Refrigeración Mecánica - Conceptos - ICYTAL

Universidad Austral de Chile
Instituto de Ciencia y Tecnología de los Alimentos (ICYTAL)
Asignaturas:
Ingeniería de Servicios (ITCL 286)
Profesor:
Elton F. Morales Blancas
REFRIGERACION MECÁNICA
CONCEPTOS GENERALES
Se entiende por "refrigeración a todo proceso por el cual se puede obtener y mantener dentro de un recinto,
teóricamente aislado, a una temperatura inferior a la del medio ambiente circundante.
La obtención y mantenimiento de una baja temperatura implica la absorción o extracción de calor ya sea de un
recinto, fluido o producto enfriado.
La función de un equipo frigorífico es producir una "transferencia de calor" desde un lugar de baja temperatura
(recinto aislado) a un lugar de mayor temperatura (medio ambiente).
El término comúnmente utilizado “Producción de frío” se refiere básicamente a la capacidad de enfriar o extraer
calor de un sistema de refrigeración.
SISTEMAS FRIGORÍFICOS
Los sistemas de producción de frío desarrollados hasta el momento son varios, sin embargo, los que tienen real
importancia para los fines industriales son específicamente dos: el sistema de compresión, que es el más usado y el sistema
de absorción.
El sistema usado por compresión se basa en la continua evaporación y condensación de un líquido de propiedades
especiales llamado refrigerante. Dentro de estas propiedades hay que destacar por su importancia, la baja temperatura de
evaporación de estos líquidos en condiciones normales. Entre los refrigerantes usados tenemos: Amonaico (NH3),
Refrigerante 12, Refrigerante 22, etc.
SISTEMAS EMPLEADOS PARA PRODUCIR FRÍO
1. Químicos :
- Disolución
- Absorción
2. Mecánico por compresión :
Consiste fundamentalmente en el empleo de refrigerantes que al ser sometidos a
un descenso de presión su punto de ebullición disminuye ostensiblemente. En el
evaporador, el refrigerante ebulle absorbiendo calor del medio provocando un
descenso en la temperatura de la cámara. Luego, el vapor de refrigerante que es
comprimido y enfriado a presiones elevadas mediante agua o aire se licúa en el
condensador.
REFRIGERANTES
El refrigerante es la sustancia empleada para realizar el ciclo de refrigeración actuando como agente enfriador
absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia. Bajo refrigerante se entiende en general aquellas sustancias cuya temperatura
de ebullición a presión normal es inferior a la temperatura ambiente y cuyas restantes propiedades permiten un
aprovechamiento práctico del bajo punto de ebullición para la “producción industrial de frío”.
Todos los refrigerantes tienen códigos numéricos en un Sistema Internacional. Los refrigerantes más comunes en
uso son:
(1)
Amoniaco (NH3) ó R717. Es utilizado predominantemente en sistemas de refrigeración grandes.
mayor utilidad para su uso oscila entre -45°C a 0°C.
El rango de
(2)
Diclorodifluorometano (CCl2F2) ó R12. Es el refrigerante más común. Es apropiado para sistemas pequeños y a su
vez es de limitado valor para sistemas grandes. Es el mejor cuando se utiliza a temperatura entre -30°C y 10°C. Por
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Elton F. Morales Blancas
lo tanto, es muy apropiado para los sistemas de enfriamiento, y en menor grado para la congelación. El R12 es el
refrigerante de aplicación doméstica más común.
(3)
Monoclorodifluorometano (CHClF2) ó R22. Este refrigerante tiene una temperatura de refrigeración más baja que
el R12. Por lo tanto, es apropiado para sistemas de refrigeración pequeños y para rangos de trabajo entre -45°C y
0°C.
(4)
Refrigerante 502 (R502). Es una mezcla de 48,8% de R22 y 51,2% de R115. Es apropiado para aplicaciones que
requieran muy baja temperatura en pequeña escala. El rango de trabajo oscila entre -60°C y -10°C.
(5)
Diclorotetrafluoretano (C2Cl2F4) ó R114. Este es un refrigerante de temperatura de trabajo altas (0 a 30°C) y se
utiliza comunmente en los equipos conocidos como “Bomba de Calor”.
REFRIGERANTES
Amoníaco (NH3)
Freón 12
(C Cl2 F2)
Freón 22
(C Cl F2)
PUNTO DE EBULLICION (oC)
-33.3
-30.0
-40.0
SELECCIÓN DE REFRIGERANTES
La selección de un refrigerante para cualquier aplicación debe comprometer de consideración de sus propiedades
más importantes:
(a) Rango de temperatura y presión de trabajo.
