PRINCIPIOS BÁSICOS. A continuación se darán unos conceptos

refrigeración
PRINCIPIOS BÁSICOS.
A continuación se darán unos conceptos que le permitirán aclarar, afianzar y ampliar sus conocimientos
para entender las diferencias que hay entre refrigeración, frío, enfriamiento y transferencia de calor.
TERMODINÁMICA.
La termodinámica es una rama de la ciencia que trata sobre la acción mecánica del calor, las cuales se
basan en leyes. La primera y la más importante de estas leyes dice: La energía no se crea ni se destruye,
se transforma en otro tipo de energía.
CALOR.
El calor es una forma de energía en tránsito porque se esta transfiriendo de cuerpos cálidos a cuerpos
fríos. La mayor parte del calor de la tierra se deriva de las radiaciones del sol, una cuchara sumergida en
agua helada pierde su calor y se enfría; una cuchara sumergida en café caliente absorbe calor y se
calienta. Sin embargo las palabras caliente y frío son términos comparativos.
TEMPERATURA.
Es la escala usada para medir la intensidad de calor y es el indicador que determina la dirección en que se
moverá la energía de calor. También puede definirse como el grado de calor sensible que tiene un cuerpo
en comparación con otro.
La temperatura se puede medir en diferentes escalas pero en esta aplicación, se usaran grados Farenheit
y grados centrígrados.
º C = 5/9 (ºF - 32)
º F = 9/5 (ºC + 32)
ºK = ºC + 273
º K = º F + 460
Al nivel del mar, el agua se congela a 0 ºC o a 32 ºF; y el punto de ebullición es de 100 ºC o 212 ºF.
MEDIDA DE CALOR.
La medida de la temperatura no tiene ninguna relación con la cantidad de calor. la llama de un fósforo
puede tener la misma temperatura que una hoguera, pero la cantidad de calor que despide es totalmente
diferente.
La unidad básica para medir el calor es el gramo-caloría, que se define como la cantidad de calor
necesaria para aumentar la temperatura de un gramo de agua, 1 ºC.
Ejemplo: para aumentar la temperatura de un litro de agua de 95 ºC a 100 ºC se requieren:
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1 litro = 1000 grs
1000 x (100 - 95) = 5000 gramo - calorías
Sin embargo, la unidad empleada es la Kilo-caloría que equivale a 1000 gramo-calorías y de forma
análoga es la energía necesaria para aumentar la temperatura de un kilogramo de agua, un grado
centígrado.
En el sistema inglés, la unidad de calor es la British Termal Unit, comúnmente conocida como el BTU; el
cual puede definirse como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua
un grado Fahrenheit.
Ejemplo: para aumentar la temperatura de un galón de agua de 70 ºF a 80ºF, se requieren:
1 galón = 8.3 libras(aprox)
8.3 Lbs x (80 – 70) ºF = 83 BTU.
TRANSMISIÓN DE CALOR.
La segunda ley de la termodinámica dice que el calor siempre se transmite del cuerpo más caliente al frío
hasta que se igualan sus temperaturas. El grado de transmisión es directamente proporcional a la
diferencia de temperatura entre ambos cuerpos. El calor puede viajar en tres formas diferentes:
Radiación, Conducción y Convección.
Radiación: es la transmisión de calor por ondas similares a las ondas de luz y a las ondas de radio.
Las personas irradian calor a todos
los objetos más fríos que están a su
alrededor, contribuyendo de esta
forma a aumentar la temperatura
del medio y de los elementos que lo
rodean.
Hay poca radiación a bajas
temperaturas, la radiación solar
particularmente es un factor que
afecta un espacio acondicionado (o
refrigerado).
Conducción: es el flujo de calor a través de una substancia para que haya transmisión de calor entre dos
cuerpos que están en contacto físico.
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A su vez, una persona cede
también calor a través de su ropa a
los elementos que están en
contacto con ella, transfiriendo
calor por conducción a todos los
elementos o muebles del cuarto:
mesas, sillas, equipos, etc,...en fin
a todo lo que esté en contacto con
su cuerpo.
