Maquinas y equipos frigorificos

MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS
FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
M 1 / UD 1
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
ÍNDICE
Introducción..................................................................................
9
Objetivos ........................................................................................
11
1. Introducción al temario..........................................................
13
2. Definición de termodinámica ................................................
14
3. Introducción al concepto de energía ....................................
15
4. Introducción al concepto de trabajo .....................................
16
5. Expresión del primer principio de la termodinámica..........
17
6. Termometría............................................................................
18
6.1.
Definición de calor.......................................................
18
6.2.
Relación calor-movimiento molecular ........................
18
6.3.
Definición de frío .........................................................
18
6.4.
Intercambio de calor - Flujo de calor..........................
19
6.5.
Transmisión de calor ....................................................
20
6.6.
Medición de la temperatura ........................................
26
6.7.
Escalas termométricas ..................................................
27
6.8.
Fenómenos de dilatación.............................................
29
6.9.
Cero absoluto y escala termodinámica........................
32
6.10. Unidades de calor..........................................................
33
6.11. Fórmulas para la conversión de unidades
de temperatura ..............................................................
33
6.12. Calor específico .............................................................
34
6.13. Calor latente ..................................................................
35
6.14. Calor sensible.................................................................
37
6.15. Definición de sustancia pura ........................................
38
6.16. Estados físicos de una sustancia pura...........................
38
6.17. Cambios de estado físicos .............................................
40
6.18. Saturación ......................................................................
51
6.19. Diagramas de propiedades para procesos
de cambios de fase.........................................................
54
7. Comportamiento de los gases ................................................
60
7.1. Introducción ..................................................................
60
7.2. Características de los gases............................................
60
7
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
7.3. Definición de gas ideal..................................................
63
7.4. Ecuación de estado de un gas ideal..............................
64
7.5. Constante de gas universal............................................
65
7.6. Masa molar.....................................................................
65
7.7. Compresión de un gas ideal ........................................
66
8. Calor y trabajo .........................................................................
68
8.1. Clasficación, formas y tipos de energía ........................
68
8.2. Definición de trabajo ....................................................
69
8.3. Tipos de transformación del trabajo............................
71
8.4. Potencia..........................................................................
73
8.5. Unidades de medida .....................................................
74
8.6. Estudio de los ciclos termodinámicos ..........................
75
9. Estudio termodinámico de los ciclos de refrigeración .........
80
9.1. Introducción ..................................................................
80
9.2. El ciclo de refrigeración................................................
80
9.3. Diagramas termodinámicos ..........................................
81
9.4. Diagrama P-V o diagrama de andrews .........................
83
9.5. Diagrama T-S o diagrama entrópico ............................
84
9.6. Diagrama P-H o diagrama entálpico ............................
84
9.7. Diagrama H-S.................................................................
85
10. Higrometría.............................................................................
86
10.1. Introducción ..................................................................
86
10.2. Definiciones ...................................................................
86
10.3. Métodos y aparatos de medida .....................................
96
10.4. Carta psicrométrica .......................................................
99
10.5. Composición diagrama psicrométrico .........................
100
10.6. Estudio de las operaciones de tratamiento de aire .....
107
Resumen ........................................................................................
117
Glosario..........................................................................................
123
Cuestionario de Autoevaluación ..................................................
143
Bibliografía ....................................................................................
147
8
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
INTRODUCCIÓN
La termodinámica se define como la parte de la física que estudia las
relaciones existentes entre los fenómenos dinámicos y los caloríficos, es
decir, trata de la transformación de la energía mecánica en calor y del
calor en trabajo.
También describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas
macroscópicos de materia y energía, así como los sistemas que se
encuentran en equilibrio.
Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico,
que se define como un conjunto de materia que se puede aislar
espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable.
El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse
mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el
volumen, que se conocen como variables termodinámicas, siendo posible
identificar y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad,
el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de expansión
térmica), con lo que se obtiene una descripción más completa de un
sistema y de su relación con el entorno.
Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro,
se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios
de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos
experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos
termodinámicos. Los principios de la termodinámica tienen una
importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería.
En esta unidad nos centraremos en el estudio del comportamiento de
la energía calorífica y las formas en que la energía se transforma en calor.
Esto nos ayudará a comprender mejor de forma general por qué las
máquinas no pueden ser totalmente eficientes y por qué es imposible
enfriar un sistema hasta el cero absoluto, y en particular se estudiarán
y comprenderán los conceptos básicos que serán necesarios en las
siguientes unidades.
9
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
OBJETIVOS
En esta unidad se pretende que el alumno adquiera conocimientos
básicos, y conozca conceptos que le serán útiles para la comprensión de
las siguientes unidades. En concreto se tratará:
•
Calor, frío, trabajo, potencia, transmisión de calor y sus mecanismos,
medición de la temperatura, consecuencias de los cambios de
temperaturas, parámetros característicos de los gases, ciclos
termodinámicos y estudio del acondicionamiento de aire.
•
Relaciones que existen entre los conceptos que se estudian, así como
las formas en las que se pueden alterar estas relaciones.
•
Compresión de las relaciones que existen entre el estado de equilibrio
de un sistema y las influencias externas a las que está sujeto el mismo.
•
El comportamiento de las sustancias utilizando como herramienta
la termodinámica y en particular los diagramas de fase.
•
Proporcionar los fundamentos de psicrometría y de acondicionamiento
de aire para comprender mejor el funcionamiento de las instalaciones
de acondicionamiento de aire.
11
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
1. INTRODUCCIÓN AL TEMARIO
En esta primera parte del temario se estudiarán conceptos básicos de la
termodinámica, como calor trabajo, comportamiento de los gases y ciclos
frigoríficos para poder comprender mejor los siguientes temas, que
tienen como fin el estudio de sistemas frigoríficos que realicen las
conversiones deseadas entre distintos tipos de energía.
13
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
2. DEFINICIÓN DE LA TERMODINÁMICA
La termodinámica se define como la ciencia que estudia, interpreta y
explica las interacciones energéticas que se dan entre los sistemas
materiales, formulando leyes que rigen dichas interacciones, o dicho de
una forma más practica, la termodinámica es la ciencia que estudia la
energía y sus transformaciones, incluidas la formación de potencia, la
refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia.
14
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
3. INTRODUCCIÓN AL CONCEPTO DE ENERGÍA
Aunque intuitivamente todo el mundo tenga una idea del concepto de
energía, es difícil dar una definición precisa de él. A groso modo se
puede decir que es la capacidad para producir cambios.
Así por ejemplo, la obtención de energía de una persona se hace a través
de los alimentos.
15
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
4. INTRODUCCIÓN AL CONCEPTO DE TRABAJO
La energía se emplea en andar, hablar, etc., en definitiva, en la realización
de actividades que suponen trabajo.
Siguiendo con este ejemplo, observamos que cuando una persona tiene
una energía de entrada (alimentos) mayor que su salida (ejercicio) gana
peso. También cuando una roca cae por un acantilado, gana velocidad
a costa de perder altura, es decir, conforme pierde energía potencial
gana energía cinética.
16
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
5. EXPRESIÓN DEL PRIMER PRINCIPIO
DE LA TERMODINÁMICA
Siguiendo los dos apartados anteriores, vemos cómo se cumple una de
las leyes fundamentales de la naturaleza: “La energía ni se crea ni se
destruye; sólo se transforma”, principio que se expone de una forma
sencilla en la primera ley de la termodinámica:
∆ u = q-w
donde:
u es la variación de energía del sistema de un estado inicial hasta otro
final Uf-Ui (energía final - energía inicial).
q es el calor generado en el proceso.
w es el trabajo realizado para pasar del estado inicial al estado final.
Concluyendo así que la energía se puede emplear para la obtención de
calor y trabajo.
17
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
6. TERMOMETRÍA
Cuando tocamos un objeto el sentido del tacto nos proporciona
sensaciones que nos permiten comparar la temperatura de un cuerpo
con respecto a otro o con el medio que lo rodea, pero se trata sólo de
una apreciación cualitativa y no es suficiente para poder dar una definición
del término “temperatura”, que es una de las magnitudes básicas para
el estudio de cualquier sistema termodinámico.
La termometría se basa en el estudio de los conceptos que hacen que
podamos convertir en algo cuantitativo o mensurable adjetivos como
“frío” o “caliente”.
6.1. Definición de calor
El calor se manifiesta de muchas formas en nuestra vida diaria: el calor
solar, el calor generado al frotar las manos, el paso de corriente por una
resistencia eléctrica con el desprendimiento de calor de una bombilla,
etc., así pues, es una sensación que percibimos cuando nos encontramos
enfrente de un cuerpo incandescente.
El calor es la energía que se transfiere entre dos sistemas (o de un sistema
y sus alrededores).
6.2. Relación calor - movimiento molecular
El calor está relacionado con el movimiento de las partículas que son las
divisiones más pequeñas que se puede hacer de cualquier sustancia sin
que pierda su identidad química; de la siguiente forma:
Una molécula al moverse genera calor y cuanto mayor sea su movimiento
o velocidad más calor genera.
Por otro lado, esta molécula al moverse choca con otras moléculas que,
a raíz de esto, ven aumentada su velocidad y por lo tanto su generación
de calor y que a su vez chocan con otras moléculas que chocan con
otras,... etc. Así pues, cuanto más alta sea la velocidad de las moléculas
que componen una sustancia mayor será la temperatura de esa sustancia
manteniendo las condiciones del medio que la rodea.
6.3. Definición de frío
Es la sensación que se produce con la falta de calor, es el término negativo
del calor, que indica su disminución o ausencia.
Si de alguna forma “extraemos” calor de una sustancia, el movimiento
de sus moléculas será cada vez más lento. La “potencia” de un compresor
18
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
o máquina frigorífica está relacionada con este concepto, ya que se refiere
a la cantidad de frío producido, o mejor dicho, a la cantidad de calor
que puede absorber.
Así, si en el apartado anterior veíamos cómo el calor era un indicador
del estado de agitación de las moléculas que componen una sustancia,
en este apartado deducimos que el frío, por el contrario, es un indicador
de que el movimiento de las moléculas es lento.
6.4. Intercambio de calor - Flujo de calor
El movimiento de las partículas genera energía, como hemos visto
anteriormente. Este tipo de energía se llama calor, y se define como la
forma de energía que se transfiere entre dos sistemas, o entre un sistema
y su entorno, cuando sus temperaturas son diferentes, de forma que pasa
de uno a otro hasta que la cantidad de calor de ambos se iguala y se llega
a un estado de equilibrio.
Si pensamos en esto último deducimos con rapidez que el calor pasa del
cuerpo o sistema que tiene “más cantidad de calor” al cuerpo o sistema
que tiene “menos cantidad de calor”.
Ejemplo: un caso muy cotidiano de esta transferencia de energía es lo
que ocurre en nuestros frigoríficos.
El evaporador de un frigorífico es la parte que absorbe calor, es decir el
cuerpo frío (su configuración y funcionamiento será tratado con más
detalle en el apartado correspondiente de esta unidad didáctica); el
cuerpo caliente lo forman los alimentos que metemos en la nevera.
Estos alimentos están, como poco, a temperatura ambiente cuando los
introducimos en la nevera; el evaporador, por el contrario, se encuentra
a varios grados bajo cero, con lo cual, el calor de los alimentos pasa al
evaporador, consiguiendo así que se enfríen.
El calor, como forma de energía, tiene las siguientes unidades de medida
entre las más usuales:
•
Caloría [cal]: una caloría es la unidad de calor aportada o extraída
para aumentar o reducir en un grado centígrado la temperatura de
un gramo de agua.
•
Julio [J]: la cantidad de calor aportado o extraído para aumentar o
reducir en un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua
es equivalente a 4´187 Julios.
Esta es la unidad que se utiliza en el Sistema Métrico Internacional.
•
British Thermal Unit [Btu]: un Btu es la unidad de calor extraída
19
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
para reducir en un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de
agua.
Esta unidad de medida pertenece al sistema angloamericano.
•
Frigoría [fg]: es la unidad que se utiliza en la industria frigorífica
para expresar las cantidades de calor transmitidas y para valorar la
potencia de los compresores y máquinas frigoríficas.
La Frigoría es una kilocaloría negativa:
1 fg = -1 kcal
En el caso de la potencia de las máquinas frigoríficas, la hora es la
unidad de tiempo utilizada para expresarla:
Potencia frigorífica = fg/h
La correspondencia entre las unidades antes expresadas es la siguiente:
1 Julio
= 0´2389 kcal
= -0´2389 fg
= 0´9478 Btu
1 fg ó 1 kcal = 3´968 Btu
1Btu = 0´2516 kcal ó 0´2516 fg
6.5. Transmisión de calor
Como ya hemos visto en el apartado anterior, al estar un sistema en
presencia de otro, el calor se transmite del más caliente al menos caliente.
Este intercambio de calor no se termina hasta que la temperatura de
ambos sistemas se iguale, llegando a un estado de equilibrio térmico.
La cantidad de calor transferida en el proceso entre dos estados 1 y 2 se
expresa por medio de Q 12, o sólo por Q. Por otro lado, q es la transmisión
de calor por unidad de masa de un sistema, y se determina de la siguiente
manera:
q = Q/m (kJ/kg)
Así, en el ejemplo, q = 10/2 = 5kJ/kg
20
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Muchas veces es mejor conocer la cantidad de calor transferida por
unidad de tiempo :
= Q/ t
En el ejemplo anterior
= 10/5 = 2 kJ/s
En cuanto a la dirección del flujo de calor la cantidad Q = 10 kJ no nos
dice nada por sí sola, es decir, no sabemos si los 10 kJ son transferidos
a nuestro o por nuestro sistema, a no ser que adoptemos un criterio de
signos.
El signo universalmente aceptado para el flujo de calor es el siguiente:
la transferencia de calor hacia un sistema es positiva y la transferencia
de calor desde un sistema es negativa; en definitiva, los flujos que
incrementen la energía de un sistema se consideran con signo positivo
y los que la disminuyan se cuentan con signo negativo.
A la hora de la práctica debe darse gran importancia a los fenómenos
físicos que rigen la transmisión del calor de un sistema a otro, o a través
del mismo, siempre intentando conseguir dos objetivos:
•
Una transferencia de calor entre la parte fría y la parte caliente de
la máquina frigorífica tan elevada como sea posible.
•
Una transferencia de calor entre el espacio refrigerado y el exterior
tan bajo como sea posible.
Para poder llevar a cabo estos dos objetivos es necesario distinguir los
procesos que permiten esta transferencia de calor, definir los coeficientes
de transmisión para cada proceso así como definir el coeficiente global
de transmisión resultante de la simultaneidad de los distintos procesos
de transferencia térmica.
Se consideran tres formas de transmisión física del calor desde un cuerpo
caliente a un cuerpo frío:
-
Por conducción.
-
Por convección.
-
Por radiación.
Conducción
La transmisión de calor por conducción es aquella que se realiza en un
mismo cuerpo cuando sus partes presentan temperaturas distintas, o
también entre cuerpos distintos que se encuentran a distintas temperaturas,
siempre que estén en contacto físico.
Es el resultado de aumentar la energía cinética parte de las moléculas
21
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
de una sustancia, como se vio en apartados anteriores. Las moléculas
que ven aumentada su energía cinética o velocidad van chocando con
las que tienen al lado y éstas a su vez con otras… etc., obteniendo como
resultado la propagación progresiva del calor en esa sustancia, cuerpo
o sistema.
Un ejemplo típico de este mecanismo de transmisión de calor es lo que
ocurre cuando calentamos el extremo de una varilla metálica. Las
moléculas del extremo ven aumentada su velocidad y comienzan a chocar
con las que tienen a su alrededor, haciendo que la varilla se caliente a
medida que pasa el tiempo y se producen choques entre partículas. Ésta
es la explicación de que existan zonas diferenciadas, en cuanto a
temperaturas se refiere, dentro de la misma varilla; es porque el
movimiento de las partículas es distinto, es decir, el calor se va
transmitiendo de unas a otras a lo largo de un periodo de tiempo
conforme se va transmitiendo el movimiento.
Otro ejemplo es lo que pasa cuando metemos una lata de refresco dentro
del frigorífico. El calor del fluido que contiene se va transmitiendo a la
lata conforme ésta se enfría.
Entre los distintos materiales que existen se suele hacer una clasificación
en dos grandes grupos, en función de la facilidad que tengan para
propagar el calor por conducción.
Aquellos materiales que no ofrecen resistencia a la propagación del calor
se denominan conductores térmicos. Los metales en general son buenos
conductores y, de entre ellos, la plata, el cobre y el aluminio son los
mejores.
Los materiales que, por el contrario, ofrecen una gran resistencia a la
propagación del calor por conducción se denominan aislantes o
calorífugos. Entre ellos se encuentran, en general, cuerpos que almacenan
aire, como las plumas, la lana y también el corcho, poliestireno, cartón,…
etc.
También existen otros materiales que, sin ser aislantes térmicos, propagan
el calor en muy poca medida, como pueden ser la madera, el vidrio,
bastantes materias plásticas y la cerámica.
Todos estos materiales son muy útiles en la industria, como forros para
mangos de objetos que pueden alcanzar temperaturas que pueden ser
peligrosas para la piel humana, o como aislantes en construcción de
edificios.
Por todo esto se puede deducir que cada cuerpo posee una resistencia
a la propagación del calor que le es propia, debiéndose determinar para
cada uno la cantidad de calor que transmite, denominándose esa cantidad
de calor coeficiente de conductividad térmica.
22
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
El coeficiente de conductividad térmica de un cuerpo se define como
la cantidad de calor que atraviesa en una hora un metro cuadrado de
dicho cuerpo, con un espesor de un metro y una diferencia de temperatura
de un Kelvin o un grado centígrado entre las dos caras del cuerpo. Este
coeficiente se denota como y sus unidades son vatios por metro cuadrado
de espesor y por kelvin:
: W/m x K
Otro concepto a tener en cuenta es el flujo de calor que atraviesa un
cuerpo, denotado por cuya expresión es:
=
xAx(
1-
2)
x 1/e
Dada esta fórmula, vemos como el flujo de calor que atraviesa un cuerpo
es proporcional a:
•
Coeficiente de conductividad térmica
•
La superficie a través de la cual se realiza el intercambio térmico A
(m2).
•
La diferencia de temperaturas entre la parte calida y la parte fría
hacia donde se propaga el calor 1- 2 (ºC ó K).
(W/m x K).
y es inversamente proporcional al espesor que atraviesa e (m).
La cantidad de calor transmitida a través del cuerpo durante un tiempo
t vendrá dada por la expresión:
Q= t=
xAx(
1-
2)
x 1/e x t
y se expresará en Julios (J).
Ejemplo: Consideremos el caso de un cuerpo compuesto por distintos
materiales, como puede ser la pared de una cámara frigorífica
Cada uno de estos materiales reaccionará al paso del flujo calorífico de
diferente manera, como hemos visto con anterioridad, en función de
sus coeficientes de conductividad térmica y sus espesores, así que la
expresión correcta que deberemos adoptar para este caso en la siguiente:
23
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Donde K es el coeficiente de conductividad térmica de un muro
homogéneo con un espesor total idéntico al tratado y que viene de la
siguiente expresión:
Para obtener la cantidad de calor transmitida a través de la pared en un
tiempo determinado, bastará con multiplicar la expresión de por el
intervalo de tiempo transcurrido en segundos:
Convección
Este medio de transmisión de calor es típico de los líquidos y de los gases.
La diferencia de temperatura existente en el seno de los fluidos hace
que las partículas más calientes pesen menos, provocando variaciones
de densidad. Estas variaciones se deben a que las partículas del fluido
que están en contacto con una superficie sólida a distinta temperatura
ven variada su velocidad por aporte o cesión de calor, como hemos visto
en otros apartados, creando en las demás partículas del fluido más
movimiento, conocidos como movimientos de convección, que tienden
a igualar las temperaturas de los distintos puntos del fluido. Por lo tanto,
los movimientos de convección son esenciales en la transmisión de calor
de un cuerpo sólido y un fluido.
Existen dos tipos de movimientos de convección: naturales o forzados,
por lo que siempre distinguiremos entre convección natural, que es la
que se da, por ejemplo, en una instalación convencional de radiadores,
y convección forzada, que es la que se produce con la utilización de
ventiloconvectores (se fuerzan corrientes de aire con ventiladores previos
a una batería de agua haciendo que el aire adquiera temperatura cedida
por las baterías).
Ejemplo: El caso del funcionamiento del evaporador en un frigorífico
sería también un caso típico de convección donde el vehículo que enfría
los alimentos es el aire que está en contacto tanto con los alimentos, de
donde recoge el calor, como con el evaporador, al que cede o absorbe
el calor.
Tal y como ocurría con la convección, si consideramos una superficie A
de un cuerpo sólido a una temperatura 1 en contacto directo con un
fluido a temperatura 2, el flujo de calor intercambiado entre el sólido
y el fluido vendrá dado por la expresión:
24
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
y la cantidad de calor transmitida durante el tiempo t tendrá el valor:
donde hc es la cantidad de calor que pasa en una hora desde una
superficie de un metro cuadrado, expuesta al medio ambiente, cuando
la diferencia de temperatura entre dicha superficie y el medio ambiente
es de un grado Celsius, expresándose, por lo tanto, en W/m2 x K.
El flujo de calor transmitido por convección entre un cuerpo sólido y el
fluido que lo rodea depende de diversos factores, como la diferencia de
temperatura entre ambos, la velocidad con la que se desplaza el fluido,
el material, la forma y las dimensiones del sólido, hecho que hace que
las leyes de la transmisión de calor por convección sean muy complejas.
Para los casos prácticos más comunes tendremos en cuenta que para el
aire en calma hc = 5 a 7 W/m2 x K, valor que se eleva hasta 25 W/m2 x
K para el aire con una gran agitación.
Radiación
La transmisión de calor por radiación se basa en que todos los cuerpos
emiten, bajo cualquier temperatura, radiación térmica de naturaleza
electromagnética.
Los rayos caloríficos se propagan en línea recta en el espacio, incluso en
el vacío, ya que, al contrario de lo que les sucede a la convección y
conducción, la radiación no necesita de ningún medio material para
propagarse.
Un cuerpo con una temperatura elevada emite calor, que es absorbido
por otro cuerpo denominado pantalla, que se encuentra a una temperatura
inferior. La parte de calor que no es absorbida por el cuerpo pantalla,
es reflejada.
Ejemplo: Un caso típico de calor que nos llega por radiación es el que
nos aporta el sol.
Otro es el representado aquí, el calor que proporciona una lámpara
incandescente.
La energía calorífica radiada por un cuerpo depende de su temperatura
y del estado de su superficie exterior, y se corresponde con la siguiente
expresión:
donde R es una constante del cuerpo emisor y que depende del estado
de la superficie del mismo.
Alcanza un valor máximo de 5´675 x 10-8 W/(m2 x K4) recibiendo el
cuerpo que emite radiación a esta tasa tan elevada el nombre de cuerpo
25
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
negro. La radiación emitida por superficies reales es menor que la emitida
por un cuerpo negro a la misma temperatura y se expresa como:
donde es la emisividad de la superficie y cuyo valor está comprendido
, es una propiedad que nos indica lo que se acerca una
entre
superficie a un cuerpo negro.
Otra propiedad importante de la radiación de una superficie es su
absorbencia , que nos indica la fracción de la energía de la radiación
que absorbe. Al igual que la emisividad, es un valor que está entre
.
Un cuerpo negro es un absorbedor perfecto con lo que
un emisor perfecto como un absorbedor perfecto.
= 1, es tanto
6.6. Medición de la temperatura
El término temperatura hace referencia al nivel de energía calorífica
que posee un cuerpo y que, como toda magnitud física, se puede medir.
Gracias al sentido del tacto podemos apreciar la cantidad de calor que
posee un cuerpo o sustancia. Esta apreciación es totalmente subjetiva,
ya que depende en todo momento de la persona que experimente la
sensación y además es una apreciación que se suele hacer por comparación
y siempre dentro de unos límites, puesto que temperaturas que están
muy por encima o muy por debajo de temperaturas ambientes habituales,
nos producen sensaciones dolorosas de quemazón, como, por ejemplo,
tocar un metal al rojo vivo o tocar un trozo de hielo durante mucho
tiempo. Por lo tanto, vemos cómo el tacto nos conduce a error porque
no es exacto, no tiene un buen rango de sensibilidad y no se pueden
realizar medidas fieles.
Para poder realizar la medida correcta de la temperatura de un cuerpo
o sistema debemos cumplir los siguientes puntos:
•
No producir alteraciones en el sistema cuya temperatura se desea
medir (exactitud).
•
El instrumento que utilicemos para realizar la medición ha de detectar
rápidamente las variaciones de temperatura (sensibilidad).
•
El rango de temperaturas que ha de detectar el instrumento de
medición ha de ser amplio o, por lo menos, el adecuado para los
niveles de temperatura a registrar (sensibilidad).
•
Cualquier instrumento de medida de temperatura debe proporcionar
el mismo valor de temperatura para mediciones realizadas en idénticas
condiciones (fidelidad).
26
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
•
Las variaciones pequeñas de temperatura deben provocar variaciones
apreciables en el aparato de medida (sensibilidad).
Los instrumentos utilizados para realizar mediciones de temperatura se
denominan termómetros y aprovechan la dilatación de algunos cuerpos
por el calor, como en el mercurio o el alcohol (fenómeno que trataremos
en otro punto del temario). También se pueden utilizar las variaciones
de tensión de vapor de algunos fluidos o fenómenos termoeléctricos.
Entre los distintos tipos de termómetros que existen se encuentran los
siguientes:
•
Termómetro de mercurio.
•
Termómetro de alcohol.
•
Termómetros especiales:
-
Termómetro de máximas: termómetro de mercurio con un
estrangulamiento en la base.
-
Termómetros de mínimas: termómetros de alcohol que se
mantienen en posición horizontal.
-
Termómetros de máxima y mínima: se trata de termómetros
mixtos de mercurio y alcohol.
•
Termómetro de bulbo termostático.
•
Termómetro de par termoeléctrico.
•
Termopar.
6.7. Escalas termométricas
Para poder utilizar una base común para realizar mediciones de
temperatura se han ido elaborando cientos de escalas a lo largo del
tiempo, generadas a partir de estados fáciles de reproducir.
Actualmente, la graduación de los termómetros se realiza partiendo de
dos puntos de referencia, A y B, característicos del agua a presión
atmosférica:
•
A: la temperatura de fusión del agua.
•
B: la temperatura de ebullición del agua.
Estos dos puntos son conocidos como los puntos fijos de la escala
termométrica y corresponden a fenómenos que son fácilmente
reproducibles e invariables si se realizan siempre bajo las mismas
condiciones de presión.
Después de determinar los dos puntos fijos A y B se divide la longitud
de la recta que los une en un cierto número de partes iguales y se obtiene
27
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
lo que se denomina escala termométrica.
A continuación, se detallan las cuatro escalas más utilizadas en la actualidad.
Centígrada o Celsius
Esta escala se consigue después de determinar los puntos fijos de la escala
termométrica A y B, dividiendo en cien partes iguales la distancia que
los separa, con lo que la centésima parte de la distancia entre los dos
puntos fijos, representará la unidad de elevación de la escala, denotado
por º C, grado Celsius o grado centígrado.
Fahrenheit
Esta escala termométrica se utiliza en países anglosajones y en Japón.
Sus puntos fijos se determinan reproduciendo las mismas pautas seguidas
en la determinación de la escala Celsius, pero la diferencia con ésta es
que la distancia entre A y B se divide en 180 partes iguales (no en 100),
además el punto cero de la escala fue fijado arbitrariamente por
Fahrenheit, correspondiendo A (0º C en la escala Celsius) a +32º F y por
lo tanto B (100º C en la escala Celsius) a 212 º F.
Teniendo en cuenta todas estas correspondencias se establece el siguiente
cálculo para la conversión de grados Fahrenheit en grados Celsius y
viceversa:
hay que considerar la diferencia existente entre los dos puntos cero de
las escalas (+32), con lo que obtenemos las formulas de conversión
siguientes:
Reamur
Esta escala solo se diferencia con la escala Celsius en que el número de
divisiones que se hace del intervalo AB es 80 y no 100.
Kelvin
La escala Kelvin o termodinámica nace de la necesidad de tener una
28
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
escala que sea independiente de las propiedades de una sustancia en
Sistema Internacional.
En termodinámica se demuestra que –273´15 º C es la temperatura más
baja que puede existir estando el calor totalmente ausente del cuerpo,
es decir, el movimiento de las partículas que lo componen es totalmente
nula. La unidad correspondiente a esta escala se denota por K.
El cero de la escala Kelvin corresponde a -273´15 grados centígrados,
teniendo en cuenta esto y que el grado Kelvin (K) tiene el mismo valor
que el grado Celsius (º C), la conversión entre una escala y otra tiene la
siguiente expresión:
6.8. Fenómenos de dilatación
En el apartado correspondiente a medición de la temperatura se hacía
referencia al fenómeno de dilatación de los cuerpos al elevar su
temperatura, así como a la utilidad de este fenómeno para la construcción
de aparatos de medida de la temperatura.
En este apartado se tratarán con detalle los fenómenos de dilatación de
sólidos y líquidos, estudiando en otro apartado aquellos fenómenos que
acompañan a la dilatación de los gases.
Dilatación de los sólidos
La experiencia nos dice que cualquier sólido aumenta su longitud o
volumen de forma proporcional a la elevación de temperatura que
experimenta.
El alargamiento por unidad de longitud y por grado de elevación de
temperatura viene dado por la siguiente expresión:
donde:
recibe el nombre de dilatación lineal.
es la longitud final del sólido a º C.
es la longitud inicial del sólido.
es la variación de temperatura experimentada en el proceso.
El coeficiente de dilatación lineal indica el valor del alargamiento
experimentado por la unidad de longitud del sólido cuando su
29
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
temperatura se eleva 1º C. La tabla siguiente recoge los coeficientes de
dilatación de algunos materiales:
MATERIAL
Zinc
Aluminio
Cobre
Hierro
Platino
Vidrio ordinario
Pyrex
Cuarzo
2´90 x 10-5
2´24 x 10-5
1´70 x 10-5
1´22 x 10-5
0´9 x 10-5
0´9 x 10-5
0´3 x 10-5
0´07 x 10-5
Por otro lado, hay que saber que el calentamiento de los sólidos
homogéneos provoca un aumento de todas sus dimensiones, es decir, su
volumen aumenta a la vez que su temperatura, definiendo entonces el
coeficiente de dilatación cúbica de un cuerpo como sigue:
Es el aumento de volumen que alcanza la unidad de volumen del cuerpo
sólido cuando su temperatura se eleva un grado Celsius.
Análogamente al coeficiente lineal, también existe el coeficiente de
dilatación cúbica, dado por:
donde:
es el volumen del cuerpo sólido a º C.
es el volumen inicial del cuerpo sólido.
es la variación de temperatura experimentada en el proceso por el
sólido.
El resultado de la experimentación y del planteamiento de cálculos y
deducciones matemáticas lleva a la conclusión de que la relación existente
entre el coeficiente de dilatación lineal de un cuerpo y el coeficiente de
dilatación cúbica es la siguiente:
es decir, el coeficiente de dilatación cúbica es prácticamente igual al
triple del coeficiente de dilatación lineal.
Ejemplo: un ensayo muy típico que se suele realizar para ver el fenómeno
de comprobación de los sólidos es hacer pasar una esfera metálica maciza
30
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
por un aro, comprobando que tiene unas dimensiones inferiores a las
del aro. Después se retira el aro y se calienta la esfera. El paso siguiente
es intentar pasar la esfera por el aro; la esfera habrá aumentado sus
dimensiones al haberse dilatado, comprobando así el fenómeno que
estamos estudiando.
Dilatación de los líquidos
A la hora de experimentar con líquidos hay que tener en cuenta que
siempre será necesario un recipiente para contenerlos y que al aplicarles
calor para comprobar su grado de dilatación, los recipientes que los
contienen también se dilatan, lo que nos lleva a deducir que la elevación
de los niveles que observamos en los líquidos no son las absolutas que
realmente ha experimentado.
Es conveniente, por lo tanto, definir el coeficiente de dilatación absoluta
de un líquido:
Es el aumento de volumen experimentado por la unidad de volumen
del líquido para una elevación de temperatura de un grado Celsius,
según la expresión:
donde, análogamente al coeficiente de dilatación cúbica de un sólido:
es el volumen del líquido a º C.
es el volumen inicial del líquido.
es la temperatura final del líquido.
La tabla siguiente refleja los coeficientes de dilatación absoluta de algunos
líquidos:
LÍQUIDO
Glicerina
Acetona
Benceno
Alcohol etílico
Acido acético
Tolueno
Mercurio
m
4´9 x 10-3
1´4 x 10-3
1´2 x 10-3
1´1 x 10-3
1 x 10-3
1 x 10-3
0´182 x 10-3
31
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Consecuencias y aplicaciones de las fuerzas de dilatación
La principal consecuencia de la dilatación de los sólidos y líquidos es
bastante evidente e intuitiva: su volumen aumenta, aunque su masa
permanece constante.
Otra consecuencia que se aprecia experimentalmente es que debido al
aumento o disminución del volumen de los cuerpos es necesario aplicar
fuerzas que, generalmente, serán grandes, para combatir los efectos
causados en las variaciones de los cuerpos; un ejemplo de esto es la
utilización de juntas de dilatación en la construcción.
Este punto, en el caso de los líquidos, es más crítico porque, por ejemplo,
el aumento del agua al congelarse hace estallar tubería.
A continuación se enumeran algunas aplicaciones de la dilatación de los
sólidos y de los líquidos:
•
Crioensamblaje: consiste en enfriar una pieza para que se contraiga
y poder alojarla dentro de otra, de tal forma que cuando vuelva a su
temperatura normal recupere su volumen habitual y se ensamblen
fuertemente. Una aplicación sería el acople de un eje dentro de un
volante.
•
Termómetros: se basan en la dilatación aparente de un líquido.
•
Corrientes de convección: estas corrientes son de aplicación para
hacer circular el agua en instalaciones de calefacción central o para
enfriar motores. El líquido caliente, menos denso, sube, descendiendo
a la vez el líquido frío, que es más denso. En los casos antes
mencionados, el agua se calienta en los puntos más bajos de la
instalación, circulando por termosifón.
6.9. Cero absoluto y escala termodinámica
Como vimos en un capítulo anterior, se ha determinado que la temperatura
más baja posible corresponde a -273º C ó 0º K. A esta temperatura las
moléculas de un cuerpo carecen de movimiento, es decir, el cuerpo no
posee calor. Esta temperatura se denomina cero absoluto; en referencia
a este concepto, y como hemos visto, corresponde con el punto más bajo
de la escala termométrica del sistema Internacional, la escala Kelvin o
termodinámica.
Otro concepto a tratar es el de la ley cero de la termodinámica, que se
basa en el concepto de equilibrio térmico.
Cuando dos cuerpos a distinta temperatura entran en contacto, se
establece un flujo de calor desde el que contiene más calor hacia el que
contiene menos, como ya hemos estudiado. Este flujo se interrumpe
cuando la cantidad de calor de ambos cuerpos se iguala; en este momento
32
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
se dice que se ha llegado a un estado de equilibrio térmico.
La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran
en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre
sí. Parece algo absurdo, pero si pasamos al terreno práctico se traduce
en que: dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando el tercer cuerpo,
que es un termómetro, registra la misma temperatura en ambos.
6.10. Unidades de calor
En este apartado se proporciona una tabla completa con las unidades y
equivalencias de los conceptos tratados en el punto 6.4
Sistema métrico convencional
Cal
Kcal
1
0.001
1´000
1
0´2389
0.0002389
238´9
0.2389
2.5
0.2520
UNIDADES DE CANTIDAD DE CALOR
Sistema métrico internacional
J
kJ
4.186
0.004186
4186
4.186
1
0.001
1000
1
1055
1.055
Sistema yarda libra
Btu
0.003968
3.968
0.0009480
0.9480
1
6.11. Fórmulas para la conversión de unidades
de temperatura
En este apartado se recogen fórmulas para realizar la conversión de
unidades del apartado anterior:
CONVERSIÓN DE UNIDADES DE CALOR
PASO DE UNIDADES
FÓRMULA DE CONVERSIÓN
Cal=>kcal
kca=0´0001xcal
kcal=>cal
cal=1000xkcal
kcal=>kJ
kJ=4´186xkcal
kJ=>kcal
Kcal=0´2389xkJ
kcal=>Btu
Btu=3´968xkcal
Btu=>kcal
kcal=0´2520xBtu
Btu=>kJ
kJ=1´055xBtu
kJ=>Btu
Btu=0´9480xkJ
J=>kJ
kJ=0´001xJ
kJ=>J
J=1000xkJ
33
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
6.12. Calor específico
Como ya sabemos, es necesario proporcionar calor a un cuerpo o sustancia
para elevar su temperatura.
También somos conscientes, de una forma intuitiva, de que si
suministramos cantidades iguales y constantes de calor a sustancias
distintas, en periodos de tiempo iguales, las temperaturas que alcanzan
las sustancias son diferentes.
Ejemplo: Si durante cinco minutos suministramos el mismo número de
calorías a un litro de agua y a un litro de alcohol etílico y medimos sus
temperaturas, constatamos que estas temperaturas no son iguales.
Por lo tanto es fácil deducir que para masas iguales de sustancias o
cuerpos distintos es necesario suministrar cantidades de calor distintas
si se pretende conseguir la misma temperatura en ambos.
Además esta deducción nos lleva a pensar en la existencia de una magnitud
que marque la cantidad de calor que es necesaria para elevar una unidad
de masa de ese cuerpo de una temperatura a otra.
Esta magnitud se denomina calor específico y se define como sigue:
El calor específico de un cuerpo es la cantidad de calor c que hace falta
suministrar a la unidad de masa de ese cuerpo para elevar su temperatura
un grado Kelvin o un grado centígrado.
El calor específico de un cuerpo o sustancia puede ser hallado despejando
de la fórmula siguiente:
donde:
Q es el calor aportado a la sustancia en J
c es el calor específico del cuerpo o sustancia en J/kgxK ó J/kgxºC
m es la masa del cuerpo o sustancia considerado en kg
y son las temperaturas inicial y final del cuerpo o sustancia en
K o en º C (pero siempre en las mismas unidades ambas).
34
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
A continuación se da una tabla con los calores específicos de algunos
materiales:
CALORES ESPECÍFICOS
CUERPO
c (kJ/kgxK)
Agua
4´185
Alcohol
2´469
Hielo
2´093
Cristal
0´837
Hierro
0´465
Cobre
0´397
Mercurio
0´138
Plomo
0´120
Como dato informativo, cabe destacar, que el agua posee el calor específico
más alto de todos los cuerpos, que como ya hemos dicho, se traduce en
que su calentamiento o enfriamiento se producen más despacio.
Este hecho explica varios fenómenos que nos encontramos a nuestro
alrededor:
Ejemplo: La regulación del clima gracias a los mares y océanos. El agua
necesita absorber o ceder mucho calor para cambiar su temperatura
(calor específico alto), por lo que los mares y océanos juegan un papel
importante en la regulación del clima, absorbiendo el calor que para
nosotros sería excesivo o cediéndonos el que nos es necesario.
Ejemplo: Otra utilidad del agua es como fluido refrigerante en instalaciones
de frío o fluido caloportador en instalaciones de calor. Al ceder o absorber
gran cantidad de calor y sólo experimentar cambios de temperatura
pequeños (con respecto a las demás sustancias) es muy utilizada en las
instalaciones antes nombradas.
Como último apunte, indicaremos que para sólidos y líquidos el calor
específico es independiente de la temperatura, pero en el caso de los
gases varía con estas dos magnitudes y es un factor que se tendrá en
cuenta en los puntos correspondientes de este temario.
6.13. Calor latente
Antes de hacer las definiciones que corresponden a este apartado, es
necesario que se introduzcan brevemente algunos conceptos que se
tratarán con más detalle en puntos sucesivos de este temario.
Se trata de conceptos que hacen referencia a los estados físicos de la
materia en la naturaleza.
La materia se puede encontrar en la naturaleza en tres formas físicas,
que se denominan estados físicos de la materia y que son los siguientes:
35
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
•
Sólido
•
Líquido
•
Gaseoso
Además de encontrar la materia en estos tres estados, es necesario decir
que un cuerpo que está en un estado determinado puede pasar a otro
si se le suministra la energía o calor necesario para que se produzca dicho
cambio. Los cambios de estado que se pueden producir son los siguientes:
•
Fusión: paso de estado sólido a líquido.
•
Evaporación: paso de estado líquido a gas.
•
Condensación: paso de estados gas a líquido.
•
Solidificación: paso de estado líquido a sólido.
•
Sublimación: paso de estado sólido a estado gas.
Con este breve adelanto de conceptos ya se pueden definir los distintos
puntos a tratar en este apartado.
Se denomina calor latente a la cantidad de calor que hay que suministrar
o extraer a la unidad de masa de un cuerpo para provocar en él un
cambio de estado, sin que esto provoque un cambio de temperatura.
Como ya se apunta, este aporte de calor produce un cambio de estado
pero no de temperatura. Este tipo de proceso se denomina endotérmico.
Así pues, definimos distintos tipos de calor latente correspondientes a
distintos cambios de estado:
•
Calor latente de solidificación: Es la cantidad de calor que es necesario
extraer de un cuerpo líquido para que pase a estado sólido sin que
varíe la temperatura de dicho cuerpo.
•
Calor latente de fusión: Es la cantidad de calor que es necesario
suministrar a un cuerpo sólido para que pase a estado líquido sin
que varíe la temperatura de dicho cuerpo.
•
Calor latente de evaporación: Es la cantidad de calor que es necesario
suministrar a un cuerpo líquido para que pase a estado gas sin que
varíe la temperatura de dicho cuerpo.
36
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
•
Calor latente de condensación o licuefacción: Es la cantidad de calor
que es necesario extraer de un cuerpo en estado gaseoso para que
pase a estado sólido sin que varíe la temperatura de dicho cuerpo.
Para tener un orden de magnitud, a continuación se proporciona una
tabla con el calor latente de fusión de algunas materias:
CALOR LATENTE DE FUSIÓN
SUSTANCIA
kJ/kg
Hielo
335
Aluminio
335
Anhídrido
184
carbónico
Cobre
180
Glicerina
176
Plomo
23
Mercurio
12
Para concluir, diremos que en procesos frigoríficos son útiles los fluidos
con un elevado calor latente, que se traduce en una elevada capacidad
de absorción de calor para obtener su evaporación a la temperatura que
deseamos.
6.14. Calor Sensible
Si en el apartado anterior hacíamos referencia a una cantidad de calor
que no producía variación de temperatura pero sí variación en el estado
de cuerpo que lo absorbiera o cediera, en este caso se hará referencia
al concepto contrario, es decir, a aquel calor que hace variar la temperatura
de un cuerpo sin que varíe su estado físico.
Se define así el calor sensible:
Cantidad de calor que extraída o aportada a un cuerpo es capaz de hacer
que su temperatura disminuya o aumente respectivamente, sin que se
produzca ningún cambio de fase en el cuerpo.
Este cambio de temperatura es función de la cantidad de calor
intercambiado y de una característica física del cuerpo en cuestión: el
calor específico.
37
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
6.15. Definición de sustancia pura
En este apartado se va a definir el concepto de sustancia pura, que servirá
como base para el estudio de los estados físicos de la materia o fases de
la materia, conceptos que se trataron brevemente en uno de los apartados
anteriores.
Una sustancia pura es aquella que se caracteriza porque tiene una
composición física fija.
Ejemplo: Algunas sustancias puras son el agua, el nitrógeno, el helio o
el dióxido de carbono.
Tal y como dan a entender los ejemplos, una sustancia pura no es aquella
que está compuesta de un único elemento, como el nitrógeno o el helio,
sino que también puede ser un compuesto de varios elementos, como
el agua o el dióxido de carbono.
Una sustancia pura puede ser incluso una mezcla de diferentes elementos
o compuestos químicos, siempre que cumpla que es una mezcla
homogénea. Dos casos claros de mezcla homogénea y de mezcla
heterogénea son el aire y una mezcla de agua y aceite respectivamente.
El aire es una mezcla de gases que se suele considerar como una sustancia
pura ya que tiene una composición química uniforme.
Para el caso del agua y el aceite, como el aceite no es soluble en agua,
se mantendrá sobre la superficie de ésta, formando dos regiones
químicamente distintas y heterogéneas, por lo que nunca podremos
hablar de una sustancia pura.
Como ya se adelantó en un apartado anterior, a la materia la podemos
encontrar dentro de la naturaleza en distintos estados físicos o fases.
Una mezcla de dos o varias fases de una misma sustancia pura se considera
también como una sustancia pura si sus distintas fases siguen manteniendo
la misma composición química.
Ejemplo: El caso de la coexistencia de hielo con agua líquida es un
ejemplo de una mezcla de dos estados físicos de la misma sustancia y con
la misma composición química las dos, por lo que se trata de una sustancia
pura.
Con estas definiciones previas ya podemos tratar con más detalle los
siguientes apartados.
6.16. Estados físicos de una sustancia pura
Por experiencia sabemos que la materia puede existir en la naturaleza
(es decir, a la temperatura y presión de la superficie terrestre) en tres
formas físicas distintas, que se denominan estados físicos de la materia
o fases de una sustancia.
38
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Estas tres formas físicas son las siguientes:
•
Sólido
•
Líquido
•
Gas
Y los parámetros que las caracterizan son los siguientes:
Sólido:
Intuitivamente sabemos que un sólido es cualquier sustancia física que
conserva su forma incluso cuando no se encuentra en un envase.
Esta característica se debe a que moléculas en un sólido se encuentran
a muy poca distancia entre sí; además, las fuerzas de atracción entre ellas
son grandes y las mantienen en posiciones fijas. Las fuerzas de atracción
generan, a la vez, fuerzas de repulsión, que ayudan a mantener las
distancias entre las moléculas evitando que se apilen unas sobre otras.
Líquido:
Una sustancia líquida se caracteriza porque adopta libremente la forma
de su envase.
En este caso, el espacio intermolecular es parecido al del estado sólido,
con la diferencia de que ya no mantienen posiciones fijas entre sí, sino
que los grupos de moléculas flotan unos en torno de otros.
Gas:
Un gas es una sustancia que debe ser encerrada en un recipiente sellado
para evitar que se escape a la atmósfera.
Las moléculas de una sustancia gaseosa están bastante apartadas unas de
otras y, a diferencia de los sólidos y líquidos, no guardan ningún orden.
Las moléculas que componen la sustancia, se mueven al azar y chocan
entre sí y con las paredes del envase que las contiene.
Además de estas tres fases principales una sustancia puede tener más
fases dentro de una de estas fases principales, como puede ser el caso
del carbón, que en su fase sólida puede existir como grafito o como
diamante.
Es el caso de las sustancias en general, aunque en este tema sólo tratamos
los tres estados físicos principales de la materia, así como en los siguientes
puntos el cambio de un estado a otro.
39
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
6.17. Cambios de estado físicos
Aunque lo normal sea que a presión y temperaturas normales en la
superficie terrestre, es decir, en condiciones normales, una sustancia, se
encuentre en un estado físico según sus características, esta misma
sustancia puede estar presente en la naturaleza en más de un estados
físico, como puede ser el caso del agua, que podemos encontrarla en
estado sólido (en las zonas frías terrestres o en estaciones con mala
climatología), líquido (en los mares, océanos, etc., en zonas donde las
temperaturas no sean demasiado bajas)o gaseoso (en general, en la
atmósfera).
El estado físico de un cuerpo o sustancia se puede cambiar mediante la
aportación o sustracción de calor.
Como llevamos estudiando desde el principio del temario, el calor está
relacionado con el movimiento de las moléculas; además, el punto
anterior relacionaba estado físico con la ordenación de las moléculas.
Lo que ocurre es lo siguiente: un cuerpo o sustancia tiene unas moléculas
que se ordenan de una forma o de otra en función de la velocidad o
cantidad de energía (calor) que posean. Esta ordenación será la que
determine el estado físico de ese cuerpo o sustancia.
Si en algún momento aportamos o sustraemos calor del cuerpo en
cuestión, la velocidad o energía de sus moléculas, así como su ordenación,
cambiarán. Si continuamos con la adición o sustracción de calor llegará
un momento que las variaciones en la velocidad y en la ordenación de
sus moléculas habrán cambiado tanto que se producirá un cambio de
estado físico en el cuerpo, también denominado cambio de fase.