Para evitar volumenes muy grandes de vapor para la compresión la presión de evaporación debe encontrarse entre 0,5
y 4 bars (abs). Los rangos de operación descritos anteriormente caen dentro de esta consideración. En este sentido la
presión de condensación no debe exceder de 10 a 20 bars (abs) para evitar cualquier necesidad en los espesores de las
paredes de las tuberías.
Muchas sustancias que pueden utilizarse como refrigerante obedecen las reglas citadas anteriormente. Por ejemplo, el
agua requerirá presiones muy bajas y el nitrógeno presiones muy altas.
(b) Riesgo mínimo para las personas y productos
Si se presentase un escape de refrigerante, este no debe representar un peligro para la salud. Los hidrocarburos
halogenados son excelentes en este aspecto; pero en el caso del amoniaco se presentan problemas debido a la
toxicidad del amoniaco.
El amoniaco tiene muchas otras buenas propiedades respecto a la producción de frío. Debido a esto los problemas de
toxicidad que pudieran presentarse son tolerados; sin embargo, se deben tomar precauciones cuando se utilizan en
áreas densamente pobladas.
(c)
Riesgo mínimo por fuego (no inflamable) y explosión
El propano, el burano, entre otros, no son muy utilizados por esta razón. El amoniaco puede formar mezclas
explosivas, pero no es el mayor problema frecuentemente encontrado si las precauciones normales de una planta
frigorífica son puestas en práctica.
(d) Estabilidad química
Desde que el refrigerante circula en un sistema o circuito cerrado es importante que no sufra cambios químicos. Por
ejemplo, no sería apropiado que una carga de amoniaco (NH3) se transforme en hidrógeno y nitrógeno. Normalmente
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esto no sucede, por lo que el amoniaco y también los freones son buenos en este aspecto.
(e)
Bajo costo
El anoniaco (NH3) y el R12 tienen costos bajos. El R502 es de costo elevado y el R22 es un producto de costo
intermedio. Por lo tanto, donde se requiera cargas de frío muy grandes el R22 y el 502 son los menos adecuados de
utilizar.
(f)
Inerte a los metales
El amoniaco no puede utilizarse con tuberías e instalaciones de cobre; pero si con el acero o el aluminio. Los
“freones” no tienen mayor problema en este aspecto. La corrosión de las tuberías y la posibilidad de escapes de
refrigerantes puede ocurrir por una falla o avería del sistema.
(g) Inmiscibilidad con lubricantes (aceite)
Si el aceite lubricante del compresor es miscible con el refrigerante, éste puede ser elevado desde el compresor hacia
todo el circuito. Los aceites son inmiscibles en amoniaco, así que es necesario instalar un separador de aceite en la
tubería después del compresor, con la finalidad de removerlo. Si no se instala un separador de aceite, este migraría
gradualmente hacia el condensador y evaporador cubriendo parcialmente la superficie de intercambio de calor y
reduciendo la transferencia de calor. Normalmente el refrigerante no puede movilizar este aceite de vuelta al
compresor.
Muchos refrigerantes del tipo “Freón” son miscibles con el aceite lubricante; por lo tanto, cualquier traza de aceite
que llegue al evaporador será removido por el refrigerante y llevado de vuelta al compresor. El R22 a bajas
temperaturas pierde su miscibilidad con el aceite. Por lo tanto, en aplicaciones para temperaturas bajas es obligatorio
utilizar un separador de aceite.
(h) Volumenes específicos de vapor razonable
A las presiones normalmente utilizados para la evaporación, 0,5 a 4 bars (abs), el vapor a comprimirse no debe ocupar
volumenes muy muy grandes ya que el tamaño del compresor depende del flujo de volumen de vapor y no del flujo
másico.
(i)
Un COP teórico elevado
Dependiendo del valor de COP teórico, el COP real varía levemente con el refrigerante. Para un sistema de
evaporación a -15°C y una temperatura de condensación a 30°C los valores de COP teóricos para los refrigerantes
más comunes son:
R717
4,76
R12
4,72
R22
4,63
R502
4,3
El refrigerante R502 no es recomendable para situaciones donde los costos de energía son altos.
(j)
Valores de calor latente de evaporación altos
En términos generales es deseable un calor latente de evaporación más alto para un flujo másico de refrigerante
utilizado en la remoción de calor. Una velocidad de flujo másico baja significa que las tuberías del líquido
refrigerante puedan ser más pequeñas minimizando costos, especialmente en plantas industriales.
