámicos
— Mejor conocidos como compresores Centrífugos.
— Son similares a las bombas centrífugas de agua y
funcionan proporcionando velocidad al vapor
refrigerante para aumentar su energía cinética y
su presión.
— Poseen muy pocas partes móviles, por lo que son
menos propensos a fallas mecánicas que los otros
tipos de compresores.
— Generan grandes cargas de enfriamiento con equipos
de menores dimensiones.
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Centrífugos
COSTO ELEVADO Y
REQUIERE POCO ESPACIO.
SE USAN EN APLICACIONES
DE GRAN TAMAÑO.
DE MUY ALTA EFICIENCIA
RELATIVAMENTE SILENCIOSOS
Y
SE UTILIZAN MUCHO EN EL
ENFRIAMIENTO DE LÍQUIDOS EN
CICLOS SATURADOS
Ing. Francisco Javier Vadillo
Centrífugos
DESCARGA
SUCCIÓ
N
ÁLABES
DIREC CIÓN
IMPULSOR
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresores Reciprocantes
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Compresores Reciprocantes
— Son los más baratos en sistemas de refrigeración
y aire acondicionado.
— Funcionan con un juego de pistones y cilindros
similares a los motores de combustión interna.
— Se clasifican en tres grupos:
— a) herméticos
— b) semiherméticos
— c) abiertos
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresores Reciprocantes
— Poseen muchas más
piezas, por lo que
están más propensos a
las fallas mecánicas.
— La lubricación se vuelve
crítica.
— Equipos de 5 HP o más
requieren
aceite.
bombas
de
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresores Herméticos
— Son compactos y de poco tamaño, pero al
ser sellados, no pueden repararse y se
consideran desechables.
Ing. Francisco Javier Vadillo
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Compresores Herméticos
— En ellos el motor que mueve al compresor se
encuentra alojado en la misma carcasa y el
refrigerante aspirado sirve para su enfriamiento
— Su principal aplicación es la refrigeración doméstica y
comercial en pequeña escala debido a su bajo costo.
— También en aire acondicionado se utilizan en equipos
de bajo costo y eficiencia.
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresores Herméticos
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Compresores Semiherméticos
— La diferencia radica en que
estos compresores pueden
abrirse y desarmarse en ciertos
lugares
destinados
al
mantenimiento, lo que permite
su reparación y cambio de
piezas en caso de falla o
desgaste.
— Son muy utilizados en el
campo de la refrigeración
comercial de cuartos fríos y en
la refrigeración industrial.
Ing. Francisco Javier Vadillo
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Compresores reciprocantes con válvula
tipo disco
— Son los compresores de
refrigeración más eficientes
— Se utilizan en aplicaciones
de potencia hasta 40HP.
— El plato de válvulas esta
diseñado para reducir la
reexpansión del refrigerante
a presión alta.
Ing. Francisco Javier Vadillo
Comparación entre las válvulas
de compresores reciprocantes
— Convencional
— válvula de disco
Compresores Semiherméticos
con válvula de disco.
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Compresores Abiertos
— El motor
y el compresor son dos partes
separadas y un sello especializado se encarga
que no exista fuga de refrigerante o lubricante
en el acoplamiento entre ejes.
— Estos se encuentran casi en desuso y han ido siendo
sustituidos por los semiherméticos.
— Poseen la ventaja de no sufrir contaminación en caso
de daño del motor por recalentamiento y no destinan
parte de su capacidad para enfriar el devanado del
motor.
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresores Abiertos
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
Pistón
Bomba de aceite
Carcaza
Anillos de compresión
Buje
Polea
Plato de válvulas
Sello estanco mecánico
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresores Abiertos
— Pueden ser de acople directo (coupling) o de
acople por poleas y fajas.
— Este último acople
permite modificar la velocidad
del compresor modificando el diámetro de la polea.
Ing. Francisco Javier Vadillo
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Compresores Abiertos
Ing. Francisco Javier Vadillo
Funcionamiento
Aspira
vapor baja
presión y
frío
Descarga
vapor a
alta
presión y
temperatur
a
El espacio
entre
pistón y
válvulas
debe ser lo
más
pequeño
posible.
Funciona al
empujar un
pistón dentro
de un
cilindro
Ing. Francisco Javier Vadillo
Pérdida de eficiencia por existencia del
claro del cilindro.
—
Debido a que el gas (1)
entra por medio de
válvulas al cilindro (2),
se debe dejar un espacio
para prevenir que el
pistón las golpee en su
carrera de descarga.
Ing. Francisco Javier Vadillo
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Pérdida de eficiencia por existencia del
claro del cilindro.