Los cambios de una fase a otra de la materia se denominan como se
indica en el siguiente diagrama de flujo:
FUSIÓN
SÓLIDO
EVAPORACIÓN
LÍQUIDO
SOLIDIFICACIÓN
GAS
CONDENSACIÓN
SUBLIMACIÓN
En el diagrama se distinguen dos sentidos distintos en el flujo. Todos los
cambios fase que supongan cambiar de un estado que está a la izquierda
a un estado que está a la derecha, suponen una aportación de calor. Por
el contrario, todos los cambios de fase que supongan cambiar de un
estado que esté a la derecha a otro que se encuentre a su izquierda,
supone una cesión de calor por parte de la sustancia.
40
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Analicemos primero aquellos cambios de fase que supongan una cesión
de calor por parte del cuerpo (enfriamiento):
Condensación
Antes de proceder a la determinación del concepto, hay que introducir
algunos conceptos previos que nos ayudarán a comprender mejor este
cambio de fase.
El paso de una sustancia líquida a gaseosa sigue el siguiente proceso:
cuando aportamos calor a la sustancia en cuestión, hacemos que aumente
su temperatura hasta el momento que comienza la ebullición. Aquí, el
aumento de temperatura se detendrá, invirtiendo todo el calor que se
le siga suministrando únicamente en realizar el cambio de fase, pasando
progresivamente de líquido a gas. Durante este proceso progresivo,
tendremos una mezcla de líquido-vapor en distintas proporciones. Esta
mezcla recibe el nombre de mezcla saturada líquido-vapor y el vapor
existente en la mezcla, vapor saturado.
El proceso continua hasta el instante en que la última gota de líquido
pasa a estado gas. En este momento cualquier extracción de calor haría
que el vapor volviera a generar gotas de líquido.
Si se pasa este punto y se continúa calentando el vapor generado,
observaremos cómo comienza a incrementar la temperatura de nuevo,
así habremos conseguido vapor seco.
Por lo tanto distinguiremos dos tipos de vapor:
•
Vapor seco: es aquel que se encuentra en condiciones diferentes al
cambio de fase, es decir, es aquel que no está a punto de generar
líquido y que conocemos como gas.
•
Vapor saturado: es aquel que se encuentra en equilibrio con el líquido
que lo produce. La naturaleza de cada sustancia determina su presión
41
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
o tensión de saturación, que es la presión a la que empieza a hervir
a una temperatura dada. De la misma forma se define la temperatura
de saturación, que será aquella en que una sustancia comienza a
hervir dada una presión.
Si todo el proceso detallado se invierte, se produce lo que llamamos
condensación, que se define como el paso de una sustancia que está en
estado gas a estado sólido.
Este cambio de estado se puede producir por dos razones:
•
Por enfriamiento, es decir, por extracción de calor, hasta la temperatura
correspondiente a la tensión o presión de vapor saturado del líquido
considerado.
•
Por compresión a una tensión igual a la tensión o presión de vapor
saturado del fluido a la temperatura considerada.
Solidificación
Este cambio de fase sigue un patrón similar al descrito anteriormente
en el proceso de calentamiento de una sustancia pura, en realidad se
trata del mismo proceso pero a la inversa y partiendo de una sustancia
en estado líquido, más concretamente, de una sustancia cuya temperatura
se encuentra por debajo de la temperatura de saturación, denominado
líquido subenfriado.
En la primera parte del cambio de fase se produce un enfriamiento lento,
progresivo y continuo de la sustancia en estado líquido.
Haciendo mención a otros puntos, aquí solo se cede calor sensible, lo
que supone que la sustancia ve disminuida su temperatura sin que se
produzca cambio de fase hasta que se alcanza una temperatura a la que
se empiezan a formar cristales.
Aquí empieza la siguiente parte del proceso, sólo se cede calor latente,
42
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
lo que supone que no hay variación de temperatura pero se van formando
más cristales y, en definitiva, un sólido.
La última parte del proceso comienza cuando la última gota de líquido
pasa a estado sólido, entonces se produce un descenso de temperatura
regular y progresiva del cuerpo sólido que se ha formado.
Se define así el calor latente de solidificación de una sustancia pura: es
el calor que es necesario extraer de la unidad de masa conducida a su
temperatura de solidificación para hacerla pasar del estado líquido al
estado sólido.
A continuación se enumeran varias conclusiones y condiciones a tener
en cuenta en el proceso de solidificación de las sustancias puras:
•
La temperatura de solidificación de una sustancia pura es una
constante física y es función de la naturaleza del cuerpo y de su
presión.
•
El fenómeno de solidificación de cuerpos simples diferentes son
similares, con la salvedad que de un cuerpo a otro varían las
temperaturas de fusión.
•
La solidificación conlleva una disminución de volumen, siendo
excepciones el agua, la plata y algunos otros cuerpos.
Bajo una misma presión:
•
Una sustancia pura líquida empieza siempre a solidificarse a la misma
temperatura.
•
La temperatura de solidificación de una sustancia pura permanece
fija durante toda la duración del fenómeno.
Ejemplo: el que se produce cuando encendemos una vela.
43
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
La cera al calentarse se vuelve líquida, pero al alejarse de la llama comienza
a ceder su calor empezando así el proceso de enfriamiento y vuelve al
estado sólido, se solidifica, cuando se ha alcanzado el punto de
solidificación.
Fusión
Este cambio de estado corresponde al paso de una sustancia pura de
sólido a líquido, es decir, se trata del proceso inverso al estudiado en la
solidificación.
Se comienza el ciclo con un aporte de calor que provoca el aumento de
temperatura del cuerpo sólido.
Después comienzan a aparecer gotas del líquido que se empieza a formar;
en este momento empieza la fusión franca. Durante este intervalo no se
produce aumento de temperatura, tan sólo se aprovecha el aporte de
calor en el cambio de estado o fase.
La última parte del proceso comienza cuando la última partícula de
cuerpo sólido se ha fundido y ha pasado de estado sólido a líquido.
La temperatura en la que la sustancia comienza el cambio de estado se
denomina temperatura o punto de fusión
De la misma forma que se define el calor latente de solidificación se
define el calor latente de fusión: es la cantidad de calor que es necesario
aportar a la unidad de masa de ese cuerpo, previamente conducido a su
temperatura de fusión, para hacerlo pasar del estado sólido al estado
líquido sin que se produzca cambio de temperatura.
Como conclusiones y condiciones hay que tener en cuenta las siguientes:
•
Como se observa en las gráficas de este apartado y en la del anterior
hay un intervalo de tiempo, que corresponde al cambio de fase, del
44
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
paso de sólido a líquido o viceversa, y que para una misma sustancia
pura coincide.
Se trata del punto de fusión y del punto de solidificación, que para
una sustancia pura se tratará del mismo valor, ya que la única diferencia
que hay es que el calor que interviene en el proceso, es “suministrado”
o “extraído” de la sustancia, pero se trata siempre de la misma cantidad
de calor.
•
La temperatura de fusión de una sustancia pura, al igual que la de
solidificación, es una constante física y es función de la naturaleza
del cuerpo y de su presión.
•
Si variamos la presión soportada por un cuerpo también variamos su
temperatura de fusión, pero para que se produzcan cambios apreciables
en dicha temperatura es necesario producir cambios importantes en
la presión bajo la que se producen los cambios de estado.
Bajo una misma presión:
•
Una sustancia pura líquida empieza siempre a fundirse a la misma
temperatura.
•
La temperatura de fusión de una sustancia pura, así como la de
solidificación, permanece fija durante toda la duración del fenómeno.
Con límites de presión débiles, la temperatura de fusión de un cuerpo
simple es invariable y se denomina punto de fusión. En la siguiente
gráfica se indica el punto de fusión de algunos cuerpos simples:
PUNTO DE FUSIÓN
SUSTANCIA
Tungsteno
Cobre
Aluminio
Plomo
Azufre
Fósforo
Agua (por definición)
Mercurio
Alcohol etílico
Oxígeno
Nitrógeno
Hidrógeno
ºC
3410
1083
658
327
113
44
0
-39
-117
-200
-210
-259
Ejemplo: El ejemplo de la vela mostrado en el apartado anterior contempla
el proceso de fusión de la cera que la compone. Cuando se enciende la
llama de la vela la cera más cercana a la llama se calienta, es decir, absorbe
calor y pasa de estado sólido a líquido.
45
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
En ocasiones se da un fenómeno que debemos tener en cuenta y que no
sigue el patrón descrito en una fusión normal, es el fenómeno de la
sobrefusión.
Este fenómeno es consecuencia de un estado de equilibrio inestable y
consiste en llevar un líquido puro a estado líquido pero por debajo de
su temperatura de solidificación, además no existirá solidificación hasta
que no se vuelva a alcanzar la temperatura de fusión.
Se trata de un estado de equilibrio inestable y cualquier pequeña alteración,
como por ejemplo la adición de una pequeña porción de sólido o un
ligero golpe al recipiente que lo contiene, producirá que este estado
cese bruscamente y la temperatura vuelva nuevamente a la temperatura
de solidificación. Este cambio de estado hará que la temperatura del
sólido disminuya progresivamente como si el fenómeno no hubiese
existido.
Ejemplo: La formación de escarcha es el resultado de este fenómeno,
que es debido al enfriamiento lento del agua, en ciertas nieblas que
cuando llegan a tocar el suelo producen la solidificación inmediata de
agua helada.
Como regla general se indica en el apartado anterior que los cuerpos
aumentan de volumen al fundirse, manteniéndose constante la masa del
cuerpo, por lo que, como consecuencia, se produce una disminución de
la masa volumétrica. Es un hecho que se comprueba con facilidad cuando
tenemos un sólido en un recipiente y empieza a solidificarse, siempre la
parte sólida se queda en el fondo del recipiente.
Son excepciones de esta regla la plata, el bismuto y el agua.
Ejemplo: El agua que circula por las tuberías de abastecimiento, si en
invierno se congela hace que dichas tuberías estallen debido al aumento
de volumen que supone el cambio de estado.
El agua que se filtra por las porosidades de las rocas hace que se agrieten
cuando ésta se congela en su interior.
La masa volumétrica del agua líquida es mayor que su masa volumétrica
en estado sólido, lo que justifica que cuando se producen masas de hielo
en lagos, por ejemplo, dichas masas se queden en la superficie y la parte
líquida ocupe los niveles más bajos.
Evaporación
La evaporación es el cambio de estado físico de un cuerpo o sustancia
que consiste en el paso de estado líquido a gaseoso. Para el estudio de
este cambio de estado físico, recordemos simplemente el proceso descrito
en el apartado correspondiente a la condensación cuando se estudiaban
algunos conceptos previos.
46
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
El paso de una sustancia líquida a gaseosa sigue el siguiente proceso:
Cuando aportamos calor a la sustancia en cuestión, hacemos que aumente
su temperatura hasta el momento que comienza la ebullición, entonces,
el aumento de temperatura se detiene, invirtiendo todo el calor que se
le siga suministrando únicamente en realizar el cambio de fase, pasando
progresivamente de líquido a gas. Durante este proceso progresivo,
tendremos una mezcla de líquido-vapor en distintas proporciones. Esta
mezcla recibe el nombre de mezcla saturada líquido-vapor y el vapor
existente en la mezcla, vapor saturado.
El proceso continua hasta el instante en que la última gota de líquido
pasa a estado gas. En este momento cualquier extracción de calor haría
que el vapor volviera a generar gotas de líquido.
Si se pasa este punto y se continúa calentando el vapor generado,
observaremos cómo comienza a incrementar la temperatura de nuevo,
así habremos conseguido vapor seco.
Por lo tanto distinguiremos dos tipos de vapor:
•
Vapor seco: es aquel que se encuentra en condiciones diferentes al
cambio de fase, es decir, es aquel que no está a punto de generar
líquido y que conocemos como gas.
•
Vapor saturado: es aquel que se encuentra en equilibrio con el líquido
que lo produce. La naturaleza de cada sustancia determina su presión
o tensión de saturación, que es la presión a la que empieza a hervir
a una temperatura dada. De la misma forma se define la temperatura
de saturación, que será aquella en que una sustancia comienza a
hervir, dada una presión.
La presión máxima de saturación del vapor saturante de un cuerpo
simple aumenta con la temperatura. En el caso del agua se utiliza la
47
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
fórmula empírica de Duperray para valorar esta variación:
La evaporación de un líquido se detiene cuando la presión del vapor
alcanza el valor máximo de la tensión del vapor saturante a la temperatura
que se esté considerando. En el caso de que se evapore todo el líquido
antes de alcanzar el valor de presión máxima, la evaporación del líquido
es total y el vapor resultante es vapor seco.
El proceso de evaporación comienza de forma progresiva hasta que se
alcanza la temperatura de saturación, es decir, el momento en que el
calor que se sigue aportando no provoca cambios en la temperatura,
sino que se emplea en el cambio de fase. En este momento se produce
un fenómeno en el seno del líquido que consiste en la formación de
grandes burbujas de vapor que llegan a la superficie líquido haciendo
que se agite tumultuosamente y se aumenta considerablemente la
velocidad de evaporación.
Este fenómeno se denomina ebullición y la temperatura fija en que se
produce (a una presión dada), se denomina temperatura de ebullición.
Un líquido siempre entra en ebullición a la temperatura bajo la cual su
presión de vapor saturante es igual a la presión soportada por dicho
líquido.
Las condiciones exteriores a la sustancia que se evapora influyen en el
proceso de la siguiente forma:
•
En el vacío la evaporación de una sustancia es instantánea.
•
Dentro de un gas soluble en la sustancia líquida la evaporación es
progresiva.
•
Dentro de un gas no soluble en la sustancia líquida la presión del
vapor saturante es la misma que en el vacío.
•
El proceso de evaporación se localiza en la superficie del líquido que
se evapora y hacen que la velocidad de proceso aumente cuando:
aumenta la superficie de contacto del líquido con el aire, aumenta
la velocidad de circulación del aire que está en contacto con la
superficie del líquido y aumenta la temperatura del líquido o disminuye
la presión su entorno.
El calor latente de evaporación se define como la cantidad de calor
necesaria para hacer que la unidad de masa de una sustancia pase de
estado líquido a gaseoso sin que su temperatura varíe.
48
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
En la siguiente tabla se indican el calor latente lV de algunas sustancias
a su temperatura de evaporación TV bajo presión atmosférica:
CALOR LATENTE
SUSTANCIA
TV (ºC)
Refrigerante 12
-30
Refrigerante 22
-40
Éter
+35
Benceno
+80
Cloruro de metilo
-23
Alcohol
+78
Amoníaco
-33
Agua
+100
lV (kJ/kg)
167
234
376´5
876´5
431
904
1427
2247´5
Sublimación
La sublimación es el cambio de estado físico que corresponde al paso de
un cuerpo sólido a gas sin pasar por el estado líquido.
Solo algunas sustancias pueden realizar este cambio que se produce a
presión constante y a una temperatura determinada.
Ejemplo: La naftalina o el alcanfor en estado sólido, al dejarlos al aire
libre lentamente se evaporan, pasando de estado sólido directamente a
gas.
Es el caso también de otras sustancias como la nieve carbónica, el yodo
y el arsénico.
Los olores característicos de muchas sustancias sólidas, como el yodo, el
naftaleno, el yodoformo y los perfumes sólidos, son debidos a que estas
sustancias tienen una presión de vapor apreciable a temperatura ambiente.
La sublimación se debe a que algunas de las moléculas de un sólido
pueden vibrar muy rápidamente, vencer las fuerzas que las unen entre
sí y escapar como moléculas gaseosas al espacio libre, dando como
resultado la sublimación del sólido. También se puede dar el proceso
inverso, al chocar las moléculas gaseosas contra la superficie del sólido,
pueden quedar retenidas y producirse la condensación del vapor. El
equilibrio que tiene lugar cuando la velocidad de sublimación y la de
condensación son iguales se caracteriza por una presión de vapor que
depende de la naturaleza del sólido y de la temperatura.
El proceso de sublimación va acompañado necesariamente de una
absorción de energía térmica, es decir, es necesario que el sólido en
cuestión absorba calor para que se dé el cambio de fase. La cantidad de
energía térmica que se necesita para sublimar a temperatura constante
la unidad de masa de una sustancia en estado sólido se denomina energía
o calor latente de sublimación.
49
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
El calor latente de sublimación de una sustancia es igual a la suma del
calor latente de fusión más el calor latente de vaporización
Existe una ecuación muy útil para determinar los calores latentes de un
cambio de estado que se denomina relación de Clapeyron y que en los
casos de sublimación ls y fusión lf se expresa de la siguiente forma:
donde:
l es el calor latente
T es la temperatura de transformación en K
v es la diferencia del volumen específico después y antes de la
transformación vf - vi en m3/kg
p se refiere a la diferencia de presión antes y después de la transformación
en Pa
También se puede contar con otra expresión denominada relación de
Clausius Clapeyron, para la determinación del calor latente de una
sustancia cuando existe la presencia de una fase de vapor, es decir, para
cambios de sublimación y para evaporación, pero es mucho más compleja,
ya que requiere conocimientos matemáticos en cuanto a ecuaciones
diferenciales:
Evaporación
Sublimación
donde:
es el volumen específico del gas
es el volumen específico del líquido
es el volumen específico del sólido
Si el valor del volumen específico del gas es muy grande con respecto a
los valores de los volúmenes específicos del líquido y del sólido la relación
queda como sigue:
50
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
6.18 Saturación
La saturación hace referencia a una parte de los procesos de evaporación
o condensación tal y como se ha estudiado en apartados anteriores.
En concreto hay tres conceptos a observar: líquido saturado, vapor
saturado y mezcla saturada líquido-vapor.
•
Líquido saturado: esta condición se da cuando una sustancia ha
absorbido calor hasta el límite que marca el punto t1 de la gráfica.
Cuando la mezcla alcanza este punto se dice que se tiene líquido
saturado y cualquier adición de calor provoca la evaporación de una
parte del mismo.
•
Vapor saturado: cuando la temperatura de una sustancia gaseosa baja,
debido a una cesión o extracción de calor, hasta un punto en el que
cualquier pérdida de calor supondría la condensación de una parte
del vapor, se dice que se ha llegado a la condición de vapor saturado.
Esta condición coincide con el punto t2 de la gráfica.
Como se refleja en la gráfica la temperatura del líquido saturado y
la del vapor saturado de una sustancia son las mismas dada una
presión.
•
Mezcla saturada líquido-vapor: esta condición se da en una sustancia
cuando se encuentra entre los puntos t1 y t2, es decir, cuando el
líquido y el vapor coexisten en equilibrio. Durante esta parte del
cambio de fase la temperatura permanece constante ya que toda la
aportación o substracción de calor se emplea en realizar el cambio
de fase, ya sea de sólido a líquido o viceversa.
El diagrama de presión-temperatura muestra la forma de la curva de
saturación de una sustancia.
51
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Se distinguen tres partes: zona de líquido, zona vapor, y curva líquido
vapor.
Conociendo la curva de una sustancia y la correspondencia entre una
presión y temperatura dada o viceversa, se puede saber si dichas sustancia
se encuentra en estado líquido, vapor o si se trata de una mezcla líquidovapor.
52
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Otros datos que se pueden hallar a partir de la curva son la temperatura
de saturación correspondiente a una presión y la presión de saturación
para una temperatura.
Recalentamiento
La cantidad de recalentamiento S.H. se determina aplicando la ecuación
siguiente:
donde:
es la temperatura del vapor recalentado
corresponde a la temperatura de saturación correspondiente a la
presión
Subenfriamiento
La cantidad de subenfriamiento S.C. se determina aplicando la ecuación
siguiente:
53
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
donde:
es la temperatura de saturación correspondiente a la presión
es la temperatura del líquido subenfriado
6.19 Diagramas de propiedades para procesos
de cambios de fase
Los diagramas de propiedades para procesos de cambios de fase
representan en forma gráfica las propiedades termodinámicas de sustancias
reales.
Los diagramas más comunes que se emplean son:
•
Diagrama T-V temperatura-volumen.
•
Diagrama P-V presión-volumen (diagrama de Clapeyron).
•
Diagrama P-T presión-temperatura.
Si, para un diagrama dado, se escogen las variables principales en forma
adecuada, es posible deducir todas las variables termodinámicas de
importancia a partir de las propiedades que aparecen en el diagrama.
En los próximos párrafos presentaremos en cierto detalle cada uno de
estos diagramas para una mejor comprensión de los ciclos y las máquinas
frigoríficas.
Diagrama T-v
Como se ha ido estudiando en puntos anteriores, el cambio de fase de
una sustancia a una presión dada, queda representada en un diagrama
T-v (temperatura-presión) como sigue:
Primero se produce un aumento en la temperatura de la sustancia líquida
hasta llegar al punto de saturación, donde el proceso continúa pero a
temperatura constante y cuando la última gota de líquido desaparece,
54
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
llegando a línea de gas saturado, la temperatura de la sustancia en estado
de gas sobrecalentado vuelve a elevarse.
La figura que podemos observar corresponde al proceso para una misma
sustancia y para distintas presiones.
Observando la figura vemos cómo al aumentar la presión, la línea
horizontal de saturación va acortándose, convirtiéndose en un punto
cuando alcance un valor determinado que depende de cada sustancia.
Este punto se denomina punto crítico y se define como el punto al cual
las propiedades de la fase líquida y gaseosa se hacen tan similares como
para ser indistinguibles.
La temperatura, la presión y el volumen de una sustancia en el punto
crítico se denominan, temperatura crítica TCR, presión crítica PCR y
volumen crítico VCR.
A presiones por encima de la crítica no hay procesos de cambio de fase,
es decir no se produce ebullición, aumentando el volumen específico
con continuidad, existiendo en todo momento una sola fase que al final
se asemejará al vapor pero no se podrá determinar cuando se produjo
el cambio.
Por encima del estado crítico no hay líneas que separen las regiones de
líquido comprimido y de vapor sobrecalentado, pero comúnmente se
suele denominar a la sustancia como líquido comprimido a temperaturas
por debajo de la temperatura crítica y vapor sobrecalentado por encima
de dicha temperatura.
Si unimos los puntos de líquido saturado obtenemos la línea de líquido
saturado y de la misma forma uniendo los puntos de vapor saturado
obtenemos la línea de vapor saturado, uniéndose ambas en el punto
crítico como muestra la figura.
Los estados de líquido comprimido se localizan a la izquierda de la línea
de líquido saturado y se denomina región de líquido comprimido. Todos
los estados de vapor sobrecalentado se encuentran a la derecha de la
55
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
línea de vapor saturado que se conoce como región de vapor
sobrecalentado. En ambas regiones la sustancia existe en una sola fase,
líquido o vapor.
Los estados donde coexisten ambas fases, líquido y vapor en equilibrio
se localizan en la región que queda entre las líneas de líquido y vapor
saturado, denominándose región de mezcla saturada de líquido-vapor
o región húmeda.
Diagrama P-v
El diagrama P-v (presión-volumen) no difiere mucho del diagrama T-v
visto con anterioridad, salvo que las líneas de temperatura constante o
isotermas representadas en este diagrama tienen una tendencia
descendente:
Al igual que en los diagramas T-v, si se unen los puntos de líquido saturado
de las distintas isotermas y los de vapor saturado, se obtienen las líneas
de líquido saturado y vapor saturado que se unen en el punto crítico.
También se distinguen las mismas regiones que en diagrama anterior
que además se sitúan en las mismas zonas.
56
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
El diagrama P-v se puede ampliar para incluir en él la fase sólida así
como las regiones de sólido-líquido y sólido-vapor:
El diagrama P-v de la izquierda corresponde a una sustancia que se
contrae al congelarse y el de la derecha a una sustancia que se expande
al congelarse.
Los diagramas ampliados T-v son similares a los diagramas P-v, sobre todo
para sustancias que se contraen al congelarse.
Como ya se ha visto, dos fases de una misma sustancia pueden coexistir
en equilibrio. De la misma forma también pueden coexistir en equilibrio
las tres fases de una sustancia.
En los diagramas T-v y P-v este equilibrio de tres fases forma una línea
que se denomina línea triple.
Los estados contenidos en la línea triple tienen la misma presión y
temperatura y sólo difieren en sus volúmenes específicos.
Diagrama P-T
En la siguiente imagen se muestra el diagrama P-T de una sustancia pura
o diagrama de fase ya que las tres fases se separan entre sí mediante tres
líneas:
57
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
En estos diagramas la línea triple se convierte en un punto que se
denomina punto triple.
Las líneas que separan las tres fases convergen en el punto triple donde
las tres fases coexisten en equilibrio.
La línea de vaporización acaba en el punto crítico ya que no se pueden
distinguir las fases líquida y de vapor por encima del punto crítico.
Las sustancias que se expanden y se contraen al congelarse difieren sólo
en la línea de fusión en estos diagramas.
A continuación se expone una tabla con las temperaturas y presiones
del punto triple de distintas sustancias:
SUSTANCIA
Acetileno
Amoniaco
Argón
Carbón (grafito)
Dióxido de carbono
Monóxido de carbono
Deuterio
Etano
Etileno
Helio 4 (punto )
Hidrógeno
Cloruro de hidrógeno
Mercurio
Metano
Neón
Óxido nítrico
Nitrógeno
Oxido nitroso
Oxígeno
Paladio
Platino
Dióxido de sulfuro
Titáneo
Hexafloruro de uranio
Agua
Xenón
Zinc
PUNTO TRIPLE
TTP (K)
192.4
195.4
83.81
3900
216.55
68.10
18.63
89.89
104.0
2.19
13.84
158.96
234.2
90.68
24.57
109.5
63.18
182.34
54.36
1825
2045
197.69
1941
337.17
273.16
161.3
692.65
58
PTP (KPa)
120
6.076
68.9
10.100
517
15.37
17.1
8x10-4
0.12
5.1
7.04
13.9
16.5x10-7
11.7
43.2
21.92
12.6
87.85
0.152
3.5x10-3
2.0x10-4
1.67
5.3x10-3
151.7
0.61
81.5
0.065
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Los tres diagramas expuestos en los apartados anteriores proceden de
la proyección de una superficie cuyos ejes de coordenadas son la presión,
el volumen y la temperatura:
59
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
7. COMPORTAMIENTO DE LOS GASES
7.1. Introducción
En este apartado veremos características, leyes, y conceptos que nos sirvan
para tener un conocimiento básico acerca de los gases.
Como ya se ha estudiado, en la naturaleza existe 3 estados fundamentales
de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Algunas de sus características
principales las nombramos a continuación.
•
A diferencia de los sólidos, los líquidos y gases se caracterizan por no
tener una forma definida y adoptar la del recipiente que los contiene.
•
Un gas está constituido por partículas que se mueven rápida y
aleatoriamente ya que las distancias entre éstas es mucho mayor que
el espacio que ocupan.
•
A cambios de temperatura y presión el efecto que se obtiene en los
gases es mucho mayor si los comparamos con los que sufren las
sustancias en estado líquido y sólido.
Es decir, mientras que la temperatura es el factor de mayor importancia
en los cuerpos sólidos y líquidos, relativo a los cambios de volumen, en
los gases, que es nuestro objeto de estudio, tendremos en cuenta además
de la temperatura, la presión ya que ambos factores influyen
considerablemente en su volumen.
7.2. Características de los gases
Como hemos visto, para una determinada masa en estado gaseoso las
tres magnitudes temperatura, presión y volumen están estrechamente
ligadas definiendo así el estado de dicha sustancia. Nosotros con tal de
obtener el valor de una de estas variables sobre otra necesitaremos que
la tercera quede constante, por lo que el estudio de las propiedades de
los gases lo separaremos en tres partes:
•
Ley de Mariotte:
A temperatura constante: relación entre presión y volumen.
•
Ley de Gay-Lussac:
A presión constante: relación entre volumen y temperatura y la
llamaremos.
•
Ley de Charles:
A volumen constante: relación entre presión y temperatura.
60
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Si bien es cierto que las leyes de Mariotte, Gay-Lussac y Charles nos
resultan atractivas por su sencillez, tendremos que tener en cuenta, no
obstante, que se trata de leyes aproximadas.
Ley de Mariotte
Como hemos visto, si mantenemos constante la temperatura de una masa
gaseosa el producto de los valores de la presión y el volumen que ocupa
es una constante.
Si
, siendo
la temperatura:
Si mantuviéramos la temperatura constante tras haber ejercido una
presión, el volumen variaría de tal manera que el producto entre ambos
permanecería constante y viceversa.
Veamos ahora una consecuencia aplicada a la variación de la masa
volumétrica.
Si llamamos m a la masa de cierto gas cuya temperatura se mantiene
constante, con una presión P1 y volumen v1, definiremos la masa
volumétrica del gas como:
(1)
Si aplicamos una presión P2, el volumen tomará el valor V2 y por tanto
la masa volumétrica será:
(2)
Dividiendo (1) y (2) miembro a miembro tendremos:
Por lo que:
Concluyendo, pues, que a temperatura constante la masa volumétrica
de un gas es proporcional a su presión.
Ley de Gay-Lussac
Bajo presión constante el aumento de volumen es proporcional a la
elevación de su temperatura. Vamos a definir el coeficiente medio de
dilatación para los gases bajo presión constante siendo V0 el volumen
61
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
ocupado por la masa m de gas a 0ºC, la variación de volumen tendrá por
valor absoluto:
El coeficiente medio de dilatación de un gas a presión constante entre
las temperaturas 0 y ºC lo expresaremos como:
Además podremos averiguar el valor del volumen ocupado por esta masa
gaseosa a ºC con la relación:
(3)
Se concluye con que el coeficiente medio de dilatación de un gas a
presión constante es:
Independiente de la naturaleza del gas.
Independiente de su temperatura.
Independiente de su presión.
Su valor para todos los gases será:
Sustituyendo este valor en (3) obtendríamos:
Siendo T=273+
T0=273
Dicha fórmula se escribe normalmente:
Lo que nos permite afirmar que el volumen ocupado por una masa de
gas invariable es proporcional a su temperatura absoluta.
Ley de Charles
A volumen constante el aumento de presión del aire es proporcional a
la elevación de la temperatura.
Por analogía con la dilatación de los gases a presión constante, definimos
62
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
el coeficiente medio del aumento de la presión de los gases a volumen
constante:
Siendo p0 la presión de la masa del gas a 0ºC; p su presión a ºC y p p0 el valor absoluto del aumento de presión.
La presión de esta masa a ºC va unido al valor de la presión inicial por
la siguiente relación:
El coeficiente medio de aumento de presión a volumen constante es:
•
Independiente de la naturaleza del gas.
•
Independiente de su temperatura.
•
Independiente de su presión inicial.
El valor para todos los gases es de:
(1)
El aumento de presión de los gases a volumen constante se describe:
(2)
Sustituyendo (1) en (2), obtendremos:
Donde T=273+ ;
T0=273
Dicha fórmula se escribe normalmente:
7.3. Definición de gas ideal
Gas ideal, o perfecto, es el que sigue rigurosamente las leyes de Mariotte,
Gay-Lussac y Charles.
Pero como hemos dicho anteriormente estas leyes sólo se aproximan a
63
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
la realidad ya que ningún gas es perfecto; sin embargo los gases en
condiciones de presión reducida y temperatura alejada de su punto de
licuefacción (o condensación si se prefiere), se acercan a su estado
perfecto.
En condiciones normales gases como el oxígeno, hidrógeno, nitrógeno,
aire, etc., se encuentran muy cerca del estado perfecto, por el contrario
los gases fácilmente condensables se alejan de dicho estado: amoniaco,
gas carbónico, etc.
Aunque no vamos a demostrarlo, por no ser objeto de este curso, sí
veremos una de las consecuencias de los gases en su estado ideal:
•
y
Igualdad entre los coeficientes
Todo gas ideal enfriado a -273.15ºC y volumen constante tendrá una
presión nula. A esta temperatura, como vimos, se le conoce con el nombre
de cero absoluto y es la temperatura más baja que se puede obtener.
7.4 Ecuación de estado de un gas ideal
Si a una masa invariable de gas ideal con unas condiciones iniciales p1,
v1, T1 tal que:
Le sometemos a un estado p2,v2, T2, entonces obtenemos que:
Como esta expresión se puede aplicar a todo par de valores de presión
y temperatura, se generaliza de la siguiente forma:
(1)
Según postula Avogadro, volúmenes iguales de distintos gases, a la misma
presión y temperatura contienen el mismo número de moléculas y deduce
que en un mol de cualquier sustancia existe el mismo número de
moléculas que calcula en 6´023x1023, es decir, un mol es la cantidad de
materia que contiene 6,02 x 1023 entes elementales (átomos, moléculas,
iones, partículas subatómicas, etc). Por eso cuando se utiliza el término
mol, debe dejar en claro si es: 1 mol de átomos, 1 mol de moléculas, 1
mol de iones, etc.
Este número se conoce como número de Avogadro NA ó n= 6´023x1023
64
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
y para un gas se suele formular diciendo que los volúmenes ocupados
por un mol de cualquier gas a igual presión y temperatura son iguales,
por lo que el resultado de la expresión 1 puede expresarse en función
del número de moles de la sustancia, puesto que el volumen es
proporcional a este número:
(2)
Donde n=m/M (m= masa del gas y M= masa molecular del gas).
Finalmente la expresión queda:
Que es la expresión conocida de la ecuación de estado de los gases ideales
o perfectos.
7.5. Constante de gas universal
Siguiendo todo lo explicado en el apartado anterior y de acuerdo con
la hipótesis de Avogadro, como para cualquier sustancia, a 0ºC de
temperatura y una atmósfera de presión, un mol ocupa el volumen de
22´4136 litros, sustituyendo este valor en la ecuación 2 se obtiene el valor
de la constante:
Esta constante es independiente de la naturaleza del gas, siendo la misma
para todos los gases, y se conoce como constante de los gases o constante
de gas universal.
7.6. Masa molar
La unidad SI para cantidad de materia es el mol, que se define como "la
cantidad de materia de un sistema que contiene la misma cantidad de
unidades elementales contenidas en 0,012 Kg de Carbón-12". Según esta
definición, cualquier cantidad de materia que contenga 6,023x1023
entidades, es un mol.
Así, podemos tener 1 mol de átomos, de moléculas, de iones, de protones,
de electrones, etc., siendo necesario por lo tanto, dejar claro de qué se
trata.
La expresión correcta para referirse a la masa de una porción de sustancia,
cuya cantidad de materia es un mol es la masa molar (M). La masa molar
puede referirse a moléculas, átomos, iones, electrones, etc., como ya se
65
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
ha explicado, y se obtiene dividiendo la masa de la sustancia por el
número total de moles:
Por ejemplo: M(KCl) = 74,56 g/mol; M(Cu) = 63,54 g/mol; M(H) =
1,0074 g/mol; M(Cl2) = 70,916 g/mol.
7.7. Compresión de un gas ideal
Como ya se ha comentado antes la ecuación de gas ideal es muy simple
pero todos los gases se desvían del comportamiento de gas ideal en
estados próximos al punto crítico o a la región de saturación.
Esta desviación a una temperatura y presión dadas puede corregirse con
un factor de corrección denominado factor de compresibilidad Z.
Factor de compresibilidad Z
El factor de compresibilidad Z se define como:
o también:
donde:
p es la presión del gas
v es volumen del gas
R es la constante de gas universal
T es la temperatura del gas
Para gases ideales Z=1 y para gases reales puede ser mayor o menor que
la unidad, teniendo en cuenta que cuanto más se aleje de la unidad el
valor de Z, mayor es la desviación del gas con respecto al comportamiento
de gas ideal.
No se puede generalizar para definir un valor de presión baja o una
temperatura alta concreta, dado que dependiendo del gas que se esté
estudiando, se puede tratar de un punto crítico o de otro muy alejado,
es decir, la presión o temperatura de una sustancia es alta o baja con
relación a su presión crítica o temperatura crítica.
Una forma de solucionar esta diferencia consiste en recurrir a presiones
y temperaturas normalizadas respecto de sus temperaturas y presiones
críticas como sigue:
66
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
y
Donde PR y TR se denominan presión reducida y temperatura reducida.
El factor Z es aproximadamente el mismo para todos los gases a la misma
presión y temperatura reducidas, lo cual recibe el nombre de principio
de estados correspondientes.
Los valores de Z obtenidos mediante experimentos, se grafían contra PR
y TR para varios gases y al ajustar los datos obtenidos se la carta de
compresibilidad generalizada, que puede utilizarse para todos los gases.
Hay que tener en cuenta que la utilización de estas cartas implica el
conocimiento de los datos del punto crítico.
Si se observa esta carta se puede ver que:
•
A presiones muy bajas (PR <<<1) los gases se comportan como un gas
ideal con independencia de la temperatura.
•
A elevadas temperaturas (TR>2) el comportamiento de gas ideal se
asume con gran precisión con independencia de la presión (excepto
cuando PR >>>1).
•
La desviación de un gas del comportamiento de gas ideal es mayor
cerca del punto crítico.
67
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
8. CALOR Y TRABAJO
Si en los primeros capítulos se estudió el concepto de calor como la
energía que se transfiere entre dos sistemas (o de un sistema y sus
alrededores), este tema tendrá en cuenta también el concepto de trabajo
y se estudiará cómo ambos son formas de energía en tránsito de unos
cuerpos o sistemas a otros, estando relacionadas entre sí.
8.1. Clasificación, formas y tipos de energía
La materia se transforma por efecto de la energía.
Ejemplo: Un ejemplo claro visto en otros apartados, es la acción calórica
de los rayos del sol sobre el agua de los mares, provocando la evaporación.
El descubrimiento del fuego proporcionó al hombre la posibilidad de
cocinar sus alimentos y fabricar diferentes utensilios. Al encender el gas
de la cocina, por ejemplo, se produce el calor necesario para hervir el
agua de la cafetera.
Cuando ingerimos alimentos obtenemos energía que empleamos en
actividades como hablar, caminar, etc., es decir, en realizar trabajo.
También aprovechó la fuerza muscular de los animales, aprendió a utilizar
el movimiento como forma de energía. Después, usó la energía del viento,
la de las aguas de los ríos y la de las corrientes marinas.
Con esas energías el hombre descubrió que podía poner en movimiento
los motores, energías temporales. Este problema lo solucionó con la
utilización del vapor, y consiguió que los motores funcionaran de forma
permanente.
La corriente eléctrica, cuando pasa por un circuito, pone en
funcionamiento el televisor.
A continuación se presenta una clasificación de distintos tipos de energía:
•
Energía estática: es todo tipo de energía que se encuentra almacenada
en un sistema y además es propiedad del cuerpo o sistema donde
reside:
-
Energía cinética.
-
Energía potencial.
-
Energía interna.
-
Energía química.
-
Energía nuclear.
-
Energía electromagnética.
68
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
•
Energía dinámica: no es propiedad del sistema y se conoce más
generalmente como trabajo.
•
Calor: Se transforma o se pone de manifiesto mientras tiene lugar
un proceso, consiste en flujo de energía.
Ejemplos: A continuación se enumeran una serie de ejemplos de distintas
energías existentes en la naturaleza:
•
Energía solar: es la que se genera por las radiaciones solares, que se
transforman en calor al entrar en contacto con los cuerpos. El hombre
ha ideado diferentes formas para utilizar la energía solar. Algunas de
ellas son los colectores solares y espejos curvos especiales, que se
utilizan en calefacción y para generar energía eléctrica. La energía
solar tiene la ventaja de no contaminar.
•
Energía mecánica: es aquella que el hombre utilizó, en un comienzo,
como producto de su propio esfuerzo corporal. Luego utilizó la fuerza
animal, para lo que domesticó animales como bueyes, caballos y
burros.
•
Energía eléctrica: es la que se produce por el movimiento de electrones
a través de un conductor.
•
Energía nuclear: es la que se produce cuando se rompe el núcleo del
átomo, debido a la liberación de la fuerza que mantiene unidas las
partículas del núcleo atómico. El átomo se compone de núcleo y
corteza. Éstos se unen para formar las moléculas. Cuando lo que se
rompe es el núcleo del átomo, como en el caso del Uranio, se libera
mucha energía, llamada energía nuclear. La bomba atómica es la
liberación incontrolada de esta energía.
•
Energía eólica: es la que se origina por la fuerza del viento. Tiene
muchas ventajas, porque no provoca contaminación y es inagotable.
Puede generar energía eléctrica por medio de molinos de viento.
•
Energía hidráulica: es la que se origina por la caída del agua y se
utiliza para generar energía mecánica y energía eléctrica.
•
Energía química: es producto de una combustión en la cual se combina
el oxígeno del aire con la materia del cuerpo que arde. Durante la
combustión se producen luz y calor. Cuando las moléculas se rompen
se libera energía química.
8.2. Definición de trabajo
“La energía es la capacidad de efectuar trabajo". Esta sencilla definición no
es muy precisa ni correcta para todos los tipos de energía, como por
ejemplo aquella asociada al calor, pero sí es correcta para la energía de
69
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
tipo mecánico, que a continuación describiremos y que servirá para
entender la estrecha relación entre trabajo y energía.
En el lenguaje cotidiano el trabajo tiene diversos significados, por ejemplo,
en física y termodinámica se utiliza para describir lo que se obtiene
mediante la acción de una fuerza que se desplaza cierta distancia.
El trabajo efectuado por una fuerza constante, tanto en magnitud como
en dirección, se define como el producto de la magnitud del
desplazamiento por la componente de la fuerza paralela al desplazamiento:
donde:
W es el trabajo obtenido.
F es la componente de la fuerza paralela al desplazamiento neto.
d es la cantidad de desplazamiento que se produce.
Esta imagen ilustra este concepto:
En forma más general se escribe:
donde:
F es la magnitud de la fuerza constante.
d el desplazamiento del objeto.
el ángulo entre las direcciones de la fuerza y del desplazamiento
neto.
Por definición, el trabajo realizado sobre el sistema es positivo, y el trabajo
realizado por el sistema es negativo.
El calor y la energía mecánica o trabajo son dos valores de la misma
naturaleza, que se pueden transformar entre sí.
Ejemplo: Si disponemos de una fuente de calor y la aplicamos a una
turbina de vapor, un motor diesel, etc., se está realizando una
transformación de calor en trabajo mecánico, en lo que llamamos motores
térmicos.
70
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
8.3. Tipos de transformaciones del trabajo
Generalmente, en el estudio de los ciclos termodinámicos o
transformaciones del trabajo se supone que el sistema es un fluido
perfecto, que funciona en una máquina igualmente perfecta; es decir,
suponiendo que el ciclo está constituido por una serie de transformaciones
termodinámicas ideales, como las adiabáticas (sin flujo de calor hacia o
desde el sistema), isotérmicas (a temperatura constante)o politrópicas
(donde todos los valores de las magnitudes características varían
conjuntamente).
Un ciclo termodinámico inverso busca lo contrario al ciclo termodinámico
de obtención de trabajo, aportando trabajo externo al ciclo para conseguir
que la transferencia de calor se produzca de la fuente más fría a la más
caliente, al revés de como tendería a suceder naturalmente.
Esta disposición se emplea en las máquinas de aire acondicionado y en
refrigeración.
8.3.1. Isotérmicas
Las transformaciones isotérmicas son aquellas en las que la temperatura
del sistema permanece constante.
En el diagrama de Clapeyron o diagrama P-v, obtenemos una
representación del trabajo como el área encerrada por la curva, tal y
como se muestra en la imagen.
En esta transformación no hay variación de la energía interna; además
se cumplen siguiendo la Ley de Mariotte, así pues:
8.3.2. Adiabáticas
En termodinámica se denomina proceso adiabático a aquel en el cual
el sistema no intercambia calor con su entorno. El extremo opuesto a
71
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
un proceso isotérmico, en el que tiene lugar la máxima transferencia de
calor, causando que la temperatura permanezca constante.
Ejemplo: El término adiabático hace referencia a elementos que impiden
la transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima
bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática
de llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si no
hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los procesos
de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que
no hay transferencia de calor, a pesar de que se consiga variar la
temperatura del aire y su humedad relativa.
El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente
ocurren debido al cambio en la presión de un gas (cuando un gas se
comprime obtenemos calor y cuando se expande obtenemos frío). Esto
puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales.
La ecuación matemática que describe un proceso adiabático en un gas
es la siguiente:
donde:
P es la presión del gas.
V su volumen.
es la relación de los calores específicos de un gas:
Cp calor especifico a presión constante.
Cv calor especifico a volumen constante.
En el caso de transformaciones adiabáticas reversibles no puede aplicarse
la ley de Poisson:
Los valores de varían entre los valores de =1.4 correspondiente a los
gases ideales y =1.075 para los fluidos frigorígenos.
8.3.3. Politrópicas
Dentro de los distintos tipos de evoluciones que existen están las
evoluciones politrópicas que describen fenómenos reales, y que significa,
literalmente, "muchas formas".
Nos centraremos en las compresiones politrópicas, que son las que
encontraremos en la práctica de las máquinas frigoríficas.
72
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
En la imagen quedan representadas las curvas relativas a las compresiones
isotérmica y adiabática de una masa de gas M entre dos presiones.
El triangulo curvilíneo queda representado por los puntos M1 M2 M3.
En la práctica, el punto M” se acercará a M2 cuando el compresor esté
bien enfriado.
Las compresiones politrópicas se caracterizan por la ecuación general
siguiente:
es decir:
Esta ecuación es similar a la ecuación de la ley de Poisson en la que K
se denomina coeficiente de compresión politrópica.
El valor de K será más bajo cuanto más elevado sea la evacuación de
calor.
8.4. Potencia
En la mayoría de los procesos de intercambio energético o realización
de trabajo, un factor importante es el tiempo empleado en el proceso.
Si nos fijamos en aquellos aparatos que, como una nevera, un secador,
una bombilla..., consumen energía y la transforman para enfriar, calentar
o iluminar, la magnitud física que relaciona la energía consumida o el
trabajo realizado en una unidad de tiempo se llama potencia.
Para que una máquina lleve a cabo un trabajo necesita un periodo de
tiempo, por lo tanto si deseamos comparar dos máquinas es indispensable
medir el trabajo que cada una de ellas es capaz de realizar en el mismo
periodo de tiempo. Como podemos ver, se trata de una magnitud
importante.
La potencia de una máquina cuantifica el trabajo constante realizado
73
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
por dicha máquina durante un segundo cuando trabaja a régimen
constante, es decir:
donde:
P es la potencia.
W el trabajo realizado.
t el tiempo empleado en realizar el trabajo.
8.5. Unidades de medida
La unidad de trabajo es el Julio (J) que se define como el trabajo
producido por una fuerza de un Newton cuyo punto de aplicación se
desplaza un metro en la dirección de la fuerza ejercida.
Por definición el trabajo realizado sobre un sistema es positivo, y el
trabajo realizado por un sistema es negativo.
Otras unidades utilizadas para medir el trabajo son las que se presentan
en la tabla siguiente:
UNIDADES DE TRABAJO
UNIDAD
EXPRESIÓN
EQUIVALENCIA
Caloría
cal
1 kJ=4´186 kcal
British termal units
Btu
1 kJ=1.0549 Btu
Como ya se estudió en apartados anteriores el julio es también una
unidad de medida de la energía.
En cuanto a la potencia, su unidad en el sistema internacional es el vatio
que mide la potencia de un julio por segundo:
Otras unidades son:
SISTEMA CONVENCIONAL
Kilocalorías por segundo
kcal/s
1
0´2389
0´1782
0´2520
UNIDADES DE TRABAJO
SISTEMA METRICO (S.I.)
SISTEMA YARDA LIBRA
Kilowatios
Caballo de fuerza
British termal units por segundo
kW
HP
Btu/s
4´186
5´611
3´968
1
1´340
0´9180
0´746
1
0´7072
1´055
1´414
1
74
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
8.6. Estudio de los ciclos termodinámicos
Si partimos de la base de que todas las transformaciones experimentadas
por una sustancia son reversibles, resulta útil tratar los procesos
termodinámicos basándose en ciclos.
Convencionalmente, el término ciclo hace referencia a aquellos procesos
que devuelven un sistema a su estado original después de una serie de
fases, de manera que todas las variables relevantes del sistema vuelven
a tomar sus valores iniciales.
Se denomina ciclo termodinámico al proceso que tiene lugar en
dispositivos destinados a la obtención de trabajo a partir de dos fuentes
de calor a distinta temperatura o, de manera inversa, a producir el paso
de calor de la fuente de menor temperatura a la fuente de mayor
temperatura mediante la realización de trabajo.
La obtención de trabajo a partir de dos fuentes de calor a distinta
temperatura se emplea para producir movimiento, por ejemplo en los
motores o en los alternadores empleados en la generación de energía
eléctrica.
En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar,
ya que el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo
total neto realizado por el sistema.
El rendimiento es el principal parámetro que caracteriza a un ciclo
termodinámico, y se define como el trabajo obtenido, dividido por el
calor gastado en el proceso, en un mismo tiempo de ciclo completo si
el proceso es continuo. Este parámetro es diferente según los múltiples
tipos de ciclos termodinámicos que existen, pero está limitado por el
factor o rendimiento del ciclo de Carnot que se tratará en apartados
siguientes.