Convección: es el flujo de calor que se puede transmitir por medio de un fluido liquido o gaseoso: agua o
aire.
Cuando una persona esta en un
cuarto donde la temperatura es
inferior a la temperatura de la
persona (37ºC), se transferirá calor
al aire a través de la piel. Se
observa en la figura como el aire
(en color azul) cuando toca la piel
de la persona se calienta(color
rojo) y de esta forma transfiere
calor por convección natural al
medio elevando la temperatura del
cuarto.
La aplicación típica refrigeración es una combinación de las tres formas de transmisión de calor y en aire
acondicionado se tiene en cuenta la evaporación como un fenómeno que afecta la humeda relativa del
sitio acondicionado.
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Las personas a consecuencia de las
altas temperaturas hacen que
liberen calor al medio a través de
sus glándulas sudoríferas las cuales
se abren permitiendo que de su
piel se evapore agua en forma de
vapor para eliminar calor y
compensar las elevadas
temperaturas que se presentan en
sitios muy calientes. Con ello
también aumenta la concentración
de agua en el cuarto lo que hace
que también aumente la humedad
relativa del sitio.
CAMBIO DE ESTADO.
La mayoría de las substancias pueden existir en estado sólido, líquido o gaseoso, dependiendo de su
temperatura y de la presión a la que se encuentren expuestas. El calor puede cambiar la temperatura y el
estado de las substancias y tambien puede se absorbido aún cuando no exista un cambio de temperatura,
como cuando un sólido cambia a líquido, o cuando un líquido se transforma en vapor. Cuando el vapor se
vuelve líquido o cuando el líquido vuelve a transformarse en sólido, se despide la misma cantidad de calor.
CALOR ESPECÍFICO.
El calor específico de una substancia es su capacidad relativa de absorber calor tomando como base la
unidad de agua pura y se define como la cantidad de kilo-calorías (BTU) necesarias para aumentar la
temperatura de un kilo (libra) de cualquier substancia 1 ºC (1 ºF). Por definición el calor específico del
agua es 1.0, pero para aumentar las temperaturas de otras sustancias el calor específico varía.
Ejemplo:
se requieren 0.64 kilo-calorías por kilo ( 0.64 BTU por libra ) para aumentar la temperatura de un kilo
(libra) de mantequilla 1º C (1ºF). Por lo tanto el calor específico de la mantequilla es 0.64.
Ejemplo:
Se requiere 0.22 kilo-calorías (BTU) para aumentar la temperatura de un kilo (libra) de aluminio 1 ºC (1
ºF). Por lo tanto el calor específico del aluminio es 0.22.
CALOR SENSIBLE.
Se define como el calor que provoca un cambio de temperatura en una substancia. Es decir, es el calor
que puede sentirse por medio de los sentidos. Cuando se eleva la temperatura del agua de 0 ºC a 100 ºC,
hay un aumento del calor sensible.
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CALOR LATENTE.
Es el que se necesita para realizar un cambio de estado: de sólido a líquido (calor latente de fusión), o
líquido en gas ( calor latente de evaporación ) sin variar la temperatura de la substancia.
Ejemplo:
Cuando se derrite un kilo de hielo, éste absorbe 80 kilo-calorías (144 BTU) a una temperatura constante
de 0 ºC (32 ºF). De la misma manera, cuando se congela 1 kilo de agua para convertirla en hielo hay que
sustraerle 80 kilo-calorías (144 BTU) a la misma temperatura constante de 0 ºC.
Ejemplo:
Cuando un kilo (1 lb) de agua se evapora, absorve 539 kilo-calorías (970 BTU) a una temperatura
constante de 100 ºC (212 ºF) al nivel del mar. De la misma manera para condensar un kilo (1 lb) de
vapor deben sustraersele 539 kilo-calorías (970 BTU).