Este es el principal factor en favor del amoniaco como refrigerante en sistemas frigoríficos industriales.
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R717
R12
R22
R502
Calor latente a 0°C
1399
165
234
178
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg
Resumen:
El amoniaco es el refrigerante mas ampliamente utilizado a pesar de sus inconvenientes de seguridad e
incompatibilidad con el cobre. Su bajo costo, sus buenas propiedades de transferencia de calor y su inmiscibilidad
con los aceites lubricantes favorecen su uso.
El R12 es bueno en aplicaciones de enfriamiento en pequeña o mediana escala. Las velocidades de flujo para
sistemas grandes son peligrosamente elevadas.
El R22 es apropiado para aplicaciones de congelación sobre una escala de pequeña a mediana. Los problemas de
miscibilidad con el aceite lubricante limita su uso.
El R502 es el mejor para aplicaciones de temperatura muy baja en una escala pequeña. Las instalaciones son costosas
y presenta un consumo de energía es alto por lo que solo se recomienda si realmente es necesario su uso.
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CICLO DE REFRIGERACION MECANICA
Consta de 4 componentes principales:
- Evaporador
- Compresor
- Condensador
- Dispositivo de expansión
- Evaporador:
Intercambiador de calor ubicado dentro del recinto que se desea enfriar al cual el refrigerante entra en
estado líquido o mayoritariamente líquido a baja presión y por consiguiente a una baja temperatura de
ebullIción. Al entrar en contacto con las paredes del evaporador, comienza su evaporación con la
consiguiente absorción de calor. Dicha absorción provoca el enfriamiento de las paredes del aparato y por
consiguiente, el enfriamiento del medio que lo rodea. A la salida del evaporador nos encontramos con
vapor refrigerante a baja presión el que se encuentra "cargado" con la energía térmica absorbida a las
paredes del aparato y al medio ambiente. Como todo intercambiador de calor, este aparato deberá
presentar el mínimo de resistencia al paso de calor desde el recinto o producto enfriado a las paredes del
aparato y enseguida desde allí al refrigerante. Se puede afirmar que este aparato es el "productor de frío".
- Compresor :
Succiona los vapores del refrigerante desde el evaporador y los comprime, o sea, eleva la presión a una
temperatura tal que permita licuar posteriormente en el condensador. En este elemento es donde debemos
entregar la fuerza motriz necesaria para el funcionamiento del sistema, es decir, aquí se realiza el gasto de
energía.
- Condensador : Segundo intercambiador de calor, fundamental dentro del sistema. Tiene por finalidad condensar los
vapores refrigerantes a alta presión provenientes del compresor. La condensación de estos vapores
significa convertirlos en líquidos y para ello debemos extraerles calor, o sea, enfriarlos. El calor retirado
a los vapores refrigerantes en este elemento, es el mismo calor que se absorbió en el evaporador más una
pequeña cantidad aportada al refrigerante por el funcionamiento del compresor. El calor extraído al
refrigerante es entregado al medio ambiente, ya sea por un enfriamiento de este elemento mediante agua
o aire. Debe cumplir con las mismas condiciones del evaporador desde el punto de vista del intercambio
de calor. A la salida del condensador nos encontramos con líquido refrigerante a alta presión.
- Dispositivo de expansión : Tiene como finalidad reducir la presión del líquido refrigerante proveniente del condensador y
entregarlo como líquido a baja presión al evaporador. Esta reducción de presión es fundamladental para
poder lograr la evaporación del refrigerante en el evaporador. En algunos casos actúa como regulador de
la cantidad de líquido que entra al evaporador.
Analizando el sistema desde el punto de vista de las presiones existentes en él, es usual dividirlo en dos sectores
bien definidos:
a) El lado de alta presión que va desde la salida del compresor a la entrada del aparato de expansión.
b) El lado de baja presión que va desde la salida del aparato de expansión a la entrada del compresor.
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TABLA
- COMPONENTES DE UN SISTEMA DE REFRIGERACION
POR COMPRESION MECANICA DE VAPOR
EQUIPO
TIPOS
Evaporadores
Inundado o Seco
Tipos básicos :
- Tubo liso
- Tubo aleteado
- De placas
Transmisión de calor :
- Circulación natural
- Por aire forzado
- Otros fluidos
Condensadores
Enfriado por aire :
- Circulación natural
- Circulación forzada
Enfriado por agua :
- De doble tubo o
contracorriente
- De multitubo
- De serpentín
Compresores
Alternativos :
- Abiertos
- Semi herméticos
- Herméticos
Rotativos
Centrífugos
Tornillos o helicoidal
Dispositivos de expansión
Manual
Capilar
Automático
Expansión termostática
Flotador
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CONTROLES DE UN CICLO BASICO DE REFRIGERACION
El control de un ciclo básico de refrigeración es un dispositivo automático que se coloca para operar, regular y/o
proteger el equipo de refrigeración y sus componentes.