El estudio de los ciclos termodinámicos es útil para la compresión de los
procesos llevados a cabo por máquinas y equipos frigoríficos, puesto que
un ciclo termodinámico inverso busca lo contrario al ciclo termodinámico
de obtención de trabajo.
En los ciclos inversos se aporta trabajo externo al ciclo para conseguir
que la transferencia de calor se produzca de la fuente más fría a la más
caliente, al revés de como tendería a suceder de forma natural. Esta
disposición se emplea en las máquinas de aire acondicionado y en
refrigeración.
8.6.1. Ciclo de Carnot
En 1824 el ingeniero francés Sadi Carnot estudió la eficiencia de las
diferentes máquinas térmicas que trabajan transfiriendo calor de una
75
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
fuente de calor a otra para concluir con que las más eficientes son las
que funcionan de manera reversible. Para ello diseñó una máquina
térmica totalmente reversible que funciona entre dos fuentes de calor
de temperaturas fijas. Esta máquina se conoce como la máquina de
Carnot y su funcionamiento se llama el ciclo de Carnot.
Así pues, Carnot buscó el ciclo que debía implementar el vapor para
obtener el máximo de energía mecánica para un consumo dado de
energía calorífica en la fuente de calor, con lo que obtuvo un rendimiento:
Para conseguir su objetivo hizo que el fluido del motor describiese un
ciclo en el cual experimentase cuatro transformaciones termodinámicas,
alternadas dos a dos como sigue:
1. Expansión isotérmica. Se parte de una situación en que el gas ocupa
el volumen mínimo Vmin y se encuentra a la temperatura T2 y la
presión es alta. Entonces se acerca la fuente de calor de temperatura
T2 al cilindro y se mantiene en contacto con ella mientras el gas se
va expandiendo a consecuencia de su elevada presión. El gas, al
expandirse, tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T2 y así mantiene
su temperatura constante durante esta primera parte de la expansión.
El volumen del gas aumenta produciendo un trabajo sobre el pistón
que se transfiere al movimiento circular. La temperatura del gas
permanece constante durante esta parte del ciclo, por tanto no cambia
su energía interna y todo el calor absorbido de T2 se convierte en
trabajo.
2. Expansión adiabática. La expansión isotérmica termina en un punto
preciso tal que el resto de la expansión, que se realiza adiabáticamente
(es decir sin intercambio de calor, el sistema se mantiene totalmente
aislado de cualquier fuente de calor), permite que el gas se enfríe
hasta alcanzar exactamente la temperatura T1 en el momento en
que el pistón alcanza el punto máximo de su carrera y el gas alcanza
su volumen máximo Vmax. Durante esta etapa todo el trabajo realizado
por el gas proviene de su energía interna.
76
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
3. Compresión isotérmica. Se pone la fuente de calor de temperatura
T1 en contacto con el cilindro y el gas comienza a comprimirse pero
no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría
T2. Durante esta parte del ciclo se hace trabajo sobre el gas, pero
como la temperatura permanece constante, la energía interna del
gas no cambia y por tanto ese trabajo es absorbido en forma de calor
por la fuente T1.
4. Compresión adiabática. La fuente T1 se retira en el momento adecuado
para que durante el resto de la compresión el gas eleve su temperatura
hasta alcanzar exactamente el valor T2 al mismo tiempo que el
volumen del gas alcanza su valor mínimo Vmin. Durante esta etapa
no hay intercambio de calor, por eso se llama compresión adiabática,
y se realiza un trabajo sobre el gas, todo el cual se convierte en energía
interna del gas.
La superficie interna del diagrama del ciclo representa el trabajo mecánico
aportado por la máquina.
Este ciclo presenta una difícil realización en la práctica; es considerado
como el ciclo de referencia para la transformación máxima del flujo de
calor en trabajo, determinando el límite máximo de rendimiento que
se puede alcanzar mediante un ciclo termodinámico.
Así pues, las máquinas frigoríficas son máquinas térmicas invertidas, es
decir, describen un ciclo de Carnot inverso. Si en un ciclo de Carnot el
punto figurativo del estado del fluido se desplaza en el sentido de la
agujas del reloj, en un ciclo frigorífico se moverá en sentido contrario.
8.6.2. Ciclo de Rankine
El ciclo de Carnot es teórico, porque resulta casi imposible llevarlo a
cabo, como se ha comentado, ya que para obtener un coeficiente de
rendimiento frigorífico óptimo en el caso de máquinas frigoríficas, sería
necesario valorar el fluido frigorífico bajo dos adiabáticas y dos isotermas,
lo que supondría realizar las transformaciones adiabáticas a una velocidad
extremadamente grande y las transformaciones isotérmicas a una velocidad
extremadamente lenta.
Desde el punto de vista práctico hay que buscar un ciclo que se aproxime
todo lo posible al ciclo ideal de Carnot, para conseguir un buen
rendimiento en relación al máximo que nos ofrece dicho ciclo.
Así pues, el ciclo de Carnot nos servirá de ciclo comparativo para valorar
y calcular el rendimiento de una máquina frigorífica en relación a dicho
ciclo ideal.
El ciclo de Rankine comprende cuatro transformaciones termodinámicas
alternadas dos a dos, como el ciclo de Carnot, pero a diferencia de éste,
77
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
se trata de dos transformaciones adiabáticas y dos transformaciones
isóbaras (a presión constante).
Tendremos de esta forma que el fluido estará en el estado 1 a la aspiración
del compresor:
1º) Transformación adiabática: compresión que comienza en el punto
1 de máximo volumen y presión mínima para acabar en el punto 2.
2º) Transformación isóbara: se trata de una condensación a presión
constante hasta el punto 3 donde termina alcanzando el volumen
mínimo del ciclo.
3º) Transformación adiabática: expansión del fluido hasta el punto 4 de
mínima presión.
4º) Transformación isóbara: evaporación a presión constante que finaliza
en el punto 1, donde se vuelve al estado de menor presión y máximo
volumen del fluido.
En el caso de fluidos licuables, si en la aspiración del compresor se
dispone de una mezcla liquido-vapor, de manera que al final de la
compresión tengamos vapor saturado (vapor seco), los ciclos de Carnot
y Rankine se superponen.
En el caso contrario, cuando aspiramos vapores saturados secos, la
superficie interior del diagrama es superior en el diagrama de Rankine,
ya que cuando se alcanza la temperatura máxima en el curso de la
compresión, ésta se convertirá entonces en isotérmica.
Pese a estas consideraciones, en la práctica nos encontraremos con que
tendremos que realizar modificaciones en este ciclo, ya que, el ciclo real
de una máquina no es exactamente el ciclo de Rankine. Para que esto
sucediese, las transformaciones 1 y 3 tendrían que ser verdaderamente
adiabáticas reversibles.
Para salvar estos puntos se efectúa una expansión del fluido a través de
un orificio de pequeño diámetro, de forma que se consigue que la
78
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
expansión sea isoentálpica (a entalpía constante), como en el diagrama
siguiente, donde los puntos 2´ y 4´ representan el estado del fluido
después de la compresión y de la expansión adiabática respectivamente.
79
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
9. ESTUDIO TERMODINÁMICO DE LOS CICLOS
DE REFRIGERACIÓN
9.1. Introducción
Las instalaciones frigoríficas tienen por fin mantener la temperatura de
un local o recinto a una temperatura inferior a la temperatura ambiente.
Ello se puede realizar a través de varios métodos. El más ampliamente
utilizado, y en el que se centra el desarrollo del presente curso, es el
basado en la compresión mecánica de un vapor, entendiendo por vapor
todo gas capaz de condensarse a las presiones y temperaturas a las que
se le somete en la instalación.
9.2. El Ciclo de Refrigeración
El ciclo de refrigeración es el proceso al que se somete el fluido frigorífico
para conseguir el enfriamiento de un recinto. Se compone de las siguientes
etapas:
•
Evaporación.
•
Compresión.
•
Condensación.
•
Expansión.
El ciclo inicia con el fluido en forma de líquido a baja presión. En esas
condiciones, el líquido se evapora de modo espontáneo en el interior
del evaporador, absorbiendo del local a refrigerar el calor necesario para
realizar dicha transformación (calor latente de vaporización).
En modo de vapor, el fluido accede al compresor donde es elevado a
altas presiones mediante la compresión que le provoca el elemento
mecánico. La compresión también causa un aumento de la temperatura
en el gas y en esas nuevas condiciones el gas condensa a líquido si es
expuesto a una temperatura inferior. Eso es lo que ocurre en el
80
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
condensador, cediendo el calor absorbido en el evaporador al ambiente
exterior (calor latente de condensación).
Tras el condensador se tiene líquido a elevada presión. Para volver al
estado inicial sólo resta hacer descender la presión del líquido mediante
el elemento de expansión (válvula o capilar), descendiendo también en
dicha expansión la temperatura del fluido.
9.3. Diagramas Termodinámicos
Con el fin de estudiar el ciclo frigorífico, analizar su evolución y modos
de mejora, extraer las potencias y rendimientos frigoríficos que se están
obteniendo, y todo ello de un modo visual, se realizan los diagramas
termodinámicos.
Un diagrama termodinámico es una representación de los diferentes
estados a los que es sometido el fluido a lo largo del ciclo frigorífico en
función de dos variables termodinámicas.
En la aplicación de los diagramas termodinámicos al estudio de los ciclos
frigoríficos presenta especial interés la representación en dicho diagrama
de las curvas que representan, concretamente para el fluido usado en la
instalación, el comienzo y el fin de las fases de evaporación y condensación.
A la línea que marca el comienzo de la evaporación o fin de la
condensación (según si el fluido está absorbiendo o cediendo calor,
respectivamente) se le denomina línea de líquido ya que separa la zona
donde el fluido está presente como líquido únicamente de aquella zona
en la que coexisten líquido y gas.
De modo recíproco, a la línea que marca el fin de la evaporación o el
comienzo de la condensación (según si el fluido está absorbiendo o
cediendo calor, respectivamente) se le denomina línea de vapor ya que
separa la zona donde el fluido está presente como vapor únicamente de
aquella zona en la que coexisten líquido y gas.
Ambas líneas se unen en un punto denominado punto crítico. A la unión
de ambas líneas se le denomina curva de saturación: en su interior
coexisten líquido y vapor y fuera de ella sólo puede existir una de las
fases.
El punto crítico viene marcado por la temperatura crítica del vapor. Por
encima de dicha temperatura el fluido no se considera vapor sino gas (o
vapor seco) ya que no es posible causar su condensación sea cual sea la
presión a la que se somete.
De la selección de las dos variables termodinámicas tomadas como
referencia depende el tipo de diagrama que se obtiene y los resultados
que de él se pueden extraer de modo directo. Los diagramas usados en
81
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
las instalaciones frigoríficas son los siguientes:
•
Diagrama Presión-Volumen (diagrama P-V o diagrama de Andrews).
•
Diagrama Temperatura-Entropía (diagrama T-S o diagrama entrópico).
•
Diagrama Presión-Entalpía (diagrama P-H, diagrama entálpico o de
Mollier).
•
Diagrama Entalpía-Entropía (diagrama H-S).
Seguidamente se presentan los conceptos de Entropía y Entalpía para
entender mejor el significado de las respresentaciones termodinámicas.
•
Entropía:
-
De modo introductorio y en instalaciones frigoríficas la entropía
(S) debe entenderse como una medida de la energía en forma
de calor (Q) que posee un cuerpo a una temperatura dada (T):
En el sistema internacional de unidades, se mide en KJ/ºK
(kilojulios por grado kelvin) y en KJ/ºK Kg cuando se trata de
entropía específica.
•
Entalpía:
-
De igual modo, la entalpía (H) se define como la suma de la
energía interna (U) de un cuerpo o sustancia y el producto de
la presión (P) al que está sometido por el volumen en el que está
confinado (V):
La energía interna es la suma de la energía en forma de calor y
en forma de trabajo que, de modo potencial, puede transmitir y
desarrollar un cuerpo o sustancia. En el sistema internacional de
unidades la entalpía se mide en KJ (kilojulios) y en KJ/Kg cuando
se trata de entalpía específica.
Al fluido que se le somete a un ciclo frigorífico se le fuerza a realizar una
serie de procesos termodinámicos con el fin de obtener el enfriamiento
deseado. Estos procesos se llevan a cabo manteniendo constante alguna
propiedad física y/o termodinámica: presión, temperatura, entalpía o
entropía. Así:
•
La evaporación y la condensación suceden a temperatura y presión
constantes.
•
La compresión sucede de modo adiabático (sin intercambio de calor
con el exterior), lo que conlleva que la entropía se puede considerar
constante.
82
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
•
La expansión sucede de modo isoentálpico y/o isoentrópico.
Con el objetivo de estudiar los ciclos frigoríficos, sobre los diagramas
termodinámicos se representan líneas que muestran la evolución de las
variables que determinan el diagrama, según se somete al fluido a un
proceso en el que otra variable se mantiene constante.
Por ejemplo, en un diagrama P-V, una línea isoterma representa cómo
debe ser una variación en las condiciones de presión y volumen de un
fluido, de modo que no varíe su temperatura.
De un diagrama interesan las siguientes líneas:
•
Isotermas (temperatura constante).
•
Isobaras (presión constante).
•
Isoentálpicas (entalpía constante).
•
Isoentrópicas (entropía constante).
•
Isócoras (volumen específico constante).
A continuación se presentan los diagramas citados en párrafos anteriores
y se describen los usos que se les otorga.
9.4. Diagrama P-V o diagrama de Andrews
En el eje horizontal se representan volúmenes específicos y en el eje
vertical presiones. Las líneas isobaras son líneas horizontales y las isócoras,
verticales. El resto de líneas puede verse en el diagrama inferior.
Durante el ciclo frigorífico, el volumen específico del fluido varía
constantemente y la representación del ciclo sobre el diagrama es una
figura muy irregular en la que el cálculo de áreas se hace de un modo
aproximado. Los resultados de dichas mediciones resultan en unidades
mecánicas no termodinámicas.
83
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Por todas estas razones el diagrama de Andrews no se utiliza para el
estudio termodinámico del ciclo de refrigeración. Resulta de especial
interés, sin embargo, en el estudio del ciclo de compresión y de todos
los fenómenos que ocurren durante la compresión del gas.
9.5. Diagrama T-S o diagrama entrópico
En el eje vertical se representan temperaturas y en el eje horizontal
entropías. Las líneas horizontales son isotermas y las verticales
isoentrópicas. Como el ciclo frigorífico está formado por dos isotermas
(evaporación y condensación) y dos isoentrópicas (compresión y
expansión), la representación del ciclo frigorífico resulta ser un rectángulo.
El área englobada por la figura del ciclo frigorífico representa la cantidad
de calor que se obtiene del ciclo. En efecto, el área en el diagrama se
calculará como una diferencia de entropías por una diferencia de
temperaturas y, recordando la definición de entropía, se deduce la
afirmación anterior.
La representación de las líneas y del ciclo frigorífico puede verse en la
figura siguiente:
9.6. Diagrama P-H o diagrama entálpico
En el eje horizontal se grafían entalpías y en el vertical presiones. Las
líneas horizontales son isobaras y las verticales isoentálpicas. La compresión
y la evaporación son isobaras y la expansión es isoentálpica. De ese modo,
el ciclo frigorífico se representa por un rectángulo con uno de sus lados
curvos, el correspondiente a la compresión, que es adiabática y en el
diagrama aparece como un arco de hipérbola.
Como en el eje horizontal aparecen entalpías, las distancias horizontales
84
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
representan directamente energía térmica que se intercambia entre
fluido y entorno.
La representación de las líneas y del ciclo frigorífico puede verse en la
figura siguiente:
9.7. Diagrama H-S
En el eje vertical aparece la entalpía y en el eje horizontal la entropía.
Las isoentrópicas y las isoentálpicas se representan, respectivamente, por
líneas horizontales y verticales.
En este caso son las distancias verticales las que representan la energía
térmica obtenida o cedida por el sistema durante los procesos que
componen el ciclo.
De todos los diagramas vistos, el más ampliamente usado en el estudio
de los ciclos frigoríficos es el de Mollier y será estudiado con más detalle
en el tema correspondiente a sistemas frigoríficos.
85
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
10. HIGROMETRIA
10.1. Introducción
La ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning
Engineers) define el acondicionamiento del aire como: "El proceso de
tratar el aire, de tal manera, que se controle simultáneamente su
temperatura, humedad, limpieza y distribución, para que cumpla con
los requisitos del espacio acondicionado". Como se indica en la definición,
las acciones importantes involucradas en la operación de un sistema de
aire acondicionado son:
•
Control de la temperatura.
•
Control de la humedad.
•
Filtración, limpieza y purificación del aire.
•
Circulación y movimiento del aire.
El acondicionamiento completo de aire, proporciona el control automático
de estas condiciones, tanto para el verano como para el invierno. El
control de temperatura en verano se logra mediante un sistema de
refrigeración, y en invierno, mediante una fuente de calor. El control de
humedad en verano requiere de deshumidificadores, lo que se hace
normalmente al pasar el aire sobre la superficie fría del evaporador. En
el invierno, se requiere de humidificadores, para agregarle humedad al
aire en el sistema de calentamiento. La filtración del aire, en general, es
la misma en verano que en invierno. El acondicionamiento de aire en
casas, edificios o en industrias, se hace por dos razones principales:
proporcionar confort al humano, y para un control más completo del
proceso de manufactura; el control de la temperatura y la humedad
mejora la calidad del producto terminado. Para acondicionar aire en un
espacio se requiere tener conocimientos básicos de las propiedades del
aire y la humedad, del cálculo de cargas de calentamiento y de
enfriamiento, manejo de las tablas o carta psicrométrica, y del cálculo
y selección de equipo. También se requiere del conocimiento y manejo
de instrumentos, como termómetros de bulbo seco y de bulbo húmedo
(psicrómetro), el higrómetro, tubo de pitot, registradores, manómetros
y barómetros, como veremos a continuación.
10.2. Definiciones
Psicrometría
Se define psicrometría como la ciencia que estudia las propiedades
termodinámicas del aire húmedo y el efecto de la humedad atmosférica
86
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
sobre los materiales y el confort humano, así como los métodos para
controlar las características térmicas del aire húmedo.
Aire seco; características
El aire es una mezcla de gases incolora, inodora e insípida que rodea a
la tierra.
La densidad del aire (peso por metro cúbico) varía, siendo mayor a nivel
del mar (donde es comprimido por todo el aire encima del mismo) que
en la cima de una alta montaña. El aire, no es un vapor saturado que
esté cercano a temperaturas donde pueda ser condensado. Es siempre
una mezcla de gases altamente sobrecalentados. Así, cuando calentamos
o enfriamos aire seco, solamente estamos agregando o quitando calor
sensible. Podemos enfriar o calentar el aire, limpiarlo y moverlo, pero
esto no cambia significativamente sus propiedades, ya que los relativamente
pequeños cambios de temperatura que le hagamos, sólo causan
pequeñísimos cambios en el volumen y la densidad.
Si el aire seco se calienta, se expande; y su densidad disminuye cuando
la presión permanece constante. Inversamente, si se enfría el aire seco,
aumenta su densidad. Aún más, las temperaturas, densidades, volúmenes
y presiones, todas varían proporcionalmente.
La composición del aire seco (sin vapor de agua) es la indicada en la
tabla siguiente:
Símbolo químico
% en peso
% en volumen
Nitrógeno
N2
75,47
78,03
Oxígeno
O2
232,19
20,99
Dióxido de carbono
CO2
0,04
0,03
Hidrógeno
H2
0,00
0,01
1,30
0,94
Otros gases (argón, neón, ozono…..) ---
En áreas congestionadas o industriales, también puede contener azufre,
carbono, plomo y ciertos ácidos, derivados de la contaminación.
Cada uno de los gases que componen el aire, se comporta de acuerdo
con la ley de Dalton.
Brevemente, esta ley nos dice que una mezcla de dos o más gases puede
ocupar el mismo espacio al mismo tiempo, y que cada uno actúa
independientemente de los otros. Cada uno tiene su propia densidad,
su propia presión (presión parcial), y cada uno responde a los cambios
87
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
de volumen y temperatura según sus características. Como ya hemos
visto, el aire seco no es un gas puro, ya que es una mezcla, y por lo tanto,
no se conforma exactamente según las leyes de los gases, no obstante en
la práctica se considera a esta mezcla de gases (aire seco sin vapor de
agua) como un solo compuesto, que se rige por la ley de los gases.
A continuación se reflejan las características del aire seco a distintas
temperaturas:
88
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Temperatura
Volumen
Densidad
Entalpía
ºC
Específico
m3/kg
Kg/m3
Kcal/kg
-15
0,7304
1,3691
0,6722
-14
0,7332
1,3638
-13
0,7363
-12
Temperatura
Densidad
Entalpía
m3/kg
Kg/m3
Kcal/kg
18
0,8244
1,2130
8,6372
0,9123
19
0,8274
1,2086
8,8772
1,3581
1,1523
20
0,8302
1,2044
9,1228
0,7391
1,3530
1,3923
21
0,8329
1,2006
9,3628
-11
0,7422
1,3473
1,6323
22
0,8360
1,1961
9,6028
-10
0,7453
1,3416
1,8779
23
0,8389
1,1920
9,8484
-9
0,7480
1,3369
2,1179
24
0,8418
1,1880
10,0706
-8
0,7511
1,3313
2,3579
25
0,8446
1,1839
10,3284
-7
0,7538
1,3266
2,5980
26
0,8474
1,1800
10,5740
-6
0,7563
1,3222
2,8390
27
0,8501
1,1763
10,7640
-5
0,7591
1,3173
3,0835
28
0,8529
1,1725
10,5740
-4
0,7619
1,3125
3,3235
29
0,8556
1,1687
10,7640
-3
0,7650
1,3072
3,5636
30
0,8583
1,1650
11,0540
-2
0,7678
1,3024
3,8036
31
0,8612
1,1611
11,2996
-1
0,7706
1,2977
4,0447
32
0,8645
1,1567
11,5396
0
0,7734
1,2928
4,2892
33
0,8672
1,1531
11,7796
1
0,7756
1,2893
4,5292
34
0,8700
1,1494
12,0252
2
0,7790
1,2837
4,7692
35
0,8727
1,1458
12,2652
3
0,7822
1,2784
5,0148
36
0,8756
1,1420
12,7564
4
0,7850
1,2739
5,2547
37
0,8786
1,1382
12,9908
5
0,7878
1,2693
5,4948
38
0,8816
1,1343
13,2308
6
0,7908
1,2645
5,7404
39
0,8843
1,1308
13,4764
7
0,7933
1,2605
5,9803
40
0,8871
1,1273
13,7164
8
0,7961
1,2562
6,2204
41
0,8900
1,1236
13,9620
9
0,7988
1,2518
6,4615
42
0,8932
1,1196
14,4420
10
0,8015
1,2476
6,7060
43
0,8957
1,1164
14,6820
11
0,8044
1,2431
6,9460
44
0,8987
1,1127
14,9276
12
0,8076
1,2381
7,1860
45
0,9014
1,1093
15,1676
13
0,8104
1,2339
7,3983
46
0,9042
1,1059
15,4132
14
0,8131
1,2297
7,6716
47
0,9073
1,1021
15,6532
15
0,8159
1,2256
7,9116
48
0,9100
1,0988
15,8955
16
0,8188
1,2213
8,1183
49
0,9129
1,0954
16,1400
17
0,8217
1,2168
8,3972
50
0,9158
1,0919
16,3900
ºC
89
Volumen
Específico
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Humedad atmosférica
Como ya sabemos, dos terceras partes de la superficie de la tierra están
cubiertas por agua: océanos, lagos y ríos, de los cuales se desprende el
vapor de agua. Las nubes, también producto de esta evaporación,
contribuyen a la humedad del ambiente al condensarse y precipitarse
en forma de lluvia o nieve.
Por costumbre común, decimos que el aire contiene humedad, y es
conveniente hacerlo así, en el entendido de que siempre recordemos
que es meramente una manera de hablar, y que en realidad, los dos son
independientes uno del otro, y que no responden de la misma manera
a los cambios de condiciones, especialmente a los cambios de temperatura.
Todo lo anterior es lo que sucede a la intemperie. Dentro de una casa,
edificio o fábrica, el vapor de agua puede provenir de la cocina, baño,
máquinas, personas, etc. Así pues, la cantidad de humedad en el aire en
un lugar y tiempo determinados, puede variar considerablemente. El
vapor de agua es producido por el agua, a cualquier temperatura (aún
por el hielo).
Vapor de agua, características
La humedad es un término utilizado para describir la presencia de vapor
de agua en el aire, ya sea a la intemperie, o dentro de un espacio, aire
y vapor de agua, existen juntos en un espacio dado al mismo tiempo.
Independientes uno del otro, y que no responden de la misma manera
a los cambios de condiciones, especialmente a los cambios de temperatura.
Las palabras "vapor" y "gas", comúnmente las empleamos para referirnos
a lo mismo; pero en realidad, un gas es un vapor altamente sobrecalentado,
muy lejos de su temperatura de saturación, como el aire. Un vapor está
en sus condiciones de saturación o no muy lejos de ellas, como el vapor
de agua. Así pues, el vapor de agua o "humedad" en un espacio, puede
estar en una condición de saturación o ligeramente arriba de ella. Si lo
enfriamos unos cuantos grados, hacemos que se condense, y si le aplicamos
calor, lo sobrecalentamos.
El agua no tiene que estar en ebullición, aunque si lo está, el vapor de
agua es producido con mayor rapidez. El vapor ejerce una presión
definida encima del agua, la cual es determinada solamente por la
temperatura del agua misma, independientemente de si el agua está o
no en ebullición o de si el espacio por encima del agua contiene aire.
Tampoco la presión del aire ejerce efecto alguno sobre la presión del
vapor. Si el agua está a una temperatura de 4ºC, la presión del vapor de
agua sobre la misma es de 0.81 kPa, la cual es una presión menor que
la atmosférica (vacío). Si la temperatura del agua aumenta a 15ºC, la
presión del vapor de agua sobre la misma, aumenta más del doble, es
decir, a 1.70 kPa .
90
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
En la tabla siguiente, se muestran las propiedades del vapor de agua
saturado. Los valores de la primera columna son las temperaturas en
grados centígrados. Los valores de la segunda y tercera columna, son las
presiones del vapor sobre el agua, correspondientes a las temperaturas
de la primera columna; este vapor se conoce como "saturado", porque
es todo el vapor de agua que puede contener ese espacio a esa temperatura.
Hay que tener en cuenta que no hay diferencia si hay o no aire en ese
espacio; la presión del vapor de agua será la misma, ya que ésta depende
totalmente de la temperatura del agua. Cuando comúnmente nos
referimos a la presión atmosférica o barométrica, estamos incluyendo la
presión del aire y la presión del vapor de agua que éste contiene. La
presión atmosférica "normal" a nivel del mar, es de 101.325 kPa o de 760
mm. de mercurio. Si la presión del vapor de agua en el aire a 15 o C es
1.70 kPa, entonces, la presión del aire seco sería 99.625 kPa (101.325 1.70); ya que, de acuerdo a la ley de Dalton, la presión total es la suma
de las presiones parciales de los componentes: la del aire seco y la del
vapor de agua. En la cuarta columna de la tabla, tenemos los valores de
volumen específico. Estos nos indican el volumen en m3 que ocupa un
kilogramo de agua en forma de vapor saturado (tabla en pag. siguiente)
Aire saturado
El término de aire saturado se emplea para indicar que el vapor de agua
está saturado en la mezcla de aire seco y vapor de agua. Por tanto la
presión parcial en la mezcla es igual a la presión de saturación
correspondiente a la que se encuentra la mezcla; en este caso
dispondremos de aire seco mezclado con vapor de agua saturado.
A una temperatura determinada, si el aire está saturado y se aumenta la
proporción de vapor se llegará a la condensación o formación de niebla.
Si el vapor presente en el aire está sobrecalentado, se le podrá añadir
más vapor hasta que se llegue a la saturación.
Humedad absoluta
El término "humedad absoluta" (ha), se refiere al peso del vapor de agua
por unidad de volumen, generalmente un metro cúbico. En este espacio,
normalmente hay aire también, aunque no necesariamente.
La humedad relativa está basada en la humedad absoluta, bajo las
condiciones establecidas; es decir, la humedad relativa es una comparación
con la humedad absoluta a la misma temperatura, si el vapor de agua
está saturado. Tanto la humedad absoluta como la relativa, están basadas
en el peso del vapor de agua en un volumen dado.
91
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Tabla propiedades de mezclas de aire seco y vapor saturado a la presión atmosférica
Humedad relativa
La humedad relativa (hr) es un término utilizado para expresar la
cantidad de humedad en una muestra dada de aire, en comparación con
la cantidad de humedad que el aire tendría, estando totalmente saturado
y a la misma temperatura de la muestra.
La humedad relativa se expresa en porcentajes, tal como 50%, 75%,
30%, etc. De acuerdo con la ASHRAE, una definición más técnica de la
hr, sería la relación de la fracción mol del vapor de agua presente en el
aire, con la fracción mol del vapor de agua presente en el aire saturado,
a la misma temperatura y presión.
92
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Humedad específica
La humedad específica se refiere a la cantidad de humedad en peso que
se requiere para saturar un kilogramo de aire seco, a una temperatura
de saturación (punto de rocío) determinada.
La humedad específica es muy similar a la humedad absoluta, excepto
que esta última está basada en gramos por metro cúbico, y la humedad
específica, está basada en gramos de humedad por kilogramo de aire
seco.
Punto de rocío
El punto de rocío se define como: la temperatura debajo de la cual el
vapor de agua en el aire comienza a condensarse. También es el punto
de 100% de humedad.
La humedad relativa de una muestra de aire puede determinarse por su
punto de rocío. Existen varios métodos para determinar la temperatura
del punto de rocío. Un método para determinar el punto de rocío con
bastante precisión es colocar un fluido volátil en un recipiente de metal
brillante; después, se agita el fluido con un aspirador de aire. Un
termómetro colocado dentro del fluido indicará la temperatura del fluido
y del recipiente. Mientras se está agitando, debe observarse cuidadosamente
la temperatura a la cual aparece una niebla por fuera del recipiente de
metal. Esto indica la temperatura del punto de rocío. La niebla por fuera
del recipiente no es otra cosa que la humedad en el aire, que comienza
a condensarse sobre el mismo. No deben emplearse fluidos inflamables
o explosivos para esta prueba. Otro medio para determinar el punto de
rocío indirectamente es con un instrumento llamado Psicrómetro, el
cual se describirá más adelante. Este método se basa en las temperaturas
de "bulbo húmedo" y la de "bulbo seco", las cuales también se definirán
más adelante. Durante la temporada de invierno, una ventana ofrece un
buen ejemplo del punto de rocío. En la tabla siguiente, se muestran las
temperaturas de superficie, las cuales causarán condensación (punto de
rocío) para varias condiciones de humedad. Las temperaturas interiores
utilizadas son 21ºC y 27 ºC.
93
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Temperaturas de superficies a las que habrá condensación
Humedad relativa del
aire %
Temperatura de bulbo seco
de la superficie cuando se
inicia la condensación.
Temperatura del aire del
cuarto.
21ºC
27ºC
100
21
27
90
19
25
80
18
23
70
15
20
60
13
18
50
10
15
40
7
12
30
3
8
20
-2
2
Temperatura de rocío
Si una mezcla de aire y vapor se enfría a presión constante, la temperatura
a la que tendríamos vapor saturado se llama temperatura de rocío o
punto de rocío.
Esta temperatura de rocío o de saturación es correspondiente a la presión
parcial del vapor de agua de la mezcla.
Es otra propiedad de aire incluida en una carta psicrométrica. Esta es la
temperatura a la cual se condensará la humedad sobre una superficie.
La escala para las temperaturas de punto de rocío es idéntica que la
escala para las temperaturas de bulbo húmedo; es decir, es la misma
escala para ambas propiedades.
Bulbo seco
El confort humano y la salud, dependen grandemente de la temperatura
del aire. En el acondicionamiento de aire, la temperatura del aire indicada
es normalmente la temperatura de «bulbo seco» (bs), tomada con el
elemento sensor del termómetro en una condición seca. Es la temperatura
medida por termómetros ordinarios en casa. Hasta este punto, todas las
temperaturas a que nos hemos referido han sido temperaturas de bulbo
seco, tal como se leen en un termómetro ordinario, excepto donde nos
hemos referido específicamente a la temperatura del punto de rocío.
94
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Bulbo húmedo
Básicamente, un termómetro de bulbo húmedo no es diferente de un
termómetro ordinario, excepto que tiene una pequeña mecha o pedazo
de tela alrededor del bulbo y esta mecha se humedece con agua limpia;
la evaporación de este agua disminuirá la lectura (temperatura) del
termómetro. Esta temperatura se conoce como de «bulbo húmedo»
(bh). Si el aire estuviese saturado con humedad (100% hr), la lectura
de la temperatura en el termómetro de bulbo húmedo, sería la misma
que la del termómetro de bulbo seco. Sin embargo, la hr normalmente
es menor de 100% y el aire está parcialmente seco, por lo que algo de
la humedad de la mecha se evapora hacia el aire. Esta evaporación de
la humedad de la mecha provoca que la mecha y el bulbo del termómetro
se enfríen, provocando una temperatura más baja que la del bulbo seco.
Mientras más seco esté el aire, más rápida será la evaporación de la
humedad de la mecha. Así que, la lectura de la temperatura del bulbo
húmedo, varía de acuerdo con lo seco que esté el aire. La precisión de
la lectura del bulbo húmedo, depende de lo rápido que pase el aire sobre
el bulbo. Las velocidades hasta de 1,500 m/min (90 km/ hr), son mejores
pero peligrosas, si el termómetro se mueve a esta velocidad. También,
el bulbo húmedo deberá protegerse de superficies que irradien calor
(sol, radiadores, calentadores eléctricos, calderas, etc.). Se pueden tener
errores hasta del 15% si el movimiento de aire es muy lento, o si hay
mucha radiación presente. Cuando la hr es de 100% (saturación), las
temperaturas de bulbo seco, bulbo húmedo y del punto de rocío son
todas la misma. Abajo de 100% de hr, la temperatura del bulbo húmedo
es siempre algo menor que la del bulbo seco y mayor que el punto de
rocío. En la figura, se ilustran los termómetros de bulbo seco y bulbo
húmedo. "A" representa la temperatura de bulbo seco, "B" la temperatura
de bulbo húmedo y "C" la mecha que envuelve al bulbo húmedo. Nótese
que la temperatura mostrada en el termómetro de bulbo húmedo es
considerablemente menor que la del termómetro de bulbo seco.
Imagen termómetros de bulbo seco y bulbo húmedo
También, la temperatura de bulbo húmedo varía de acuerdo con la
temperatura del cuarto; así que es afectada tanto por el calor sensible
del aire en el cuarto, como por el calor latente de la humedad del aire.
Por lo tanto, la temperatura de bulbo húmedo es una indicación del
calor total en el aire y la humedad.
95
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Factor de calor sensible
Relación de calor sensible con respecto al calor total, siendo este último
la suma del calor sensible y el calor latente.
Calor latente
Cantidad de energía calorífica requerida para efectuar un cambio de
estado (fusión, evaporación, solidificación) de una sustancia, sin cambio
en la temperatura o presión.
Porcentaje de saturación
El porcentaje de saturación (o porcentaje de humedad) es un término
que algunas veces se confunde con la humedad relativa. El porcentaje
de saturación es 100 veces la relación del peso de vapor de agua con el
peso del vapor de agua necesario para saturar un kilogramo de aire seco
a la temperatura del bulbo seco. Esto se puede expresar en una ecuación:
donde:
% saturación=
w1= Humedad específica en el punto de rocío de la mezcla de aire
seco y vapor de agua.
ws= Humedad específica en el punto de saturación.
La humedad relativa está basada en las presiones, las cuales son afectadas
por la temperatura y el volumen. El porcentaje de saturación está basado
en el peso, el cual no es afectado por los cambios de temperatura, y éste
es el más preciso de los dos.
10.3. Métodos y aparatos de medida
Las mediciones absolutas de la humedad del aire atmosférico apenas se
utilizan, puesto que requieren procedimientos muy laboriosos para ser
fiables. De los dos métodos citados a continuación, el primero se hará
a título documental y el segundo como método práctico. Al final del
apartado se describirán dos aparatos de medida de humedad relativa del
aire.
Método gavimétrico de absorción
Un volumen de aire a una temperatura determinada pasa por unos tubos
llenos de productos absorbentes que retienen el vapor de agua atmosférico.
El aumento de masa será la cantidad de vapor de agua absorbida.
96
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
mv= m1 – m
Siendo:
•
mv, masa de vapor de agua contenida en los tubos absorbentes y por
tanto contenida en la masa de aire.
•
m, masa de los tubos absorbentes antes de hacer pasar el aire por
ellos.
•
m1, masa de los tubos después de haber hecho pasar el aire.
Para determinar la cantidad de vapor de agua contenida por metro
cúbico de mezcla a la temperatura dada como:
vapor de agua kg en 1 m3 de mezcla=
Para poder asegurar que todo el vapor de agua ha sido absorbido por
los tubos es necesario disponer de un gran número de éstos y hacer pasar
el aire a velocidades suficientemente bajas para que el material absorbente
pueda captar todo el vapor presente en la mezcla, lo cual se traduce en
procesos muy largos de medición.
Método del punto de rocío
El método del punto de rocío consiste en enfriar una superficie metálica
hasta que aparezcan condensaciones sobre ella.
La superficie metálica, cuya temperatura podemos determinar en todo
momento a través de un termómetro, se enfría mediante un líquido o
por evaporación de fluidos frigorígenos, mientras el aire se proyecta
sobre la superficie metálica pulida como un espejo. La temperatura de
rocío se obtiene con precisión cuando desaparece la proyección luminosa
del espejo sobre la pantalla.
Procedimiento del punto de rocío
Higrómetros
E1 más simple de todos es el higrómetro de cabello, con sus variantes a
base de una cinta higroscópica o de un haz de hilos de algodón. El
higrómetro de cabello estaba basado en la cualidad que tiene el cabello
de alargarse en presencia de la humedad; este tipo de higrómetros no
97
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
resulta preciso y se ha evolucionado hacia higrómetros basados en:
•
La velocidad de difusión del vapor de agua a través de una pared
ligeramente porosa (la velocidad de difusión aumenta con la sequedad
del aire).
•
La variación de la resistencia de juego de electrodos de plata recubiertos
de sal metálica higroscópica; la variación de intensidad que resulta
de la variación de la resistencia se amplifica, por ejemplo, a través de
relés transistorizados.
Actualmente, para mediciones precisas, se emplea el higrómetro
electrónico, que permite tomar mediciones al instante, y precisas, del
punto de rocío, humedad relativa, temperatura o presión.
Psicrómetros
El psicrómetro está formado por un conjunto de dos termómetros,
termómetro seco y un termómetro húmedo. Los dos termómetros,
colocados uno al lado del otro en la misma corriente de aire.
Debido a la evaporación de agua, el termómetro de bulbo húmedo
indicará una temperatura inferior a la del termómetro de bulbo seco;
la diferencia de temperaturas se llama depresión de bulbo húmedo.
Las demás propiedades del aire podrán determinarse entrando con las
temperaturas seca y húmeda en un diagrama pscicrométrico (como
veremos en el apartado 1.10.5. ‘’Composición diagrama psicrométrico’’)
o bien por vía analítica.
El psicrómetro se usa principalmente para medir las condiciones del aire
de un ambiente interior o exterior.
A fin de obtener resultados correctos en la utilización de estos aparatos
es necesario respetar las siguientes condiciones:
•
Emplear agua destilada para humidificar el bulbo del termómetro
húmedo
•
Emplear agua destilada a temperatura muy próxima a la de la atmósfera
controlada
•
Asegurar una ventilación constante del bulbo húmedo.
Psicrómetro
98
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
10.4. Carta psicrométrica
Una carta psicrométrica es una gráfica de las propiedades del aire, tales
como temperatura, hr, volumen, presión, etc. Las cartas psicrométricas
se utilizan para determinar cómo varían estas propiedades al cambiar la
humedad en el aire.
Las propiedades psicrométricas del aire que se describen en las
ilustraciones de las tablas han sido recopiladas a través de incontables
experimentos de laboratorio y de cálculos matemáticos, y son la base
para lo que conocemos como la Carta Psicrométrica. Aunque las tablas
psicrométricas son más precisas, el uso de la carta psicrométrica puede
ahorrarnos mucho tiempo y cálculos, en la mayoría de los casos donde
no se requiere una extremada precisión. Como se mencionó al inicio de
este párrafo, la carta psicrométrica es una gráfica que es trazada con los
valores de las tablas psicrométricas; por lo tanto, la carta psicrométrica
puede basarse en datos obtenidos a la presión atmosférica normal al
nivel del mar, o puede estar basada en presiones menores que la
atmosférica, o sea, para sitios a mayores alturas sobre el nivel del mar.
Existen muchos tipos de cartas psicrométricas, cada una con sus propias
ventajas. Algunas se hacen para el rango de bajas temperaturas, algunas
para el rango de media temperatura y otras para el rango de alta
temperatura. A algunas de las cartas psicrométricas se les amplía su
longitud y se recorta su altura; mientras que otras son más altas que
anchas y otras tienen forma de triángulo. Todas tienen básicamente la
misma función; y la carta a usar deberá seleccionarse para el rango de
temperaturas y el tipo de aplicación. En este texto, utilizaremos una carta
psicrométrica basada en la presión atmosférica normal, también llamada
presión barométrica, de 101.3 kPa ó 760 mmHg. Esta carta cubre un
rango de temperaturas de bulbo seco (bs) de -10 o C hasta 55ºC, y un
rango de temperaturas de bulbo húmedo (bh) desde -10ºC hasta 35ºC.
A continuación se muestra una carta psicrométrica básica. Está hecha
con datos basados a la presión atmosférica normal de 101.325 kPa, y las
unidades son las del Sistema Internacional. Las temperaturas están en
grados centígrados; el volumen en m3/kg; la humedad relativa en
porcentajes; el contenido de humedad en g/kg aire seco; la entalpía y
la entropía están en kilo Joules (kJ) por kg de aire seco. Un kJ/kg = 0.239
kcal/ kg.
En una carta psicrométrica se encuentran todas las propiedades del aire,
de las cuales las de mayor importancia son las siguientes:
•
Temperatura de bulbo seco (bs).
•
Temperatura de bulbo húmedo (bh).
99
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
•
Temperatura de punto de rocío (pr)
•
Humedad relativa (hr).
•
Humedad absoluta (ha).
•
Entalpía (h).
•
Volumen específico.
Conociendo dos de cualquiera de estas propiedades del aire, las otras
pueden determinarse a partir de la carta.
Carta psicrométrica.
10.5. Composición diagrama psicrométrico
Líneas de humedad total o específica
La humedad absoluta, es el peso real de vapor de agua en el aire. También
se le conoce como humedad específica. La escala de la humedad absoluta
es la escala vertical (ordenada) que se encuentra al lado derecho de la
carta psicrométrica, como se indica en la figura. Los valores de esta
propiedad se expresan, como ya sabemos, en gramos de humedad por
kilogramo de aire seco (g/kg), en el sistema internacional. Las líneas de
humedad absoluta corren horizontalmente de derecha a izquierda, y son
paralelas a las líneas de punto de rocío y coinciden con éstas. Así pues,
podemos ver que la cantidad de humedad en el aire depende del punto
de rocío del aire. A continuación, veremos algunos ejemplos sencillos
del uso de la carta psicrométrica, con las cinco propiedades físicas descritas
100
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
hasta este punto. Luego, veremos las demás propiedades que faltan por
estudiar. Como se ha dicho, conociendo dos de estas propiedades del
aire, se pueden determinar las demás con el uso de la carta psicrométrica.
Líneas de humedad absoluta en gramos/ kg
Líneas de humedad relativa constante
En una carta psicrométrica completa, las líneas de humedad relativa
constante, son las líneas curvas que se extienden hacia arriba y hacia la
derecha. Se expresan siempre en tantos por ciento, y este valor se indica
sobre cada línea. Como ya hicimos notar previamente, la temperatura
de bulbo húmedo y la temperatura de punto de rocío comparten la
misma escala en la línea curva a la izquierda de la carta. Puesto que la
única condición donde la temperatura de bulbo húmedo y el punto de
rocío son la misma, es en condiciones de saturación; esta línea curva
exterior representa una condición de saturación o del 100% de humedad
relativa. Por lo tanto, la línea de 100% de hr es la misma que la escala
de temperaturas de bulbo húmedo y de punto de rocío. Las líneas de hr
constante disminuyen en valor al alejarse de la línea de saturación hacia
abajo y hacia la derecha, como se ilustra en la figura siguiente.
Líneas de humedad relativa en %
Líneas de temperatura del bulbo seco
En primer término, tenemos la temperatura de bulbo seco. Como ya
sabemos, es la temperatura medida con un termómetro ordinario. Esta
escala es la horizontal (abscisa), en la parte baja de la carta, según se
muestra en la figura. Las líneas que se extienden verticalmente, desde
101
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
la parte baja hasta la parte alta de la carta, se llaman líneas de temperatura
de bulbo seco constantes, o simplemente «líneas de bulbo seco». Son
constantes porque cualquier punto a lo largo de una de estas líneas
corresponde a la misma temperatura de bulbo seco indicada en la escala
de la parte baja. Por ejemplo, en la línea de 40º C, cualquier punto a lo
largo de la misma, corresponde a la temperatura de bulbo seco de 40º
C de la carta psicrométrica, como se muestra en la figura. Las líneas de
temperatura de bulbo húmedo constantes o líneas de bulbo húmedo,
corren diagonalmente de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo,
en un ángulo de aproximadamente 30ª de la horizontal. También se les
dice constantes, porque todos los puntos a lo largo de una de estas líneas,
están a la misma temperatura de bulbo húmedo.
Líneas de temperatura de bulbo seco
Líneas de temperatura del bulbo húmedo constante
Es la segunda propiedad del aire de nuestra carta psicrométrica.
Corresponde a la temperatura medida con un termómetro de bulbo
húmedo. Como ya se explicó en la sección anterior, es la temperatura
que resulta cuando se evapora el agua de la mecha, que cubre el bulbo
de un termómetro ordinario. La escala de temperaturas de bulbo húmedo
es la que se encuentra del lado superior izquierdo, en la parte curva de
la cara psicrométrica, como se muestra en la figura. Las líneas de
temperatura de bulbo húmedo constante o líneas de bulbo húmedo
corren diagonalmente de izquierda a derecha y de arriba abajo, en un
ángulo de aproximadamente 30º de la horizontal. También se les llama
constantes porque todos los puntos a lo largo de una de estas líneas están
a la misma temperatura de bulbo húmedo.
102
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Líneas de temperatura de bulbo húmedo
Líneas de volumen específico constante
En la figura, se muestran las líneas del volumen específico constante en
una carta psicrométrica. Estas líneas están en un ángulo aproximado de
60º con la horizontal, y van aumentando de valor de izquierda a derecha.
Por lo general, el espacio entre cada línea, representa un cambio de
volumen específico de 0.05 m3/kg. Cualquier punto que caiga entre dos
de estas líneas, naturalmente debe ser un valor estimado. Si se desea
saber la densidad del aire a cualquier condición, como ya sabemos, se
debe dividir uno entre el volumen específico, puesto que la densidad es
la inversa del volumen específico y viceversa. Debido a que la mayoría
de los cálculos en trabajos de aire acondicionado se basan en el peso del
aire en lugar del volumen de aire, se recomienda el uso del volumen
específico (m3/kg de aire) ven vez de la densidad (kg/m3 de aire).
Líneas de volumen específico en m3/kg de aire seco
Líneas de entalpía
Las líneas de entalpía constantes en una carta psicrométrica, son las que
se muestran en la figura. Debe notarse que estas líneas, son meramente
extensiones de las líneas de bulbo húmedo; puesto que el calor total del
aire depende de la temperatura de bulbo húmedo. La escala del lado
izquierdo lejana a la línea curva da el calor total del aire en kJ/kg de
aire seco, en el sistema internacional. Esta escala aumenta de -6 kJ/kg
a la temperatura de -10ºC de bulbo húmedo, hasta aproximadamente
115 kJ/kg a 33ºC de bulbo húmedo.
103
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Líneas de entalpía en kJ/kg de aire seco
Líneas de temperatura punto de rocío
Es otra propiedad de aire incluida en una carta psicrométrica. Esta es la
temperatura a la cual se condensará la humedad sobre una superficie.
La escala para las temperaturas de punto de rocío es idéntica que la
escala para las temperaturas de bulbo húmedo; es decir, es la misma
escala para ambas propiedades. Sin embargo, las líneas de la temperatura
de punto de rocío corren horizontalmente de izquierda a derecha, como
se ilustra en la figura, no en forma diagonal como las de bulbo húmedo.