Debido a la gran cantidad de calor latente que interviene en la evaporación y en la condensación, la
transmisión de calor puede ser muy eficiente mediante este proceso. Los mismos cambios de estado que
afectan al agua se aplican a cualquier líquido aunque a diferentes presiones y temperaturas como ocurre
con los refrigerantes usados en los procesos de transferencia y absorción de calor.
TONELADA AMERICANA DE REFRIGERACIÓN.
La tonelada de refrigeración se define como la cantidad de calor absorbida por la fusión de una tonelada
de hielo sólido puro en 24 horas. El calor latente de fusión de una (1) libra de hielo es de 144 BTU.
El calor latente de una (1) tonelada (2000 Lbs) de hielo es:
144 BTU x 2000 Lbs= 288.000 BTU en 24 horas
= 288.000 BTU / 24 Hrs
Una tonelada de refrigeración = 12.000 BTU / Hora
TEMPERATURA DE SATURACIÓN.
Saturación es la condición de temperatura y presión en la cual el líquido y el vapor pueden existir
simultáneamente. Un líquido o vapor esta saturado cuando está en su punto de ebullición (para el nivel
del mar, la temperatura de saturación del agua es de 100 ºC o 212 ºF). A presiones más altas la
temperatura de saturación aumenta, y disminuye a temperaturas más bajas.
VAPOR SOBRECALENTADO.
Cuando un líquido cambia a vapor, cualquier cantidad adicional de calor aumentará su temperatura (calor
sensible), siempre y cuando la presión a la que se encuentre expuesto se mantenga constante. El termino
vapor sobrecalentado se emplea para denominar un gas cuya temperatura se encuentra arriba de su
punto de ebullición o saturación.
LIQUIDOS SUBENFRIADOS.
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Cualquier líquido que tenga una temperatura inferior a la temperatura de saturación correspondiente a la
presión existente, se dice que se encuentra subenfriado. El agua a cualquier temperatura por debajo de su
temperatura de ebullición (a 100 ºC al nivel del mar) está subenfriada.
PRESION ATMOSFERICA.
La atmósfera alrededor de la tierra, que está compuesta de gases como el oxígeno y el nitrógeno, se
extiende muchos kilómetros sobre la superficie. El peso de esta atmósfera sobre la tierra crea la presión
atmosférica. En un punto dado, la presión atmosférica es relativamente constante excepto por pequeños
cambios debidos a las diferentes condiciones atmosféricas.
Como referencia, la presión atmosférica al nivel del mar es de 1.03 kilos por centímetro cuadrado (14.7
libras por pulgada cuadrada), lo cual es equivalente a la presión causada por una columna de mercurio de
760 milimetros (29.92 pulgadas) de alto.
En alturas sobre el nivel del mar, la altitud de la capa atmosférica que existe sobre la tierra es menor y
por lo tanto la presión atmosférica disminuye. Por ejemplo a 1.525 metros (5000 pies) sobre el nivel del
mar, la presión atmosférica es sólo de 0.86 kilos por centímetros cuadrados (12.2 libras por pulgada
cuadrada).
PRESION ABSOLUTA.
Generalmente, la presión absoluta se expresa en términos de Kg/cm2 (lb./in2) y se encuentra a partir del
vacío perfecto en el cual no existe presión. Por lo tanto en el aire a nuestro alrededor, la presión absoluta
y la atmosférica son iguales.
PRESION MANOMETRICA.
Un manómetro de presión está calibrado para leer 0 kilos por centímetro cuadrado ( 0 libras por pulgada
cuadrada) cuando no está conectada a algún recipiente con presión; por lo tanto, la presión absoluta de
un sistema cerrado será siempre la presión manométrica más la presión atmosférica. Las presiones
inferiores a 0 K/cm2 (PSIG) son realmente lecturas negativas en los manómetros y se llaman milímetros
(pulgadas) de vacío. Un manómetro de refrigeración mixto está calibrado en el equivalente milímetros
(pulgadas) de mercurio por las lecturas negativas.