—
—
Esto crea un claro (3)
que atrapa gas a alta
presión al finalizar la
descarga.
Cuando
empieza
la
carrera de succión, el
gas
primero
debe
reexpandirse
hasta
alcanzar la presión de
succión.
Ing. Francisco Javier Vadillo
Pérdida de eficiencia por existencia del
claro del cilindro.
—
—
El espacio ocupado por
el gas reexpandido le
resta espacio al gas
entrante, por lo que se
considera una pérdida
del volumen aspirado.
A esto se le llama
eficiencia volumétrica.
Ing. Francisco Javier Vadillo
Eficiencia Volumétrica
— Depende de varios factores, pero entre las
principales están:
— La diferencia de presiones entre succión y descarga.
— La diferencia de temperaturas de condensación y
succión.
— El tipo de compresor.
— En los compresores reciprocantes, la eficiencia ronda
entre el 75% y el 85%.
— En los compresores reciprocantes tipo válvula de disco
ronda entre los 95% y 99%.
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Compresor Rotativo.
Ing. Francisco Javier Vadillo
Compresor Rotativo.
— Son muy silenciosos y costo
relativamente bajo.
— Son de muy poca potencia por
lo que no se solo se utiliza en
equipos de aire acondicionado
residenciales de hasta 2
toneladas de refrigeración.
— Su eficiencia volumétrica es
arriba del 90%.
Funcionamiento
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Compresores de tornillo
Compresores de tornillo
— Son de alto costo y elevada
eficiencia.
— Pueden
parciales.
manejar
cargas
— Esto reduce el consumo total de
energía.
— Solo se utilizan en aplicaciones de
gran tamaño (arriba
toneladas de capacidad).
de
70
Funcionamiento
Ing. Francisco Javier Vadillo
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Compresores
Scroll
Compresor tipo SCROLL
UTILIZAN UNA ESPIRAL DE MOVIMIENTO
CONTINUO QUE COMPRIME EL GAS AL REDUCIR
GRADUALMENTE SU VOLUMEN.
MUY EFICIENTES Y SILENCIOSOS.
APROXIMADAMENTE 3 VECES MENOS RUIDOSOS
QUE UN RECIPROCANTE.
SU COSTO ES MAYOR A LOS RECIPROCANTES
HERMÉTICOS
POSEEN MENOS PARTES MÓVILES, POR LO QUE
SON MENOS PROPENSOS A FALLAS.
Compresor tipo SCROLL
— Los compresores tipo scroll son lo más reciente en
tecnología de compresores.
— Son de costo accesible (de un 20% a un 30% mayor
que los reciprocantes).
— Eficiencias volumétricas arriba del 95%.
— Han reemplazado al reciprocante en las aplicaciones
de mercado comercial e industrial de aire
acondicionado y en algunas de refrigeración.
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Funcionamiento
TABLAS Y CATÁLOGOS DE
EQUIPOS
www.heatcraftrpd.com/
http://www.copeland-corp.com/
El condensador
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El condensador
— La misión del condensador es remover calor del
evaporador y el calor de compresión para
condensar el refrigerante a su estado líquido.
— Pueden ser de similar construcción a los
evaporadores, pero se reconocen por tener un
mayor tamaño.
— Los condensadores remueven calor sensible y
latente y se diseñan sobredimensionados para
brindar subenfriamiento al líquido.
Ing. Francisco Javier Vadillo
El condensador
— Pueden ser:
— Enfriados por agua:
— El refrigerante se enfría
con un flujo de agua, que
puede ser a su vez
enfriado por otros medios,
como:
— Torres de enfriamiento.
— Estanques de evaporación.
Ing. Francisco Javier Vadillo
El condensador
— Pueden ser:
— Enfriados por aire:
— Se utiliza aire a temperatura
ambiente.
— Convección natural.
— Convección forzada.
— Son menos eficientes que
los enfriados por agua, pero
más baratos.
— Son los más usados a nivel
residencial y comercial.
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El condensador
— Pueden ser:
— Evaporativos:
— Es una combinación de
enfriado por agua y aire,
ya que aprovecha el
efecto de enfriamiento al
evaporar agua en un
flujo de aire.
— Son
de muy buena
eficiencia, pero caros
tanto en compra como
en mantenimiento.
Unidades condensadoras
— Cuando un condensador y un compresor se
ensamblan en fábrica como un solo equipo, se le
denomina unidad condensadoras.
— Normalmente incluye también los accesorios
eléctricos y mecánicos para operar juntos y las
válvulas o tuberías para acoplar en el campo el
evaporador.
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