Cualquier punto sobre una línea de punto de rocío constante, corresponde
a la temperatura de punto de rocío sobre la escala, en la línea curva de
la carta.
Líneas de temperatura de punto rocío
Curvas de saturación
La constitución del diagrama o carta pscicrometrica consiste de la
sobreimposición de las siete propiedades descritas, ocupando la misma
posición relativa sobre la carta. En la descripción de cada una de las siete
propiedades se definió la línea constante como una línea que puede
contener un número infinito de puntos, cada uno a la misma condición;
esto es, si fuésemos a trazar una sola condición del aire, tal como la
temperatura del bulbo seco sobre la carta psicrométrica, ésta podría caer
en cualquier punto sobre la línea constante, correspondiente a esa
temperatura de bulbo seco. Pero ahora, en la carta psicrométrica
compuesta, tenemos un número de líneas que se cruzan una con otra;
así que, si trazamos un punto sobre una línea de bulbo seco constante,
104
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
este punto también corresponderá a diferentes valores sobre las líneas
constantes para la temperatura de bulbo húmedo, punto de rocío,
humedad relativa, volumen específico, humedad específica y entalpía.
Suponiendo que dos de cualquiera de estas líneas constantes se cruzaran
en un punto común sobre la carta, podremos trazar ese punto
exactamente, si conocemos dos de cualquiera de esas propiedades del
aire. A partir de este punto, podemos entonces movernos a lo largo de
las respectivas líneas constantes para las otras propiedades del aire, y
podemos leer el valor en sus escalas respectivas, sin tener que recurrir
al problema de calcularlos, como vimos en la sección de las tablas
psicrométricas. Aunque este método no es tan preciso como el método
de las tablas, es mucho más rápido, y el grado de precisión es
suficientemente cercano para fines prácticos.
Si a una muestra de aire se le toman las temperaturas de bulbo seco
(35ºC) y bulbo húmedo (22ºC), ¿cuáles serán las demás propiedades?
Primero, trazamos un punto donde estas dos líneas se cruzan, como se
muestra en la figura y lo marcamos como punto "A". Éste es el único
punto en la carta donde existen estas dos condiciones (35ºC bs y 22ºC
bh). Las demás condiciones pueden encontrarse fácilmente, simplemente
nos desplazamos a lo largo de la línea constante correspondiente, leyendo
el valor en esa escala.
El orden no es importante, y puede comenzarse por cualquier propiedad.
Comenzamos determinando la temperatura de punto de rocío; partimos
del punto "A", horizontalmente hacia la izquierda de la carta, y donde
cruza la escala de temperatura de bulbo húmedo, esa es la temperatura
de punto de rocío, ya que es la misma escala, puesto que en esa línea
curva el aire está en su condición de saturación. La temperatura de punto
de rocío para este ejemplo es de 15.8ªC (punto "B"). El contenido de
humedad se determina sobre la escala del lado derecho de la carta; por
lo que, partiendo del punto "A", nos desplazamos horizontalmente hacia
la derecha, y cruzamos la escala en aproximadamente 11,3 g/kg de aire
seco (punto "C").
La humedad relativa se determina por la posición del punto "A", con
respecto a las líneas de humedad relativa de la carta. Examinando de
cerca este punto, vemos que está aproximadamente a una quinta parte
de la distancia entre las líneas de 30% y 40% de hr. Por lo que podemos
estimar que la hr es de 32%.
La ubicación del punto "A", con respecto a las líneas constantes del
volumen específico, indica que cae aproximadamente a 4/5 partes de
la distancia entre la línea de 0.85 y 0.90 m3/kg de aire seco, (4 ÷ 5 =
0.80). Como hay una diferencia de 0.05 m3/kg entre una línea y otra,
podemos estimar que el volumen específico es 0.85 + 0.80 veces 0.05, o
sea 0.89 m3/kg de aire seco, 0.85 + (0.80 x 0.05) = 0.89. La densidad sería
lo inverso del volumen específico, o sea 1 ÷ 0.89 = 1.12 kg/m 3 .
105
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Extendiendo la línea constante de bulbo húmedo, de 22 o C directo
hacia arriba y a la izquierda, hasta cortar la escala de calor total o entalpía
(punto "D"), podemos leer que la entalpía del aire es de 64.6 kJ/kg de
aire seco. Para convertir kilojoules por kilogramo a kilocalorías por
kilogramo, dividimos los kJ/kg entre 4.184(64.6 kJ/kg ÷ 4.184 = 15.44
kcal/kg).
Mientras que los valores de las demás propiedades obtenidos en la carta
psicrométrica son muy parecidos a los calculados mediante el método
de las tablas psicrométricas, parecería que el valor de la entalpía es
considerablemente menos preciso; pero, debe recordarse que en el
proceso de acondicionamiento de aire, nos interesa el cambio de calor,
en lugar del valor absoluto del calor total. La diferencia entre las tablas
y la carta es consistente a través de todo el rango de temperaturas con
las cuales se va a trabajar; así que los cambios en los valores de entalpía
en la carta serán casi idénticos a los cambios en las tablas. Como se puede
observar, es relativamente simple determinar las propiedades del aire en
una carta psicrométrica, conociendo dos (cualquiera) de ellas. Se requiere
que a partir de un punto dado en la carta, las demás propiedades se
obtengan siguiendo una serie de líneas, que pueden ser horizontales,
verticales, diagonales o curvas. La precisión del resultado, depende
grandemente de la versión individual, la habilidad para trazar líneas y
el método de interpolación. La interpolación significa obtener
matemáticamente los valores de los puntos que caen entre dos líneas; lo
cual, en ocasiones, puede consumir una gran cantidad de tiempo y
esfuerzo. Pero el uso de la carta no se limita solamente a determinar las
propiedades de una muestra de aire, también se pueden calcular las
cargas térmicas al calentar o enfriar la muestra de aire, con o sin
humidificación o deshumidificación, cambios en el volumen, mezclas de
aire, etc.
106
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
10.6. Estudio de las operaciones de tratamiento de aire
Humidificación
La humidificación o humectación del aire es un proceso cuya finalidad
es incrementar el con-tenido de humedad absoluta de una masa de aire.
El aire se humidifica normalmente por medio de pulverizadores que
reducen el agua a finas gotitas, a fin de ofrecer una mayor superficie al
flujo de aire que se debe humidificar.
Pulverizar el agua es desmenuzarla en pequeñas partículas, también
llamadas aerosoles. Éstas, luego, se esparcen en el aire que van a
humidificar y se evaporan. La energía necesaria para la evaporación de
los aerosoles proviene del aire ambiente, lo cual produce un enfriamiento
denominado enfriamiento adiabático
Todos los sistemas de humidificación adiabática están basados en uno
de los dos principios: atomización o pulverización; en ambos casos, la
energía requerida para pulverizar el agua es tomada del aire que se
pretende humidificar. El calor total contenido en el aire disminuye, igual
que en los procesos donde tiene lugar un enfriamiento adiabático.
A continuación puede comprobarse en el diagrama psicrométrico el
proceso de humidificación, al no producirse adición de calor, el proceso
que se sigue en el diagrama psicrométrico es una línea de entalpía
constante.
Diagrama psicrométrica humidificación
107
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Los humectadores producen agua pulverizada (aerosoles), estas gotas
pueden estar contaminadas por la legionella. La legionelosis se transmite
por vía aérea; es necesario inhalar el germen que el aire transporta dentro
de muy pequeñas gotas de agua. Todas aquellas instalaciones en las que
hay emisión de aerosoles, tales como torres de refrigeración, instalaciones
de agua caliente sanitaria, humectadores, fuentes... deben ser tratadas
con el fin de no propagar la bacteria.
Humidificación por vapor de agua
Cuando se calienta el aire húmedo, la humedad relativa disminuye. Para
compensar, se añade vapor de agua en el aire. Al añadir agua, la relación
de humedad aumenta; este fenómeno se conoce por humidificación.
Debido a que el calor necesario para la vaporización del agua se obtiene
del propio humidificador, el aire aumenta su contenido en agua sin
variación de su temperatura; el proceso que se sigue en el diagrama
psicrométrico es una línea de temperatura constante llamada isoterma.
Diagrama psicrométrica por vapor de agua
Calentamiento sensible
Cuando el aire se calienta con una batería, su humedad específica no
varía. Al calentar aire helado se requiere solo un cambio en el calor
sensible del aire y no afecta a la humedad de éste.
Enfriamiento sensible
El término cambio de calor sensible se refiere a un cambio en calor que
provocará un cambio en la temperatura del aire. Con frecuencia, al
108
Los humectadores
producen agua
pulverizada (aerosoles),
estas gotas pueden
estar contaminadas por
la legionella. La
legionelosis se
transmite por vía aérea;
es necesario inhalar el
germen que el aire
transporta dentro de
muy pequeñas gotas de
agua. Todas aquellas
instalaciones en las que
hay emisión de
aerosoles, tales como
torres de refrigeración,
instalaciones de agua
caliente sanitaria,
humectadores,
fuentes... deben ser
tratadas con el fin de
no propagar la bacteria.
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
enfriar el aire seco y caliente se requerirá tan sólo un cambio en el calor
sensible del aire. Puesto que un cambio en el calor sensible del aire no
afectará la cantidad de humedad de éste; dicho cambio puede grafiarse
en la carta psicrométrica, paralelo a las líneas constantes de punto de
rocío. Esto significa que el punto de rocío del aire no cambiará mientras
sea solamente calor sensible el que se agrega o se quita. Por otra parte,
el peso total del aire en kg permanece constante, pero su volumen
(m3/kg) sí cambia, puesto que el aire se contrae al ser enfriado.
Veamos el enfriamiento sensible de aire en el diagrama psicrométrico.
Si originalmente está a 43ºC de bs, y 21ºCde bh, y se quiere enfriarlo a
17 ºC de bs y 12ºC de bh. Comparando las propiedades de la condición
inicial (1), con las de la condición final (2), podemos ver que hemos
aumentado la hr del aire de aproximadamente 13%, a aproximadamente
56%, como se muestra en la figura siguiente, aunque no se ha cambiado
el contenido de humedad del aire. Esto es porque al enfriar el aire se le
reduce su capacidad de retención de humedad en saturación, y
consecuentemente, se aumenta la relación de humedad en el aire, con
la máxima que podría retener a esa temperatura de bs. Esta línea de
enfriamiento sensible (1-2), es casi paralela a las líneas constantes de
contenido de humedad, que son las mismas de la temperatura de punto
de rocío; por lo que estos dos valores son constantes y no cambian durante
el enfriamiento sensible. En este ejemplo, el contenido de humedad es
de aproximadamente 6.4 g/kg de aire seco, y la temperatura de punto
de rocío es de 8.2 ºC.
También podemos ver que al enfriar el aire, se ha disminuido su volumen
específico de aproximadamente 0.905 m3/kg, que tenía en el punto 1,
a aproximadamente 0.835 m3/kg en el punto 2. Consecuentemente, al
disminuir su volumen específico, aumenta su densidad. Como es lógico,
el aire con un cierto contenido de humedad, mientras más frío está es
más denso. Al grafiar el cambio de entalpía para este efecto de enfriamiento
sensible, se puede ver que en la condición 1, contenía 61 kJ/kg (14.58
kcal/kg), mientras que en la condición 2 contiene 34.2 kJ/kg (8.17
kcal/kg). Si restamos la entalpía 2 de la entalpía 1, llegamos a un cambio
total de entalpía de 6.41 kcal/kg. Por lo tanto, por cada kilogramo de
aire que se enfríe de la condición inicial a la final, se deben quitar 6.41
kcal/kg. Este cambio de calor sensible se muestra en la figura como hs.
109
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Diagrama psicrométrico ejemplo enfriamiento sensible
Mezcla de dos cantidades de aire húmedo
En el acondicionamiento de aire, con mucha frecuencia se requiere
mezclar aire a diferentes temperaturas de bh y de bs, para lograr una
determinada condición final de aire. La mayoría de las aplicaciones de
aire acondicionado comercial requieren de un cierto volumen de aire
exterior que sea introducido al espacio ocupado. En la tabla siguiente
se indican los caudales mínimos de aire exterior en l/s por unidad
exigidos por la norma UNE 100-011-91. Puesto que la introducción del
100% de aire exterior no es práctica, desde el punto de vista de costo
operacional, se debe mezclar el aire exterior requerido, con un porcentaje
de aire de retorno, antes de calentarlo o enfriarlo.
110
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Tipo de local
Por persona
Por m2
Por local
Otros
Almacenes
-
0,75 a 3
-
-
Aparcamientos
-
5
-
-
Archivos
-
0,25
-
-
Aseos públicos
-
-
-
25
Aseos individuales
-
-
15
-
Auditorios
8
-
-
-
Aulas
8
-
-
-
Autopista
-
2,5
-
-
Bares
12
12
-
-
Cafeterías
15
15
-
-
Canchas para el deporte
-
2,5
-
-
Comedores
10
6
-
-
Cocinas
8
2
-
-
Descanso (Salas de)
20
15
-
-
Dormitorios colectivos
8
1,5
-
-
Escenarios
8
6
-
-
Espera y recepción (Salas)
8
4
-
-
Estudios holográficos
-
2,5
-
-
Exposiciones (Salas de)
8
4
-
-
Fiestas (Salas de)
15
15
-
-
Fisioterapia (Salas de)
10
1,5
-
-
Gimnasios
12
4
-
-
Gradas de recintos deportivos
8
12
-
-
Grandes almacenes
8
2
-
-
Habitaciones de hotel
-
-
15
-
Habitaciones de hospital
15
-
-
-
Imprentas, reproducción y planos
-
2,5
-
-
Juegos (Salas de)
12
10
-
-
Laboratorios
10
3
-
-
Lavanderías industriales
15
5
-
-
Vestíbulos
10
15
-
-
Oficinas
10
1
-
-
Paseos de centros comerciales
-
1
-
-
111
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Tipo de local
Por persona
Por m2
Por local
Otros
Pasillos
-
-
-
-
Piscinas
-
2,5
-
-
Quirófanos y anexos
15
3
-
-
Reuniones (Salas de)
10
5
-
-
Salas de curas
12
2
-
-
Salas de recuperación
10
1,5
-
-
Supermercados
8
1,5
-
-
Talleres en general
30
3
-
-
en centros docentes
10
3
-
-
de reparación automática
-
7,5
-
-
Templos para culto
8
-
-
-
Tiendas en general
10
0,75
-
-
de animales
-
5
-
-
especiales
-
2
-
-
UVI
10
1,5
-
-
Vestuarios
-
2,5
-
10
Un método empleado para el acondicionamiento de mezclas de aire de
distintas condiciones de temperatura y humedad, es mezclar el aire de
retorno y el aire exterior, antes de ser tratado tal y como se muestra en
la figura, donde se distingue el conducto de aire de retorno, el conducto
de aporte de aire exterior, la sección de mezcla, la batería de frío (donde
el aire intercambia calor con el agua refrigerada) y la impulsión de aire
al interior del local.
Aporte da aire exterior de dos cantidades de aire
Si se mezclan 0.71 m3/min de aire exterior, a 35ºC de bs y 24 ºC de bh,
con 2.12 m3/min de aire de retorno a 27ºC de bs y 19º C de bh, el flujo
total del aire será de 2.83 m3/min. Esto dará una relación de mezcla de
25% de aire exterior y 75% de aire recirculado (en base a volumen). En
una carta psicrométrica trazamos las condiciones del aire exterior (punto
112
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
1), y las del aire recirculado o de retorno (punto 2), como se muestra
en la figura.
Calculando los pesos de estas cantidades de aire tenemos que el peso del
aire exterior se calcula con la densidad. Como ya sabemos, la densidad
es lo inverso el volumen específico, por lo que determinamos a partir e
la carta psicrométrica, que el volumen específico del aire exterior, es de
aproximadamente 0.893 m3/kg de aire. Este dato corresponde a las
condiciones del aire en el punto 1 de la figura.
El peso del aire exterior es:
1/ 0.893 x 0.71 = 0.795 kg/min.
El peso del aire recirculado se calcula procediendo de la misma manera
y tenemos:
1/ 0.814 x 2.12 = 2.604 kg/min,
y el peso total del aire es:
0.795 + 2.604 = 3.399 kg/min.
Los porcentajes (ahora en peso) son 24.45% de aire exterior y 75.54%
de aire de retorno. La diferencia en porcentajes es aproximadamente
de 0.5%, lo que a una temperatura de -9ºC da un error de solamente
0.04º C.
La línea recta que une los puntos 1 y 2, en la figura, representa el trayecto
de la temperatura de la mezcla de estas dos condiciones del aire, en
cualquier proporción. Los puntos extremos 1 y 2 representan el 100%
de la mezcla a esas temperaturas; es decir, si la mezcla constituye 99%
de aire a 35 ºC de bs y 24ºC de bh, el restante 1% sería aire a 27º C de
bs y 19ºC de bh, y este punto estaría muy cercano al punto 1. Si la mezcla
contiene 50% de cada una de las dos condiciones, la condición de la
mezcla resultante caerá sobre la línea, en un punto a la mitad de la
distancia entre 1 y 2.
113
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Diagrama psicrométrico mezcla de dos cantidades de aire húmedo
Calentamiento con deshumidificación
Es el calentamiento del aire y la eliminación de la humedad de éste. El
proceso de calentamiento con deshumidificación se caracteriza por un
aumento de la entalpía y una disminución de la humedad relativa.
Calentamiento con deshumidificación y aporte da aire exterior
Enfriamiento con deshumidificación
Es la eliminación simultánea del calor y la humedad del aire. La cantidad
del vapor de agua, presente dentro de una zona ocupada, variará
dependiendo del número de personas presentes y de su actividad, la
condición del aire exterior, la estructura del edificio y la cantidad de
infiltración.
Revisaremos la capacidad de un sistema de aire acondicionado, el cual
ha sido clasificado por el fabricante en 30,240 kcal/h. En nuestra prueba
de capacidad, no usaremos las mismas condiciones de prueba que el
fabricante, pero podemos aproximarnos, utilizando 100% de aire de
114
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
retorno a la entrada del evaporador en un día caluroso de verano,
ajustando la velocidad del ventilador para que dé una velocidad del aire
de aproximadamente 150 m/min, sobre la superficie del serpentín.
Mientras que este ejemplo se refiere específicamente al acondicionamiento
de aire de verano, las condiciones de humedad controlada se aplican
igualmente al almacenamiento de carne, por ejemplo, en una cámara
de conservación.
Lo primero que hay que hacer es medir las temperaturas de bs y de bh
del aire que entra y sale del serpentín del evaporador. En este ejemplo,
las condiciones iniciales del aire son de 27ºC de bs y de 20ºC de bh; las
condiciones a la salida o finales son de 10ºC de bs y 9ºC de bh. En nuestro
ejemplo, usaremos una velocidad promedio del aire de 158 m/min, y
un evaporador de 91 cm de largo por 46 cm de alto.
El primer paso para calcular la capacidad del sistema es trazar las
condiciones del aire a la entrada y a la salida del serpentín sobre la carta
psicrométrica, tal como se muestra en la figura. El punto 1 representa
las condiciones de entrada del aire, y el punto 2 representa de salida. El
punto 3, representa la temperatura aproximada real del serpentín. El
punto 3 se encuentra extendiendo la línea recta que conecta los puntos
1 y 2, hasta la curva de saturación.
Este punto, también llamado el «punto de rocío del aparato», es la
temperatura promedio del agua que se condensa sobre la superficie del
serpentín. Conforme sea la condición se mueve a la izquierda de la carta,
removiendo calor del aire, pero también humedad. Enseguida,
encontramos el cambio de calor total en un kilogramo de aire, restando
la entalpía en la condición de salida, de la entalpía en la condición de
entrada:
ht = 57,5-27,0= 30,5 kJ/kg
(13.74-6.45 = 7.29 kcal/kg).
Puesto que el volumen del aire sobre el serpentín es controlado por el
ventilador, y que este mismo aire cambiará de densidad y volumen
específico al cambiar la temperatura a través del sistema, el siguiente
paso será determinar el peso total del aire que circula por el ventilador.
El peso del aire no cambiará, puesto que la materia no puede ser creada
ni destruida.
El área frontal del evaporador es:
91 x 46 cm = 0.4186 m2.
Si multiplicamos esto por la velocidad del aire sobre el serpentín,
tendremos un valor de 66.138 m3/min (0.4186 m2 x 158 m/min).
Ahora, para poder convertir este volumen de aire a peso, dividimos los
m3/min entre el volumen específico del aire a las condiciones de entrada,
ya que siempre debemos hacer los cálculos para el punto al cual se tomó
la medición de la velocidad del aire. Un vistazo a la carta, muestra que
115
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
la condición de entrada cae un poco menos de la mitad, entre las líneas
constantes de volumen de 0.85 y 0.90 m3/ kg de aire seco. Podemos
estimar por interpolación, que el valor de volumen específico es de 0.87
m3/kg; así pues, tenemos un peso total de aire circulado de 76.02 kg/min
(66.138 ÷ 0.87).
Ahora, del cálculo anterior, tenemos un cambio de entalpía de 7.29
kcal/kg y tenemos 76.02 kg de aire circulando por minuto. Multiplicando
estos dos valores, nos dará el cambio de entalpía en el aire por minuto,
o sea, 7.29 x 76.02 = 554.2 kcal/min. La capacidad total del equipo, bajo
condiciones reales, se obtiene multiplicando las kcal/min por 60, para
obtener las kcal/h, 554.2 x 60 = 33,252
Diagrama psicrométrico enfriamiento con deshumidificación
116
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
RESUMEN
•
La energía es la capacidad para producir cambios y se puede emplear
para la obtención de calor y trabajo.
•
El calor es la energía que se transfiere entre dos sistemas (o de un
sistema y sus alrededores), está relacionado con el movimiento de
las partículas que componen el cuerpo o sustancia estudiado.
•
El frío es el término negativo del calor, que indica su disminución o
ausencia.
•
Cuando dos sistemas comparten espacio físico el calor se transmite
del más caliente al menos caliente. El calor puede pasar de uno a
otro de tres formas distintas:
•
-
Por conducción.
-
Por convección.
-
Por radiación.
El término temperatura se refiere al nivel de energía calorífica que
posee un cuerpo. Los aparatos que se utilizan para medir la
temperatura se denominan termómetros:
-
Termómetro de mercurio.
-
Termómetro de alcohol.
-
Termómetros especiales.
Termómetro de máxima.
Termómetros de mínima.
Termómetros de máxima y mínima.
•
-
Termómetro de bulbo termostático.
-
Termómetro de par termoeléctrico.
-
Termopar.
Las escalas termométricas actuales se basan en:
-
A: La temperatura de fusión del agua.
-
B: La temperatura de ebullición del agua.
Las escalas más comunes son:
-
Centígrada o Celsius.
-
Fahrenheit.
-
Reamar.
117
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
-
Kelvin.
•
Los aumentos de temperatura provocan dilataciones en los cuerpos,
que deben ser controladas ya que pueden resultar tan útiles como
dañinas para los sistemas.
•
El calor específico de un cuerpo es la cantidad de calor que hace
falta suministrar a la unidad de masa de ese cuerpo para elevar su
temperatura un grado Kelvin o un grado centígrado.
•
El calor latente es la cantidad de calor que hay que suministrar o
extraer a la unidad de masa de ese cuerpo, para provocar en él un
cambio de estado, sin que esto provoque un cambio de temperatura.
•
Calor sensible es la cantidad de calor que extraída o aportada a un
cuerpo es capaz de hacer que su temperatura disminuya o aumente
respectivamente, sin que se produzca ningún cambio de fase en el
cuerpo.
•
La materia puede existir en la naturaleza ( a la temperatura y presión
de la superficie terrestre) en tres formas físicas distintas que se
denominan estados físicos de la materia o fases de una sustancia:
•
•
-
Sólido.
-
Líquido.
-
Gas.
Los cambios físicos que se pueden producir en la materia son:
-
Condensación: paso de una sustancia de estado gas a estado
líquido.
-
Solidificación: paso de una sustancia de estado líquido a sólido.
-
Fusión: paso de una sustancia de estado sólido a líquido.
-
Evaporación: paso de una sustancia de estado líquido a gaseoso.
-
Sublimación: paso de una sustancia de estado sólido a gaseoso
sin pasar por el estado líquido.
Saturación:
-
Líquido saturado: esta condición se da cuando una sustancia ha
absorbido calor hasta el momento en que empieza a evaporarse.
-
Vapor saturado: cuando la temperatura de una sustancia gaseosa
baja, debido a una cesión o extracción de calor, hasta un punto
en el que cualquier pérdida de calor supondría la condensación
de una parte del vapor.
-
Mezcla saturada líquido-vapor: esta condición se da en una sustancia
cuando el líquido y el vapor coexisten en equilibrio.
118
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
•
Los gases se caracterizan por no tener una forma definida y adoptar
la del recipiente que los contiene, con los cambios de temperatura
y presión el efecto que se obtiene en los gases es mucho mayor si los
comparamos con los que sufren las sustancias en estado líquido y
sólido. El estudio de las propiedades de los gases lo separaremos en
tres partes:
-
Ley de Mariotte: a temperatura constante, relación entre presión
y volumen.
-
Ley de Gay-Lussac: a presión constante, relación entre volumen.
-
Ley de Charles: a volumen constante, relación entre presión y
temperatura.
•
Gas ideal, o perfecto, es el que sigue rigurosamente las leyes de
Mariotte, Gay-Lussac y Charles. La desviación del comportamiento
de un gas real con respecto del de un gas ideal a una temperatura y
presión dadas, puede corregirse con el factor de compresibilidad Z.
•
La energía se clasifica en distintos tipos:
-
Energía estática:
Energía cinética.
Energía potencial.
Energía interna.
Energía química.
Energía nuclear.
Energía electromagnética.
-
Energía dinámica
-
Calor
•
El trabajo es el producto de la magnitud del desplazamiento por la
componente de la fuerza paralela al desplazamiento. El trabajo
realizado sobre el sistema es positivo, y el trabajo realizado por el
sistema es negativo.
•
La potencia de una máquina cuantifica el trabajo que realiza durante
un segundo trabajando a régimen constante.
•
Ciclo termodinámico es el proceso que tiene lugar en dispositivos
destinados a la obtención de trabajo a partir de dos fuentes de calor
a distinta temperatura o a producir el paso de calor de la fuente de
menor temperatura a la fuente de mayor temperatura mediante la
realización de trabajo.
•
El ciclo de Carnot es teórico ya que resulta casi imposible llevarlo a
cabo.
119
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
•
El ciclo de Rankine comprende cuatro transformaciones
termodinámicas alternadas dos a dos, como el ciclo de Carnot, pero
se trata de dos transformaciones adiabáticas y dos transformaciones
isóbaras.
•
El método más utilizado para atemperar un espacio es el basado en
la compresión mecánica de un vapor y se compone de las siguientes
etapas:
•
•
-
Evaporación.
-
Compresión.
-
Condensación.
-
Expansión.
Para estudiar el ciclo frigorífico existen una serie de diagramas que
nos ayudan a conocer las propiedades de la sustancia sobre la que se
está actuando:
-
Diagrama Presión-Volumen (diagrama P-V o diagrama de
Andrews).
-
Diagrama Temperatura-Entropía (diagrama T-S o diagrama
entrópico).
-
Diagrama Presión-Entalpía (diagrama P-H, diagrama entálpico o
de Mollier).
-
Diagrama Entalpía-Entropía (diagrama H-S).
La psicrometría es la ciencia que estudia las propiedades
termodinámicas del aire húmedo, el efecto de la humedad atmosférica
sobre los materiales y el confort humano y los métodos para controlar
las características térmicas del aire húmedo. Los parámetros que lo
caracterizan son:
-
La humedad.
-
Aire saturado.
-
Humedad absoluta (ha).
-
La humedad relativa (hr).
-
Humedad específica.
-
Punto de rocío.
•
Temperatura del bulbo seco es la temperatura medida por termómetros
ordinarios.
•
Un termómetro de bulbo húmedo es como un termómetro ordinario
con una mecha o pedazo de tela alrededor del bulbo humedecida
con agua limpia.
120
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
•
El porcentaje de saturación, es 100 veces la relación del peso de vapor
de agua con el peso del vapor de agua necesario para saturar un
kilogramo de aire seco a la temperatura del bulbo seco.
•
Los métodos y aparatos que se utilizan para medir la humedad del
aire son:
-
Método gravimétrico de absorción.
-
Método del punto de rocío.
-
Higrómetro.
-
Psicrómetro.
•
Carta psicrométrica es una gráfica de las propiedades del aire, utilizada
para determinar cómo varían estas propiedades al cambiar su
humedad.
•
Las operaciones más comunes en el tratamiento del aire son:
-
Humidificación.
-
Humidificación por vapor de agua.
-
Calentamiento sensible.
-
Enfriamiento sensible.
-
Mezcla de dos cantidades de aire húmedo.
-
Calentamiento con deshumificación.
-
Enfriamiento con deshumificación.
121
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
GLOSARIO
Absorbente: Sustancia con la habilidad de tomar o absorber otra sustancia.
Acondicionador de aire: Dispositivo utilizado para controlar la temperatura,
humedad, limpieza y movimiento del aire en el espacio acondicionado,
ya sea para confort humano o proceso industrial.
Adiabática, compresión: Compresión de gas refrigerante, sin quitarle ni
agregarle calor.
Aeración: Combinación de las substancias con el aire.
Aire: Mezcla de gases que rodea a la tierra, compuesto mayoritariamente
por nitrógeno (N2) y oxígeno (O2).
Aire acondicionado: Control de la temperatura, humedad, limpieza y
movimiento de aire en un espacio confinado, según se requiera, para
confort humano o proceso industrial. Control de temperatura significa
calentar cuando el aire está frío, y enfriar cuando la temperatura es muy
caliente.
Aire normal (estándar): Aire que contiene una temperatura de 20° C
(68º F), una humedad relativa de 36 % y una presión de 101.325 kPa
(14.7 psia).
Aire RAM: Aire forzado a través del condensador, causado por el rápido
movimiento de un vehículo en la carretera.
Aire seco: Aire en el cual no hay vapor de agua (humedad).
Aislamiento (eléctrico): Sustancia que casi no tiene electrones libres; lo
anterior hace que sea pobre en la conducción de la corriente eléctrica.
Aislamiento (térmico): Material que es pobre conductor de calor; por lo
que se usa para retardar o disminuir el flujo de calor. Algunos materiales
aislantes son corcho, fibra de vidrio, elásticos espumados (poliuretano
y poliestireno), etc.
Ambiente: Condiciones circundantes.
Amoniaco: Combinación química de nitrógeno e hidrógeno (NH3).
También se usa como refrigerante y se identifica como R-717.
Anemómetro: Instrumento utilizado para medir la proporción del flujo
o movimiento (velocidad) del aire.
A.S.A.: Siglas de "American Standards Association". Ahora se le conoce
como "American National Standards Institute" (A.N.S.I.).
Atmósfera normal (estándar): Ver Aire Normal (Estándar).
Atomizar: Proceso de cambiar un líquido a partículas diminutas de fino
rocío.
123
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Átomo: La partícula más pequeña de un elemento; puede existir sola,
o en combinación con otros átomos.
Baño: Solución líquida usada para limpiar, recubrir o mantener una
temperatura especificada.
Bar: Unidad de presión absoluta. Un bar equivale a 100 kPa (0.9869
atmósferas).
Barómetro: Instrumento para medir la presión atmosférica. Puede estar
calibrado en mm o pulgadas de mercurio en una columna; o en Kg/cm2
o en lb/pulg2.
Bernouilli, Teorema de: En una corriente de líquido, la suma de la carga
de altura, la carga de presión y la velocidad, permanece constante a lo
largo de cualquier línea de flujo, suponiendo que no se hace ningún
trabajo por o sobre el líquido en el trayecto de su flujo; disminuye en
proporción a la pérdida de energía en el flujo.
Boyle, Ley de: Ley de física: el volumen de un gas varía al variar la presión,
si la temperatura permanece constante. Ejemplo: Si la presión absoluta
ejercida sobre un gas se aumenta al doble, su volumen se reduce a la
mitad. Si el volumen aumenta al doble, la presión del gas se reduce a la
mitad.
Bromuro de litio: Elemento químico, comúnmente utilizado como
absorbente en un sistema de refrigeración por absorción. El agua puede
ser el refrigerante.
Bulbo húmedo, termómetro: Instrumento utilizado en la medición de
la humedad relativa. La evaporación de la humedad disminuye la
temperatura de bulbo húmedo, comparada con la temperatura de bulbo
seco de la misma muestra de aire.
Bulbo seco, termómetro: Instrumento con un elemento sensible para
medir la temperatura ambiente del aire.
Bulbo sensor: Parte de un dispositivo con un fluido sellado, que reacciona
a los cambios de temperatura. Se usa para medir temperaturas o para
controlar mecanismos.
Bulbo sensor de temperatura: Bulbo que contiene un fluido volátil y
fuelle o diafragma. El aumento de temperatura en el bulbo causa que
el fuelle o diafragma se expanda.
B.T.U. (British Thermal Unit): Cantidad de calor que se requiere para
elevar un grado Fahrenheit, la temperatura de una libra de agua.
Caída de presión: Diferencia de presión en dos extremos de un circuito
o parte de un circuito. Cualquier pérdida de presión en la línea debida
a la fricción del fluido, o a una restricción en la línea.
124
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Calor: Forma de energía que actúa sobre las sustancias para elevar su
temperatura; energía asociada con el movimiento al azar de las moléculas.
Calor de compresión: Efecto de calefacción que se lleva a cabo cuando
se comprime un gas. Energía mecánica de la presión, convertida a energía
calorífica.
Calor de fusión: Calor requerido por una sustancia para cambiar del
estado sólido al estado líquido, a una temperatura constante.
Calor de respiración: Proceso mediante el cual, el oxígeno y los
carbohidratos son asimilados por una sustancia; también cuando el
bióxido de carbono y agua son cedidos por una sustancia.
Calor específico: Relación de la cantidad de calor requerida para aumentar
o disminuir la temperatura de una sustancia en 1° C, comparado con la
que se requiere para aumentar o disminuir la temperatura de una masa
igual de agua en 1° C. Se expresa como una fracción decimal.
Calor latente: Cantidad de energía calorífica requerida para efectuar un
cambio de estado (fusión, evaporación, solidificación) de una sustancia,
sin cambio en la temperatura o presión.
Calor latente de condensación: Cantidad de calor liberada por un kg de
una sustancia para cambiar su estado de vapor a líquido.
Calor latente de evaporación: Cantidad de calor requerido por un kg de
sustancia, para cambiar su estado de líquido a vapor.
Calor sensible: Calor que causa un cambio de temperatura en una
sustancia, sin que cambie de estado.
Calor solar: Calor creado por ondas visibles e invisibles del sol.
Calor total: Suma del calor sensible y del calor latente.
Caloría: Unidad para medir el calor en el sistema métrico. Equivale a la
cantidad de calor que se requiere, para elevar la temperatura de un
gramo de agua en un grado centígrado. 1000 calorías = 1 kcal.
Calorímetro: Dispositivo utilizado para medir cantidades de calor o para
determinar calores específicos.
Calor, intensidad del: Concentración de calor en una sustancia, indicada
por la temperatura de la misma, mediante el uso de un termómetro.
Cámara de refrigeración: Espacio refrigerado comercial, que se mantiene
a temperaturas por debajo de la ambiental.
Cambio de estado: Condición en la cual una sustancia cambia de sólido
a líquido o de líquido a gas, debido a la aplicación de calor. O a la inversa,
cuando una sustancia cambia de gas a líquido o de líquido a sólido,
debido a la remoción de calor.
125
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Cambio físico: Es aquél que ocurre externamente. No existe un cambio
interno en la estructura de la materia, ya que no existe una reordenación
de átomos; no se forman sustancias nuevas. Es un cambio de estado, por
tanto es reversible.
Campo magnético: Espacio en el que existen líneas o fuerzas magnéticas.
Capacidad: Sistema de clasificación en refrigeración. Medido generalmente
en kcal/h o en watios/h, (o en btu/h).
Capacitancia (C): Propiedad de un no-conductor (condensador o
capacitor) que permite almacenar energía eléctrica en un campo
electrostático.
Carga de refrigerante: Cantidad de refrigerante colocada en un sistema
de refrigeración.
Carga térmica: Cantidad de calor medida en watios, kcal o btu, la cual
es removida durante un período de 24 horas.
Carta psicrométrica: Carta (gráfica) que muestra las relaciones entre las
propiedades del aire, tales como presión, temperatura, contenido de
humedad, volumen específico, etc.
Centígrada, escala: Escala de temperatura usada en el sistema métrico.
El punto de congelación del agua es de 0º C, el punto de ebullición es
de 100° C.
Cero absoluto (temperatura): Temperatura a la cual cesa todo movimiento
molecular. (-273º C y -460º F).
Charles, Ley de: El volumen de una masa dada de gas, a presión constante,
varía de acuerdo a su temperatura.
Ciclo: Serie de eventos u operaciones, las cuales tienen una tendencia
a repetirse en el mismo orden.
Ciclo de paro: Segmento del ciclo de refrigeración cuando el sistema no
está operando.
Ciclo intermitente: Ciclo que se repite a intervalos variables de tiempo.
Cilindro: 1.- Dispositivo que convierte fuerza de un fluido en fuerza y
movimiento mecánico lineal. Éste consiste, usualmente, de elementos
móviles tales como un pistón, biela y émbolo, operando dentro de un
cilindro. 2.- Contenedor cerrado para fluidos.
Coeficiente de expansión: Incremento en longitud, área o volumen de
la unidad, por un grado de aumento en la temperatura.
Compresión: Término utilizado para denotar el proceso de incrementar
la presión, sobre un volumen dado de gas, usando energía mecánica. Al
hacer esto, se reduce el volumen y se incrementa la presión del gas.
126
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Compresor: Máquina en sistemas de refrigeración, hecha para succionar
vapor del lado de baja presión en el ciclo de refrigeración, y comprimirlo
y descargarlo hacia el lado de alta presión del ciclo.
Condensación: Proceso de cambiar de estado un vapor o un gas a líquido,
al enfriarse por debajo de su temperatura de saturación o punto de rocío.
Condensado: Líquido que se forma cuando se condensa un vapor.
Condensador: Componente del mecanismo de refrigeración, que recibe
del compresor vapor caliente a alta presión, enfriándolo y regresándolo
luego a su estado líquido. El enfriamiento puede ser con aire o con agua.
Condensar: Acción de cambiar un gas o vapor a líquido.
Condiciones normales: Condiciones que se usan como base para los
cálculos en acondicionamiento de aire: temperatura de 20° C, presión
de 101.325 kPa y humedad relativa de 30 %.
Conducción: Flujo de calor entre sustancias, por medio de vibración de
las moléculas.
Conductividad: Habilidad de una sustancia para conducir o transmitir
calor y/o electricidad.
Conductividad, Coeficiente de: Medición de la proporción relativa, a la
cual, diferentes materiales conducen el calor. El cobre es un buen
conductor del calor, por lo tanto, tiene un coeficiente de conductividad
alto.
Conductor: Sustancia o cuerpo capaz de transmitir electricidad o calor.
Congelación: Cambio de estado de líquido a sólido.
Control: Dispositivo manual o automático, utilizado para detener, arrancar
y/o regular el flujo de gas, líquido y/o electricidad.
Convección: Transferencia de calor por medio del movimiento o flujo
de un fluido.
Convección forzada: Transferencia de calor que resulta del movimiento
forzado de un líquido o un gas, por medio de una bomba o un ventilador.
Convección natural: Circulación de un gas o un líquido, debido a la
diferencia en densidad resultante de la diferencia de temperaturas.
Conversión, Factores de: La fuerza y la potencia pueden ser expresadas
en más de una manera. Un hp es equivalente a 746 watios, 33,000 pielb de trabajo ó 2,546 btu/h. Estos valores pueden utilizarse para cambiar
de unas unidades a otras.
Criogenia: Refrigeración que trata con la producción de temperaturas
de -155º C y más bajas.
127
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Densidad: Estrechez de la textura o consistencia de partículas, dentro
de una sustancia. Se expresa como peso por unidad de volumen.
Desaereación: Acto de separar el aire de las sustancias.
Desecante: Sustancia utilizada para colectar y retener humedad, en un
sistema de refrigeración. Los desecantes comunes son la sílica gel, la
alúmina activada y el tamiz molecular.
Deshidratador: Sustancia o dispositivo que se utiliza, para remover la
humedad, en un sistema de refrigeración.
Deshielo: Proceso de remover la acumulación de hielo o escarcha de los
evaporadores.
Deshielo automático: Sistema de remover hielo o escarcha de los
evaporadores, de manera automática.
Deshielo con aire: Proceso de remover el hielo o la escarcha acumulada
en el serpentín del evaporador, utilizando los abanicos del mismo
evaporador, deteniendo previamente el paso de refrigerante líquido. El
aire circulado, debe tener una temperatura por encima de la de
congelación.
Deshielo con agua: Uso de agua para derretir el hielo y la escarcha de
los evaporadores, durante el ciclo de paro.
Deshielo por gas caliente: Sistema de deshielo en el cual el gas refrigerante
caliente del lado de alta es dirigido a través del evaporador por cortos
períodos de tiempo, y a intervalos predeterminados, para poder remover
la escarcha del evaporador.
Deshielo, Ciclo de: Ciclo de refrigeración en el cual, la acumulación de
hielo y escarcha es derretida en el evaporador.
Deshielo, Reloj de (Timer): Dispositivo conectado a un circuito eléctrico,
el cual detiene la unidad el tiempo suficiente, para permitir que se derrita
la acumulación de hielo y escarcha sobre el evaporador.
Deshumidificador: Dispositivo usado para remover la humedad del aire.
Desplazamiento del compresor: Volumen en m3, representado por el
área de la cabeza del pistón o pistones, multiplicada por la longitud de
la carrera. Este es el desplazamiento real, no el teórico.
Destilación, aparato de: Dispositivo de recuperación de fluidos, que se
usa para recuperar refrigerantes. La recuperación se hace normalmente
evaporando, y luego re-condensando el refrigerante.
Desvío (By pass): Pasadizo en un lado o alrededor de un pasaje regular.
Desvío (By Pass) de gas caliente: Arreglo de tubería en la unidad de
refrigeración, la cual conduce gas refrigerante caliente del condensador
al lado de baja presión.
128
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Diagrama de Molliere: Gráfica de las propiedades de un refrigerante,
tales como: presión, temperatura, calor, etc.
Diclorodifluorometano: Refrigerante comúnmente conocido como R12.
Diferencial: La diferencia de temperatura o presión, entre las temperaturas
o presiones de arranque y paro, de un control SA.
Difusor de aire: Rejilla o salida de distribución de aire, diseñada para
dirigir el flujo de aire hacia los objetivos deseados.
Dinamómetro: Dispositivo para medir la salida o entrada de fuerza de
un mecanismo.
Endotérmica, reacción: Reacción química en la cual se absorbe calor.
Energía: Habilidad real o potencial de efectuar trabajo.
Energía cinética: Energía asociada al movimiento.
Energía electromagnética: Energía que tiene características eléctricas y
magnéticas. La energía solar es electromagnética.
Energía, Conservación de la: Proceso de instituir cambios que resultarán
en ahorros de energía, sobre la revisión de los cálculos para determinar
las cargas principales.
Enfriador: Intercambiador de calor que remueve calor de las sustancias.
Enfriador de aire: Mecanismo diseñado para bajar la temperatura del
aire que pasa a través de él.
Entalpía: La cantidad de calor en un kilogramo de sustancia, calculada
de una base de temperatura aceptada. La temperatura de 0º C, es una
base aceptada para los cálculos del vapor de agua. Para cálculos de
refrigeración, la base aceptada es de -40º C.
Entropía: Medida de la cantidad de energía que no puede convertirse
en trabajo.
Equilibrio térmico: Cuando la transferencia de energía entre un sistema
y otro o su entorno oscila entre un máximo y un mínimo. El valor de la
variación en la entropía de un sistema aislado en equilibrio térmico
siempre será positivo.
Escala centígrada: Escala de temperaturas usada en el sistema métrico.
El punto de congelación de agua, a la presión atmosférica normal, es de
0º C, y el punto de ebullición es de 100º C.
Escala Fahrenheit: En un termómetro Fahrenheit, bajo la presión
atmosférica normal, el punto de ebullición del agua es de 212º F, y el
punto de congelación es de 32º F arriba de cero.
129
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Escala Kelvin (K): Escala de temperatura, en la cual, la unidad de medición
es igual al grado centígrado, y de acuerdo a la cual, el cero absoluto es
0º K, equivalentes a -273.16º C. En esta escala el agua se congela a 273.16º
K y bulle a 373.16º K.
Escala Rankine (R): Nombre dado a la escala de temperaturas absolutas,
cuyas unidades son similares a los grados Fahrenheit. El cero (0º R) en
esta escala equivale a -460º F.
Estado gaseoso: Estado de la materia que no posee volumen ni forma
fija.
Estado líquido: Estado de la materia que posee volumen fijo, pero no
forma fija.
Estado sólido: Estado de la materia que posee volumen y forma fijos.
Estratificación del aire: Condición en la que hay poco, o ningún
movimiento de aire, en un cuarto. El aire permanece en capas de
temperaturas.
Eutéctico: Cierta mezcla de dos sustancias, que proporciona la temperatura
de fusión más baja de todas las mezclas, de esas dos sustancias.
Eutéctico, Punto: Temperatura de congelación para soluciones eutécticas.
Evacuación: Renovación de aire (gas) y humedad, de un sistema de
refrigeración o aire acondicionado, mediante una bomba de vacío.
Evaporación: Término aplicado al cambio de estado de líquido a vapor.
En este proceso se absorbe calor.
Evaporador: Componente del mecanismo de un sistema de refrigeración,
en el cual, el refrigerante se evapora y absorbe calor.
Exotérmica, reacción: Reacción química en la que se libera calor.
Expansión: Aumento del volumen de un cuerpo por efecto del incremento
de la temperatura o la disminución de presión.
Factor de potencia: Coeficiente de corrección para los valores de la
corriente o voltaje cambiante de la fuerza de CA.
Fase: Distinta función operacional durante un ciclo.
Fluido: Sustancia que puede estar en estado líquido o gaseoso. Sustancia
que contiene partículas, las cuales mueven y cambian de posición sin
separación de la masa.
Fluido criogénico: Sustancia que existe como líquido o como gas, a
temperaturas ultra bajas (-157º C o menores).
Frío: La ausencia de calor. Temperatura considerablemente abajo de la
normal.
130
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Fuerza: La fuerza es una presión acumulada, se expresa en Newtons (N)
en el Sistema Internacional, o en libras (Lb), en el Sistema Inglés.
Fundente: Sustancia aplicada a las superficies que van a ser unidas por
soldadura, para evitar que se formen óxidos y para producir la unión.
Fusión: Paso de sólido a líquido al aumentar la temperatura.
Gas: Fase o estado de vapor de una sustancia. Un gas es un vapor
sobrecalentado, muy lejos de su temperatura de saturación.
Gas inerte: Gas que no cambia de estado ni químicamente, cuando está
dentro de un sistema, aunque se exponga a otros gases.
Gas instantáneo (Flash Gas): Evaporación instantánea de refrigerante
líquido en el evaporador, lo que enfría el refrigerante líquido remanente,
a la temperatura de evaporación deseada.
Gas licuado: Gas por debajo de cierta temperatura y por encima de cierta
presión, que se vuelve líquido.
Gas no condensable: Gas que no se convierte en líquido a las temperaturas
y presiones de operación.
Halógenos: Grupo de elementos a los que pertenecen el yodo, el bromo,
el cloro y el flúor.
Hertz (Hz): Unidad para medir la frecuencia. Término correcto para
referirse a los ciclos por segundo.
Hg (Mercurio): Elemento metálico pesado color plata. Es el único metal
líquido a temperaturas ambiente ordinarias.
Hidráulica: Rama de la física que tiene que ver con las propiedades
mecánicas del agua y otros líquidos en movimiento. El flujo del refrigerante
líquido. También contiene un elemento sensible a la humedad, cuyo
color indica el contenido de humedad.
Infiltración: Paso del aire exterior hacia el edificio, a través de ventanas,
puertas, grietas, etc.
Instrumento: Dispositivo que tiene habilidades para registrar, indicar,
medir y/o controlar.
Intensidad del calor: Concentración de calor en una sustancia, como se
indica por la temperatura de esa sustancia, mediante el uso de un
termómetro.
Intercambiador de calor: Dispositivo utilizado para transferir calor de
una superficie caliente a una superficie menos caliente (los evaporadores
y condensadores son intercambiadores de calor).