Ejemplo: 1.03 Kg/cm2 = 14.7 PSI = 760 mm Hg = 29.92 in Hg
1 Kg/cm2 = 738 mm Hg = 29.05 pulgadas.
Es importante recordar que la presión manométrica es siempre relativa a la presión absoluta. La siguiente
tabla muestra la relación de presiones a diferentes altitudes suponiendo que las condiciones atmosféricas
sean normales.
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La presión absoluta absoluta en milimetros (pulgadas) de mercurio, indica los milimetros (pulgadas) de
mercurio que una bomba de vacío perfecta debería obtener teóricamente. Por ejemplo de la tabla anterior,
a una altitud de 1525 metros y bajo condiciones normales, un vacío perfecto sería de 632 milímetros
(24.89 pulgadas) de mercurio, mientras que al nivel del mar sería de 750 milímetros (29.92 pulgadas) de
mercurio.
A presiones muy bajas, es necesario usar una unidad de medida más pequeña puesto que incluso los
milímetros y las pulgadas de mercurio son demasiado grandes para medir con exactitud. El MICRON es la
unidad usada para este objeto, y cuando hablamos de micrones de vacío, nos referimos a la presión
absoluta en unidades de micrones de mercurio.
Un micrón es igual a 1/1000 de un milímetro y hay 25.4 milímetro por pulgada. Por lo tanto, una micra es
igual a 1/25400 pulgadas. El vacío a 500 micrones sería el vacío efectuado a una presión absoluta de
aproximadamente 0.02 pulgadas de mercurio, o en condiciones normales, el equivalente de una lectura de
vacío de 29.92 pulgadas de mercurio.
RELACIÓN TEMPERATURA – PRESIÓN. (Líquidos).
La temperatura a la cual hierve un líquido depende de la presión sobre este líquido. Al nivel del mar, el
agua hierve a 100 ºC, pero a 1525 metros hierve a 95 ºC. Si usamos algún medio para variar las
presiones sobre la superficie del agua en un recipiente cerrado, por ejemplo un compresor, el punto de
ebullición podrá cambiarse según nuestros deseos.
Puesto que todos los líquidos reaccionan en la misma forma, aunque a diferentes temperaturas y
presiones, la presión es un medio para regular la temperatura de refrigeración. Manteniendo en un
serpentín de enfriamiento una presión equivalente a la temperatura de saturación (punto de ebullición) del
líquido con la temperatura de enfriamiento deseada, dicho líquido hervirá a esa temperatura mientras esté
absorbiendo calor, consiguiéndose entonces la refrigeración.
RELACION TEMPERATURA – PRESION (Gases).
Uno de los fundamentos de la termodinámica es la llamada “ley del gas perfecto”. Esta describe las
relaciones existentes entre los tres factores básicos que controlan el comportamiento de un gas (presión,
volumen y temperatura). En la práctica el aire y los gases refrigerantes altamente sobrecalentados
pueden considerarse gases perfectos y sus comportamientos sigue las siguientes relaciones:
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Presión 1 X Volumen 1 / Temperatura 1 = Presión 2 X Volumen 2 / Temperatura 2
Aunque la relación gas perfecto no es exacta, nos da una aproximación al efecto causado en un gas por el
cambio de uno de los tres factores. En esta relación, tanto la presión como la temperatura deben
expresarse en valores absolutos, la presión en PSIA, la temperatura arriba del cero absoluto (ºC +293 , ó,
ºF +460 ).
Uno de los problemas de la refrigeración es deshacerse del calor que ha sido absorbido durante el proceso
de enfriamiento, y una solución práctica consiste en aumentar la presión del gas para que la temperatura
de saturación sea suficientemente mayor que la temperatura del agente enfriante (aire o agua) para
asegurarse de este modo un intercambio de calor eficiente. Cuando el gas a baja presión (baja
tempertatura de saturación) es succionado hacia el cilindro de un compresor, el volumen del gas es
reducido por la carrera del pistón, condensándose rápidamente debido a su alta temperatura de
saturación.