Existen dos tipos fundamentales de controles:
- Los que ponen en marcha o detienen el sistema
- Aquéllos que regulan y/o protegen
Existen controles que pueden cumplir ambas funciones.
1. Dispositivos de puesta en marcha y detención del Sistema.
Los tres tipos de controles que detienen o ponen en marcha un equipo de refrigeración son:
-
El termostato, operado por temperatura
El presostato, comandado por presión
El higrostato, operado por la humedad relativa del aire
Se usan los termostatos y presostatos para poner en marcha una instalación cuando aumenta la temperatura, ya sea en
el medio que se refrigera o en el evaporador, y en el caso del higrostato, cuando aumenta la humedad relativa del aire,
deteniendo el sistema cuando se alcanzan las condiciones que se desean.
Los termostatos responden a la temperatura a través de los cambios de presión de un fluido contenido en un bulbo
cuando éste se calienta o enfría. Normalmente, al dilatarse o contraerse, mueven una ampolla que mantiene mercurio en su
interior, que conecta o desconecta. Esto permite controles a distancia, ya que el capilar permite que el bulbo se encuentre
dentro del recinto que se desea controlar y se puede ajustar sin ingresar a él.
Los controles de presión también pueden dividirse en dos categorías:
- De fuelle
- De Bourdon
El primero se conecta directamente al lugar que se quiere controlar, por un tubo capilar con bulbo. Cuando la presión
cambia, el fuelle se dilata o contrae, produciendo la conexión o desconexión de un circuito eléctrico. A causa de su
simplicidad, es el más empleado.
El segundo tipo es un tubo curvo y los cambios de presión producen en él variaciones en la curvatura, que se traduce
en movimientos de la ampolla de mercurio, que se conecta o desconecta en circuito eléctrico. Se emplea cuando se desean
contactos aislados del ambiente.
Los higrostatos que controlan humedad tienen diferentes tipos de funcionamiento; el más común es el uso de cabellos
humanos, ya que al aumentar la humedad, el cabello se estira y permite que los contactos eléctricos se cierren. Por el
contrario, cuando el cabello se seca, desciende la humedad y se contrae abriendo de esta manera, los contactos eléctricos.
Este tipo es muy sensible a la suciedad y al polvo, por lo que se usan filamentos de “nylon”, que cumplen igual función.
Todos los contactos pueden ser ajustados en el punto de control que se desea, pero existe la limitante de usarlos dentro
del rango que se especifica.
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2. Dispositivos de Regulación y Protección
a) Interruptores de presión (presostatos). Existen los que detienen el sistema cuando se alcanza una alta presión de
descarga (pesostatos de alta), que sirven de protección y los que lo detienen cuando la presión de succión alcanza un
valor bajo (presostatos de baja). Un tercer tipo es un presostato combinado que reune a los dos mencionados.
Presostato de alta: Tiene como objeto proteger al compresor y al sistema de presiones elevadas, para ello se ajusta
a unas 3 atm sobre la presión de condensación en el funcionamiento normal. Esta presión
corresponde a la que se obtiene cuando falla el sumunistro de agua o aire al condensador.
Los presostatos de seguridad en general, disponen de una reposición manual, que permite que
el equipo no se ponga en funcionamiento hasta que se haya eliminado la causa que motivó la
detención.
Presostato de baja: Se emplea para poner en marcha o detener la instalación cuando se alcanza una presión en la
succión. Se emplea además como un protector de presiones muy bajas que pueden producirse
por obstrucciones, pérdidas de refrigerante, etc.
Presostato combinado de alta y baja: Reune a los dos anteriores, cumpliendo las mismas funciones. Lo normal es
que el diferencial de alta sea fijo.
b) Termostatos. Interruptor gobernado por temperatura, que rompe o conecta un circuito eléctrico en relación a los
cambios de temperatura que se operan en el bulbo termostático.
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL RENDIMIENTO DEL COMPRESOR
1.- Factores de construcción mecánica
-
Desplazamiento del pistón
Espacio muerto
Válvula de aspiración
Válvula de compresión
2.- Factores de aplicación
-
RPM
Presión de aspiración
Tipo de refrigerante en uso
Presión de descarga
Es muy importante revisar niveles de lubricación:
- Por inmersión
- Por presión