Interenfriamiento: Enfriamiento de vapor y líquido en un sistema de
refrigeración de doble etapa. El vapor de la descarga de la primera etapa
131
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
es enfriado hasta casi su temperatura de saturación, antes de entrar a la
siguiente etapa de compresión. También, el líquido del recibidor de la
segunda etapa puede ser enfriado a la temperatura de succión intermedia.
Hidrocarburos: Compuestos orgánicos que contienen solamente
hidrógeno y carbono, en varias combinaciones.
Hidrómetro: Instrumento flotante utilizado para medir la gravedad
específica de un líquido.
Hielo seco: Sustancia refrigerante hecha de dióxido de carbono sólido,
el cual cambia de sólido a gas (se sublima). Su temperatura de sublimación
es de -78º C.
Higrómetro: Instrumento utilizado para medir el grado de humedad en
la atmósfera.
Higroscópico: Habilidad de una sustancia para absorber y soltar humedad,
y cambiar sus dimensiones físicas, conforme cambia su contenido de
humedad.
HP (Horsepower): Unidad de potencia que equivale a 33,000 pie-lb de
trabajo por minuto. Un HP eléctrico es igual a 745.7 watios.
Humedad: Vapor de agua presente en el aire atmosférico.
Humedad absoluta: Cantidad de humedad (vapor de agua) en el aire,
indicada en g/m3 de aire seco.
Humedad relativa (hr): La cantidad de humedad en una muestra de aire,
en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría, estando
totalmente saturado y a la misma temperatura.
Humidificador: Dispositivo utilizado para agregar y controlar humedad.
Humidistato: Control eléctrico operado por cambios de humedad.
Isoterma: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que en una
gráfica representan un cambio a temperatura constante.
Isotérmica (expansión o contracción): Acción que se lleva a cabo sin un
cambio de temperatura.
Isotérmico: Cambio de volumen o presión bajo condiciones de
temperatura constante.
Joule (J): Unidad de energía del Sistema Internacional (SI). Un Joule
equivale al trabajo realizado por la fuerza de un Newton, cuando el punto
de aplicación se desplaza una distancia de un metro, en dirección de la
fuerza.
Joule-Thomson, Efecto: Cambio en la temperatura de un gas, al expandirse
a través de un tapón poroso, desde una presión alta a una presión más
baja.
132
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Kelvin: (Ver Escala Kelvin).
Kilo Volt Ampere (KVA): Unidad de flujo eléctrico igual al voltaje,
multiplicado por el amperaje, y dividido entre mil. Unidad de fuerza que
se usa cuando el circuito de fuerza, tiene un factor de potencia diferente
a 1.0. (KW = KVA x cos 0). «Nota 1».
Kilocaloría: Unidad de energía y trabajo, equivalente a mil calorías. Ver
caloría.
Kilopascal (kPa): Unidad de presión absoluta equivalente a mil Pascales.
Ver Pascal.
Kilowatio (kW): Unidad de potencia equivalente a mil Watios. Ver Watio.
Ley de Dalton: "La presión de vapor creada en un recipiente, por una mezcla
de gases, es igual a la suma de las presiones de vapor individuales de los gases,
contenidos en la mezcla".
Licor: En refrigeración, se llama así a la solución utilizada en los sistemas
de refrigeración por absorción.
Limpiador de aire: Dispositivo utilizado para remover impurezas
producidas en el aire.
Línea de descarga: En un sistema de refrigeración, es la tubería que
acarrea el gas refrigerante, desde el compresor hasta el condensador.
Línea de líquido: Tubería que acarrea refrigerante líquido, desde el
condensador o recibidor hasta el mecanismo de control de refrigerante.
Línea de succión: Tubería que acarrea refrigerante gaseoso, desde el
evaporador hasta el compresor.
Línea de tierra: Alambre eléctrico que conduce electricidad de manera
segura, desde una estructura hacia el suelo.
Líquido: Sustancia cuyas moléculas se mueven libremente entre sí, pero
que no tienden a separarse como las de un gas.
Líquidos inflamables: Líquidos que tienen un punto de encendido abajo
de 60º C (140º F), y una presión de vapor que no excede los 276 kPa (40
psia) a 38º C (100º F).
Lubricación forzada: Sistema de lubricación que utiliza una bomba, para
forzar al aceite hacia las partes móviles.
Lubricación por salpicadura: Método de lubricar las partes móviles,
agitando o salpicando el aceite dentro del cárter.
Manómetro: Instrumento para medir presiones de gases y vapores. Es
un tubo de vidrio (o plástico) en forma de "U", con una cantidad de
líquido (agua o mercurio) y los extremos abiertos.
133
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Manómetro compuesto: Instrumento para medir presiones por arriba y
abajo de la presión atmosférica.
Manómetro de alta presión: Instrumento para medir presiones en el
rango de 0 a 500 psig (101.3 a 3,600 kPa).
Manómetro de baja presión: Instrumento para medir presiones en el
rango de 0 a 50 psia (0 a 350 kPa).
Manómetro de Bourdon: Instrumento para medir presión de gases y
vapores, el cual se basa en el tubo de Bourdon. Son circulares y consisten
de carátula y aguja para indicar la presión.
Manómetro de compresión: Instrumento usado para medir presiones
positivas (arriba de la presión atmosférica) solamente. La carátula de
estos manó-metros, normalmente va de 0 a 300 psig (101.3 a 2,170 kPa).
Masa: Cantidad de materia mantenida junta, de tal manera que forma
un cuerpo.
Masa molar: Masa (por lo general en gramos) de un mol de sustancia.
Materia: Todo aquello que tiene masa y volumen.
MBH: Miles de BTU (14 MBH = 14,000 BTU).
Medidor de flujo: Instrumento utilizado para medir la velocidad o el
volumen de un fluido en movimiento.
Megohmio: Unidad para medir la resistencia eléctrica. Un meghomio es
igual a un millón de ohms.
Mercoid, bulbo: Interruptor de circuito eléctrico, que utiliza una pequeña
cantidad de mercurio en un tubo de vidrio sellado, para hacer o romper
contacto eléctrico con las terminales dentro del tubo.
Micro: La millonésima parte de una unidad especificada.
Microfaradio (mfd): Unidad de la capacidad eléctrica de un capacitor.
Un microfaradio es igual a la millonésima parte de un faradio.
Micrómetro: Instrumento de medición, utilizado para hacer mediciones
precisas hasta de 0.01 mm.
Micrón: Unidad de longitud en el sistema métrico, que equivale a la
milésima parte (1/1000) de un milímetro.
Microprocesador: Componente eléctrico compuesto de circuitos
integrados, los cuales pueden aceptar y almacenar información, y controlar
un dispositivo de capacidad.
Mili: Prefijo utilizado para denotar una milésima parte (1/1,000); por
ejemplo, milivoltio significa la milésima parte de un voltio.
Mirilla: Tubo o ventana de vidrio en el sistema de refrigeración, que sirve
134
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
para mostrar la cantidad de refrigerante o aceite, e indica la presencia
de burbujas de gas en la línea de líquido.
Mol: Unidad utilizada en química, que corresponde a la cantidad de:
átomos, iones, moléculas, electrones, protones u otras entidades específicas
cuyo valor es 6 *10 23 unidades.
Molécula: La parte más pequeña de un átomo o un compuesto, que
retiene la identidad química de esa sustancia.
Monóxido de Carbono (CO): Gas incoloro, inodoro y venenoso. Se
produce cuando se quema carbón o combustibles carbonosos con muy
poco aire.
Motor: Máquina rotatoria que transforma energía eléctrica en movimiento
mecánico.
Neopreno: Hule sintético, resistente al aceite y gas hidrocarburo.
Neutralizador: Sustancia utilizada para contrarrestar ácidos, en un sistema
de refrigeración.
Neutrón: La parte del núcleo de un átomo, el cual no tiene potencial
eléctrico; eléctricamente es neutro.
Newton: Unidad de fuerza del Sistema Internacional (SI), equivalente
a la fuerza ejercida sobre un objeto que tiene una masa de un kilogramo,
y una aceleración gravitacional de 1 m/seg2.
Nitrógeno líquido: Nitrógeno en forma líquida, utilizado como refrigerante
de baja temperatura, en sistemas de refrigeración sacrificables o químicos.
Número de Reynolds: Relación numérica de las fuerzas dinámicas del
flujo de masa, con el esfuerzo puro debido a la viscosidad.
Ohm (R): Unidad de medición de la resistencia eléctrica. Un ohm existe,
cuando un voltio causa un flujo de un ampere.
Óhmetro: Instrumento para medir la resistencia eléctrica en ohms.
Ohm, Ley de: Relación matemática entre el voltaje, la corriente y la
resistencia en un circuito eléctrico, descubierta por George Simon Ohm.
Esta se establece como sigue: el voltaje (V), es igual a la corriente en
amperes (I), multiplicada por la resistencia (R) en ohms; V = I x R.
Orgánico: Perteneciente a o derivado de organismos vivos.
Orificio: Abertura de tamaño exacto para controlar el flujo de fluidos.
Ozono: Una forma de oxígeno, O3, que tiene tres átomos en su molécula,
generalmente es producido por descargas eléctricas a través del aire. La
capa de ozono es la capa externa de la atmósfera de la tierra, que absorbe
la luz ultravioleta del sol, y protege a las capas más bajas y a la tierra de
los dañinos rayos. En esta capa de ozono se han producido agujeros
causados por el cloro. Los clorofluorocarbonos (CFC's) contienen cloro,
y cuando se liberan a la atmósfera, deterioran la capa de ozono.
135
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Pascal (Pa): Unidad de presión absoluta en el sistema internacional (SI);
es igual a la fuerza de un Newton ejercida sobre una superficie de un
m2; Pa = N/m2. Para algunos fines científicos o prácticos, el Pascal puede
resultar una unidad muy pequeña, por lo que entonces se utiliza el
kiloPascal (kPa) o el BAR. 1 kPa = 1,000 Pa y 1 BAR = 100 kPa.
Pascal, Ley de: Esta ley establece que la presión aplicada a un fluido, se
transmite igualmente en todas direcciones. Para honrar a Pascal, el
sistema internacional de unidades (SI), utiliza el término Pascal como
unidad de presión.
pH: Medición de la concentración de iones de hidrógeno libres en una
solución acuosa. El rango del pH va de 1 (acidez) hasta 14 (alcalinidad).
Un pH de 7 es neutro.
Piezoeléctrico: Propiedad del cristal de cuarzo que le causa vibración
cuando se le aplica un voltaje de alta frecuencia (500 kHz o más alto).
Este concepto se utiliza para atomizar agua en un humidificador.
Pirómetro: Instrumento utilizado para medir altas temperaturas.
Presión: Energía impactada sobre una unidad de área. Fuerza o empuje
sobre una superficie.
Presión absoluta: Es la suma de la presión manométrica más la presión
atmosférica.
Presión atmosférica: Presión que ejerce el aire atmosférico sobre la tierra.
Se mide en kPa, mm de Hg, kg/cm2, lb/pulg2, etc. Al nivel del mar, tiene
un valor de 101.325 kPa (14.696 lb/pulg2).
Presión crítica: Condición comprimida del refrigerante, en la cual el
líquido y el gas tienen las mismas propiedades.
Presión de alta: Término empleado para referirse a la presión a la que
se lleva a cabo la condensación, en un sistema de refrigeración.
Presión de baja: Presión del lado de baja del ciclo de refrigeración, a la
que se lleva a cabo la evaporación.
Presión de condensación: Presión dentro de un condensador, a la que
el vapor de refrigerante cede su calor latente de evaporación y se vuelve
líquido. Varía con la temperatura.
Presión de diseño: La más alta o más severa presión esperada, durante
la operación. Algunas veces se usa como la presión de operación calculada,
más una tolerancia por seguridad.
Presión de operación: Presión real a la cual trabaja el sistema, bajo
condiciones normales. Puede ser positiva o negativa (vacío).
Presión de succión: En un sistema de refrigeración, se llama así a la
presión a la entrada del compresor.
136
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Presión de vapor: Presión ejercida por un vapor o un gas.
Presión estática: Presión de un fluido, expresada en términos de la altura
de columna de un fluido, tal como el agua o el mercurio.
Presión piezométrica: En un sistema de refrigeración, se llama así a la
presión contra la que descarga el compresor. Comúnmente, es la presión
que existe en el lado del condensador y se mide en la descarga del
compresor.
Presiones parciales: Condición donde dos o más gases ocupan un espacio,
cada uno ejerciendo parte de la presión total.
Primera Ley de la Termodinámica: La energía no se crea ni se destruye,
sólo se transforma (ley de la conservación de la energía).
Proceso: Cambio de estado termodinámico de un sistema.
Proceso irreversible: Proceso que no puede revertirse desde su estado
final hasta su estado inicial. Todos los procesos conocidos en nuestro
universo son irreversibles. Todos los procesos están ligados a la entropía,
de tal modo que si alguien afirmara que un proceso es reversible, él
estaría sugiriendo que dicho proceso viola la segunda ley de la
termodinámica.
Proceso reversible: Proceso cuya trayectoria entre los estados inicial y
final se puede conocer (de trayectoria conocida) y revertirse hasta su
estado inicial. No existen procesos reversibles en el universo real.
PSI: Iniciales de "pounds per square inch", se usan para expresar presiones
en el sistema inglés.
PSIA: Iniciales de "pounds per square inch absolute", se usan para
expresar presiones absolutas en el sistema inglés.
Psicrométrica, medición: Medición de las propiedades del aire: como
temperatura, presión, humedad, etc., utilizando una carta psicrométrica.
Psicrómetro: Instrumento para medir la humedad relativa del aire.
PSIG: Iniciales de "pounds per square inch gauge", se usan para expresar
presiones manométricas en el sistema inglés.
Punto de congelación: Temperatura a la cual se solidifica un líquido al
removerle calor. La temperatura (o punto) de congelación del agua es
de 0º C (32º F), a la presión normal o atmosférica.
Punto de congelación, depresión del: Temperatura a la cual se forma
hielo, en una solución de agua con sal.
Punto de ebullición: Temperatura a la que un líquido hierve, bajo la
presión atmosférica de 101.3 kPa. El punto de ebullición del agua pura
es de 100º C a nivel del mar.
137
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Punto de fusión: Temperatura a la cual se derrite o se funde una sustancia
a la presión atmosférica.
Punto de ignición: En los líquidos, es la temperatura a la cual arden, y
continúan quemándose, por lo menos durante 5 segundos.
Punto de inflamación: En los líquidos, es la temperatura más baja, en la
cual el vapor que existe sobre la superficie se inflama cuando se expone
a una llama, pero que se apaga inmediatamente.
Punto triple: Condición de presión-temperatura, en la cual una sustancia
está en equilibrio (balance) en los estados sólido, líquido y vapor.
Quemadura por congelación: Condición aplicada a los alimentos que no
han sido debidamente envueltos, y que se han vuelto duros, secos y
descoloridos.
Radiación: Transmisión de calor por rayos térmicos u ondas
electromagnéticas.
Rango: Ajuste de presión o temperatura de un control; cambio dentro
de los límites.
Rankine: Ver escala Rankine.
Reacción endotérmica: Reacción que absorbe energía del medio ambiente.
Reacción exotérmica: Reacción que libera energía al medio ambiente.
Recocido: Proceso de tratar un metal térmicamente, para obtener
propiedades deseadas de suavidad y ductilidad.
Refrigerante: Sustancia utilizada en los mecanismos de refrigeración.
Absorbe calor en el evaporador, cambiando de estado de líquido a vapor,
liberando su calor en un condensador, al regresar de nuevo del estado
gaseoso al estado líquido.
Relación de compresión: Relación de volumen del espacio muerto con
el volumen total del cilindro. En refrigeración, también se utiliza como
la relación de la presión absoluta del lado de alta, entre la presión absoluta
del lado de baja.
Rendimiento termodinámico: Medida de la capacidad de una máquina
térmica para transferir por medio de trabajo (W) parte de la energía
absorbida (Qc) desde la fuente caliente, de acuerdo con las limitaciones
resultantes de la Segunda Ley de la Termodinámica. La definición
operacional de Rendimiento Termodinámico es la siguiente
Como la Primera Ley de la Termodinámica establece que W=QcQf,entonces, alternativamente se puede expresar
138
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
donde Qf es la energía transferida por medio de calor hacia la fuente
fría (descarga de calor residual). Como necesariamente se debe cumplir
que Qf>0, entonces para toda máquina térmica h <1 (o sea, ninguna
máquina térmica puede tener un rendimiento del 100%).
Rocío: Humedad atmosférica condensada, depositada en forma de
pequeñas gotas sobre las superficies frías.
Rocío, Punto de: Temperatura a la cual el vapor de agua del aire (a 100%
de humedad relativa) comienza a condensarse y depositarse como líquido.
Saturación: Condición existente, cuando una sustancia contiene la mayor
cantidad que pueda retener, de otra sustancia, a esa presión y temperatura.
Segunda Ley de la Termodinámica: El calor no fluye espontáneamente
de un sistema frío a otro más caliente.
SI: Ver Sistema de Unidades SI.
Sistema: Cantidad de materia incluida entre límites reales o imaginarios.
Sistema abierto: Es un sistema que realiza transferencia de masa hacia
adentro y hacia afuera del sistema.
Sistema aislado: Es aquél que no tiene ninguna interacción con su
entorno. No existen sistemas aislados en el universo
Sistema cerrado: Es un sistema en el que no puede haber transferencia
de masa a través de sus límites (sistema con masa constante). Sólo existen
como modelos hipotéticos.
Sistema de Unidades SI (Le Systéme Internacional d' Unitès): Sistema
de mediciones creado para usarse internacionalmente. En prácticamente
todos los países europeos es obligatorio; algunos países, como Estados
Unidos, no lo han adoptado aún, por la consabida razón del tiempo y
costo que implica el cambio. En nuestro país, tampoco se ha impuesto
totalmente por la influencia del sistema métrico; aunque algunas unidades
son comunes a ambos sistemas.
Sistema Métrico Decimal: Sistema decimal de mediciones.
Sistema No-Aislado: Es aquél que tiene interacción con su entorno.
Sistema Unitario: Sistema de calefacción/refrigeración, ensamblado de
fábrica en un solo paquete; es comúnmente diseñado para acondicionar
un espacio o cuarto.
Sobrecalentamiento: 1- Temperatura del vapor arriba de su temperatura
de ebullición (saturación) a la misma presión. 2- La diferencia entre la
temperatura a la salida del evaporador, y la temperatura más baja del
139
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
refrigerante que se está evaporando en el evaporador.
Solidificación: Paso de líquido a sólido.
Solución: Líquido mezclado con otro líquido o sólido completamente
disuelto. Una solución acuosa de bromuro de litio (comúnmente usada
en sistemas de absorción), es agua con una cantidad de bromuro de litio
disuelta. Las soluciones "fuertes" o "débiles", son aquellas con
concentraciones altas o bajas, respectivamente, de otro líquido o sólido.
Subenfriamiento: Enfriamiento de refrigerante líquido, abajo de su
temperatura de condensación.
Sublimación: Condición donde una sustancia cambia de sólido a gas, sin
volverse líquido.
Sustancia: Cualquier forma de materia o material.
Sustancia pura: Aquélla que no puede descomponerse en otra más simple
mediante cambios físicos. Posee propiedades características que permiten
identificarla como por ejemplo densidad, temperatura de ebullición,
temperatura de fusión, etc.
Temperatura: 1- Intensidad de calor o frío, tal como se mide con un
termómetro. 2- Medición de la velocidad del movimiento de las moléculas.
Temperatura: Temperatura medida desde el cero absoluto.
Temperatura ambiente: Temperatura de un fluido (generalmente el
aire), que rodea un objeto por todos lados.
Temperatura crítica: Temperatura a la cual el vapor y el líquido tienen
las mismas propiedades.
Temperatura de bulbo húmedo: Medición del grado de humedad. Es la
temperatura de evaporación de una muestra de aire.
Temperatura de bulbo seco: Temperatura del aire, medida con un
termómetro ordinario.
Temperatura de condensación: Temperatura dentro de un condensador,
en el que el vapor de refrigerante cede su calor latente de evaporación
y se vuelve líquido. Varía con la presión.
Temperatura de ebullición: Temperatura a la cual un líquido cambia a
gas.
Temperatura efectiva: Efecto global de la temperatura sobre un humano,
humedad y movimiento del aire.
Termodinámica: Rama de las ciencias; trata con las relaciones entre el
calor y la acción mecánica.
Termómetro: Instrumento para medir temperaturas.
140
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
Termostato: Dispositivo que detecta las condiciones de la temperatura
ambiente, y a su vez, acciona para controlar un circuito.
Trabajo: Forma de transferencia de energía entre un sistema y su medio
exterior, que se manifiesta por la actuación de fuerzas capaces de provocar
distintos efectos, tales como desplazamientos, deformaciones y otros.
Transmisión: Pérdida o ganancia de calor desde un edificio, a través de
componentes exteriores como ventanas, paredes, pisos, etc.
Transmisión de calor: Movimiento de calor desde un cuerpo o sustancia
a otro. El calor puede transmitirse por radiación, conducción, convección
o combinación de las tres anteriores.
Unión: Punto de conexión (como entre dos tubos).
Unión caliente: La parte de un circuito termoeléctrico que libera calor.
Vacío: Presión menor que la atmosférica.
Vapor: Estado o fase de una sustancia que está en su temperatura de
saturación, o muy cercano a ella.
Vapor saturado: Vapor que se encuentra a las mismas condiciones de
temperatura y presión que el líquido del cual se está evaporando. Es
decir, si este vapor se enfría, se condensa.
Vaporización: Cambio del estado líquido al gaseoso.
Ventilación: Flujo de aire forzado, por diseño, entre un área y otra.
Volumen específico: Volumen por unidad de masa de una sustancia
(m3/kg).
Watio: Unidad de potencia, equivale a la potencia producida al realizar
un trabajo de 1 Joule por segundo (1 Watio = 1 J/s).
Zona de confort: Área sobre una carta psicrométrica, que muestra las
condiciones de temperatura, humedad, y algunas veces, el movimiento
del aire, en que la mayoría de la gente se siente confortable.
141
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN
1. ¿Para qué sirve la termodinámica?
2. Definición de energía.
3. ¿Qué es el calor y qué relación tiene con la energía?
4. Definición de frío. Comentar la relación que guarda con el calor.
5. Nombra las formas de transmisión de calor que existen e indica a
que forma corresponden los siguientes ejemplos:
-
Radiadores
-
Paso del calor a través de las paredes de casa.
-
Sol
-
Calentamiento del mango de una cazuela que está al fuego
6. Definición de Temperatura.
7. Nombra tres escalas termométricas, cómo se denominan sus unidades
y cómo se denota.
8. Cual será la longitud final de una varilla de aluminio de 200 metros
si su temperatura inicial era de 5 ºC y se calienta hasta que alcanza
los 55ºC.
9. Realiza la conversión de las siguientes cantidades de calor de unas
unidades a otras según se indica:
1200 kcal =
cal
4500 kJ =
kcal
3274 kcal =
Btu
128 kJ =
J
17 Kcal =
kJ
10 kJ =
Btu
78 J =
kJ
21 Btu =
kcal
114 cal =
kcal
357 Btu =
Kj
10. Determina el nombre de una sustancia sabiendo que son necesarios
408.7 calorías para elevar en 7ºC la temperatura de 30kg de dicha
sustancia.
11. Definición de calor latente.
143
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
12. Definición de calor sensible.
13. Nombra los estados en los que nos podemos encontrar la materia en
la naturaleza, y la denominación de los procesos de cambio de fase
que puede sufrir una sustancia.
14. ¿Que es el punto crítico de una sustancia?
15. Enumera las tres leyes que sirven de base para el estudio de los gases
y las variables que se tienen en cuenta en estas leyes.
16. ¿Qué es un gas ideal?
17. ¿Qué es el factor de compresibilidad y para qué es útil?
18. Da una definición de trabajo y di qué relación guarda este concepto
con la energía.
19. Enumera los tipos de transformaciones del calor que conozcas y
expón en qué consisten.
20. ¿Qué potencia tiene una máquina que es capaz de realizar un trabajo
de 800 J cada 2 minutos? ¿Cuánto tiempo tarda en realizar un trabajo
de 80 kJ una máquina de 7kW de potencia?
21. Indica el rendimiento teórico que obtendríamos de una máquina
que realiza un ciclo de trabajo en 2 minutos entre 15 y 10 ºC.
22. ¿Cuál es el método más utilizado para refrigerar un espacio? Nombra
las partes que componen el proceso.
23. Nombra los diagramas que conozcas para el estudio de instalaciones
frigoríficas.
24. Enumera las acciones más importantes a realizar a la hora de
acondicionar aire de climatización.
25. ¿Qué estudia la psicrometría?
26. Nombra características del aire seco.
27. ¿A qué hace referencia la expresión humedad en el ambiente?
28. Lista los parámetros a tener en cuenta en el tratamiento del aire para
climatización o acondicionamiento de espacio.
29. ¿En qué método de medición de la humedad se enfría una superficie
metálica hasta que aparezcan condensaciones sobre ella?
30. ¿Qué aparato de medida está formado por un conjunto de dos
termómetros, uno seco y otro húmedo?
31. A una muestra de aire se le midió la humedad relativa, utilizando un
higrómetro y ésta es de 60%. Si la temperatura de bulbo seco es de
27º C, ¿cuál será el punto de rocío?
144
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
32. ¿Qué propiedades del aire podemos encontrar en una carta
psicrométrica?
33. Enumera los componentes del diagrama psicrométrico.
34. Di a qué operación de tratamiento de aire corresponde cada uno de
las acciones siguientes:
-
Un cambio en calor que provocará una bajada en la temperatura
del aire.
-
Añadir vapor de agua en el aire para compensar una disminución
de la humedad relativa debido al calentamiento del aire.
-
Eliminación simultánea del calor y la humedad.
35. Supongamos que en un psicrómetro se toman lecturas de las
temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo, siendo éstas de 24ºC
y de 17ºC, respectivamente. ¿Cuál será la humedad relativa,
temperatura de rocío y humedad absoluta?
36. Encontrar la hr cuando la temperatura de bulbo seco es de 32 o C,
y el contenido de humedad (presión del vapor de agua) es de 0,014
kg/kg de aire seco.
145
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 1 TERMODINÁMICA
BIBLIOGRAFÍA
Alarcón Creus, José: Tratado Práctico de Refrigeración Automática, 12ª edición
ampliada y puesta al día con la inclusión de los nuevos refrigerantes HFC
sin cloro, Barcelona: Edit. Marcombo, S.A., 1998.
Amigo, P.: Termotecnia. Aplicaciones Industriales, Editorial Mundi-Prensa,
1999.
Balboa, Joan: Manual de Instalaciones Frigoríficas, 2ª Edición, Barcelona:
Edit. Ediciones Ceysa, 2003.
Cano, G.: Manual para la Operación y Funcionamiento de Almacenes Frigoríficos
de Productos Cárnicos, Editorial FAO, 1991.
López, A.: Las Instalaciones Frigoríficas en las Industrias Agroalimentarias,
Madrid: Ediciones A. Madrid Vicente / Mundi-prensa libros, S.A., 1994.
Maestre Albert, Joaquín; Melgarejo Moreno, Pablo; y otros / Colegio
Oficial de Ingenieros Agrónomos de Murcia: Curso de Ingeniería del frío,
Madrid: Ediciones A. Madrid Vicente, 1993.
Manual técnico Valycontrol, 1996, distribuido por Valycontrol S.A.
Ramírez, Carlos Mario; García, Mateo Miguel; García García, Ceferino:
Termodinámica, Derechos reservados respecto a la primera edición en
español por McGRAW-HILL INTERAMERICANA DE MÉXICO, S.A. de
C.V.
Rapin, P.: Prontuario del Frío, Tercera Edición traducida y ampliada de la
tercera edición francesa, Edit. Editores Técnicos Asociados, 1994.
Rapin, P.; Jacquard, P. J.: Instalaciones frigoríficas. Tomo 1 Física Aplicada,
Barcelona: Edit. Marcombo Boixareu Editores, 1997.
Sánchez y Pineda de las Infantas, Mª Teresa: Ingeniería del frío: Teoría y
Práctica, Madrid: Edit. A. Madrid Vicente/ Mundi-prensa libros, S.A.,
2001.
Segura Clavell, José: Termodinámica Técnica, Barcelona: Edit. Reverté S.A.,
1993.
147
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS
FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
M 1 / UD 2
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
ÍNDICE
Introducción..................................................................................
153
Objetivos ........................................................................................
155
1. Magnitudes fundamentales ....................................................
157
2. Tipologías y clases ...................................................................
164
3. Instrumentos de medición .....................................................
166
3.1.
Manómetro de glicerina y paraisobutano ...................
166
3.2.
Analizadores con manómetro de alta y baja................
167
3.3.
Presostatos de alta y baja y diferenciales de aceite......
168
3.4.
Báscula de carga de refrigerante..................................
169
3.5.
Termómetros .................................................................
169
3.6.
Medidor de tenazas .......................................................
170
3.7.
Voltímetro......................................................................
171
3.8.
Resistencia, aislamiento eléctrico, polímetro..............
171
3.9.
Megamedidor ................................................................
171
3.10. Anemómetro .................................................................
175
3.11. Anemomaster ................................................................
175
3.12. Medidor de ruido..........................................................
175
3.13. Vibrómetro ....................................................................
176
3.14. Detector de fugas ..........................................................
176
3.15. Control de calidad de líquidos o de aire .....................
176
3.16. Detector de acidez del circuito ....................................
176
4. Técnicas y procedimientos de medición ...............................
177
4.1. Clasificación de los errores..............................................
179
4.2. Cifras significativas ...........................................................
182
4.3. Proceso de medida...........................................................
183
Resumen ........................................................................................
185
Glosario..........................................................................................
187
Cuestionario de Autoevaluación ..................................................
191
Bibliografía ....................................................................................
193
151
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
INTRODUCCIÓN
Para el correcto funcionamiento de la instalación es importante el
conocimiento de su diseño, su función y control, tanto mecánico como
eléctrico, debiéndose estudiar detenidamente el trazado de las tuberías
y diseño en general de componentes y sistemas externos conectados.
Con el fin de localizar y subsanar las averías y funcionamientos incorrectos,
son necesarios ciertos conocimientos teóricos (que describiremos en las
unidades siguientes) así como los siguientes factores:
•
Estructura, funcionamiento y características de todos los componentes
de la instalación.
•
Todos los procesos de refrigeración.
•
Las influencias ambientales en el funcionamiento de la instalación.
•
El funcionamiento y ajuste de los controles y de los dispositivos de
seguridad.
•
Legislación vigente referente a aspectos de seguridad y sus
correspondientes inspecciones en sistemas frigoríficos.
•
Instrumentos y técnicas de medida necesarios.
En las labores de mantenimiento, siempre que se tenga cierta experiencia,
hay algunos tipos de averías que pueden ser detectadas por medio de
los sentidos (ventilador gira en sentido contrario, suciedad, aletas
deformadas…) en cambio existen errores en el funcionamiento del
sistema cuyas causas sólo pueden ser detectadas mediante los aparatos
de medida, de ahí la importancia de saber cómo y cuándo deben utilizarse,
del mismo modo que es necesario conocer sus características (precisión,
capacidad de resolución, reproducibilidad, estabilidad a largo plazo y
estabilidad con la temperatura).
153
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
OBJETIVOS
Con el fin de que el alumno pueda verificar el correcto funcionamiento
de una instalación frigorífica en la puesta en marcha, detectar, localizar
e interpretar las causas de las averías a partir de las lecturas obtenidas;
actuando bajo normas de seguridad personales se estudian en la unidad
los aparatos, desarrollando los siguientes conceptos:
•
Las magnitudes de medida fundamentales y derivadas, los distintos
sistemas de medida, y la transformación de unidades de un sistema
a otro.
•
Los parámetros que condicionan las lecturas obtenidas tales como
la precisión, capacidad de resolución, reproducibilidad y estabilidad.
•
Los instrumentos de medida más usados en las instalaciones frigoríficas.
Se explicará el funcionamiento de éstos y en qué condiciones procede
emplearlos.
•
Se identifican los puntos de medición.
•
Se seleccionan los instrumentos de medida apropiados en cada caso.
•
Se interpretan los resultados obtenidos, las mediciones, identificando
las posibles causas de las averías, de forma que puedan ser subsanadas.
155
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
1. MAGNITUDES FUNDAMENTALES
En la ciencia, tanto las leyes como las definiciones se relacionan entre
sí mediante un grupo reducido de magnitudes, de tal forma que cualquier
otra magnitud (magnitud derivada) puede obtenerse en función de las
magnitudes fundamentales.
A continuación se definen los conceptos básicos para la comprensión de
la unidad:
Magnitud es todo aquello que se puede medir, que se puede representar
por un número y que puede ser estudiado en las ciencias experimentales.
Magnitudes escalares: quedan definidas mediante la cantidad y la unidad
correspondiente.
Magnitudes vectoriales: quedan definidas mediante la cantidad, unidad
correspondiente, dirección y sentido.
Unidad: se define como la cantidad de referencia; deben ser reproducibles
(por patrones de medida) e inalterables (constantes respecto al valor de
referencia).
Patrón de medida: sistema físico que encarna la cantidad considerada
como una unidad.
La medida es el resultado de medir; para medir se compara la cantidad
de magnitud que queremos medir con la unidad de esa magnitud.
Sistema de unidades: conjunto reducido y completo de magnitudes
fundamentales y unidades, en función del cual pueden obtenerse el resto
de magnitudes.
El Sistema Internacional de Unidades (SI)
El Sistema Internacional de Unidades evoluciona a partir del Sistema
Métrico Decimal francés. El SI toma como magnitudes fundamentales
la longitud, la masa, el tiempo, la intensidad de corriente eléctrica, la
temperatura absoluta, la intensidad luminosa y la cantidad de sustancia,
fijando correspondientes unidades para cada una de ellas. A estas siete
magnitudes fundamentales hay que añadir dos suplementarias, asociadas
a medidas angulares: el ángulo plano y el ángulo sólido. La definición
de las diferentes unidades fundamentales ha evolucionado con el tiempo
al mismo ritmo que las propias ciencias físicas.
Magnitudes fundamentales SI
•
Unidad de Longitud: El metro (m) es la longitud recorrida por la luz
en el vacío durante un período de tiempo de 1/299 792 458 s.
157
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
•
Unidad de Masa: El kilogramo (kg) es la masa del prototipo
internacional de platino iridiado que se conserva en la Oficina de
Pesas y Medidas de París.
•
Unidad de Tiempo: El segundo (s) es la duración de 9 192 631 770
períodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos
niveles fundamentales del átomo Cesio 133.
•
Unidad de Corriente Eléctrica: El amperio (A) es la intensidad de
corriente, que al mantenerse entre dos conductores paralelos,
rectilíneos, de longitud infinita, sección transversal circular despreciable
y separados en el vacío por una distancia de un metro, producirá una
fuerza entre estos dos conductores igual a 2 x 10-7 N por cada metro
de longitud.
•
Unidad de Temperatura Termodinámica: El Kelvin (K) es la fracción
1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.
•
Unidad de Intensidad Luminosa: La candela (cd) es la intensidad
luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite radiación
monocromática de frecuencia 540 x 1012 hertz y que tiene una
intensidad energética en esta dirección de 1/683 W por estereorradián
(sr).
•
Unidad de Cantidad de Sustancia: El mol es la cantidad de materia
contenida en un sistema y que tiene tantas entidades elementales
como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12. Cuando es
utilizado el mol, deben ser especificadas las entidades elementales,
y las mismas pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones, otras
partículas o grupos de tales partículas.
Las unidades base del Sistema Internacional de Unidades son:
MAGNITUDES FUNDAMENTALES
NOMBRE
SÍMBOLO
Longitud
metro
m
Masa
kilogramo
kg
Tiempo
corriente eléctrica
temperatura termodinámica
cantidad de sustancia
intensidad luminosa
segundo
Amperio
Kelvin
mol
candela
s
A
K
mol
cd
Unidades derivadas
Ciertas unidades derivadas han recibido unos nombres y símbolos
especiales. Estas unidades pueden, así mismo, ser utilizadas en combinación
con otras unidades base o derivadas para expresar unidades de otras
158
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
cantidades. Estos nombres y símbolos especiales son una forma de
expresar unidades de uso frecuente.
Coulomb (C): Cantidad de electricidad transportada en un segundo por
una corriente de un amperio.
Julio (J): Trabajo producido por una fuerza de un newton cuando su
punto de aplicación se desplaza la distancia de un metro en la dirección
de la fuerza.
Newton (N): Es la fuerza que, aplicada a un cuerpo que tiene una masa
de 1 kilogramo, le comunica una aceleración de 1 metro por segundo,
cada segundo.
Pascal (Pa): Unidad de presión. Es la presión uniforme que, actuando
sobre una super ficie plana de un metro cuadrado, ejerce
perpendicularmente a esta superficie una fuerza total de un newton.
Volt (V): Unidad de tensión eléctrica, potencial eléctrico, fuerza
electromotriz. Es la diferencia de potencial eléctrico que existe entre
dos puntos de un hilo conductor que transporta una corriente de
intensidad constante de 1 ampere cuando la potencia disipada entre
esos puntos es igual a un watio.
Watio (W): Potencia que da lugar a una producción de energía igual a
un julio por segundo.
Ohm ( ): Unidad de resistencia eléctrica. Es la resistencia eléctrica que
existe entre dos puntos de un conductor cuando una diferencia de
potencial constante de un voltio aplicada entre estos dos puntos produce,
en dicho conductor, una corriente de intensidad un ampere, cuando no
haya fuerza electromotriz en el conductor.
Weber (Wb): Unidad de flujo magnético, flujo de inducción magnética.
Es el flujo magnético que, al atravesar un circuito de una sola espira,
produce en la misma una fuerza electromotriz de un voltio si se anula
dicho flujo en 1 segundo por decrecimiento uniforme.
159
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
MAGNITUD DERIVADA
NOMBRE
ángulo plano
radián
ángulo sólido
estereorradián
frecuencia
hertz
fuerza
newton
presión, esfuerzo
pascal
energía, trabajo, calor
joule
potencia, flujo de energía
watt
carga eléctrica, cantidad
de electricidad
coulomb
diferencia de potencial
eléctrico, fuerza
electromotriz
volt
capacitancia
farad
resistencia eléctrica
ohm
conductancia eléctrica
siemens
flujo magnético
weber
densidad de flujo
magnético
tesla
inductancia
henry
temperatura Celsius
Celsius
flujo luminoso
lumen
radiación luminosa
lux
actividad (radiación
ionizante)
dosis absorbida, energía
específica (transmitida)
dosis equivalente
SÍMBOLO
EXPRESADAS
EN TÉRMINOS
DE OTRAS
UNIDADES DEL SI
EXPRESADAS EN
TÉRMINOS DE LAS
UNIDADES BASE
DEL SI
beequerel
gray
sievert
Temperatura termodinámica en el apartado 1.6.7 se definen las escalas
termométricas.
160
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
FACTOR
PREFIJO
SÍMBOLO
FACTOR
PREFIJO
SÍMBOLO
Prefijos SI
Existen otros sistemas de unidades:
•
Sistema Cegesimal de unidades o sistema CGS, es un basado en el ,
el y el ndo.
•
Sistema Técnico, que comprende una serie de unidades del antiguo
S, que siguen en uso para determinados cálculos (Unidad de fuerza:
kilogramo fuerza (kgf) o kilopondio (kp), Unidad de presión:
(m.c.a.), Unidad de energía: (cal), Unidad de potencia: (CV)).
•
Sistema Anglosajón, por el que se rigen los países anglosajones,
empleando la milla, yarda, libra.
Tablas de conversión unidades:
erg/s
W
Kpm/s
cal/s
erg/s
W
Kpm/s
cal/s
Kcal/min
CV
Conversión unidades potencia
161
Kcal/min
CV
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
erg/gºC
J/kgºC
K pm /k gº C Ca l/gºC
J/gºC
Kcal/ gºC
erg/gºC
J/kgºC
K pm /k gº C
Ca l/gºC
J/gºC
Kcal/ gºC
Conversión unidades calor específico y calor latente
erg
J
kpm
cal
Atm.l
kW.h
C V. h
Kp/cm 2
torr
erg
J
kpm
cal
Atm.l
kW.h
CV.h
Conversión unidades trabajo, energía, calor
Baria
Pascal
K p/ m 2
Atm
Bar
Baria
Pascal
Kp/m2
Atm
Bar
Kp/cm2
torr
mca
Conversión unidades presión
El artículo único del REAL DECRETO 1317/1989, de 27 de octubre de
1989 por el que se establecen las Unidades Legales de Medida, publicado
el 3 de noviembre, establece:
1. El Sistema legal de Unidades de Medida obligatorio en España es el
Sistema Métrico Decimal de siete unidades básicas, denominado
Sistema Internacional de Unidades (SI), adoptado en la Conferencia
General de Pesas y Medidas y vigente en la Comunidad Económica
Europea.
162
mca
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
En la tabla siguiente figuran las distintas normativas publicadas en el
Boletín Oficial del Estado (BOE)
BOE nº 269 de 10 de
noviembre de 1967
Ley 88/1967, de 8 de noviembre, declarando de uso legal en España el denominado
Sistema Internacional de Unidades (SI).
BOE nº 110 se 8 de
mayo de 1974
Decreto 1257/1974 de 25 de abril, sobre modificaciones del Sistema Internacional
de Unidades, denominado SI, vigente en España por Ley 88/1967, de 8 de
noviembre.
BOE nº 264 de 3 de
noviembre de 1989
Real Decreto 1317/1989, de 27 de octubre, por el que se establecen las Unidades
Legales de Medida.
BOE nº 21 de 24 de
enero de 1990
Corrección de errores del Real Decreto 1317/1989, de 27 de octubre, por el que se
establecen las Unidades Legales de Medida.
BOE nº 289 de 3 de
diciembre de 1997
Real Decreto 1737/1997, de 20 de noviembre, por el que se modifica Real Decreto
1317/1989, de 27 de octubre, por el que se establecen las Unidades Legales de Medida.
163
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
2. TIPOLOGÍA Y CLASES
La finalidad de las labores de mantenimiento consiste en conocer cuál
es el estado de la instalación, y tomar las medidas correctoras que sean
necesarias para conseguir el adecuado funcionamiento de ésta. La toma
de datos de determinados puntos del sistema (tal y como se explicará en
el punto 2.6. ‘’Interpretación de resultados’’) resulta muy útil, y en
algunos casos determinante, a la hora de detectar y resolver averías en
los sistemas. Los aparatos de medida, son herramientas utilizadas
generalmente para cualificar y cuantificar los objetos, según las reglas
precisas que permiten clasificar esos objetos.
La clasificación de los aparatos de medida atendiendo a las distintas
variables a cuantificar:
•
Dimensionales.
•
Termodinámicos.
•
Eléctricos.
•
Tiempo y Frecuencia.
•
Mecánica.
•
Óptica.
•
Eléctricos.
•
Acústica y Vibraciones.
•
Metrología química.
•
Radiaciones ionizantes.
Los aparatos de medida pueden ser:
Analógico.
Dispositivo, circuito o sistema electrónico que procesa señales eléctricas
que toman infinitos valores dentro de un intervalo, y que reciben el
nombre de señales analógicas.
Digital.
Área de la electrónica que estudia los sistemas electrónicos que procesan
señales eléctricas que toman sólo dos valores asignados a los dígitos 0 y
1, y reciben el nombre de señales digitales.
Los sistemas electrónicos digitales poseen las siguientes características:
•
Mayor complejidad de los circuitos que los sistemas analógicos. Un
sumador o un integrador digital es más complejo que uno analógico.
•
Facilidad para memorizar las variables eléctricas.
164
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
•
Programabilidad. Es posible modificar el proceso cambiando solamente
el contenido de una memoria, sin necesidad de cambiar los circuitos
o su conexión.
•
Gran densidad de integración, porque la precisión de los resultados
no depende de la tolerancia de los componentes.
•
Necesidad de utilizar varias variables binarias para representar una
información. El número de ellas depende de la precisión que se
desee.
Las tres características antes citadas de facilidad de memorización,
programabilidad y gran densidad de integración han hecho de la
electrónica digital el motor del desarrollo de las tecnologías de la
información.
165
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
3. INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
A continuación describiremos los principales instrumentos de medición
utilizados en las instalaciones frigoríficas:
3.1. Manómetro, de glicerina y para isobutano
El manómetro es el aparato empleado para detectar la presión del
circuito. Existen dos tipos de manómetros, los de baja (también llamados
vacuómetros) que miden hasta 12 bar y los de alta que miden hasta 30
bar. Se fabrican en varios diámetros y escalas, relacionando la presión
con la temperatura. Para evitar las pulsaciones producidas por la aguja
se construyen manómetros amortiguados con glicerina y regulables.
Atendiendo al tipo de refrigerante empleado se debe utilizar el manómetro
correspondiente.
Los manómetros para localización de averías y mantenimiento son en
general de tipo Bourdon, la presión se mide como sobrepresión, el punto
cero de la escala de presión es igual a la lectura del barómetro.
Existen manómetros especiales para el refrigerante isobutano (R-600 A)
con escala desde -1 bar hasta 3 bar y con sistema regulable.
Los manómetros instalados permanentemente en el sector de alta presión
deberán tener una graduación superior a un 20 por 100 de la presión
máxima de servicio, como mínimo estando ésta indicada claramente con
una fuerte señal roja.
En las instalaciones frigoríficas puede preverse conexiones para los
manómetros excepto en los siguientes casos que dispondrán de estos
instrumentos de forma permanente:
•
Instalaciones con refrigerantes del grupo primero, cuando la carga
de las mismas sobrepase los 50 kilogramos.
•
Instalaciones con refrigerantes del grupo segundo, cuando la carga
de las mismas sobrepase los 25 kilogramos.
•
Instalaciones con refrigerantes del grupo tercero y anhídrido carbónico.
•
Las bombas volumétricas para líquidos estarán provistas de un
manómetro en el sector de alta presión o de impulsión. Se preverá
la colocación de un dispositivo apropiado de amortiguamiento o de
una válvula de cierre automático para evitar la fuga de fluidos
peligrosos.
166
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
•
Los recipientes que hayan de someterse a pruebas de presión estarán
provistos de conexiones para la colocación de manómetros, que serán
independientes y estarán distanciadas de la conexión que se utilice
para las citadas pruebas, a menos que se hayan tomado otras medidas
adecuadas para asegurarse de que la presión que soportan puede
conocerse con las indicaciones de un único manómetro.
•
Las camisas de calefacción de los recipientes sometidos a presión
estarán provistas de un manómetro y de un termómetro.
•
Los aparatos de control manual que se desescarchen utilizando calor
o altas temperaturas, estarán provistos de manómetros.
3.2. Analizadores con manómetros de alta y baja
El analizador empleado en refrigeración se utiliza para crear el vacío
dentro del sistema, realzar la carga de refrigerante (en estado líquido o
en estado gaseoso) y obtener datos a cerca de las presiones de alta y baja.
Tal y como se aprecia en la figura en el analizador con manómetros
pueden distinguirse las siguientes partes:
-
Manómetro de presión baja.
-
Manómetro de presión alta.
-
Válvula manual para presión baja.
-
Válvula manual para presión alta.
-
Conexión de lado alto.
-
Conexión del lado bajo.
-
Compuerta auxiliar.
-
Una conexión para: bomba de vacío, cilindro refrigerante…
-
Un visor para controlar la carga de refrigerante.
Puente de manómetros
167
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
En la definición de los analizadores con manómetros hemos descrito las
operaciones que pueden realizarse con éstos, en los esquemas siguientes
pueden comprobarse las tres funciones (en el punto 2.5 ‘’Aplicaciones
específicas’’ se desarrollarán la creación de vacío y carga de refrigerante).
Medición de la presión
Carga de refrigerante. Izquierda: en estado líquido. Derecha: en estado gaseoso
Bombeadores de vacío
3.3. Presostato de alta y baja y diferenciales de aceite
Los presostatos controlan la presión del sistema, realizan distintas
funciones de regulación de la marcha, (aparato de regulación) y como
aparato de protección; los presostatos diferenciales de aceite son
generalmente aparatos de protección.
En el apartado 5.4.2. ‘’Tipos de dispositivos de seguridad‘’ se desarrolla
el funcionamiento de los presostatos o conmutadores.
168
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
3.4. Báscula de carga de refrigerante
La báscula de refrigerante es un instrumento que permite controlar de
forma exacta la cantidad de refrigerante que se carga o recupera en la
instalación. Suelen incorporar visores para poder nivelar correctamente
la báscula.