VOLUMEN ESPECÍFICO.
El volumen específico de una substancia se define como el número de centímetros (pies) cúbicos ocupados
por un kilo (libra) de desta substancia, en el caso de líquidos y gases, varía con la temperatura y presión.
DENSIDAD.
La densidad de una substancia se define como el peso por unidad de volumen y se expresa normalmente
en gramos/centímetros cúbicos(libras por pie cúbico). La densidad del gas puede variar grandemente con
los cambios de presión y temperatura.
Por ejemplo el vapor de agua a 3.5 Kg/cm2 (50 PSIA) de presión y 138 ºC (281 ºF) de temperatura es
tres veces más pesado que el vapor a 1.03 Kg/cm2 (14.7 PSIA) de presión a 100 ºC (212 ºF).
PRESIÓN Y PESO DE FLUIDOS.
Frecuentemente es necesario saber la presión creada por la columna de un líquido y posiblemente la
presión requerida para forzar a una columna de refrigerante a fluir en un tramo vertical en una distancia
ascendente.
Puesto que la densidad se expresa en gramos por centímetro cúbico, el agua pesa 1 gramo por centímetro
cúbico, la presión que crea 1 centímetro cúbico de agua es de 1 gramo. Un metro de agua crea la presión
de 100 gramos por centímetro cúbico.
La presión creada por otros líquidos puede calcularse de la misma forma, basta conocer la densidad y si se
mantiene la misma relación de altura a presión sin importar el área de la columna vertical.
En el flujo de aire a través de ductos se encuentran presiones muy pequeñas, las cuales generalmente se
expresan en milímetros (pulgadas) de columna de agua: mm c.a. (" c.a.):
1 mm de agua = 0.0001 kilo por centímetro cuadrado (Kg/cm2)
El agua pesa aproximadamente 62.4 libras por pie cúbico, la presión creada por un pie de agua es de:
62.4 / (12 x 12) = 0.433 libras por pulgada cuadrada.
1 " de agua = 0.433 / 12 = 0.036 PSI.
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FLUJO DE FLUIDOS.
Para que un fluido circule de un punto a otro, debe existir una diferencia de presión entre ambos puntos.
Si no existe tal diferencia, no habrá flujo; dichos fluidos pueden ser líquidos y gases.
El flujo de fluidos en tuberías está regido por la presión creada sobre dicho fluido, el efecto de la gravedad
debido a las tuberías ascendentes y descendentes, las restricciones en la tubería(curvas, estrangulaciones,
válvulas y accesorios de control), y la resistencia del fluido mismo a circular. El diseño del sistema de
tuberías determinará la presión requerida para obtener el flujo de fluidos.
La diferencia de presión entre dos puntos está determinada por la velocidad, la viscosidad y la densidad
del fluido. Si el flujo aumenta, la diferencia de presión también aumenta puesto que habrá más fricción
por la mayor velocidad del fluido. Esta diferencia de presión se llama pérdida de presión. El control de las
temperaturas de evaporación y condensación es crítico, las pérdidas de presión afectan el rendimiento del
sistema, por lo que se desea que se eviten estas perdidas o se minimicen.
EFECTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS EN LA TRANSMISIÓN DE CALOR.
La transmisión de calor de un fluido a través de aletas del metal de los serpentines, resulta afectados por
la acción del fluido en contacto con estas superficies metálicas. Cuanta mayor sea la velocidad del flujo o
cuanto más turbulento sea, mayor será su capacidad de transmisión de calor. La rápida ebullición de un
líquido a evaporarse también aumenta el coeficiente de transmisión de calor. Por el contrario, un flujo
tranquilo de un líquido tiende a permitir que se forme una capa aislante en la superficie del metal
resistiendo el flujo de calor y reduciendo el coeficiente de transmisión de calor.
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