Para utilizar la báscula digital se coloca la botella en la plataforma
dispuesta para tal fin y se pesa el cilindro de refrigerante. Las básculas
de carga digitales permiten una carga de hasta 50 Kg con una precisión
de ±10gr. En el punto 2.5 ‘’Aplicaciones específicas’’ se desarrollará la
forma de cargar una instalación de refrigerante.
Báscula refrigerante
3.5. Termómetros
El termómetro es el aparato empleado para medir la temperatura del
circuito. Existen distintos tipos de termómetros siendo el de uso más
generalizado el electrónico de lectura digital obteniendo la lectura de
los sensores, y los de esfera de aguja con bulbo y tubo capilar.
Algunos ejemplos de las distintas versiones de sensores de los termómetros
digitales son de superficie de ambiente y de inducción. La precisión del
termómetro no deberá ser inferior a ± 0,1 ºC y la capacidad de resolución
debe ser de 0,1 ºC.
Los termómetros de esfera de aguja con bulbo y tubo capilar están
disponibles con escala de -40 a 60 ºC y longitudes de capilar de 1 a 1,5 m.
En el punto 2.5 ‘’Aplicaciones específicas’’ se detallarán los puntos a
medir en una instalación frigorífica.
169
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
Termómetro digital
3.6. Medidor de tenazas
El medidor de tenazas se emplea para medir la intensidad de corriente
alterna; se conecta seriado en dicha rama. En nuestro caso debemos
realizar medidas rápidas sin efectuar desconexiones, por lo que se utilizan
pinzas amperimétricas. La pinzas amperimétricas aprovechan la presencia
del campo magnético que se establece alrededor del conductor donde
circula la corriente y la relación directamente proporcional que existe
entre la intensidad del campo magnético y la intensidad de la corriente.
Son de dos tipos:
•
Pinzas amperimétricas de tipo inductivo o tipo transformador, que
aprovechan la tensión inducida por el campo magnético en un núcleo
de hierro, las cuales miden solamente corriente alterna.
•
Pinzas de efecto Hall, que utilizan un semiconductor y un circuito
de amplificación independiente que pueden medir corriente alterna
o continúa. En la actualidad, la tendencia es utilizar este principio
de medición en los instrumentos portátiles.
Las pinzas amperimétricas pueden trabajar asociadas a un multímetro;
en general, se debe buscar que tengan las siguientes características:
Retención de lectura, medición de lecturas de verdadero valor eficaz,
registro de máxima y mínima y promedios en diferentes periodos de
tiempo, velocidad de registro que permita obtener las corrientes de
arranque de los compresores.
Medidor de tenazas
170
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
3.7. Voltímetro
El voltímetro es un aparato utilizado para medir, directa o indirectamente,
diferencias de potencial eléctrico. Esencialmente, un voltímetro está
constituido por un galvanómetro sensible que se conecta en serie con
una resistencia adicional de valor elevado. Para que en el proceso de
medida no se altere la diferencia de potencial, es conveniente que el
aparato consuma la menor cantidad posible de corriente; esto se consigue
en el voltímetro electrónico, que consta de un circuito electrónico
formado por un adaptador de impedancia.
3.8. Resistencia aislamiento eléctrico. Polímetro
El Polímetro es un instrumento de medida que se utiliza para cualquier
experiencia de teoría de circuitos. En un principio estos aparatos eran
analógicos, y solamente permitían medir intensidades de corrientes y
resistencias. Pero actualmente, los diseños de los polímetros digitales
además permiten medir capacidades, frecuencias, etc., y son más precisos.
Los polímetros constan de un conmutador de encendido y apagado y
otro que permite seleccionar si las lecturas serán de corriente continua
o alterna. Con este mismo conmutador podremos seleccionar tanto el
tipo de medida (resistencia, tensión, corriente,...) como el máximo valor
de la señal que el polímetro es capaz de medir. Es aconsejable primero
calcular la medida teórica que se va a medir con el fin de no tener averías
con el polímetro. Por último, el polímetro consta de cuatro terminales
de entrada y dos zócalos que permiten conectarlo con los circuitos o
elementos a medir.
3.9. Megamedidor
Megamedidor o multímetro: Es un instrumento de medición que recoge
un amperímetro, voltímetro, ohmiómetro, medida de capacidad,
termómetro; pudiendo ser analógico o digital.
El amperímetro, el voltímetro, y el ohmiómetro utilizan el galvanómetro
D’Arsonval. La diferencia entre ellos es el circuito utilizado con el
movimiento básico. Es, por lo tanto, obvio que se puede diseñar un
instrumento para realizar las tres funciones de medición; este dispositivo
tiene un interruptor de función que selecciona el circuito apropiado al
galvanómetro D’Arsonval y es llamado comúnmente multímetro o
medidor-volt-ohm-miliampere (VOM).
171
Polímetro
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
Básicamente, todos los instrumentos que requieran de un medio de
interpretación de características físicas usan un galvanómetro. Lo diseñó
el francés Arsen d’Arsonval en 1882 y lo llamó así en honor del científico
italiano Galvini. En esencia, el medidor es un dispositivo que consta de
un imán permanente y una bobina móvil. El galvanómetro D’Arsonval
de bobina móvil funciona basándose en el efecto electromagnético. En
su forma más sencilla, el medidor de bobina móvil consta de una bobina
de alambre muy fino devanado sobre marco de aluminio ligero. Un imán
permanente rodea a la bobina y el marco de aluminio está montado
sobre pivotes que posibilitan que gire libremente, junto con la bobina,
entre los polos del imán permanente. Cuando hay corriente en la bobina,
ésta se magnetiza y su polaridad es tal que el campo del imán permanente
la repele. Esto hace que el marco de la bobina gire sobre el pivote y
cuánto lo haga depende de la cantidad de corriente que circule por la
bobina. Así, al calibrar la aguja sobre el marco de la bobina y referirla
a una escala calibrada en unidades de corriente, puede medirse la
cantidad de corriente que circula a través del instrumento.
Galvanómetro D’Arsonval de bobina móvil
Uno de los instrumentos de propósitos más versátiles, capaz de medir
voltajes de corriente alterna y corriente continua, corriente y resistencia,
es el multímetro electrónico de estado sólido o VOM. Aunque los detalles
del circuito varían de un instrumento a otro, un multímetro electrónico
generalmente contiene los siguientes elementos:
•
Amplificador de corriente continua de puente – equilibrado y medidor
indicador.
•
Atenuador de entrada o interruptor de RANGO, para limitar la
magnitud del voltaje de entrada al voltaje deseado.
•
Sección de rectificación para convertir el voltaje de corriente alterna
de entrada en voltaje de corriente continua proporcional.
•
Batería interna y un circuito adicional para proporcionar la capacidad
para medir resistencias.
172
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
•
Interruptor de FUNCIÓN, para seleccionar las distintas funciones
de medición del instrumento.
Además el instrumento suele incluir una fuente de alimentación para su
operación con la línea de corriente alterna y, en la mayoría de los casos,
una batería para operarlo como instrumento portátil de prueba.
Los multímetros analógicos son instrumentos de laboratorio y de campo
muy útiles y versátiles, capaces de medir voltaje (en corriente continua
y alterna), corriente, resistencia, ganancia de transistor, caída de voltaje
en los diodos, capacitancia e impedancia. Se les llama por lo general
multimeters (en inglés se les llama VOM, volt ohm miliammeters).
En últimas fechas se han ampliado y mejorado las posibilidades de
funcionamiento de esos medidores, se ha aumentado en forma
considerable sus posibilidades y su exactitud. Además, mediante el empleo
de amplificadores de entrada con transistores de efecto de campo (FET)
para mediciones de voltaje corriente continua, sus impedancias rebasan
con frecuencia a los 100 M . Por ultimo, la escala del óhmetro ya no se
ha de llevar a cero para compensar los cambios internos del voltaje de
batería o los cambios de escala. Las mediciones de voltaje se pueden
efectuar sobre el rango de 0.4 mV hasta 1000 V con exactitudes de 0.1
por ciento. Las mediciones de corriente se pueden llevar a cabo desde
0.1 A hasta 10 A con exactitudes de 0.2 por ciento. Se miden resistencias
tan altas como 40 M con exactitud de 1 por ciento (se debe notar que
al hacer mediciones de resistencias tan altas, nunca se debe tocar la punta
de medición con los dedos debido a que la resistencia de la piel es de
sólo algunos miles de ohms, y esto puede originar errores serios en la
medición). Las mediciones de resistencia menores tienen una exactitud
de 0.2 por ciento.
Los multímetros digitales han tomado el lugar de los multímetros con
movimientos de D'Arsonval por dos razones principales: mejor exactitud
y eliminación de errores de lectura. Sin embargo con frecuencia se agrega
una escala analógica en la escala digital para dar una indicación visual
de entradas que varían con el tiempo. La posibilidad de observar la
indicación del medidor en forma analógica es muy importante cuando
se estén localizando fallas en sistemas de instrumentación, por ejemplo,
la rapidez con que cambia una variable, al igual que su magnitud, pueden
dar indicaciones valiosas en muchas situaciones de localización de
problemas.
La mayoría de los multímetros digitales se fabrican tomando como base
ya sea un convertidor A / D de doble rampa o de voltaje a frecuencia,
con ajuste de rango. Para dar flexibilidad para medir voltajes en rangos
dinámicos más amplios con la suficiente resolución, se emplea un divisor
de voltaje para escalar el voltaje de entrada.
173
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
Para lograr la medición de voltajes de corriente alterna, se incluye un
rectificador en el diseño del medidor. Como las exactitudes de los
rectificadores no son tan altas como las de los circuitos de medición de
voltaje de corriente continua, la exactitud general de los instrumentos
de medición de corriente alterna es menor que cuando se miden voltajes
de corriente continua (las exactitudes para voltajes de corriente alterna
van desde + 1.012 hasta + 1 por ciento + 1 digito). Las corrientes se miden
haciendo que el voltímetro digital determine la caída de voltaje a través
de una resistencia de valor conocido y exacto.
Aunque el valor de una resistencia se puede especificar con mucha
exactitud, hay cierto error adicional debido al cambio de resistencia
como función del efecto de calentamiento de la corriente que pasa a
través de ella.
Además, se debe tener cuidado al emplear la función de medición de
corriente. No se debe permitir que pase demasiada corriente a través de
la resistencia. Las exactitudes típicas de las mediciones de corriente de
corriente continua van desde + 0.03 hasta + 2 por ciento de la lectura +
1 dígito, mientras que para corriente alterna son de + 0.05 a + 2 por
ciento + 1 dígito.
El voltímetro digital se convierte en óhmetro cuando se incluye en él
una fuente muy exacta de corriente. Esta fuente circula corriente a través
de la resistencia que se mide y el resto de los circuitos del vóltmetro
digital monitorea la caída de voltaje resultante a través del electo. La
fuente de corriente es exacta sólo para voltajes menores que el voltaje
de escala completa del vóltmetro digital. Si la resistencia que se mide es
demasiado grande, la corriente de prueba de la fuente de poder
disminuirá. Las exactitudes de los voltímetros digitales multiusos que se
emplean apara medir la resistencia van desde + 0.002 por ciento de la
lectura + 1 dígito hasta + 1 por ciento de la lectura + 1 dígito.
Muchos multímetros digitales son instrumentos portátiles de baterías.
Algunos se diseñan con robustez para permitirles soportar los rigores de
las mediciones de campo. Otros poseen características tales como
operación de sintonización automática de rango (lo cual significa que
el medidor ajusta de manera automática sus circuitos de medición para
el rango de voltaje, corriente o resistencia), compatibilidad con salida
decimal codificada binaria, y medición de conductancia y aun de
temperatura.
174
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
3.10. Anemómetro
Mide la velocidad del aire y del caudal volumétrico. Según el tipo de
aplicación, los anemómetros son fabricados como anemómetros de hilo
caliente, anemómetros de rueda alada o como anemómetros herméticos
portátiles de tamaño de bolsillo. Todos ellos hacen posible medir la
fuerza eólica y la velocidad de circulación del aire. Los resultados de la
medición de la velocidad del aire se pueden almacenar en parte en la
memoria cuando utilizamos anemómetros digitales.
El flujo es proporcional a la velocidad media; el anemómetro con tubo
de Pitot se utiliza para una medición precisa de la presión diferencial,
pero también para la medición de la velocidad de circulación de aire y
gases. De esta manera, se conecta el anemómetro con un tubo de Pitot
– Prandtl, sobre todo para la determinación de velocidades muy altas de
circulación. Ventajas del anemómetro con tubo de Pitot:
•
Visualización directa en unidades de presión [Pa] o velocidad de
circulación [m/s].
•
Especialmente adecuado para una velocidad muy alta de circulación
del aire.
•
Calcula el valor medio.
•
Indicador de barra de las ± oscilaciones.
Anemómetro
3.11. Anemomaster
Con él pueden obtenerse mediciones de la temperatura (-50ºC, +150ºC),
velocidad del aire (0-40m/s), y presión estática (0-500mmH2O).
3.12. Medidor de ruido
Anemomaster
Los medidores de ruidos son analizadores de espectros; se dispone de
una gran gama de analizadores de espectros empleados para el cálculo
del aislamiento, acondicionamiento de locales, ecualización de equipos
musicales, control de calidad, protección laboral, medida de coeficientes
de absorción, análisis espectral de ruido industrial (turbinas, compresores).
Estos equipos son una herramienta indispensable dentro del campo de
la instrumentación para mediciones acústicas de precisión.
175
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
3.13. Vibrómetro
Los vibrómetros se emplean para medir vibraciones y oscilaciones en
máquinas e instalaciones. La medición proporciona los siguientes
parámetros: aceleración de la vibración, velocidad de vibración y variación
de vibración. De este modo se caracterizan las vibraciones con precisión.
Los vibrómetros son portátiles y sus resultados se pueden almacenar
parcialmente.
3.14. Detector de fugas
Detector de fugas de tipo manual: está compuesto por un pequeño
recipiente de butano; en la parte superior del mismo tiene un mechero
que aspira aire, a través de un tubo, del lugar donde pueda existir una
fuga. Si existe una fuga de refrigerante, la llama, que normalmente es
de color azulado, se torna de color azul.
Detector de fugas mediante spray: se proyecta mediante el spray un
líquido se seguridad que sobre las fugas hace que aparezcan burbujas.
Detector de fugas por sistema de fluorescencia: las fugas son detectadas
por la lámpara de luz ultravioleta.
Detector de fugas electrónico: se trata de un instrumento que dispone
de una bomba de aspiración que al detectar una fuga emite un sonido
característico.
3.15. Control de calidad de líquidos o de aire
Tal y como se explicará en el punto ‘’ Elementos auxiliares’’ la calidad
del líquido refrigerante se consigue mediante la instalación de filtros
deshidratadores, separadores de aceite.
3.16. Detector de acidez del circuito
Para detectar la acidez en los circuitos se emplean botellas de líquido,
el cual cambia de color cuando se mezcla con el aceite del cárter del
compresor.
Para eliminar la acidez del circuito se debe proceder a la limpieza de
todo el circuito, o eliminarlo con líquidos neutralizadores.
176
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
4. TÉCNICAS Y PROCEDIMIENTOS DE MEDICIÓN
Para establecer el valor de una variable tenemos que usar instrumentos
de medición y un método de medición. Asimismo, es necesario definir
unidades de medición ya descritas en el punto ‘’Magnitudes
fundamentales’’.
Si deseamos medir el ancho de una mesa, el instrumento de medición
será una regla. Si hemos elegido el Sistema Internacional de Unidades
(SI), la unidad será el metro y la regla a usar deberá estar calibrada en
esa unidad (o submúltiplos). El método de medición consistirá en
determinar cuántas veces la regla y fracciones de ella entran en el ancho
buscado.
En ciencias, el concepto de error tiene un significado diferente del uso
habitual de este término. Coloquialmente, es usual el empleo del término
error como sinónimo de equivocación. El error en ciencias está vinculado
al término de incerteza en la determinación del resultado de una medición.
Con la medición pretendemos conocer las cotas (o límites probabilísticos)
de estas incertezas.
Tal y como se aprecia en la figura siguiente:
Intervalo asociado al resultado de una medición
Establecemos un intervalo donde, con cierta probabilidad, podamos
decir que se encuentra el mejor valor de la magnitud x. Este mejor valor
x es el más representativo de nuestra medición y al semiancho x D lo
denominamos la incerteza o error absoluto de la medición.
En todo proceso de medición existen limitaciones dadas por los
instrumentos usados, el método de medición, el observador (u
observadores) que realizan la medición. Asimismo, el mismo proceso de
medición introduce errores o incertezas.
Cuando usamos un termómetro para medir una temperatura, parte del
calor del objeto fluye al termómetro (o viceversa), de modo que el
resultado de la medición es un valor modificado del original debido a
la inevitable interacción que debimos realizar. Es claro que esta interacción
podrá o no ser significativa: Si estamos midiendo la temperatura de un
177
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
metro cúbico de agua, la cantidad de calor transferida al termómetro
puede no ser significativa, pero sí lo será si el volumen en cuestión es de
una pequeña fracción del mililitro.
Tanto los instrumentos que usamos para medir como las magnitudes
mismas son fuente de incertezas al momento de medir. Los instrumentos
tienen una precisión finita, por lo que, para un instrumento dado,
siempre existe una variación mínima de la magnitud que puede detectar.
Esta mínima cantidad se denomina la apreciación nominal del
instrumento. Por ejemplo, con una regla graduada en milímetros, no
podemos detectar variaciones menores que una fracción del milímetro.
A su vez, las magnitudes a medir no están definidas con infinita precisión.
Imaginemos que queremos medir el ancho de una mesa. Es posible que
al usar instrumentos cada vez más precisos empecemos a notar las
irregularidades típicas del corte de los bordes o, al ir aun más allá,
finalmente detectemos la naturaleza atómica o molecular del material
que la constituye. Es claro que en ese punto la anchura dejará de estar
bien definida. En la práctica, es posible que mucho antes de estos casos
límites, la falta de paralelismo en sus bordes haga que el concepto del
“ancho de la mesa” comience a hacerse cada vez menos definido, y a esta
limitación intrínseca la denominamos incerteza intrínseca o falta de
definición del ancho en cuestión.
Otro ejemplo sería el caso en que se cuenta la cantidad de partículas alfa
emitidas por una fuente radioactiva en 5 segundos. Sucesivas mediciones
arrojarán diversos resultados (similares, pero en general distintos). En
este caso, de nuevo, estamos frente a una manifestación de una incerteza
intrínseca asociada a esta magnitud “número de partículas emitidas en
5 s”, más que al error de los instrumentos o del observador.
Otra fuente de error que se origina en los instrumentos, además de la
precisión, es la exactitud de los mismos. Como vimos, la precisión de un
instrumento o un método de medición están asociados a la sensibilidad
o menor variación de la magnitud que se pueda detectar con dicho
instrumento o método. Así, decimos que un tornillo micrométrico (con
una apreciación nominal de 10 mm) es más preciso que una regla
graduada en milímetros; o que un cronómetro es más preciso que un
reloj común, etc.
La exactitud de un instrumento o método de medición está asociada a
la calidad de la calibración del mismo. Imaginemos que el cronómetro
que usamos es capaz de determinar la centésima de segundo pero adelanta
dos minutos por hora, mientras que un reloj de pulsera común no lo
hace. En este caso decimos que el cronómetro es todavía más preciso
que el reloj común, pero menos exacto. La exactitud es una medida de
178
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
la calidad de la calibración de nuestro instrumento respecto de patrones
de medida aceptados internacionalmente. En general, los instrumentos
vienen calibrados, pero dentro de ciertos límites. Es deseable que la
calibración de un instrumento sea tan buena como la apreciación del
mismo. Decimos que conocemos el valor de una magnitud dada en la
medida en que conocemos sus errores. En ciencia consideramos que la
medición de una magnitud con un cierto error no significa que se haya
cometido una equivocación o que se haya realizado una mala medición.
Con la indicación del error de medición expresamos, en forma cuantitativa
y lo más precisamente posible, las limitaciones que nuestro proceso de
medición introduce en la determinación de la magnitud medida.
4.1. Clasificación de los errores
Existen varias formas de clasificar y expresar los errores de medición.
Según su origen, los errores pueden clasificarse del siguiente modo:
I. Errores introducidos por el instrumento:
•
Error de apreciación, ap: si el instrumento está correctamente
calibrado la incertidumbre que tendremos al realizar una medición
estará asociada a la mínima división de su escala o a la mínima división
que podemos resolver con algún método de medición. Nótese que
no decimos que el error de apreciación es la mínima división del
instrumento, sino la mínima división que es discernible por el
observador. La mínima cantidad que puede medirse con un
instrumento dado la denominamos apreciación nominal. El error de
apreciación puede ser mayor o menor que la apreciación nominal,
dependiendo de la habilidad (o falta de ella) del observador. Así, es
posible que un observador entrenado pueda apreciar con una regla
común fracciones del milímetro mientras que otro observador, con
la misma regla pero con dificultades de visión sólo pueda apreciar
2 mm.
•
Error de exactitud, exac: representa el error absoluto con el que el
instrumento en cuestión ha sido calibrado.
II. Error de interacción,
int:
Esta incerteza proviene de la interacción del método de medición
con el objeto a medir. Su determinación depende de la medición
que se realiza y su valor se estima de un análisis cuidadoso del método
usado.
III. Falta de definición en el objeto sujeto a medición,
def:
Como se dijo antes, las magnitudes a medir no están definidas con
179
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
infinita precisión. Tenemos que designamos la incertidumbre asociada
con la falta de definición del objeto a medir y representa su
incertidumbre intrínseca.
En general, en un dado experimento, todas estas fuentes de incertidumbres
estarán presentes, de modo que resulta útil definir el error nominal de
una medición nom,: como
Este procedimiento de sumar los cuadrados de los errores es un resultado
de la estadística, y proviene de suponer que todas las distintas fuentes de
error son independientes unas de otras.
Según el carácter, los errores pueden clasificarse en sistemáticos, estadísticos
e ilegítimos o espurios.
I. Errores sistemáticos: se originan por las imperfecciones de los métodos
de medición. Por ejemplo, pensemos en un reloj que atrasa o adelanta,
o en una regla dilatada, el error de paralaje, etc. Los errores
introducidos por estos instrumentos o métodos imperfectos afectarán
a nuestros resultados siempre en un mismo sentido. El valor de exac
sería un ejemplo de error sistemático pero no son lo mismo, ni los
errores de exactitud son los únicos responsables de los errores
sistemáticos.
II. Errores estadísticos: Son los que se producen al azar. En general, son
debidos a causas múltiples y fortuitas. Ocurren cuando, por ejemplo,
nos equivocamos en contar el número de divisiones de una regla, o
si estamos mal ubicados frente al fiel de una balanza. Estos errores
pueden cometerse con igual probabilidad por defecto como por
exceso. Por tanto, midiendo varias veces y promediando el resultado,
es posible reducirlos considerablemente. Es a este tipo de errores a
los que comúnmente hace referencia la teoría estadística de errores
de medición que formularemos sucintamente en lo que sigue. A estos
errores lo designaremos est.
III. Errores ilegítimos o espurios: Supongamos que deseamos calcular el
volumen de un objeto esférico y para ello determinamos su diámetro.
Si al introducir el valor del diámetro en la fórmula, nos equivocamos
en el número introducido, o lo hacemos usando unidades incorrectas,
o bien usamos una expresión equivocada del volumen, claramente
habremos cometido un error. Esta vez este error está más asociado
al concepto convencional de equivocación. A este tipo de errores los
designamos como ilegítimos o espurios. A este tipo de errores no se
aplica la teoría estadística de errores y el modo de evitarlo consiste
180
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
en una evaluación cuidadosa de los procedimientos realizados en la
medición.
Cuando se desea combinar los errores sistemáticos con los estadísticos,
la prescripción usual es sumar los cuadrados de los errores absolutos y
luego tomar la raíz cuadrada de este resultado, como lo indica la ecuación
siguiente. Si estamos midiendo una magnitud Z, el error final o combinado
o efectivo de Z, Z, vendrá dado por:
Los errores pueden asimismo expresarse de distintos modos, a saber:
I. Error absoluto: es el valor de la incertidumbre combinada. Tiene las
mismas dimensiones que la magnitud medida y es conveniente
expresarla con las mismas unidades de ésta. Si Z es la magnitud en
estudio, Z es el mejor valor obtenido y DZ su incertidumbre absoluta.
El resultado se expresa adecuadamente como:
El significado de esta notación es equivalente a decir que, según
nuestra medición, con una cierta probabilidad razonable p 0
(usualmente p0 = 0.68, 68%) el valor de Z está contenido en el
intervalo
lo que es equivalente a:
que significa que la probabilidad que el mejor estimador de Z esté
comprendido entre Z - Z y Z + Z es igual a p0. El valor de p0 se
conoce con el nombre de coeficiente de confianza y los valores ( Z
- Z , Z + Z) determinan un intervalo de confianza para Z.
II. Error relativo:, Z = Z/Z el cociente entre el error absoluto y el
mejor valor de la magnitud.
III. Error relativo porcentual :, Z% = 100. Z , es la incertidumbre relativa
multiplicada por 100.
181
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
4.2. Cifras siginificativas
Cuando realizamos una medición con una regla graduada en milímetros,
está claro que, si somos cuidadosos, podremos asegurar nuestro resultado
hasta la cifra de los milímetros o, en el mejor de los casos, con una
fracción del milímetro, pero no más. De este modo nuestro resultado
podría ser L = (95.2 ± 0.5) mm, o bien L = (95 ± 1) mm. En el primer
caso decimos que nuestra medición tiene tres cifras significativas y en el
segundo caso sólo dos. El número de cifras significativas es igual al
número de dígitos contenidos en el resultado de la medición que están
a la izquierda del primer dígito afectado por el error, incluyendo este
dígito. El primer dígito, o sea el que está más a la izquierda, es el más
significativo (9 en nuestro caso) y el último (más a la derecha) el menos
significativo, ya que es en el que tenemos “menos seguridad”. Nótese
que carece de sentido incluir en nuestro resultado de L más cifras que
aquellas en donde tenemos incertidumbres (donde “cae” el error).
No es correcto expresar el resultado como L = (95.321 ±1) mm, ya que
si tenemos incertidumbre del orden de 1 mm, mal podemos asegurar el
valor de las décimas, centésimas y milésimas del milímetro. Si el valor de
L proviene de un promedio y el error es del orden del milímetro, se
debe redondear el dígito donde primero cae el error.
Es usual expresar las incertidumbres con una sola cifra significativa, y
sólo en casos excepcionales y cuando existe fundamento para ello, se
pueden usar más. También es usual considerar que la incertidumbre en
un resultado de medición afecta a la última cifra si es que no se la indica
explícitamente. Por ejemplo, si sólo disponemos de la información que
una longitud es L = 95 mm, podemos suponer que la incertidumbre es
del orden del milímetro y, como dijimos antes, el resultado de L tiene
dos cifras significativas.
Una posible fuente de ambigüedad se presenta con el número de cifras
significativas cuando se hace un cambio de unidades. Si en el último
ejemplo deseamos expresar L en mm, el resultado sería L = (95000±1000)
m. ¿Cuántas cifras significativas tenemos en este resultado? Claramente
dos, igual que antes, ya que la última cifra significativa sigue siendo 5.
Sin embargo, si no indicamos explícitamente la incertidumbre de L, es
difícil saber cuántas cifras significativas tenemos. Nótese que 95 mm ≠
95000 m, ya que el primer resultado tiene sólo dos cifras significativas
mientras el segundo tiene 5 (a propósito compare el coste de los
instrumentos para realizar estas dos clases de determinaciones). Para
evitar estas ambigüedades se emplea la notación científica. Podemos
escribir la siguiente igualdad: 9.5 x101 mm =9.5 x 104 m. Notemos que
los números en ambos miembros de la igualdad tienen igual número
de cifras significativas, siendo la única diferencia las unidades usadas.
182
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
4.3. Proceso de medida
En el proceso de medida, como ya sabemos, siempre se perturba lo que
vamos a medir y, en consecuencia, obtenemos un valor real alterado. A
continuación resumiremos los pasos a seguir para medir una magnitud
física:
•
Comprobar la calibración del aparato.
•
Cumplir las normas de utilización del fabricante del aparato en cuanto
a conservación y condiciones de uso.
•
Conocer y valorar la sensibilidad del aparato para dar los resultados
con la correspondiente precisión.
•
Anotar cuidadosamente los valores obtenidos en tablas.
•
Realizar la gráfica que corresponda o la de distribución de medidas.
•
Hallar el valor representativo, su error absoluto y su error relativo.
183
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
RESUMEN
Las magnitudes fundamentales del Sistema Internacional a partir de las
cuales se obtienen el resto magnitudes derivadas son:
•
Unidad de Longitud: El metro.
•
Unidad de Masa: El kilogramo (kg).
•
Unidad de Tiempo: El segundo (s).
•
Unidad de Corriente Eléctrica: El amperio (A).
•
Unidad de Temperatura Termodinámica: El Kelvin (K).
•
Unidad de Intensidad Luminosa: La candela (cd).
•
Unidad de Cantidad de Sustancia: El mol.
La clasificación de los aparatos de medida, atendiendo a las distintas
variables a cuantificar, se clasifican en:
•
Dimensionales:
•
Termodinámicos.
•
Eléctricos.
•
Tiempo y Frecuencia.
•
Mecánica.
•
Óptica.
•
Eléctricos.
•
Acústica y Vibraciones.
•
Metrología química.
•
Radiaciones ionizantes.
Los aparatos de medida más utilizados en las labores de mantenimiento
de las instalaciones de sistemas frigoríficos son:
•
Manómetro, de glicerina y para isobutano.
•
Analizadores con manómetros de alta y baja.
•
Báscula de carga de refrigerante.
•
Termómetros.
•
Medidor de tenazas.
•
Voltímetro.
•
Detector de fugas.
•
Control de calidad de líquidos o de aire.
185
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
•
Detector de acidez del circuito.
En los procesos de medición se debe tener en cuenta:
•
La comprobación la calibración del aparato.
•
Cumplir las normas de utilización del fabricante del aparato en cuanto
a conservación y condiciones de uso.
•
Conocer y valorar la sensibilidad del aparato para dar los resultados
con la correspondiente precisión.
•
Anotar cuidadosamente los valores obtenidos en tablas.
•
Realizar la gráfica que corresponda o la de distribución de medidas.
•
Hallar el valor representativo, su error absoluto y su error relativo.
Los puntos a medir durante el funcionamiento de prueba de las
instalaciones frigoríficas son los siguientes:
•
Corriente de funcionamiento y voltaje.
•
Medición de la presión:
•
-
Presión de descarga.
-
Presión de aspiración.
Temperatura
-
Temperatura de aire de salida (o de agua) del condensador y del
evaporador.
-
Temperatura de aire de entrada (o de agua) del condensador y
del evaporador.
-
Temperatura de gas de descarga.
-
Temperatura de gas de aspiración.
-
Temperatura de líquido antes de la válvula de expansión.
Mediante el análisis de las mediciones obtenidas podemos identificar las
causas de posibles averías y fallos de funcionamiento.
186
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
GLOSARIO
Aire: Mezcla de gases que rodea a la tierra, compuesto mayoritariamente
por nitrógeno (N2) y oxígeno(O2).
Aislamiento (eléctrico): Sustancia que casi no tiene electrones libres; lo
anterior hace que sea pobre en la conducción de la corriente eléctrica.
Aislamiento (térmico): Material que es pobre conductor de calor; por lo
que se usa para retardar o disminuir el flujo de calor. Algunos materiales
aislantes son corcho, fibra de vidrio, elásticos espumados (poliuretano
y poliestireno), etc.
Amperaje: Flujo de electrones (corriente) de un Coulomb por segundo,
que pasa por un punto dado de un circuito.
Anemómetro: Instrumento utilizado para medir la proporción del flujo
o movimiento (velocidad) del aire.
Bar: Unidad de presión absoluta. Un bar equivale a 100 kPa (0.9869
atmósferas).
Barómetro: Instrumento para medir la presión atmosférica.
Bimetal: Dispositivo para regular o indicar temperatura. Funciona sobre
el principio de que dos metales disímiles, con proporciones de expansión
diferentes, al soldarlos juntos, se doblan con los cambios de temperatura.
Bulbo sensor: Parte de un dispositivo con un fluido sellado, que reacciona
a los cambios de temperatura. Se usa para medir temperaturas o para
controlar mecanismos.
Bulbo sensor de temperatura: Bulbo que contiene un fluido volátil y un
diafragma. El aumento de temperatura en el bulbo causa que el diafragma
se expanda.
Calibrar: Posicionar indicadores por comparación con un estándar o por
otros medios, para asegurar mediciones precisas.
Calor: Forma de energía que actúa sobre las sustancias para elevar su
temperatura; energía asociada con el movimiento al azar de las moléculas.
Caloría: Unidad para medir el calor en el sistema métrico. Equivale a la
cantidad de calor que se requiere, para elevar la temperatura de un
gramo de agua en un grado centígrado. 1000 calorías = 1 kcal.
Calorímetro: Dispositivo utilizado para medir cantidades de calor o para
determinar calores específicos.
Calor, intensidad del: Concentración de calor en una sustancia, indicada
por la temperatura de la misma, mediante el uso de un termómetro.
187
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
Carga de refrigerante: Cantidad de refrigerante colocada en un sistema
de refrigeración.
Centígrada, escala: Escala de temperatura usada en el sistema métrico.
Conductividad: Habilidad de una sustancia para conducir o transmitir
calor y/o electricidad.
Conductor: Sustancia o cuerpo capaz de transmitir electricidad o calor.
Corriente: Transferencia de energía eléctrica en un conductor, por medio
del cambio de posición de los electrones.
Corriente alterna: Corriente eléctrica en la cual se invierte o se alterna
el sentido del flujo. En una corriente de 60 ciclos (Hertz), el sentido del
flujo se invierte cada 1/120 de segundo.
Corriente continua: Flujo de electrones que se mueve continuamente
en un sentido en el circuito.
Coulomb: Cantidad de electricidad transferida por una corriente eléctrica
de un amperio en un segundo.
Energía: Habilidad real o potencial de efectuar trabajo.
Instrumento: Dispositivo que tiene habilidades para registrar, indicar,
medir y/o controlar.
Intensidad del calor: Concentración de calor en una sustancia, como se
indica por la temperatura de esa sustancia, mediante el uso de un
termómetro.
Higrómetro: Instrumento utilizado para medir el grado de humedad en
la atmósfera.
Joule (J): Unidad de energía del Sistema Internacional (SI). Un Joule
equivale al trabajo realizado por la fuerza de un Newton, cuando el punto
de aplicación se desplaza una distancia de un metro, en dirección de la
fuerza.
Kilocaloría: Unidad de energía y trabajo, equivalente a mil calorías.
Manómetro: Instrumento para medir presiones de gases y vapores. Es
un tubo de vidrio (o plástico) en forma de "U", con una cantidad de
líquido (agua o mercurio) y los extremos abiertos.
Newton: Unidad de fuerza del Sistema Internacional (SI), equivalente
a la fuerza ejercida sobre un objeto que tiene una masa de un kilogramo,
y una aceleración gravitacional de 1 m/seg2.
Ohm: Unidad de medición de la resistencia eléctrica. Un ohm existe
cuando un voltio causa un flujo de un ampere.
Óhmetro: Instrumento para medir la resistencia eléctrica en ohms.
188
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
Ohm, Ley de: Relación matemática entre el voltaje, la corriente y la
resistencia en un circuito eléctrico, descubierta por George Simon Ohm.
Se establece como sigue: el voltaje (V) es igual a la corriente en amperes
(I), multiplicada por la resistencia (R) en ohms; V = I x R.
Pascal (Pa): Unidad de presión absoluta en el sistema internacional (SI);
es igual a la fuerza de un Newton ejercida sobre una superficie de un
m2; Pa = N/m2. Para algunos fines científicos o prácticos, el Pascal puede
resultar una unidad muy pequeña, por lo que entonces se utiliza el
kiloPascal (kPa) o el BAR. 1 kPa = 1,000 Pa y 1 BAR = 100 kPa.
Presión: Energía impactada sobre una unidad de área. Fuerza o empuje
sobre una superficie.
Presión absoluta: Es la suma de la presión manométrica más la presión
atmosférica.
Presión atmosférica: Presión que ejerce el aire atmosférico sobre la tierra.
Se mide en kPa, mm de Hg, kg/cm2, lb/pulg2, etc. Al nivel del mar, tiene
un valor de 101.325 kPa (14.696 lb/pulg2).
Psicrómetro: Instrumento para medir la humedad relativa del aire.
Resistencia: Oposición al flujo o movimiento. Coeficiente de fricción.
Resistencia eléctrica (R): La dificultad que tienen los electrones para
moverse a través de un conductor o sustancia.
Sensor: Material o dispositivo que sufre cambio en sus características
físicas o electrónicas, al cambiar las condiciones circundantes.
Sistema de unidades SI: Sistema de mediciones derivado del sistema
métrico decimal.
Sistema Métrico Decimal: Sistema decimal de mediciones.
Temperatura: 1- Intensidad de calor o frío, tal como se mide con un
termómetro. 2- Medición de la velocidad del movimiento de las moléculas.
Termómetro: Instrumento para medir temperaturas.
Termostato: Dispositivo que detecta las condiciones de la temperatura
ambiente, y a su vez, acciona para controlar un circuito.
Trifásico: Que opera por medio de la combinación de tres circuitos de
corriente alterna, los cuales difieren en fase por un tercio de ciclo.
Tubo de Bourdon: Tubo de metal elástico, aplanado, de paredes delgadas
y doblado en forma circular, el cual tiende a enderezarse al aumentar
la presión dentro del mismo. Se utiliza en manómetros.
Tubo capilar: Tubo de diámetro interior pequeño, que se utiliza para
controlar el flujo de refrigerante hacia el evaporador. Se utiliza,
generalmente, en sistemas de refrigeración pequeños, tales como
189
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
refrigeradores domésticos, unidades de aire acondicionado de ventana,
etc.
Tubo de Pitot: Tubo utilizado para medir velocidades del aire.
Vacío: Presión menor que la atmosférica.
Vacuómetro: Instrumento para medir vacío muy cercano al vacío perfecto.
Voltaje: 1- Término empleado para indicar el potencial eléctrico o fem
en un circuito eléctrico. 2- Presión eléctrica que causa que fluya una
corriente. 3- Fuerza electromotriz (fem).
Voltímetro: Instrumento para medir voltaje en un circuito eléctrico.
Volumen específico: Volumen por unidad de masa de una sustancia
(m3/kg).
Watt (W)/ Watio: Unidad de potencia, equivale a la potencia producida
al realizar un trabajo de 1 Joule por segundo (1 Watt = 1 J/s).
190
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN
1. ¿Cuáles son las magnitudes fundamentales y unidades en el Sistema
Internacional?
2. Citar los distintos sistemas de medida.
3. ¿Cómo pueden clasificarse los aparatos de medida atendiendo a las
variables a cuantificar?
4. ¿Cuáles son las principales ventajas de los aparatos de medida digitales
frente a los convencionales?
5. ¿Cuál es la función de los manómetros y qué tipos podemos encontrar?
6. ¿Qué tres funciones desempeñan los analizadores con manómetros
de alta y baja?
7. ¿Cuáles son los aparatos de medida eléctricos más utilizados en las
instalaciones frigoríficas?
8. ¿Cómo se detecta la acidez dentro del circuito y cómo se debe proceder
para eliminarla?
9. ¿Cómo podemos clasificar los errores de medida?
10. ¿Qué significado tiene la expresión cifras significativas?
11. ¿Cuáles son los pasos a seguir para medir una magnitud física?
12. ¿Cuáles son los puntos comunes a verificar en una instalación
frigorífica?
13. Citar las causas probables para una medición que da una temperatura
de la línea de descarga demasiado baja.
14. El resultado de una medición indica que la presión de aspiración es
excesiva citar las posibles causas.
191
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 2 APARATOS DE MEDIDA
BIBLIOGRAFÍA
Alarcón Creus, José: Tratado Práctico de Refrigeración Automática, 12ª edición
ampliada y puesta al día con la inclusión de los nuevos refrigerantes HFC
sin cloro, Barcelona: Edit. Marcombo, S.A., 1998.
Amigo, P.: Termotecnia. Aplicaciones Industriales, Editorial Mundi-Prensa,
1999.
Balboa, Joan: Manual de Instalaciones Frigoríficas, 2ª Edición, Barcelona:
Edit. Ediciones Ceysa, 2003.
Cano, G.: Manual para la Operación y Funcionamiento de Almacenes Frigoríficos
de Productos Cárnicos, Editorial FAO, 1991.
López, A.: Las Instalaciones Frigoríficas en las Industrias Agroalimentarias,
Madrid: Ediciones A. Madrid Vicente / Mundi-prensa libros, S.A., 1994.
Maestre Albert, Joaquín; Melgarejo Moreno, Pablo; y otros / Colegio
Oficial de Ingenieros Agrónomos de Murcia: Curso de Ingeniería del frío,
Madrid: Ediciones A. Madrid Vicente, 1993.
Manual técnico Valycontrol, 1996, distribuido por Valycontrol S.A.
Ramírez, Carlos Mario; García, Mateo Miguel; García García, Ceferino:
Termodinámica, Derechos reservados respecto a la primera edición en
español por McGRAW-HILL INTERAMERICANA DE MÉXICO, S.A. de
C.V.
Rapin, P.: Prontuario del Frío, Tercera Edición traducida y ampliada de la
tercera edición francesa, Edit. Editores Técnicos Asociados, 1994.
Rapin, P.; Jacquard, P. J.: Instalaciones frigoríficas. Tomo 1 Física Aplicada,
Barcelona: Edit. Marcombo Boixareu Editores, 1997.
Sánchez y Pineda de las Infantas, Mª Teresa: Ingeniería del frío: Teoría y
Práctica, Madrid: Edit. A. Madrid Vicente/ Mundi-prensa libros, S.A.,
2001.
Segura Clavell, José: Termodinámica Técnica, Barcelona: Edit. Reverté S.A.,
1993.
193
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS
FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
M 1 / UD 3
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
ÍNDICE
Introducción..................................................................................
199
Objetivos ........................................................................................
201
1. Tipología de planos ................................................................
203
2. Simbología...............................................................................
204
2.1. Aparatos eléctricos ...........................................................
204
2.2. Aparatos principales.........................................................
206
2.3. Aparatos anexos ...............................................................
210
2.4. Aparatos de alimentación ................................................
213
2.5. Aparatos diversos..............................................................
215
Resumen ........................................................................................
217
Glosario..........................................................................................
219
Cuestionario de Autoevaluación ..................................................
225
Bibliografía ....................................................................................
227
197
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
INTRODUCCIÓN
Un plano es la representación, en formato papel o digital, de la instalación
y de sus componentes. La tipología de planos es prácticamente ilimitada.
En instalaciones frigoríficas la tipología de planos habituales va desde
los planos de montaje de los componentes, equipos e instalación completa
hasta los planos de mantenimiento de cada una de esas unidades, pasando
por los esquemas de conexión y funcionamiento.
Un plano se compone del marco, el cajetín, la o las leyendas y la
representación en sí. El marco separa los límites exteriores del elemento
de la representación, formando un borde alrededor de la misma. Es
conveniente que muestre una ordenación de la representación a modo
de cuadrícula (numerando las casillas horizontales con letras
- A, B ,C ,…- y las verticales con números -1 ,2 ,3,…-, por ejemplo) para
poder hacer referencia a los elementos representados en su interior sin
que existan confusiones (por ejemplo, referirse a una válvula de las
muchas existentes en la instalación como la válvula ubicada en H-3).
El cajetín es la zona del plano reservada para la identificación del mismo.
En el cajetín debe aparecer:
•
El nombre, el código del plano y la instalación al que pertenece.
•
El autor.
•
La fecha de creación o modificación.
•
La escala gráfica.
En la leyenda se describe la simbología utilizada en la representación y
permite el entendimiento de la misma. Realiza la asociación de cada
símbolo con el elemento que representa. Es conveniente que la simbología
utilizada se corresponda con la simbología recomendada por la
reglamentación pertinente.
199
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
OBJETIVOS
En la presente unidad didáctica se persigue:
•
Conocer los distintos tipos de planos con los que se trabaja en las
instalaciones frigoríficas.
•
Distinguir entre los planos de piezas, componentes y de instalaciones
completas.
•
Reconocer en los planos los elementos y partes de la instalación que
precisan labores de control y mantenimiento especiales.
•
Familiarizarse con la simbología usada en las representaciones.
201
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
1. TIPOLOGÍA DE PLANOS
En una instalación de refrigeración se trabaja con:
•
Planos de componentes de máquinas y equipos.
•
Planos de conjuntos de máquinas y equipos.
•
Planos de mantenimiento.
Los planos de componentes de máquinas y equipos consisten en despieces
de los mismos.
En los planos de conjuntos de máquinas y equipos se grafía la totalidad
de elementos que componen la instalación, conectados entre sí mediante
las tuberías, conductos o elementos de unión correspondientes. Los
elementos componentes se representan mediante sus símbolos
normalizados; no se detalla, en este tipo de planos, el despiece de cada
equipo.
Los esquemas de funcionamiento de la instalación se incluyen dentro
de los planos de conjunto.
Los planos de mantenimiento son representaciones de la instalación que
ayudan a realizar las labores de mantenimiento. Suelen acompañar a las
hojas de mantenimiento (que se definirán en el tema correspondiente
a Mantenimiento y Reparación de equipos).
En este tipo de plano se detallan, dibujan o describen las tareas que debe
realizar el técnico durante su estancia en la instalación. Según el tipo de
instalación, el plano puede presentar cuadrículas o espacios a rellenar
por el técnico, donde indique el resultado de las mediciones realizadas,
la conformidad de los niveles revisados, las observaciones generales del
estado de la instalación,…
En las figuras siguientes se muestran ejemplos de cada uno de los tipos
de planos presentados.
203
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
2. SIMBOLOGÍA
El Reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones Frigoríficas
(aprobado por el Real Decreto 3099/1977, de septiembre) y sus
instrucciones técnicas complementarias MI IF (Orden de 24 de enero
de 1978) desarrollan la normativa que rige este tipo de plantas.
En su instrucción complementaria MI IF 017 “Símbolos a utilizar en
esquemas de elementos de equipos frigoríficos” se describe una completa
simbología a conocer. En el presente apartado se presentan dichos
símbolos.
2.1. Aparatos Eléctricos
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
Corriente alterna
Corriente continua
Aparatos que pueden usarse
de modo independiente con
corriente alterna o continua
Corriente ondulada o
rectificada (trifásica,
frecuencia 50 Hz y 230
V de tensión)
Neutro
Corriente alterna trifásica
con neutro distribuido
(frecuencia 50 Hz y 400
V de tensión)
Corriente continua de 2
conductores a 110V
Corriente continua de 3
conductores a 110V
Polaridad positiva
Polaridad negativa
Devanado trifásico, conexión
triángulo
Devanado trifásico,
conexión triángulo abierto
Devanado trifásico, conexión
estrella
Devanado trifásico,
conexión estrella con
neutro accesible
204
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
SÍMBOLO
Incorporación de uno o varios
conductores en un haz
DESIGNACIÓN
Cruce de dos conductores
sin conexión eléctrica
Cruce de dos conductores
con conexión eléctrica
Resistencia
Resistencia no reactiva
Impedancia
Inductancia
Condensador
Tierra o toma de tierra
Masa o toma de masa
Masa puesta a tierra
Bornes de conexión
Motor
Motor de corriente continua
Motor de corriente
alterna
Motor de inducción trifásico con
rotor cortocircuitado
Motor de inducción
trifásico con rotor
cortocircuitado y 6 bornes
de salida del estátor
Motor de inducción trifásico con
rotor con anillos
Motor de inducción
trifásico con estátor en
estrella y arranque
automático en el rótor
Transformador con dos
devanados separados
Autotransformador
205
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
Transformador con núcleo
Contacto abierto en
reposo
Contacto cerrado en reposo
Contacto de conmutación
bidireccional sin solape
Contacto de conmutación
bidireccional con posición neutral
Interruptor unipolar
Interruptor tripolar
Fusibles
Lámpara de señalización
Indicador de contacto de
alarma
Bocina
Timbre
Sirena
Regleta de terminales
Acoplamiento mecánico
Acoplamiento mecánico
si el espacio disponible
es limitado
Indicaciones del sentido de
movimiento
Mando mecánico manual
Mando mediante leva
Mando mediante motor
eléctrico
Mando electromagnético
Arrancador automático
206
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
Arrancador reostático
Arrancador reostático
rotórico automático para
motor asíncrono trifásico
con arrancador directo y
contadores para motor
reversible
Órgano de mando (bobina)
Órgano de mando de un
relé térmico
Relé térmico trifásico
Contactor trifásico
Contactor con relé térmico de
sobreintensidad
Amperímetro
Voltímetro
Pulsador que establec el
contacto al pulsar
Pulsador que interrumpe el
contacto al pulsar
207
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
2.2 Aparatos principales
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
Compresor
Compresor rotativo
Compresor alternativo
Compresor centrífugo
Conjunto motor-compresor a
pistón (acoplamiento directo)
Conjunto motorcompresor a pistón
(acoplamiento por
correas)
Conjunto motor –compresor
rotativo (acoplamiento directo)
Conjunto motorcompresor a pistón
(hermético, hermético
accesible o
semihermético)
Conjunto motor-compresor
rotativo (hermético, hermético
desmontable)
Condensador por aire con
convección natural
Condensador por aire con
convección forzada
Condensador por agua de
inmersión
Condensador por agua multipolar
horizontal o vertical
Evaporador de aire con
convección natural
Evaporador de aire con
convección forzada
Condensador por agua de
doble tubo
Condensador de lluvia
Condensador evaporativo
de evaporación forzada
Torre de enfriamiento con
economizador de agua
Evaporador de líquido de
tipo inundado
Evaporador de líquido de tipo
inundado
Evaporador multipolar
208
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
Evaporador multipolar vertical
Evaporador multitubular
de expansión seca tipo
NH3
Evaporador multitubular de
expansión seca, tipo R22, R502
Evaporador tipo placa
Evaporador tipo techo
Evaporador intermedio
vertical
Evaporador intermedio horizontal
Compresor centrífugo
Compresor alternativo hermético
Motor-compresor
alternativo hermético
Condensador de agua
multitubular con reserva de
líquido
Condensador de aire con
convección forzada con
conductos distribuidores
Batería refrigerante de agua fría
o helada
Batería de calentamiento
con agua caliente
Batería de calentamiento
eléctrica
209
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
2.3 Aparatos anexos
DESIGNACIÓN
SÍMBOLO
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
Separador de aceite
Depósito decantador de
aceite
Recipiente de refrigerante líquido
horizontal
Recipiente de refrigerante
líquido vertical
Separadores de líquido
Separador de líquido
horizontal
Filtros
Deshidratador
Visor de líquido
Intercambiador de calor
Válvula recta manual
Válvula ángulo manual
Válvula de tres vías manual o
válvula del compresor con toma
de manómetro
Válvula manual
Válvula de retención
Tubería
Válvula de seguridad
Bridas
Empalmes roscados macho
Empalmes roscados
hembra
210
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
SÍMBOLO
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
DESIGNACIÓN
Empalmes soldados
Accionamiento a mano
Accionamiento mecánico y
eléctrico
Accionamiento por el
mismo fluido
Accionamiento por fluido auxiliar
Unión por bridas
Válvula principal por
accionamiento por piloto (indicar
tipo de dispositivo)
Accionamiento por
flotador
Accionamiento por contrapesos
Manómetro de líquido en
“U”
Rotámetro (caudalímetro para
líquidos y gases)
Diafragma
Venturi
Tubería aislada
Filtro de aire
Resistencias de
calentamiento
Tramo de pulverizadores
Separadores de gotas
211
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
SÍMBOLO
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
DESIGNACIÓN
Recipiente de líquido con nivel
reflector (fluidos halogenados)
Recipiente de líquido con
nivel reflector (Amoniaco)
Purgador de aire automático
Visor de líquido
Nivel de reflector
Bomba centrífuga de
líquido
Moto-bomba de líquido
(hermético accesible)
Tubería accesible
(amortiguador accesible)
Compensador de dilatación de
curva completa
Compensador de
dilatación en forma de lira
Unión por rácores roscados
212
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
2.3 Aparatos de alimentación
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
Válvula de expansión manual
Válvula de expansión
automática
Válvula de expansión
termostática
Válvula de expansión
termostática con
igualador externo
Tubo de expansión capilar
Distribuidor líquido
(indicar número de
salidas)
Válvula flotador alta presión
Válvula flotador baja
presión
Regulador de nivel
Válvula termostática de
inyección
Válvula presión constante
Válvula de arranque
Regulador de capacidad
Válvula de acción
instantánea
Válvula de estrangulamiento
termostática
Válvula presostática de
agua
Válvula electromagnética o de
solenoide
Válvula termostática de
agua
213
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
Presostato (indicar alta o baja
presión)
Presostato combinado de
alta y baja presión
Presostato diferencial de aceite
o presostato de aceite
Termostato bilámina
Termostato con bulbo
incorporado
Termostato con bulbo y
capilar
Termostato de evaporación
214
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
2.5 Aparatos diversos
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
Motor eléctrico
Motor eléctrico, tipos de
alimentación:
1) Continua
2) Monofásica
3) Trifásica
4) Polifásica
Bomba centrífuga
Ventilador centrífugo
Ventilador helicoidal
Bomba centrífuga de
acoplamiento directo
Bomba centrífuga accionado por
correa
Rampa de agua
Agitador de líquido
Tanque o depósito abierto
Tapa de tanque o depósito
Aislante térmico
Manómetros de:
1) Baja presión
2) Presión intermedia
3) Alta presión
Termómetro
Termómetro a distancia
215
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
RESUMEN
•
Los planos son representaciones esquemáticas de la instalación y sus
componentes.
•
Para la definición, montaje y mantenimiento de una instalación
frigorífica se dispone de diversos tipos de planos:
•
-
Planos de componentes de máquinas y equipos.
-
Planos de conjuntos de máquinas y equipos.
-
Planos de mantenimiento.
Cada componente de una instalación frigorífica posee un símbolo
asociado que hay que conocer para poder reconocerlo en los planos.
217
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
GLOSARIO
Bomba: Cualquiera de las diferentes máquinas que impulsan un gas o
un líquido hacia fuera, o lo atraen de algo, por succión o por presión.
Caja de conexiones: Caja o contenedor que cubre un grupo de terminales
eléctricas.
Cajetín: Lugar de un plano reservado para la identificación del mismo,
de la instalación y proyecto del que forma parte, de su autor, de la escala
de representación, de la fecha de creación y modificaciones posteriores.
Compresor: Máquina en sistemas de refrigeración, hecha para succionar
vapor del lado de baja presión en el ciclo de refrigeración, y comprimirlo
y descargarlo hacia el lado de alta presión del ciclo.
Compresor: Compresor en el que el cigüeñal se extiende a través del
cárter, hacia afuera del compresor, movido por un motor externo.
Comúnmente se le llama compresor de movimiento externo.
Compresor alternativo: Compresor que funciona con un mecanismo de
pistones y cilindros, para proporcionar una acción bombeante. Los
pistones se mueven hacia adelante y hacia atrás dentro del cilindro, para
comprimir el refrigerante.
Compresor centrífugo: Máquina para comprimir grandes volúmenes de
vapor, a una velocidad relativamente alta, usando relaciones de compresión
pequeñas. La compresión está basada en una fuerza centrífuga de ruedas
giratorias, con hojas tipo turbina.
Compresor hermético: Unidad motocompresora en la que el motor
eléctrico y el compresor, están montados en una flecha común, dentro
de un casco de acero soldado. El motor eléctrico opera en la atmósfera
de refrigerante.
Compresor rotativo: Compresor con un cilindro y un rotor excéntrico
interior, el cual gira dentro del cilindro. Las aletas deslizables dentro del
rotor son las que comprimen el vapor durante la rotación.
Compresor semihermético: Unidad motocompresora que opera igual
que un compresor hermético, con la excepción de que no está totalmente
sellado, sino que se pueden quitar las tapas de los extremos para darle
servicio.
Condensador: Componente del mecanismo de refrigeración que recibe
del compresor vapor caliente a alta presión, enfriándolo y regresándolo
luego a su estado líquido. El enfriamiento puede ser con aire o con agua.
Condensador enfriado por agua: Intercambiador de calor, diseñado para
transferir calor desde el refrigerante gaseoso al agua. Existen tres tipos:
de casco y tubos, de casco y serpentín y de tubos concéntricos.
219
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
Condensador enfriado por aire: Intercambiador de calor que transfiere
calor al aire circundante. En estos condensadores, el vapor caliente de
la descarga del compresor entra en los tubos, y el aire atmosférico circula
por fuera de los tubos, los cuales, generalmente, son del tipo aletado.
Condensador evaporativo: Condensador que combina un condensador
atmosférico, con una torre de enfriamiento de tiro forzado. El haz de
tubos se encuentra dentro de la torre. El agua es rociada sobre los tubos,
y el aire forzado enfría el agua y los tubos. Parte del agua se evapora y
enfría el resto del agua, reduciendo el consumo de ésta.
Control de alta presión: Dispositivo utilizado para evitar que la presión
de evaporación del lado de alta, exceda cierta presión.
Control de baja presión: Dispositivo utilizado para evitar que la presión
de evaporación del lado de baja caiga abajo de cierta presión.
Control termostático: Dispositivo que opera un sistema o parte de él,
basado en un cambio de temperatura.
Evaporador: Componente del mecanismo de un sistema de refrigeración,
en el cual el refrigerante se evapora y absorbe calor.
Evaporador de casco y tubos: Evaporador del tipo inundado, utilizado
principalmente para enfriar líquidos. Generalmente, el líquido circula
por los tubos que están dentro del casco cilíndrico, o viceversa.
Evaporador de expansión directa: Evaporador que utiliza como dispositivo
de control de líquido una válvula de expansión automática, o una de
termo expansión.
Evaporador inundado: Evaporador que todo el tiempo contiene
refrigerante líquido.
Evaporador seco: Evaporador en el que el refrigerante está en forma de
gotas.
Filtro: Dispositivo para remover partículas extrañas de un fluido.
Filtro-deshidratador: Dispositivo empleado para la limpieza del refrigerante
y del aceite, en los sistemas de refrigeración. Remueve toda clase de
contaminantes, tales como: suciedad, rebabas, ceras, humedad, ácidos,
óxidos, etc.
Flotador del lado de alta: Mecanismo para control de refrigerante, que
controla el nivel de refrigerante líquido, en el lado de alta presión del
sistema.
Flotador del lado de baja: Válvula de control de refrigerante, operada
por el nivel del refrigerante líquido, en el lado de baja presión del sistema.
Fusible: Dispositivo de seguridad eléctrico que consiste de una tira de
metal fusible, que se funde cuando se sobrecarga el circuito.
220
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
Intercambiador de calor: Dispositivo utilizado para transferir calor de
una superficie caliente a una superficie menos caliente (los evaporadores
y condensadores son intercambiadores de calor).
Interruptor de presión: Interruptor operado por una disminución o por
un aumento de presión.
Impedancia: Es la oposición en un circuito eléctrico al flujo de una
corriente alterna, que es similar a la resistencia eléctrica de una corriente
directa.
Lado de alta: Partes de un sistema de refrigeración, que se encuentran
bajo la presión de condensación o alta presión.
Lado de baja: Partes de un sistema de refrigeración, que se encuentran
por abajo de la presión de evaporación o baja presión.
Leyenda: Parte de un plano reservada a la definición de los símbolos y
líneas utilizados en el mismo.
Línea de líquido: Tubería que acarrea refrigerante líquido, desde el
condensador o recibidor, hasta el mecanismo de control de refrigerante.
Plano: Representación gráfica total o parcial en una superficie y mediante
procedimientos técnicos, de un terreno, de la planta de un edificio, de
una instalación,…
Presión de alta: Término empleado para referirse a la presión, a la cual
se lleva a cabo la condensación, en un sistema de refrigeración.
Presión de baja: Presión del lado de baja del ciclo de refrigeración, a la
cual se lleva a cabo la evaporación.
Reactancia: La parte de la impedancia de un circuito de corriente alterna,
debido a la capacitancia o a la inductancia, o a ambas.
Reactancia inductiva: Inducción electromagnética en un circuito, que
crea una fem contraria o inversa, al cambiar la corriente original. Se
opone al flujo de la corriente alterna.
Resistencia eléctrica (R): La dificultad que tienen los electrones para
moverse a través de un conductor o sustancia.
Separador de aceite: Dispositivo utilizado para remover aceite del gas
refrigerante.
Símbolo: Imagen utilizada para representar gráficamente un elemento
real.
Termostato: Dispositivo que detecta las condiciones de la temperatura
ambiente, y a su vez, acciona para controlar un circuito.
Torre de enfriamiento: Dispositivo que enfría por evaporación del agua
en el aire. El agua es enfriada hasta la temperatura de bulbo húmedo
del aire.
221
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
Transformador: Dispositivo electromagnético que transfiere energía
eléctrica, desde un circuito primario, a varios voltajes en un circuito
secundario.
Trifásico: Que opera por medio de la combinación de tres circuitos de
corriente alterna, los cuales difieren en fase por un tercio de ciclo.
Válvula: Accesorio utilizado para controlar el paso de un fluido.
Válvula de agua (eléctrica): Válvula tipo solenoide (operada
eléctricamente), que se usa para abrir y cerrar el flujo de agua.
Válvula de agua (termostática): Válvula usada para controlar el flujo de
agua a través de un sistema, accionada por una diferencia de temperaturas.
Se usa en unidades como compresores y/o condensadores, enfriados
por agua.
Válvula de aguja: Tipo de válvula que tiene el asiento del vástago en
forma de aguja, y un orificio pequeño en el asiento del cuerpo; sirve
para medir flujos bajos con mucha precisión.
Válvula de alivio: Válvula de seguridad en sistemas sellados. Abre para
liberar fluidos, antes de que alcancen presiones peligrosas.
Válvula de ángulo: Tipo de válvula de globo, con conexiones para tubo
en ángulo recto. Usualmente, una conexión va en plano horizontal y la
otra en plano vertical.
Válvula de control: Válvula que regula el flujo o presión de un medio,
el cual afecta un proceso controlado. Las válvulas de control son operadas
por señales remotas de dispositivos independientes, que utilizan cualquier
cantidad de medios de control, tales como neumáticos, eléctricos o
electrohidráulicos.
Válvula de descarga: Válvula dentro del compresor de refrigeración, que
permite que salga del cilindro el gas refrigerante comprimido, hacia la
línea de descarga, evitando que se devuelva.
Válvula de dos vías: Válvula con un puerto de entrada y uno de salida.
Válvula de escape: Válvula de apertura automática que proporciona
salida para los gases del cilindro en un compresor cuando la presión
interior supera cierto valor.
Válvula de expansión: Tipo de control de refrigerante, que mantiene
presión constante en el lado de baja del sistema de refrigeración. La
válvula es operada por la presión en el lado de baja o de succión. Con
frecuencia, se le conoce como válvula de expansión automática
Válvula de flotador: Tipo de válvula que opera con un flotador, sobre la
superficie del líquido, controlando su nivel.
222
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
Válvula de gas: Dispositivo en la tubería para arrancar, parar o regular
el flujo de un gas.
Válvula de líquido-vapor: Válvula manual doble, que se utiliza comúnmente
en los cilindros de refrigerante, con la cual se puede obtener refrigerante,
ya sea en forma líquida o vapor, del cilindro.
Válvula de presión de agua: Dispositivo utilizado para controlar el flujo
de agua. Es responsable de crear la presión piezométrica del sistema de
refrigeración.
Válvula de retención: Válvula de globo que acciona automáticamente,
y que sólo permite el flujo en un solo sentido.
Válvula de seguridad: Válvula auto-operable de acción rápida, que se usa
para un alivio rápido del exceso de presión.
Válvula de servicio: Dispositivo utilizado en cualquier parte del sistema
donde se desea verificar presiones, cargar refrigerante o hacer vacío o
dar servicio.
Válvula de servicio de descarga: Válvula de dos vías operada manualmente,
ubicada en la entrada del compresor. Controla el flujo de gas de la
descarga; se usa para dar servicio a la unidad.
Válvula de servicio de succión: Válvula de dos vías operada manualmente,
ubicada en la entrada del compresor. Controla el flujo de gas de la
succión; se usa para dar servicio a la unidad.
Válvula de succión: Válvula dentro del compresor de refrigeración, que
permite el ingreso del vapor de refrigerante, proveniente de la línea de
succión, al cilindro, evitando que se devuelva.
Válvula de termo expansión: Válvula de control operada por la temperatura
y presión dentro del evaporador. Controla el flujo de refrigerante hacia
el evaporador. El bulbo sensor se instala a la salida del evaporador.
Válvula de tres vías: Válvula de control de flujo con tres puertos, para el
flujo de fluidos.
Válvula reguladora de presión: Dispositivo instalado en la línea de succión,
que mantiene una presión constante en el evaporador, durante una parte
de trabajo del ciclo.
Válvula solenoide: Válvula diseñada para funcionar por acción magnética,
a través de una bobina energizada eléctricamente. Esta bobina acciona
un núcleo móvil, el cual abre o cierra la válvula.
Válvula termostática: Válvula controlada por elementos que responden
a cambios de temperatura.
223
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN
1. Nombrar y describir los distintos tipos de planos que pueden
presentarse en una instalación frigorífica.
2. Enumerar y describir las distintas partes de un plano.
3. Rellenar la siguiente tabla con el elemento que representa cada uno
de los símbolos.
SÍMBOLO
DESIGNACIÓN
SÍMBOLO
225
DESIGNACIÓN
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 3 INTERPRETACIÓN DE PLANOS
BIBLIOGRAFÍA
Alarcón Creus, José: Tratado Práctico de Refrigeración Automática, 12ª edición
ampliada y puesta al día con la inclusión de los nuevos refrigerantes HFC
sin cloro, Barcelona: Edit. Marcombo, S.A., 1998.
Amigo, P.: Termotecnia. Aplicaciones Industriales, Editorial Mundi-Prensa,
1999.
Balboa, Joan: Manual de Instalaciones Frigoríficas, 2ª Edición, Barcelona:
Edit. Ediciones Ceysa, 2003.
Cano, G.: Manual para la Operación y Funcionamiento de Almacenes Frigoríficos
de Productos Cárnicos, Editorial FAO, 1991.
López, A.: Las Instalaciones Frigoríficas en las Industrias Agroalimentarias,
Madrid: Ediciones A. Madrid Vicente / Mundi-prensa libros, S.A., 1994.
Maestre Albert, Joaquín; Melgarejo Moreno, Pablo; y otros / Colegio
Oficial de Ingenieros Agrónomos de Murcia: Curso de Ingeniería del frío,
Madrid: Ediciones A. Madrid Vicente, 1993.
Manual técnico Valycontrol, 1996, distribuido por Valycontrol S.A.
Ramírez, Carlos Mario; García, Mateo Miguel; García García, Ceferino:
Termodinámica, Derechos reservados respecto a la primera edición en
español por McGRAW-HILL INTERAMERICANA DE MÉXICO, S.A. de
C.V.
Rapin, P.: Prontuario del Frío, Tercera Edición traducida y ampliada de la
tercera edición francesa, Edit. Editores Técnicos Asociados, 1994.
Rapin, P.; Jacquard, P. J.: Instalaciones frigoríficas. Tomo 1 Física Aplicada,
Barcelona: Edit. Marcombo Boixareu Editores, 1997.
Sánchez y Pineda de las Infantas, Mª Teresa: Ingeniería del frío: Teoría y
Práctica, Madrid: Edit. A. Madrid Vicente/ Mundi-prensa libros, S.A.,
2001.
Segura Clavell, José: Termodinámica Técnica, Barcelona: Edit. Reverté S.A.,
1993.
227
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS
FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
M 1 / UD 4
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
ÍNDICE
Introducción..................................................................................
233
Objetivos ........................................................................................
235
1. Ciclo de refrigeración. Variables de funcionamiento.
Diagramas P-h..........................................................................
237
2. Piezas principales del sistema de refrigeración.....................
246
3. Efecto de la temperatura de vaporización y condensación
sobre la eficacia del ciclo ........................................................
248
4. Recalentamiento del vapor.....................................................
251
5. Subenfriamiento del líquido ..................................................
254
6. Pérdidas de presión ................................................................
255
7. Modificaciones sobre el ciclo ideal ........................................
256
Resumen ........................................................................................
257
Glosario..........................................................................................
261
Cuestionario de Autoevaluación ..................................................
271
Bibliografía ....................................................................................
273
231
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
INTRODUCCIÓN
La producción de frío por compresión mecánica, es el sistema más
utilizado en la casi totalidad de las instalaciones frigoríficas.
En la formación de los instaladores-mantenedores de los equipos
frigoríficos, es esencial el buen conocimiento del ciclo frigorífico de
compresión mecánica que atraviesan los refrigerantes, así como identificar
tanto las distintas piezas que constituyen un equipo frigorífico como el
lugar donde se producen los procesos que conforman dicho ciclo
frigorífico.
Este conocimiento debe complementarse con saber representar mediante
los datos obtenidos de los equipos, los procesos que componen el ciclo
frigorífico en un diagrama presión-entalpía, y viceversa, saber extraer de
un diagrama P-h los parámetros necesarios para el buen conocimiento
de un equipo frigorífico.
En esta unidad se profundiza en el estudio del ciclo de refrigeración de
compresión mecánica y en la representación del mismo en un diagrama
P-h, realizando una introducción de las partes constituyentes de un
equipo frigorífico que posteriormente, en la unidad 5, se desarrolla en
profundidad.
233
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
OBJETIVOS
Tras el estudio de esta unidad el alumno será capaz de:
Conocer los procesos que componen el ciclo de refrigeración simple de
compresión mecánica.
Conocer los elementos principales que componen una máquina de
producción de frío que funciona mediante el ciclo de refrigeración
simple de compresión mecánica y distinguir los procesos que se llevan
a cabo en cada componente.
Identificar las distintas zonas en que se divide el diagrama P-h en función
del estado en que se encuentra el fluido refrigerante.
Trazar el ciclo de refrigeración ideal sobre el diagrama P-h identificando
sobre el ciclo los procesos que se producen.
Conocer cómo influye sobre el ciclo de refrigeración la variación de la
temperatura de evaporación y condensación, sabiendo valorar los cambios
producidos en el ciclo de refrigeración sobre le diagrama P-h.
Valorar las consecuencias que sobre el ciclo de refrigeración tiene el
recalentamiento del vapor y el subenfriamiento del líquido.
Finalmente, conocer las variaciones que el ciclo de refrigeración real
tiene sobre el ciclo ideal, y saber trazar un ciclo de refrigeración real
sobre el diagrama P-h.
235
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
1. CICLO DE REFRIGERACIÓN. VARIABLES DE
FUNCIONAMIENTO. DIAGRAMA P-h.
Antes de centrarnos en el estudio de los sistemas frigoríficos se debe
hacer hincapié en ciertos conceptos que posteriormente nos servirán
para una mejor comprensión del ciclo de refrigeración presente en todos
los sistemas frigoríficos.
Lo primero seria explicar qué se entiende por refrigeración:
La refrigeración se define como el proceso de reducción y mantenimiento
de la temperatura de un espacio o materia por debajo de la temperatura
del entorno.
La refrigeración es una parte de la climatización, ya que al climatizar,
además de controlar la temperatura del aire en el proceso de tratamiento,
también se controla la humedad, limpieza y distribución para responder
a las exigencias del espacio climatizado.
Para poder reducir la temperatura, es necesario extraer el calor contenido
en el espacio o materia que deseamos refrigerar, y para extraer el calor
de un cuerpo es necesario la presencia de otro cuerpo mas frío
(temperatura inferior) que absorba el calor que deseamos eliminar.
El calor siempre fluye del cuerpo más caliente hacia el cuerpo más frío.
El cuerpo que se utiliza para absorber el calor que deseamos eliminar
se llama refrigerante.
Un refrigerante es un calorífero que desplaza el calor de un espacio que
se debe refrigerar, hacia el exterior. Es el fluido operante en el ciclo de
refrigeración.
Cada vez que el refrigerante completa un ciclo, sufre dos cambios de
estado, se evapora y se condensa, estos dos cambios de estado son
necesarios para poder desplazar el calor del espacio que deseamos
refrigerar hacia el exterior.
Vamos a recordar varios conceptos anteriormente explicados:
Calor latente: es el calor que produce un cambio de estado sin cambio
de temperatura.
237
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
Nos centramos en la evaporación y condensación, dos cambios de estado
presentes en el ciclo de refrigeración, el primero necesita de un aporte
de calor, y el segundo, por ser el proceso inverso al primero, necesita
ceder el calor a otro cuerpo para llevarse a cabo.
Sabemos en estos momentos que el refrigerante en un punto del ciclo
de refrigeración se evapora, y para ello necesita un aporte de calor (en
este punto del ciclo se produce la absorción del calor del espacio por
parte del refrigerante para reducir la temperatura del espacio) y que en
otro punto del ciclo se condensa, necesitando ceder calor a otro cuerpo
(en este punto el refrigerante cede el calor al exterior).
Estos cambios de estado no se pueden producir sin olvidar un concepto
muy importante, el calor siempre fluye del cuerpo más caliente hacia el
cuerpo más frío, es decir, del cuerpo a mayor temperatura hacia el cuerpo
a menor temperatura. Esto significa que para que los cambios de estado
en el refrigerante se produzcan es muy importante a qué temperatura
se producen, para saber si la absorción de calor en la evaporación y la
cesión de calor en la condensación se pueden llevar a cabo.
Esto nos lleva a recordar el concepto de temperatura de saturación:
temperatura a la cual un líquido se transforma en vapor, o un vapor se
transforma en líquido, es decir la temperatura a la que se produce la
evaporación y la condensación del refrigerante, independiente para cada
sustancia, y variable con la presión a la que se encuentra sometida la
sustancia.
Cuando aumenta la presión, aumenta la temperatura de saturación.
Intuitivamente podemos valorar a qué temperaturas deben producirse
dichos cambios de estado para que el ciclo de refrigeración se lleve a
cabo.
Nuestro objetivo es refrigerar un espacio, para ello sabemos que debemos
extraer calor del espacio, utilizando un fluido llamado refrigerante; el
refrigerante va a absorber el calor del espacio mientras se evapora (absorbe
el calor latente del refrigerante), con lo cual el calor debe fluir del espacio
que queremos refrigerar hacia el refrigerante. Es decir, nos interesa que
el refrigerante utilizado se evapore a temperaturas más bajas que a la
temperatura a la que se encuentra el espacio que debemos refrigerar.
Interesa que las sustancias utilizadas como refrigerantes tengan
temperaturas de saturación muy bajas, por debajo de cero para que la
temperatura que queramos alcanzar en el espacio a refrigerar siempre
sea superior a la temperatura de saturación del refrigerante, y el flujo
de calor siempre vaya del espacio hacia el refrigerante.
238
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
Lo contrario ocurre en la condensación del refrigerante. Como en la
condensación el refrigerante cede calor, para volver a su estado liquido,
el refrigerante debe encontrar un cuerpo mas frío que él para poder
condensarse. Pero la temperatura de saturación es la misma para evaporar
que para condensar, y acabamos de decir que interesa sustancias con
temperaturas de saturación muy bajas para producir la evaporación del
refrigerante. Entonces, ¿cómo vamos a volver a condensar el refrigerante,
para volver a evaporarlo y continuar extrayendo calor del espacio a
refrigerar? Si, además, el calor lo voy a ceder al exterior que se supone
que está a más temperatura que el espacio que estoy refrigerando.
La respuesta se ha indicado anteriormente; al aumentar la presión
aumenta la temperatura de saturación. La solución es bien fácil, aumento
la presión a la que se encuentra sometido el refrigerante hasta el punto
en que la temperatura de saturación del refrigerante es mayor que la
temperatura exterior, convirtiendo al refrigerante en el cuerpo caliente
en su punto de condensación, y el exterior que rodea el espacio a
refrigerar en el cuerpo frío, absorbiendo el calor que necesita ceder el
refrigerante para condensar y volver a su estado liquido para iniciar otra
vez el ciclo de refrigeración.
Entre la condensación y evaporación en el ciclo de refrigeración, debemos
reducir la presión a la que se encuentra sometido el refrigerante, para
que la temperatura de saturación descienda y la evaporación del
refrigerante vuelva a producirse.
Procesos del ciclo de refrigeración
El refrigerante circula por el sistema y pasa por diversos cambios de
estado y condición; cada uno de esos cambios se denomina un proceso.
El refrigerante comienza en un estado o condición inicial, pasa por una
serie de procesos según una secuencia definida, y vuelve a su condición
inicial. Esta serie de procesos se denomina ciclo de refrigeración. El ciclo
de refrigeración simple se compone de cuatro procesos fundamentales:
•
Expansión.
•
Evaporación.
•
Compresión.
•
Condensación.
Expansión
Este proceso ocurre en el control de flujo de refrigerante. El refrigerante
líquido a temperatura y presión altas fluye del receptor por el tubo del
líquido hacia el control de flujo del refrigerante, de tal forma que a la
salida, la presión del líquido se ha reducido lo suficiente para que la
239
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
temperatura de saturación del refrigerante que entra en el evaporador
sea inferior a la temperatura del ambiente refrigerado.
Una parte del líquido se evapora en el control de flujo de refrigerante
para reducir la temperatura del líquido hasta la temperatura de
evaporación.
Evaporación
En el evaporador, el líquido se evapora a una temperatura y presión
constantes, mientras el calor necesario para el suministro de calor latente
de evaporación pasa de las paredes del evaporador hacia el líquido que
se evapora.
Todo el refrigerante se evapora en el evaporador y se calienta en el
extremo del evaporador. Pese a que la temperatura del vapor aumenta
un poco en el extremo del evaporador debido al recalentamiento, la
presión del vapor no varía.
Aunque el vapor absorbe el calor del aire que rodea la línea de aspiración,
que aumenta su temperatura y disminuye ligeramente su presión debido
a la pérdida por fricción en la línea de aspiración, estos cambios no son
importantes para la explicación de un ciclo de refrigeración simple.
Compresión
Por la acción del compresor, el vapor que resulta de la evaporación se
lleva por la línea de aspiración desde el evaporador hacia la entrada de
aspiración del compresor.
En el compresor, la temperatura y presión del vapor aumentan debido
a la compresión. El vapor de alta temperatura y alta presión se descarga
del compresor en la línea de descarga.
Condensación
El vapor fluye por la línea de descarga hacia el condensador donde
evacua calor hacia el aire relativamente frío que el ventilador del
condensador hace circular a través del condensador. Cuando el vapor
caliente evacua calor hacia el aire más frío, su temperatura se reduce a
la nueva temperatura de saturación que corresponde a la nueva presión,
y el vapor se condensa, volviendo así al estado líquido. Antes de que el
refrigerante alcance el fondo del condensador, se condensa todo el vapor
y luego se subenfría.
A continuación, el líquido subenfriado pasa al receptor y queda listo
para volver a circular.
A continuación describiremos el diagrama presión-entalpía, explicando
las distintas zonas que lo componen, y las diversas líneas que pueden
240
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
representarse sobre él, para que posteriormente describamos sobre el
diagrama P-h los procesos que componen el ciclo frigorífico, y las variables
de funcionamiento que lo conforman.
La entalpía de un fluido viene dada por la expresión:
donde:
•
U: la energía interna del fluido.
•
P: la presión.
•
V: el volumen de la masa considerada.
La energía interna de un fluido es la suma del trabajo mecánico y de la
energía calorífica que puede aportar un sistema en reposo. Representa,
pues, la reserva de energía contenida en el sistema.
El producto PV representa los trabajos mecánicos debidos a las fuerzas
de presión.
Se demuestra que la entalpía de un fluido es función de su temperatura
y crece con el aumento de la misma, siendo nula en T= 0ºK.
El diagrama entálpico es el que representa en abscisas entalpías, h, y en
ordenadas presiones, P, o logaritmo de presiones, log P, siendo por tanto,
las líneas horizontales isóbaras y las verticales isoentálpicas.
En el diagrama entálpico, todas las transformaciones producidas en un
ciclo frigorífico real son determinadas en unidades térmicas directamente,
sin necesidad de medir áreas, midiendo distancias. Además, en este
diagrama tres de los procesos del ciclo son representados por rectas. El
diagrama entálpico está construido para un sistema termodinámico de
un Kg de fluido frigorígeno, lo que permite obviar los problemas derivados
de las variaciones de volumen especifico del fluido que se producen a
lo largo del ciclo de refrigeración.
Diagrama entalpico P-h
241
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
Las líneas representadas en el diagrama entálpico son:
Isobaras: paralelas al eje de abscisas.
Isentalpía: paralelas al eje de las ordenadas, en su transcurso el
Curva de Andrews: es la curva A-Cr-B, delimita siempre las zonas donde
el fluido es homogéneo (exteriores a la curva) o heterogéneo (interiores
a la curva).
La curva se divide en dos ramas. La rama A-Cr del líquido en equilibrio
con una burbuja de vapor se llama curva limite x=0, a la izquierda
de esta curva el fluido se encuentra en fase líquida (zona de líquido
subenfriado). La rama Cr-B de vapor saturado en equilibrio con una
gota de líquido, se titula curva límite x=1, a la derecha de esta curva
el fluido se encuentra en fase gaseosa (zona de vapor recalentado).
En el interior de la curva el fluido es una mezcla de líquido y vapor
en equilibrio, dependiendo la composición de la mezcla de la posición
respecto a las curvas x=0 y x=1. El punto Cr fija las características del
fluido en su punto crítico.
Isotermas: ascienden casi verticales en la zona de líquido subenfriado,
horizontales y confundidas con las isóbaras dentro de la curva de
saturación, y descendentes en la zona de vapor recalentado.
Isentrópicas: trazadas dentro de las zonas de los vapores húmedos y
recalentados, de pendiente positiva, no tienen inflexión al atravesar la
zona de vapores saturados.
Isócoras: trazadas dentro de las zonas de los vapores húmedos y
recalentados, son ascendentes, y se quiebran al atravesar la curva de
saturación.
Isotítricas: líneas de título constante, en el interior de la zona de vapores
húmedos, dividen en segmentos proporcionales a las isotermas. Todos
los puntos de la misma relación (x) para temperaturas y presiones
diferentes se han juntado para formar el haz de curvas a relación constante.
Este haz converge hacia Cr ya que todas las curvas de relación constante
pasan por Cr.
En este diagrama se puede definir la relación del vapor en un punto M
de la zona de liquido-vapor bajo la relación:
Al igual, la relación del líquido en el punto M se define por la relación:
242
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
La relación que une con en un punto de la zona líquido-vapor es:
Tipo de líneas en diagrama entálpico
Trazado de un ciclo frigorífico ideal en un diagrama entálpico
Como se trata de un ciclo ideal, vamos a suponer:
•
Aspiramos vapores en el estado exacto de vapor saturado seco (x=1).
•
La compresión es una compresión adiabática pura.
•
El líquido no experimenta subenfriamiento en el condensador ni en
el depósito de líquido.
•
No existen pérdidas de carga por la circulación del fluido en las
tuberías.
Las condiciones de trabajo se definen por:
= temperatura de vaporización.
= temperatura de condensación.
= presión de vaporización.
= presión de condensación.
243
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
Diagrama presión-entalpía de un ciclo frigorífico ideal.
Lo primero que hacemos es trazar las isóbaras y
situaran los puntos característicos del ciclo. 1-2-3-4
, y sobre las que se
Punto 1. Aspiración del compresor.
En 1 los vapores entran en el compresor justamente saturados (vapor
saturado seco x=1) se situará en la intersección de la isóbara isotérmica
- y de la curva x=1.
Punto 2. Compresión adiabática.
El punto figurativo se desplazará sobre la línea adiabática pasando por
S1. Al final de la compresión, la presión tendrá el valor , por lo que el
y de la adiabática S1.
punto 2 será la intersección de la isóbara
Punto 3. Enfriamiento y condensación del fluido.
Siendo una isóbara el enfriamiento y condensación del fluido, el punto
figurativo se desplazara de derecha a izquierda por la isóbara partiendo
de 2. Al término de la condensación y hallándose todo el fluido condensado
el punto 3 se encontrará en la intersección de la curva
a la presión
x=0 y la isobara-isotérmica - .
Punto 4. Expansión isentálpica.
La expansión es isentálpica, por lo que el punto figurativo se desplazará
sobre la isentálpica y al final de la expansión, y siendo entonces
la
presión, el punto h4 se hallara en la intersección de la isentálpica h4 , y
la isóbara .
Como la evaporación es isobárica e isotérmica, el punto figurativo
- , desde 4 hasta 1que es el estado
describirá la isoterma-isobárica
del fluido a la entrada del compresor.
Las cuatro transformaciones termodinámicas experimentadas por el
244
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
fluido se representan en este ciclo por las curvas o segmentos de las
líneas:
•
Compresión: Tramo 1-2 (curva).
En el tramo el fluido recibe un aporte de energía externa en forma
de energía de compresión. El fluido aumenta su temperatura desde
hasta de forma isentrópica.
La energía absorbida por el fluido es:
•
Condensación: Tramo 2-3 (recta).
El fluido que sale del compresor se enfría a presión constante y
posteriormente se condensa hasta la forma líquida. La cantidad de
calor que hay que ceder al medio de condensación para pasar del
punto 3 al 2 es:
•
Expansión: Tramo 3-4 (recta).
El líquido a temperatura y presión llega a la válvula de expansión
y sufre una expansión por laminado a través de un orificio. Esta
. El título del vapor
transformación es isoentálpica y por tanto
a
.
varía de
•
Evaporación: Tramo 4-1 (recta).
El vapor al llegar al evaporador es una mezcla de líquido vapor, de
título y cuya presión y temperatura son
y respectivamente.
Gracias al calor tomado del recinto a enfriar, el líquido se vaporiza,
aumentando progresivamente el título del vapor y poniendo en juego
el calor latente de vaporización del líquido.
La cantidad de calor absorbida del medio es:
El diagrama nos hace ver claramente, que la cantidad de calor es una
aplicación evidente del principio de equivalencia
Tenemos:
ó
Se define el coeficiente de efecto frigorífico como la relación entre
el frío producido y la energía de compresión suministrada, por tanto:
245
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
2. PIEZAS PRINCIPALES DEL SISTEMA
DE REFRIGERACIÓN
Las piezas principales del sistema de refrigeración se mencionan a
continuación:
•
Receptor
Su función consiste en proporcionar el almacenamiento para el
líquido procedente del condensador para que haya un suministro
constante de líquido para el evaporador, según las necesidades del
mismo.
•
Línea de líquido
Su función consiste en llevar el refrigerante líquido desde el receptor
hacia el control de flujo de refrigerante.
•
Control de flujo de refrigerante
Sus funciones consisten en medir la cantidad adecuada de refrigerante
que va hacia el evaporador y en reducir la presión del líquido que
entra en el evaporador, para que así, el líquido se evapore en el
evaporador a la temperatura baja deseada.
•
Evaporador
Su función consiste en proporcionar una superficie de transferencia
de calor a través de la cual el calor pasa del ambiente refrigerado al
refrigerante evaporado.
•
Línea de aspiración
Su función consiste en llevar el vapor de presión baja desde el
evaporador hacia la entrada de aspiración del compresor.
•
Compresor
Sus funciones consisten en extraer el vapor del evaporador y en
aumentar la temperatura y presión del vapor para que éste pueda
condensarse con los medios de condensación normalmente
disponibles.
•
Línea de descarga
Su función es entregar el vapor a presión alta y temperatura alta
desde el compresor hasta el condensador.
•
Condensador
Su función es proporcionar una superficie de transferencia de calor
a través de la cual el calor pasa del vapor refrigerante caliente a un
medio de condensación.
246
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
Un sistema de refrigeración se divide en dos partes según la presión que
el refrigerante ejerce en estas dos partes.
•
Lado bajo
La parte de presión baja del sistema se compone del control de flujo
de refrigerante, el evaporador y la línea de aspiración. La presión
que ejerce el refrigerante en estas partes es la presión baja necesaria
para que el refrigerante se evapore en el evaporador. Esta presión se
conoce como “presión baja”, “presión del lado bajo”, “presión de
aspiración” o “presión de evaporación”.
•
Lado alto
La parte de presión alta del sistema se compone del compresor, la
línea de descarga, el condensador, el receptor y la línea de líquido.
La presión que ejerce el refrigerante en esta parte del sistema es la
presión alta necesaria para la condensación del refrigerante en el
condensador. Esta presión se llama “presión alta” “presión de descarga”
o “presión de condensación”.
Los puntos divisorios entre los lados de presión alta y baja del sistema
son el control de flujo de refrigerante, donde la presión del refrigerante
se reduce de la presión de condensación a la presión de evaporación, y
las válvulas de descarga en el compresor, a través de las cuales el vapor
de presión alta se expulsa después de la compresión.
Ciclo refrigeración
247
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
3. EFECTO DE LA TEMPERATURA DE EVAPORACIÓN
Y CONDENSACIÓN SOBRE LA EFICACIA DEL CICLO
La eficacia de un ciclo de refrigeración varía considerablemente con la
temperatura de vaporización y condensación, siendo de ellas, la de
vaporización la de mayor efecto.
Efecto de la temperatura de vaporización sobre el ciclo frigorífico.
Tal y como puede verse en la gráfica superior, el efecto refrigerante es
superior para el ciclo frigorífico cuya temperatura de vaporización Tv2
corresponde a la presión Pv2 que para el ciclo frigorífico cuya temperatura
de vaporización Tv1 corresponde a la presión Pv1, siendo Tv2 > Tv1.
Efecto frigorífico para el ciclo con temperatura de vaporización Tv2(Pv2):
Efecto frigorífico para el ciclo con temperatura de vaporización Tv1(Pv1):
ya que
.
A esta mayor temperatura, más próxima a la del líquido que se aproxima
a la válvula de laminación, una fracción más pequeña de refrigerante se
vaporiza al paso por la válvula, quedando una mayor proporción para
vaporizarse en el evaporador y producir más frío útil.
Al ser mayor el efecto refrigerante, la cantidad de fluido frigorígeno que
circula ha de ser menor.
La diferencia de presiones entre el evaporador y el condensador es menor
en el ciclo que presenta una mayor temperatura de vaporización, por lo
que el trabajo de compresión también será menor.
248
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
Debido a que el trabajo de compresión y el peso de fluido refrigerante
que circula son menores a la mayor temperatura de aspiración, la potencia
teórica requerida también será inferior para la temperatura de aspiración
más alta. Esta diferencia se hace más patente cuando se introduce la
eficiencia del compresor y se comparan las potencias reales requeridas.
El volumen de vapor movido por el compresor varía con los cambios de
temperatura de vaporización, disminuyendo enormemente a medida
que ésta aumenta. Este es probablemente el factor más importante de
todos los que afectan a la capacidad y eficiencia del ciclo.
También, debido al menor peso de fluido frigorígeno que circula y al
menor calor de compresión aportado, el calor eliminado en el
condensador debe ser inferior.
El efecto de la temperatura de condensación es inverso al que presenta
la temperatura de vaporización. Manteniéndose ésta última constante,
la eficacia del ciclo disminuye si la temperatura de condensación aumenta,
y viceversa.
Efecto de la temperatura de condensación sobre el ciclo frigorífico.
Tal y como puede verse en la grafica superior, el efecto refrigerante es
superior para el ciclo frigorífico cuya temperatura de condensación Tc1
corresponde a la presión Pc1 que para el ciclo frigorífico cuya temperatura
de condensación Tc2 corresponde a la presión Pc2, siendo Tc1 < Tc2.
Efecto frigorífico para el ciclo con temperatura de condensación Tc1(Pc1):
Efecto frigorífico para el ciclo con temperatura de condensación Tc2(Pc2):
ya que
249
.
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
La temperatura del líquido que pasa a través de la válvula de laminación
, lo que reduce el efecto refrigerante. Esto, a su vez,
es mayor,
hace que el peso de fluido refrigerante que debe circular sea mayor, y
como consecuencia se incrementa el volumen de vapor que debe ser
comprimido.
El trabajo de compresión necesario para aumentar la presión del vapor
hasta la presión correspondiente a la temperatura de condensación es
mayor a medida que aumenta esta temperatura. La potencia teórica
requerida aumenta con el incremento de la temperatura de condensación.
Aunque la cantidad de calor eliminado en el condensador por Kg de
fluido frigorígeno varía muy poco, ya que el aumento del calor de
compresión es compensado por la disminución del efecto frigorífico, sin
embargo el calor total disipado varía considerablemente, debido a la
diferencia de peso de fluido que circula. La cantidad de calor sensible
eliminado aumenta considerablemente, mientras que la de calor latente
disminuye ligeramente.
250
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
4. RECALENTAMIENTO DEL VAPOR
En el ciclo de refrigeración saturado simple, se supone que el vapor de
aspiración llega hasta la entrada del compresor como vapor saturado a
la temperatura y presión de evaporación. En la práctica, esto ocurre raras
veces. Después de que el refrigerante líquido se ha vaporizado
completamente en el evaporador, el vapor saturado frío, continúa, por
lo general, absorbiendo calor en el tramo de aspiración, pasando a un
estado recalentado antes de llegar al compresor.
Si se desprecia la pequeña caída de presión del vapor en la tubería de
aspiración, se podrá suponer que la presión del vapor de aspiración
permanece constante durante el recalentamiento.
Imagen diagrama con recalentamiento del vapor.
La potencia requerida por unidad de capacidad refrigerante del ciclo es
mayor para el ciclo con recalentamiento que para el ciclo saturado y,
además, es menor el rendimiento obtenido (o eficiencia energética).
Esto quiere decir que el compresor, el motor del compresor y el
condensador deberán ser mayores para el ciclo con recalentamiento que
para el ciclo saturado. Esto significa una mayor inversión inicial en el
sistema frigorífico.
Cuando el vapor pasa directamente hasta la aspiración del compresor
sin ningún recalentamiento, puede arrastrar pequeñas cantidades de
líquido no vaporizado. A este vapor se le llama vapor húmedo. Este vapor
húmedo en la aspiración puede causar efectos negativos en la capacidad
del compresor, y provocarle daños mecánicos. Ya que el recalentamiento
del vapor elimina la posibilidad de existencia de este vapor húmedo en
el compresor, es deseable un cierto grado de recalentamiento del mismo.
El efecto del recalentamiento del vapor de aspiración sobre la capacidad
del sistema y sobre el coeficiente de operación, depende totalmente de
251
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
dónde y cómo ocurre el recalentamiento del vapor y de si el calor
absorbido por el vapor al recalentarse produce o no enfriamiento útil.
El grado de recalentamiento que se elija en cada caso particular, depende,
también, de dónde y cómo ocurra el recalentamiento, así como del
refrigerante empleado.
El recalentamiento del vapor en el tramo de aspiración puede ocurrir
en los siguientes puntos, o en una combinación de ellos:
•
Al final del evaporador.
•
En la tubería de aspiración instalada dentro del local refrigerado.
•
En la tubería de aspiración situada fuera del espacio refrigerado.
•
En un cambiador de calor, tramo de aspiración-tubería de líquido.
Cuando el recalentamiento tiene lugar al fluir el refrigerante por la
tubería de aspiración localizada fuera del espacio refrigerado, el calor
tomado por el vapor es absorbido del ambiente y no se produce
enfriamiento útil. Este recalentamiento del vapor que no produce
enfriamiento útil afecta adversamente a la eficacia del ciclo. Es obvio
entonces, que el recalentamiento del vapor en la tubería de aspiración
fuera del espacio refrigerado debe eliminarse siempre que sea práctico.
El recalentamiento del vapor dentro del espacio refrigerado puede
ocurrir al final del evaporador o en la tubería de aspiración localizada
dentro del espacio refrigerado, o en ambos sitios.
Para que no llegue refrigerante en forma de líquido al compresor se
debe ajustar la válvula de regulación de refrigerante de forma que todo
el líquido se evapore totalmente antes de su llegada al final del evaporador.
En tales casos, el vapor frío continuará absorbiendo calor y se recalentará
en la última parte del evaporador.
Si el calor necesario para recalentar el vapor es tomado del espacio
refrigerado, se obtiene un enfriamiento útil y el efecto frigorífico por
unidad de masa de refrigerante aumenta en una cantidad igual a la
cantidad de calor absorbido en el recalentamiento. Sin embargo, a pesar
de que se mejora aparentemente la eficiencia frigorífica del ciclo, no es
económico el recalentamiento del vapor en el evaporador más allá de
lo necesario para lograr el funcionamiento adecuado de la válvula de
expansión.
El recalentamiento excesivo del vapor de aspiración en el evaporador
reducirá la capacidad del evaporador innecesariamente y requerirá que
el evaporador opere a una temperatura de vaporización menor o el uso
de un evaporador más grande, con objeto de obtener la capacidad de
evaporador deseada.
252
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
A veces se instala dentro del espacio refrigerado, para el recalentamiento
del vapor, un tramo de tubería de aspiración adicional al evaporador,
llamado generalmente serpentín secador, cuya función es la de secar.
Dicha tubería permite una inundación más completa del evaporador
con refrigerante líquido, sin que exista el peligro de arrastre de líquido
por la tubería de aspiración hasta el compresor.
Este sistema no solamente proporciona un medio de recalentamiento
del vapor de aspiración dentro del espacio refrigerado de forma que la
eficiencia del ciclo aumente sin sacrificio de superficie evaporadora, sino
que de hecho hace posible un uso más efectivo de la superficie del
evaporador.
En algunos casos, y en particular cuando la temperatura de aspiración
es alta y la humedad relativa del aire exterior razonablemente baja, el
recalentamiento del vapor de aspiración dentro del espacio refrigerado,
elevará la temperatura de la tubería de aspiración evitando la formación
de escarcha y eliminando la necesidad de aislamiento de dicha tubería.
El grado de recalentamiento del vapor de aspiración, dentro del espacio
refrigerado, está limitado por la temperatura del espacio. Normalmente,
el vapor podrá ser recalentado hasta 2-3°C por debajo de la temperatura
del local refrigerado.
253
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
5. SUBENFRIAMIENTO DEL LÍQUIDO
Cuando el líquido refrigerante es subenfriado antes de que llegue a la
válvula de expansión, se incrementa el efecto refrigerante por unidad
de masa de fluido refrigerante.
Diagrama con subenfriamiento
El aumento de efecto refrigerante por kg de refrigerante, resultante del
subenfriamiento es la diferencia entre h4 y h4’ y es exactamente igual
a la diferencia entre h3 y h3’, que representa el calor eliminado por Kg
de líquido, durante el subenfriamiento.
El efecto refrigerante en el ciclo saturado es:
y el efecto refrigerante en el ciclo con subenfriamiento:
El trabajo de compresión por unidad de masa es igual para ambos ciclos,
saturado y con subenfriamiento, se deduce que el aumento de efecto
refrigerante por unidad de masa originado por el subenfriamiento, se
obtiene sin aumentar el suministro de energía al compresor.
El trabajo de compresión para ambos ciclos es:
Si existe un aumento en la cantidad de calor absorbida en el evaporador,
manteniendo constante el trabajo absorbido por el compresor,
evidentemente se produce un aumento del rendimiento del ciclo.
ε ( subenfriamiento) > ε ( saturado)
254
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
6. PÉRDIDAS DE PRESIÓN
El refrigerante experimenta una pérdida de carga por fricción, durante
su circulación por las tuberías, evaporador, condensador, recipiente de
líquido y a través de las válvulas y demás puntos del circuito frigorífico.
Como resultado de la caída de presión en el evaporador, el vapor sale
de él a una presión y temperatura de saturación menor.
Debido a esto, la potencia necesaria por capacidad frigorífica unitaria
es también mayor, ya que el vapor debe ser comprimido salvando un
incremento de presión superior (la relación de compresión aumenta).
La caída de presión tanto en el evaporador como en la tubería de
aspiración, debe mantenerse dentro de un valor mínimo con objeto de
obtener la mayor eficiencia posible del ciclo frigorífico. Esto se aplica
también a los cambiadores de calor o a cualquier otro dispositivo auxiliar
que se utilice en la tubería de aspiración.
Normalmente, la caída de presión en un evaporador bien diseñado es
de 0,14 a 0,21 Kg/cm2. Idealmente, la tubería del tramo de aspiración
debe ser diseñada de manera que la caída de presión no acuse una
disminución mayor de 1°C en la temperatura de saturación.
Señalar que, el vapor es comprimido en el compresor hasta una presión
considerablemente mayor que la presión de condensación. Esto es
necesario para forzar la salida del vapor, a través de las válvulas de
descarga, contra la presión de condensación y contra la presión ocasionada
por la acción de los resortes en las válvulas de descarga.
Cualquier caída de presión que ocurra en el lado de la descarga del
compresor tendrá el efecto de aumentar la presión de descarga,
aumentando así el trabajo y la potencia del compresor.
En el tramo de tubería entre el recipiente de líquido y la válvula de
expansión, existen también pérdidas de carga. Estas pérdidas de carga
deben ser inferiores a 0,35 Kg/cm2.
255
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
7. MODIFICACIONES SOBRE EL CICLO IDEAL
Hemos visto que el ciclo real se aleja del ciclo teórico debido a:
•
Tramo 1-2. Recalentamiento en las tuberías de aspiración del
compresor.
•
Tramo 2-3. Pérdida de carga en la válvula de aspiración del compresor.
•
Tramo 3-4. Recalentamiento del vapor al entrar en el cilindro.
•
Tramo 4-5. Compresión real (no isoentrópica).
•
Tramo 5-6. Pérdida de carga en la válvula de descarga.
•
Tramo 6-8. Enfriamiento de los vapores en la tubería entre el compresor
y el condensador.
•
Tramo 8-9. Enfriamiento de vapores, condensación y subenfriamiento
del líquido.
•
Tramo 9-10. Laminación en la válvula de expansión.
•
Tramo 10-1. Evaporación del líquido y absorción de calor en el
evaporador.
En el diagrama puede observarse igualmente:
•
Pérdida de carga durante la evaporación.
•
Pérdida de carga durante la condensación.
Imagen diagrama ciclo real
256
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
RESUMEN
La refrigeración se define como el proceso de reducción y mantenimiento
de la temperatura de un espacio o materia por debajo de la temperatura
del entorno.
Para conseguir refrigerar un espacio o materia existen multitud de
métodos que se basan en propiedades muy distintas, centrándonos en
el ciclo de refrigeración simple de compresión mecánica.
El refrigerante es el fluido operante en el ciclo de refrigeración. Mediante
su cambio de estado, el refrigerante desplaza el calor de un espacio que
se debe refrigerar, hacia el exterior.
El refrigerante circula por el sistema y pasa por diversos cambios de
estado y condición; cada uno de esos cambios se denomina proceso. El
refrigerante comienza en un estado o condición inicial, pasa por una
serie de procesos según una secuencia definida, y vuelve a su condición
inicial. El conjunto de procesos se denomina ciclo de refrigeración. El
ciclo de refrigeración simple se compone de cuatro procesos
fundamentales:
•
Expansión.
•
Evaporación.
•
Compresión.
•
Condensación.
Las piezas principales que componen el ciclo de refrigeración de
compresión mecánica son:
•
La válvula de regulación o laminación donde se produce la expansión.
•
El evaporador donde se realiza el proceso de evaporación del
refrigerante.
•
El compresor donde se produce la compresión del refrigerante.
•
El condensador donde se realiza el proceso de condensación del
refrigerante.
•
Tuberías de unión de todos estos elementos para conseguir un circuito
cerrado.
Estos procesos que componen el ciclo de refrigeración se pueden
representar en un diagrama entálpico.
Dependiendo del tipo de transformación que se quiera representar en
el diagrama entálpico, existen distintos tipos de líneas.
Las distintas líneas que pueden representarse en un diagrama entálpico
257
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
son las siguientes:
•
Isóbaras.
•
Isentálpica.
•
Curva de Andrews.
•
Isotermas.
•
Isentrópicas.
•
Isocoras.
•
Isotítricas.
La curva de Andrews divide el diagrama entálpico en tres zonas:
•
Zona de líquido subenfriado.
•
Zona de vapor-liquido en equilibrio.
•
Zona de vapor recalentado.
Las variables que determinan el estado del refrigerante en cada punto
del ciclo de refrigeración son:
•
tv = temperatura de vaporización.
•
tc = temperatura de condensación.
•
pv = presión de vaporización.
•
pv = presión de condensación.
•
xv = título de vapor o de líquido en la zona de líquido-vapor.
Conociendo cómo se representan en un diagrama entálpico los distintos
procesos ideales que componen el ciclo de refrigeración y sabiendo los
valores de las principales variables que determinan el estado del
refrigerante en cada punto del ciclo, podemos representar el ciclo de
refrigeración ideal en un diagrama entálpico.
En el diagrama entálpico todas las transformaciones producidas en un
ciclo frigorífico son determinadas en unidades térmicas directamente,
sin necesidad de medir áreas, midiendo distancias.
258
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
El ciclo de refrigeración real se aleja del ciclo teórico debido a:
•
Tramo 1-2. Recalentamiento en las tuberías de aspiración del
compresor.
•
Tramo 2-3. Pérdida de carga en la válvula de aspiración del compresor.
•
Tramo 3-4. Recalentamiento del vapor al entrar en el cilindro.
•
Tramo 4-5. Compresión real (no isentrópica).
•
Tramo 5-6. Pérdida de carga en la válvula de descarga.
•
Tramo 6-7. Enfriamiento de los vapores en la tubería entre el compresor
y el condensador.
•
Tramo 7-8. Enfriamiento de vapores, condensación y subenfriamiento
del líquido.
•
Tramo 8-9. Laminación en la válvula de expansión.
•
Tramo 9-1. Evaporación del líquido y absorción de calor en el
evaporador.
259
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
GLOSARIO
Adiabática, compresión: Compresión de gas refrigerante, sin quitarle ni
agregarle calor.
Ambiente: Condiciones circundantes.
Aspiración: Movimiento producido en un fluido por succión.
Bar: Unidad de presión absoluta. Un bar equivale a 100 kPa (0.9869
atmósferas).
Bomba: Cualquiera de las diferentes máquinas que impulsan un gas o
un líquido o lo atraen de algo, por succión o por presión.
Caída de presión: Diferencia de presión en dos extremos de un circuito
o parte de un circuito. Cualquier pérdida de presión en la línea debido
a la fricción del fluido, o a una restricción en la línea.
Calor: Forma de energía que actúa sobre las sustancias para elevar su
temperatura; energía asociada con el movimiento al azar de las moléculas.
Calor de compresión: Efecto de calefacción que se lleva a cabo cuando
se comprime un gas. Energía mecánica de la presión, convertida a energía
calorífica.
Calor de fusión: Calor requerido por una sustancia, para cambiar del
estado sólido al estado líquido, a una temperatura constante.
Calor específico: Relación de la cantidad de calor requerido, para
aumentar o disminuir la temperatura de una sustancia en 1 ºC, comparado
con la que se requiere para aumentar o disminuir la temperatura de una
masa igual de agua en 1 ºC. Se expresa como una fracción decimal.
Calor latente: Cantidad de energía calorífica requerida para efectuar un
cambio de estado (fusión, evaporación, solidificación) de una sustancia,
sin cambio en la temperatura o presión.
Calor latente de condensación: Cantidad de calor liberada por un kg de
una sustancia para cambiar su estado de vapor a líquido.
Calor latente de evaporación: Cantidad de calor requerido por un kg de
sustancia, para cambiar su estado de líquido a vapor.
Calor sensible: Calor que causa un cambio de temperatura en una
sustancia, sin que cambie de estado.
Calor total: Suma del calor sensible y del calor latente.
Caloría: Unidad para medir el calor en el sistema métrico. Equivale a la
cantidad de calor que se requiere, para elevar la temperatura de un
gramo de agua en un grado centígrado. 1000 calorías = 1 kcal.
Cambio de estado: Condición en la cual, una sustancia cambia de sólido
a líquido o de líquido a gas, debido a la aplicación de calor. O a la inversa,
261
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
cuando una sustancia cambia de gas a líquido o de líquido a sólido,
debido a la pérdida de calor.
Capacidad: Sistema de clasificación en refrigeración. Medido generalmente
en kcal/h o en watios.
Carga de refrigerante: Cantidad de refrigerante colocada en un sistema
de refrigeración.
Centígrada, escala: Escala de temperatura usada en el sistema métrico.
El punto de congelación del agua es de 0 ºC, el punto de ebullición es
de 100 ºC.
Cero absoluto (temperatura): Temperatura a la cual cesa todo movimiento
molecular (-273 ºC y -460 ºF).
Ciclo: Serie de eventos u operaciones, que tienen una tendencia a
repetirse en el mismo orden.
Cilindro: Dispositivo que convierte fuerza de un fluido en fuerza y
movimiento mecánico lineal. Este consiste, usualmente, en elementos
móviles tales como un pistón, biela y émbolo, operando dentro de un
cilindro.
Circuito: Instalación de tubería o de alambre eléctrico, que permite el
flujo desde y hacia la fuente de energía.
Climatización: Control de la temperatura, humedad, limpieza y
movimiento de aire en un espacio confinado, según se requiera, para
confort humano o proceso industrial. Control de temperatura significa
calentar cuando el aire está frío, y enfriar cuando la temperatura es muy
caliente
Coeficiente de rendimiento: Relación del trabajo realizado o completado,
en comparación con la energía utilizada.
Compresión: Término utilizado para denotar el proceso de incrementar
la presión, sobre un volumen dado de gas, usando energía mecánica. Al
hacer esto, se reduce el volumen y se incrementa la presión del gas.
Compresor: Máquina en sistemas de refrigeración, hecha para succionar
vapor del lado de baja presión en el ciclo de refrigeración, y comprimirlo
y descargarlo hacia el lado de alta presión del ciclo.
Condensación: Proceso de cambiar de estado un vapor o un gas a líquido,
al enfriarse por abajo de su temperatura de saturación o punto de rocío.
Condensado: Líquido que se forma cuando se condensa un vapor.
Condensador: Componente del mecanismo de refrigeración, el cual
recibe del compresor vapor caliente a alta presión, enfriándolo y
regresándolo luego a su estado líquido. El enfriamiento puede ser con
aire o con agua.
262
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
Condensar: Acción de cambiar un gas o vapor a líquido.
Congelación: Cambio de estado de líquido a sólido.
Control: Dispositivo manual o automático, utilizado para detener, arrancar
y/o regular el flujo de gas, líquido y/o electricidad.
Control de baja presión: Dispositivo utilizado para evitar que la presión
de evaporación del lado de baja, caiga abajo de cierta presión.
Control de refrigerante: Dispositivo que mide el flujo de refrigerante,
entre dos áreas del sistema de refrigeración. También mantiene una
diferencia de presión entre los lados de alta y baja presión del sistema,
mientras la unidad está trabajando.
Densidad: Estrechez de la textura o consistencia de partículas, dentro
de una sustancia. Se expresa como peso por unidad de volumen.
Diferencial: La diferencia de temperatura o presión, entre las temperaturas
o presiones de arranque y paro, de un control.
Efecto refrigerante: cantidad de calor absorbida en el evaporador del
espacio a refrigerar.
Eficiencia: Capacidad de un dispositivo, sistema o actividad, dividida
entre la potencia absorbida necesaria para crear esa capacidad. En un
compresor, la eficiencia sería la capacidad de trabajo, medida por un
cambio de presión, dividida entre la energía eléctrica consumida.
Eficiencia volumétrica: Término utilizado para expresar la relación, entre
el funcionamiento real de un compresor o de una bomba de vacío, y el
funcionamiento calculado en base a ese desplazamiento.
Energía: Habilidad real o potencial de efectuar trabajo.
Energía, conservación de la: Proceso de instituir cambios que resultarán
en ahorros de energía, sobre la revisión de los cálculos para determinar
las cargas principales.
Enfriador: Intercambiador de calor que remueve calor de las sustancias.
Entalpía: La cantidad de calor en un kilogramo de sustancia, calculada
de una base de temperatura aceptada. La temperatura de 0 ºC, es una
base aceptada para los cálculos del vapor de agua. Para cálculos de
refrigeración, la base aceptada es de -40 ºC.
Entropía: Medida de la cantidad de energía que no puede convertirse
en trabajo.
Escala centígrada: Escala de temperaturas usada en el sistema métrico.
El punto de congelación de agua a la presión atmosférica normal, es de
0ºC, y el punto de ebullición, es de 100ºC.
Escala Fahrenheit: En un termómetro Fahrenheit, bajo la presión
263
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
atmosférica normal, el punto de ebullición del agua es de 212 ºF, y el
punto de congelación es de 32 ºF arriba de cero.
Escala Kelvin (K): Escala de temperatura, en la cual, la unidad de medición
es igual al grado centígrado, y de acuerdo a la cual, el cero absoluto es 0
ºK, equivalentes a -273.16 ºC. En esta escala el agua se congela a 273.16 ºK
y bulle a 373.16 ºK.
Escala Rankine (R): Nombre dado a la escala de temperaturas absolutas,
cuyas unidades son similares a los grados Fahrenheit. El cero (0 ºR) en
esta escala equivale a -460 ºF.
Evaporación: Término aplicado al cambio de estado de líquido a vapor.
En este proceso se absorbe calor.
Evaporador: Componente del mecanismo de un sistema de refrigeración,
en el cual, el refrigerante se evapora y absorbe calor.
Expansión: Aumento del volumen de un cuerpo por efecto del incremento
de la temperatura o la disminución de presión.
Fluido: Sustancia que puede estar en estado líquido o gaseoso. Sustancia
que contiene partículas que se mueven y cambian de posición sin
separación de la masa.
Frío: La ausencia de calor. Temperatura considerablemente abajo de la
normal.
Fuerza: La fuerza es una presión acumulada, se expresa en Newtons (N)
en el Sistema Internacional.
Gas: Fase o estado de vapor de una sustancia. Un gas es un vapor
sobrecalentado, muy lejos de su temperatura de saturación.
Humedad: Vapor de agua presente en el aire atmosférico.
Humedad absoluta: Cantidad de humedad (vapor de agua) en el aire,
indicada en g/m2 de aire seco.
Humedad relativa (hr): La cantidad de humedad en una muestra de aire,
en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría, estando
totalmente saturado y a la misma temperatura.
Humidificador: Dispositivo utilizado para agregar y controlar humedad.
Intercambiador de calor: Dispositivo utilizado para transferir calor de
una superficie caliente a una superficie menos caliente (los evaporadores
y condensadores son intercambiadores de calor).
Isentrópica: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en una
gráfica, representan un cambio a entropía constante.
Isóbara: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en una
gráfica, representan un cambio a presión constante.
264
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
Isócora: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en una
gráfica, representan un cambio a volumen constante.
Isoentálpica: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en
una gráfica, representan un cambio a entalpia constante.
Isoterma: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en una
gráfica, representan un cambio a temperatura constante.
Isotérmica (expansión o contracción): Acción que se lleva a cabo sin un
cambio de temperatura.
Isotérmico: Cambio de volumen o presión bajo condiciones de
temperatura constante.
Isotítrica: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que, en una
gráfica, representan un cambio a titulo constante.
Joule (J): Unidad de energía del Sistema Internacional (SI). Un Joule
equivale al trabajo realizado por la fuerza de un Newton, cuando el punto
de aplicación se desplaza una distancia de un metro, en dirección de la
fuerza.
Kelvin: (Ver Escala Kelvin).
Kilocaloría: Unidad de energía y trabajo, equivalente a mil calorías. Ver
caloría.
Kilopascal (kPa): Unidad de presión absoluta equivalente a mil Pascales.
Ver Pascal.
Kilowatio (kW): Unidad de potencia equivalente a mil Watts. Ver Watt.
Lado de alta: Partes de un sistema de refrigeración, que se encuentran
bajo la presión de condensación o alta presión.
Lado de baja: Partes de un sistema de refrigeración, que se encuentran
por abajo de la presión de evaporación o baja presión.
Lado de succión: Lado de baja presión del sistema, que se extiende desde
el control de refrigerante, pasando por el evaporador, la línea de succión,
hasta la válvula de servicio de entrada al compresor.
Línea de descarga: En un sistema de refrigeración, es la tubería que
acarrea el gas refrigerante, desde el compresor hasta el condensador.
Línea de líquido: Tubería que acarrea refrigerante líquido, desde el
condensador o recibidor, hasta el mecanismo de control de refrigerante.
Línea de succión, aspiración: Tubería que acarrea refrigerante gaseoso,
desde el evaporador hasta el compresor.
Líquido: Sustancia cuyas moléculas se mueven libremente entre sí, pero
que no tienden a separarse como las de un gas.
265
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
Masa: Cantidad de materia mantenida junta, de tal manera que forma
un cuerpo.
Materia: Todo aquello que tiene masa y volumen.
Newton: Unidad de fuerza del Sistema Internacional (SI), equivalente
a la fuerza ejercida sobre un objeto que tiene una masa de un kilogramo,
y una aceleración gravitacional de 1 m/seg2.
Pascal (Pa): Unidad de presión absoluta en el sistema internacional (SI);
es igual a la fuerza de un Newton ejercida sobre una superficie de un
m2; Pa = N/m2. Para algunos fines científicos o prácticos, el Pascal puede
resultar una unidad muy pequeña, por lo que entonces se utiliza el
kiloPascal (kPa) o el BAR. 1 kPa = 1,000 Pa y 1 BAR = 100 kPa.
Presión: Energía impactada sobre una unidad de área. Fuerza o empuje
sobre una superficie.
Presión absoluta: Es la suma de la presión manométrica más la presión
atmosférica.
Presión atmosférica: Presión que ejerce el aire atmosférico sobre la tierra.
Se mide en kPa, mm de Hg, kg/cm2, etc. Al nivel del mar, tiene un valor
de 101.325 kPa.
Presión crítica: Condición comprimida del refrigerante, en la cual el
líquido y el gas, tienen las mismas propiedades.
Presión de alta: Término empleado para referirse a la presión, a la cual
se lleva a cabo la condensación, en un sistema de refrigeración.
Presión de baja: Presión del lado de baja del ciclo de refrigeración, a la
cual se lleva a cabo la evaporación.
Presión de condensación: Presión dentro de un condensador, a la cual
el vapor de refrigerante cede su calor latente de evaporación y se vuelve
líquido. Varía con la temperatura.
Presión de descarga: En un sistema de refrigeración se llama así a la
presión contra la que descarga el compresor. Comúnmente, es la presión
que existe en el lado del condensador, y se mide en la descarga del
compresor.
Presión de succión: En un sistema de refrigeración se llama así a la
presión a la entrada del compresor.
Presión de vapor: Presión ejercida por un vapor o un gas.
Presión de vaporización: Presión dentro de un evaporador, a la cual el
líquido de refrigerante absorbe su calor latente de evaporación y se vuelve
vapor. Varía con la temperatura.
Primera Ley de la Termodinámica: La energía no se crea ni se destruye,
sólo se transforma (ley de la conservación de la energía).
266
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
Proceso: Cambio de estado termodinámico de un sistema.
Proceso irreversible: Proceso que no puede revertirse desde su estado
final hasta su estado inicial. Todos los procesos conocidos en nuestro
universo son irreversibles. Todos los procesos están ligados a la entropía,
de tal modo que si alguien afirmara que un proceso es reversible, él
estaría sugiriendo que dicho proceso viola la segunda ley de la
termodinámica.
Proceso reversible: Proceso cuya trayectoria entre los estados inicial y
final se puede conocer (de trayectoria conocida) y revertirse hasta su
estado inicial. No existen procesos reversibles en el universo real.
Recalentamiento: 1- Temperatura del vapor arriba de su temperatura de
ebullición (saturación) a la misma presión. 2- La diferencia entre la
temperatura a la salida del evaporador, y la temperatura más baja del
refrigerante, que se está evaporando en el evaporador.
Receptor de líquido: Cilindro o contenedor conectado a la salida del
condensador, para almacenar refrigerante líquido en un sistema.
Refrigeración: proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura
de un espacio o materia por debajo de la temperatura del entorno.
Refrigerante: Sustancia utilizada en los mecanismos de refrigeración.
Absorbe calor en el evaporador, cambiando de estado de líquido a vapor,
liberando su calor en un condensador, al regresar de nuevo del estado
gaseoso al estado líquido.
Rendimiento termodinámico: Medida de la capacidad de una máquina
térmica para transferir por medio de trabajo (W) parte de la energía
absorbida (Qc) desde la fuente caliente, de acuerdo con las limitaciones
resultantes de la Segunda Ley de la Termodinámica. La definición
operacional de Rendimiento Termodinámico es la siguiente
Saturación: Condición existente, cuando una sustancia contiene la mayor
cantidad que pueda retener de otra sustancia, a esa presión y temperatura.
Segunda Ley de la Termodinámica: El calor no fluye espontáneamente
de un sistema frío a otro más caliente.
Sistema: Cantidad de materia incluida entre límites reales o imaginarios.
Subenfriamiento: Enfriamiento de refrigerante líquido por debajo de su
temperatura de condensación.
Sustancia: Cualquier forma de materia o material.
Temperatura: 1- Intensidad de calor o frío, tal como se mide con un
termómetro. 2- Medición de la velocidad del movimiento de las moléculas.
Temperatura absoluta: Temperatura medida desde el cero absoluto.
Temperatura ambiente: Temperatura de un fluido (generalmente el
267
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
aire), que rodea un objeto por todos lados.
Temperatura crítica: Temperatura a la cual el vapor y el líquido tienen
las mismas propiedades.
Temperatura de bulbo húmedo: Medición del grado de humedad. Es la
temperatura de evaporación de una muestra de aire.
Temperatura de bulbo seco: Temperatura del aire, medida con un
termómetro ordinario.
Temperatura de condensación: Temperatura dentro de un condensador,
en el que el vapor de refrigerante, cede su calor latente de evaporación
y vuelve líquido. Varía con la presión.
Temperatura de ebullición: Temperatura a la cual un líquido cambia a
gas.
Temperatura de vaporización: Temperatura dentro de un evaporador,
en el que el liquido de refrigerante absorbe su calor latente de evaporación
y vuelve vapor. Varía con la presión.
Termodinámica: Rama de las ciencias; trata con las relaciones entre el
calor y la acción mecánica.
Termómetro: Instrumento para medir temperaturas.
Trabajo: Forma de transferencia de energía entre un sistema y su medio
exterior, que se manifiesta por la actuación de fuerzas capaces de provocar
distintos efectos, tales como desplazamientos, deformaciones y otros.
Transmisión de calor: Movimiento de calor desde un cuerpo o sustancia
a otro. El calor puede transmitirse por radiación, conducción, convección
o combinación de las tres anteriores.
Unidad de condensación: Parte de un mecanismo de refrigeración que
succiona vapor de refrigerante del evaporador, lo comprime, lo licúa en
el condensador y lo regresa al control de refrigerante.
Unión: Punto de conexión (como entre dos tubos).
Vacío: Presión menor que la atmosférica.
Válvula: Accesorio utilizado para controlar el paso de un fluido.
Válvula de control: Válvula que regula el flujo o presión de un medio,
el cual afecta un proceso controlado. Las válvulas de control son operadas
por señales remotas de dispositivos independientes, que utilizan cualquier
cantidad de medios de control, tales como neumáticos, eléctricos o
electrohidráulicos.
Válvula de descarga: Válvula dentro del compresor de refrigeración, que
permite que salga del cilindro el gas refrigerante comprimido, hacia la
línea de descarga, evitando que se devuelva.
268
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
Válvula de expansión: Tipo de control de refrigerante, que mantiene
presión constante en el lado de baja del sistema de refrigeración. La
válvula es operada por la presión en el lado de baja o de succión. Con
frecuencia, se le conoce como válvula de expansión automática
Válvula de succión: Válvula dentro del compresor de refrigeración, que
permite el ingreso del vapor de refrigerante, proveniente de la línea de
succión, al cilindro, evitando que se devuelva.
Vapor: Estado o fase de una sustancia que está en su temperatura de
saturación, o muy cercano a ella.
Vapor saturado: Vapor que se encuentra a las mismas condiciones de
temperatura y presión que el líquido del cual se está evaporando. Es
decir, si este vapor se enfría, se condensa.
Vaporización: Cambio del estado líquido al gaseoso.
Volumen específico: Volumen por unidad de masa de una sustancia
(m3/kg).
Watt (W)/ Watio: Unidad de potencia, equivale a la potencia producida
al realizar un trabajo de 1 Joule por segundo (1 Watt = 1 J/s).
269
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN
1. ¿Qué es la refrigeración?
2. ¿En qué pieza de la máquina frigorífica se produce la absorción del
calor del espacio que se quiere refrigerar, y qué efecto tiene sobre el
líquido refrigerante?
3. Un equipo de refrigeración que funciona mediante un ciclo de
refrigeración simple de compresión mecánica contiene los siguientes
datos:
Suponemos que el ciclo de refrigeración es ideal (compresión
isentrópica).
El refrigerante utilizado es amoniaco.
La presión absoluta de condensación es 7 kg/cm_
La presión absoluta de evaporación es 3 kg/cm_
Dibuja sobre el siguiente diagrama P-h, el ciclo de refrigeración ideal
que sigue el amoniaco y calcula:
El efecto refrigerante por kg de refrigerante.
El equivalente térmico del trabajo de compresión por kg de
refrigerante.
El calor cedido en la condensación por kg de refrigerante.
El coeficiente de efecto frigorífico.
4. ¿Qué partes constituyen el lado de baja en un sistema de refrigeración?
5. ¿Cómo le afecta al efecto refrigerante y al trabajo de compresión el
aumento de la temperatura de vaporización en un ciclo de
refrigeración?
6. ¿Cómo varía el coeficiente de efecto frigorífico cuando el líquido
271
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
refrigerante es subenfriado antes de que llegue a la válvula de
expansión y por qué?
7. ¿Cómo afecta al coeficiente de efecto frigorífico la pérdida de presión
en el evaporador y por qué?
8. Enumera las diferencias entre el ciclo frigorífico real y el ciclo
frigorífico ideal.
272
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 4 SISTEMAS FRIGORÍFICOS
BIBLIOGRAFÍA
Alarcón Creus, José: Tratado Práctico de Refrigeración Automática, 12ª edición
ampliada y puesta al día con la inclusión de los nuevos refrigerantes HFC
sin cloro, Barcelona: Edit. Marcombo, S.A., 1998.
Amigo, P.: Termotecnia. Aplicaciones Industriales, Editorial Mundi-Prensa,
1999.
Balboa, Joan: Manual de Instalaciones Frigoríficas, 2ª Edición, Barcelona:
Edit. Ediciones Ceysa, 2003.
Cano, G.: Manual para la Operación y Funcionamiento de Almacenes Frigoríficos
de Productos Cárnicos, Editorial FAO, 1991.
López, A.: Las Instalaciones Frigoríficas en las Industrias Agroalimentarias,
Madrid: Ediciones A. Madrid Vicente / Mundi-prensa libros, S.A., 1994.
Maestre Albert, Joaquín; Melgarejo Moreno, Pablo; y otros / Colegio
Oficial de Ingenieros Agrónomos de Murcia: Curso de Ingeniería del frío,
Madrid: Ediciones A. Madrid Vicente, 1993.
Manual técnico Valycontrol, 1996, distribuido por Valycontrol S.A.
Ramírez, Carlos Mario; García, Mateo Miguel; García García, Ceferino:
Termodinámica, Derechos reservados respecto a la primera edición en
español por McGRAW-HILL INTERAMERICANA DE MÉXICO, S.A. de
C.V.
Rapin, P.: Prontuario del Frío, Tercera Edición traducida y ampliada de la
tercera edición francesa, Edit. Editores Técnicos Asociados, 1994.
Rapin, P.; Jacquard, P. J.: Instalaciones frigoríficas. Tomo 1 Física Aplicada,
Barcelona: Edit. Marcombo Boixareu Editores, 1997.
Sánchez y Pineda de las Infantas, Mª Teresa: Ingeniería del frío: Teoría y
Práctica, Madrid: Edit. A. Madrid Vicente/ Mundi-prensa libros, S.A.,
2001.
Segura Clavell, José: Termodinámica Técnica, Barcelona: Edit. Reverté S.A.,
1993.
273
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS
FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
M 1 / UD 5
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
ÍNDICE
Introducción..................................................................................
285
Objetivos ........................................................................................
287
1. Compresores............................................................................
289
1.1.
Tipos de compresores...................................................
289
1.2.
Compresores alternativos ordinarios...........................
290
1.3.
Compresores alternativos especiales............................
294
1.4.
Compresores rotativos ..................................................
297
1.5.
Otros tipos de compresores de desplazamiento
positivo...........................................................................
299
1.6.
Compresores centrífugos .............................................
301
1.7.
Aplicaciones s de los diferentes tipos
de compresores .............................................................
303
1.8.
Partes constituyentes de un compresor .......................
303
1.9.
Ciclo de un compresor. Dimensionamiento
y rendimiento de un compresor ..................................
314
1.10. Potencia de un compresor ...........................................
322
1.11. Régimen de funcionamiento de un compresor..........
323
1.12. Regulación de potencia en compresores alternativos
324
1.13. Selección de un compresor..........................................
325
2. Evaporadores ...........................................................................
326
2.1.
Evaporador. Definición y función................................
326
2.2.
Características que debe reunir un evaporador..........
327
2.3.
Tipos de evaporadores..................................................
328
2.4.
Sistemas directos e indirectos de enfriamiento ..........
340
2.5.
Parámetros característicos ............................................
341
2.6.
Posición de los ventiladores .........................................
349
2.7.
Escarche y desescarche de los evaporadores...............
349
3. Condensadores........................................................................
357
3.1.
Condensadores. Definición, función y características.
357
3.2.
Partes constituyentes.....................................................
358
3.3.
Clasificación de los condensadores .............................
358
3.4.
Selección de condensadores ........................................
370
281
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
3.5.
Funcionamiento del condensador...............................
3.6.
Flujo e incremento de la temperatura
371
del medio condensante ................................................
375
4. Dispositivos de seguridad y regulación ..................................
379
4.1.
Tipos de dispositivos de seguridad y regulación.........
379
4.2.
Tipos de dispositivos de seguridad ..............................
396
4.3.
Dispositivos eléctricos de seguridad y control.............
398
5. Torres de refrigeración...........................................................
401
5.1.
Introducción ................................................................
401
5.2.
Clasificaciones de las torres de refrigeración.............
402
5.3.
Principios físicos de funcionamiento ..........................
407
5.4.
Elementos constituyentes .............................................
409
5.5.
Evaluación de rendimientos.........................................
417
5.6.
Mantenimiento .............................................................
425
6. Elementos auxiliares de los sistemas frigoríficos...................
429
6.1.
Silenciadores ................................................................
429
6.2.
Receptor de líquido ......................................................
429
6.3.
Acumulador de succión................................................
430
6.4.
Separadores de aspiración............................................
432
6.5.
Separadores de aceite ...................................................
434
6.6.
Sistemas de retorno de aceite a los compresores........
435
6.7.
Filtro deshidratador......................................................
437
6.8.
Pre-enfriador .................................................................
437
6.9.
Indicadores de líquido humedad ................................
438
6.10. Intercambiadores de calor ...........................................
438
6.11. Purgadores ....................................................................
439
6.12. Drenaje ..........................................................................
440
6.13. Cilindro de carga ..........................................................
440
6.14. Equipos de vaciado y de carga .....................................
440
6.15. Suministro de energía y cableado de enlace...............
440
7. Materiales.................................................................................
446
7.1.
Tipos y designacion comercial; condiciones
de utilización y aplicaciones.........................................
282
446
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
8. Lubricantes..............................................................................
464
8.1.
Introducción .................................................................
464
8.2.
Clasificaciones ...............................................................
465
8.3.
Aceites para refrigeración ............................................
467
8.4.
Manipulación ................................................................
481
9. Refrigerantes ...........................................................................
484
9.1.
Introducción .................................................................
484
9.2.
Historia de los refrigerantes.........................................
494
9.3.
Clasificación y Normativa .............................................
498
9.4.
Manipulación ................................................................
509
10. Mantenimiento y reparación de equipos...............................
520
10.1. Introducción .................................................................
520
10.2. Diagnóstico de averías en máquinas y equipos ...........
521
10.3. Herramientas y utillaje .................................................
525
10.4. Tablas de averías. Identificación de causas..................
529
10.5. Procedimientos en caso de averías ..............................
568
10.6. Herramientas y utillaje .................................................
573
10.7. Mantenimiento .............................................................
577
10.8. Documentación relacionada ........................................
582
10.9 Medidas de seguridad...................................................
583
Resumen ........................................................................................
587
Glosario ........................................................................................
593
Cuestionario de Autoevaluación ..................................................
619
Bibliografía ....................................................................................
625
283
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
INTRODUCCIÓN
El mantenimiento de una instalación debe realizarse siempre conociendo
los elementos que la componen, así como el funcionamiento de éstos y
sus interacciones, de este modo podrá valorarse el buen funcionamiento
de una instalación o en caso contrario detectar con mayor rapidez las
posibles causas del mal funcionamiento.
Es necesario también conocer los parámetros de diseño de la instalación
y el ciclo de frigorífico que atraviesa el refrigerante (contemplados en
la unidad 4 ‘’Sistemas Frigoríficos’’) para proceder a una rápida localización
y reparación de las averías.
En la siguiente unidad didáctica se profundiza en el estudio de los equipos
y materiales constituyentes de los sistemas frigoríficos, compresor,
evaporador, condensador, dispositivos de seguridad y regulación,
lubricantes y fluidos refrigerantes, estableciendo las características técnicas
de cada uno de ellos, su función y su posición en la instalación.
Se prestará especial atención a las labores de mantenimiento, marcando
las pautas a seguir en caso de averías e identificando los posibles motivos
de los fallos en el funcionamiento del sistema.
285
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
OBJETIVOS
Los temas desarrollados en la unidad didáctica “Equipos y materiales’’
permitirán al alumno:
•
Conocer los tipos, funcionamiento y características de :
-
Compresores
-
Evaporadores
-
Condensadores
•
Identificar los distintos dispositivos de seguridad y regulación, sus
principios de funcionamiento y actuaciones que ejercen sobre los
demás constituyentes.
•
Conocer las partes constituyentes y funcionamiento de las torres de
refrigeración.
•
Distinguir los elementos auxiliares de los sistemas frigoríficos y sus
funciones.
•
Conocer los materiales empleados en las instalaciones frigoríficas,
atendiendo al reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones
Frigoríficas, y los accesorios para la correcta ejecución de la instalación,
como sujeciones, procesos de soldadura, aislantes térmicos y acústicos.
•
Clasificar los lubricantes según su origen y propiedades, y conocer
las condiciones para su correcta manipulación.
•
Distinguir los distintos tipos de refrigerantes, su clasificación, las
aplicaciones concretas de los distintos tipos, su manipulación así
como la normativa por la que se rigen y la evolución que se está
experimentando hacia refrigerantes menos contaminantes y más
eficaces.
•
Conocer las pautas a seguir en las labores de mantenimiento, las
operaciones a realizar para detectar posibles averías y las técnicas
para reparación de equipos.
287
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
1. COMPRESORES
En este punto nos centraremos en el estudio del compresor frigorífico,
porque aunque el evaporador se considera el elemento principal de una
instalación frigorífica, como generador de frío, el compresor, junto a la
válvula de expansión, es el elemento mecánico más complicado y delicado
de la instalación.
El compresor funciona como una bomba que hace circular el refrigerante
en el circuito de refrigeración. El compresor aspira los vapores producidos
por la evaporación del fluido frigorígeno en el evaporador a una presión
débil, correspondiente a las condiciones de funcionamiento, y descarga
en el condensador a una presión suficientemente alta para que el fluido
condense a la temperatura de las fuentes naturales (aire, agua).
1.1. Tipos de compresores
Basándose en el principio de funcionamiento se distinguen dos grupos
principales de compresores:
•
Compresores de desplazamiento positivo, o volumétricos.
•
Compresores de desplazamiento cinético, o dinámicos.
Compresores de desplazamiento positivo, o volumétricos:
•
•
•
Compresores alternativos:
-
Ordinarios: verticales, horizontales y radiales.
-
Especiales: de pistón seco, de laberinto, electromagnéticos.
Compresores rotativos:
-
De paletas.
-
De excéntrica.
Otros tipos:
-
De tornillo.
-
De membrana.
Compresores de desplazamiento cinético, o dinámicos:
•
Compresores dinámicos:
-
Centrífugos.
-
Axiales.
289
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Los compresores alternativos, los rotativos, los de tornillo y los de
membrana comprenden los llamados compresores de desplazamiento
positivo. El fluido frigorígeno sufre una verdadera compresión mecánica,
pues la reducción volumétrica se realiza mediante un elemento que
comprime.
La compresión centrífuga se realiza gracias a la acción de la fuerza
centrífuga ejercida sobre los vapores atrapados durante la rotación de
un rodete a gran velocidad, no poseyendo elemento que comprime.
Además de esta clasificación, todos los compresores, tanto los volumétricos
como los dinámicos, se pueden clasificar en abiertos, semiherméticos y
herméticos.
Un compresor de tipo abierto es aquel en el que el compresor y el motor
de accionamiento están claramente diferenciados en dos carcasas. Los
compresores herméticos contienen el motor y el compresor en una
misma carcasa herméticamente cerrada, atravesando únicamente las
paredes de la carcasa la tubería de descarga que va al compresor, y la de
aspiración que desemboca en la carcasa; así se evitan las posibles fugas
de refrigerante.
Los de grupos semiherméticos son aquellos en los que el motor y el
compresor se encuentran en una sola carcasa accesible desde el exterior.
Las juntas son la única diferencia entre los semiherméticos y los herméticos,
calculadas y fabricadas para reducir a cero las fugas.
Compresor alternativo hermético
Compresor alternativo semihermético
1.2. Compresores alternativos ordinarios
Es el tipo de compresor más difundido actualmente. En los compresores
alternativos, el elemento compresor, émbolo o pistón, se mueve
alternativamente, accionado por un sistema biela-manivela, dentro de
un cilindro que contiene los vapores de refrigerante.
Sin embargo varían bastante los diseños, encontrándonos con compresores
con los cilindros, en V, W o estrella, con válvulas o no en los pistones,
y con funcionamiento por cigüeñal o por excéntrica.
290
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Compresor alternativo
Los compresores alternativos ordinarios se clasifican en distintas categorías
dependiendo de:
•
•
•
•
•
•
El número de caras activas del émbolo:
-
De simple efecto, donde una sola cara del émbolo es activa.
-
De doble efecto, con dos caras activas del émbolo, con dos
compresiones por vuelta.
La dirección de movimiento del émbolo:
-
Compresores horizontales, cilindros colocados horizontalmente.
-
Compresores verticales, cilindros colocados verticalmente.
-
Compresores radiales, cilindros inclinados pudiéndose encontrar
disposiciones en V (con dos o múltiplos de dos cilindros), en W
( tres cilindros o múltiplos de tres), en VV (cuatro cilindros o
múltiplos de cuatro)
El movimiento del fluido en el cilindro en su expulsión:
-
Compresores de tipo continuo, donde el vapor tiene el mismo
sentido que el fluido comprimido.
-
Compresores de tipo alterno, en el que los sentidos son opuestos
en las dos caras.
La estanqueidad:
-
Compresores de carter abierto, el sistema biela-manivela no está
aislado del exterior.
-
Compresores de carter cerrado, el sistema biela manivela está
aislado del exterior.
Numero de escalones en la compresión:
-
Compresores simples: un único escalón.
-
Compresores múltiples: más de un escalón.
El ámbito de aplicación y potencia frigorífica:
291
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
-
Domésticos, de menos de 500 Kcal/h de capacidad frigorífica
(siempre herméticos).
-
Comerciales, entre 500 y 15.000 Kcal/h.
-
Industriales, de más de 15.000 Kcal/h.
Funcionamiento de un compresor alternativo ordinario.
Descenso del pistón:
Consideremos el pistón en el punto más alto de su carrera, cuando acaba
de descargar el gas en la cámara de compresión. La cabeza del pistón
no toca exactamente en el fondo del cilindro, pues hay que tener en
cuenta las dilataciones que pueden producirse, las holguras inevitables,
etc. Por tanto, en su punto más alto la cabeza del pistón dista un espacio
‘e’ del fondo del cilindro.
Este espacio se denomina ‘espacio perjudicial’ o ‘espacio muerto’. En
él quedan encerrados los gases a la presión de compresión. Cuando el
pistón desciende, las dos válvulas están cerradas y el gas va ocupando
mayor volumen, ya que va disminuyendo la presión. Esto sucede hasta
que la presión en la parte superior del cilindro llega a ser ligeramente
inferior a la presión de la cámara de aspiración. En ese momento se abre
la válvula de aspiración y el gas entra en el cilindro, pero éste ha recorrido
un espacio ‘Se’.
Tanto el espacio perjudicial ‘e’ como la parte ‘Se’ de la cámara son
ineficaces pues durante ellas no entra gas en el cilindro. Para que el gas
entre, la presión en lo alto del cilindro debe ser ligeramente inferior a
la de la cámara de aspiración y esto es debido a la inercia de las válvulas.
Por tanto solo es útil la parte ‘Sv’ de la carrera.
Funcionamiento de un compresor alternativo
292
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Ejemplo:
Calcular ‘Se’, es decir, el punto de apertura de la válvula sin tener en
cuenta la inercia de la misma, siendo el espacio perjudicial de un
compresor que tiene una carrera ‘S’ de 87 mm, de 0,8 mm. La presión
de descarga es de 5,8 bares; la presión de aspiración es de 1,54 bares.
Solución: Como la sección del cilindro es siempre la misma, los volúmenes
son siempre proporcionales a las longitudes.
En los cálculos sólo se utilizan presiones absolutas:
Presión absoluta de descarga: 5,8 + 1,02 = 6,82 bares.
Presión absoluta de aspiración: 1,54 + 1,02= 2,56 bares.
Según la ley de Boyle-Mariotte:
y como los volúmenes son proporcionales a las longitudes
luego,
y
‘Se’ es el 15,2% de la carrera.
Subida del pistón
En el punto más bajo, el cilindro está, pues, lleno de gas a la presión de
aspiración. Al iniciar la subida, la válvula de aspiración se cierra. El pistón
comprime el gas hasta que su presión llega a ser ligeramente superior
a la presión de la cámara de compresión. Se abre entonces la válvula de
descarga y los gases pasan a la cámara de compresión y de ésta al
condensador.Por las mismas razones que cuando descendía el pistón la
inercia de la válvula de compresión y la presión ejercida por su resorte
retardan un poco el momento de la abertura. La posición del punto de
apertura de la válvula de compresión se calcula aproximadamente igual
que en el caso anterior.
Ejemplo:
Si las presiones de descarga y aspiración son las mismas que en el ejemplo
anterior, calcular el momento de la apertura de la válvula de descarga,
sin tener en cuenta la inercia de la misma.
293
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Funcionamiento de un compresor alternativo
Solución:
‘Sa’ = Carrera del pistón antes de abrirse la válvula de descarga.
‘Sb’ = Carrera del pistón con la válvula ya abierta.
‘e’ = Espacio perjudicial.
Como los volúmenes son proporcionales a las longitudes, aplicando la
ley de Boyle-Mariotte se obtiene:
luego
y
1.3. Compresores alternativos especiales
Compresores de pistón seco con laberinto o con segmentos de plástico:
Los compresores de pistones secos o sin engrase son de concepción y
realización reciente aportando una solución al problema de la compresión
de un fluido sin estar contaminado por el aceite de lubricación del
mecanismo de compresión. Es imposible, en efecto, sea o no miscible
294
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
el fluido con el aceite de engrase, evitar el arrastre mecánico de este
último y, en consecuencia, la contaminación del fluido que si en cierta
medida puede tolerarse en una instalación frigorífica, es por el contrario
totalmente incompatible con ciertas utilizaciones particulares de los gases
comprimidos, particularmente en las industrias alimentarias.
Se pensó entonces en la construcción de compresores que no necesitaran
lubrificación alguna entre el pistón y el cilindro y en los que además
estos elementos estuviesen separados completamente del cárter,
obteniéndose dos soluciones:
•
El compresor de pistón seco con laberinto.
•
El compresor de pistón seco con segmentos de plástico.
Compresor de pistón seco con laberinto ‘Sulzer’:
La solución adoptada en 1935 por la firma Sulzer; destinado a comprimir
aire atmosférico, consiste en la realización de un compresor cuyo pistón
comprende una serie de gargantas circulares. Este pistón se desplaza
dentro de un cilindro liso; las fugas entre pistón y cilindro, normalmente
limitadas por los segmentos estancos, lo son aquí por las gargantas que
forman un laberinto entre la parte superior del pistón y el carter del
compresor. Esta fuga mínima tiene además la ventaja de motivar el
autocentrado del pistón en el interior del cilindro y de disminuir los
rozamientos entre ambas piezas, deslizándose el pistón sobre un lecho
gaseoso interpuesto entre aquel y el cilindro. A mayor velocidad de
rotación menores son las fugas.
Tras estos primeros usos, los compresores de pistón seco pasaron al
campo de la refrigeración, empleándose con refrigerantes tales como R22, R-13, etano, propano, etileno, amoniaco, etc.
Posteriormente, aparece el compresor de pistones secos con segmentos
de plástico Quiri.
La diferencia esencial existente entre el compresor Sulzer y el compresor
Quiri proviene del dispositivo utilizado para suprimir toda lubrificación
entre pistón y cilindro. En el compresor Sulzer, la solución del problema
consiste en el pistón especial de laberinto, mientras que en el compresor
Quiri tenemos un pistón clásico, de aleación de aluminio con cinco
segmentos: uno central, y a un lado y otro de éste, dos segmentos de
estanqueidad. Estos segmentos son de tetrafluoretileno, material que se
conoce mejor por el nombre de ‘teflon’ y que se caracteriza por su
resistencia química excepcional, sus propiedades autolubrificantes y un
bajo coeficiente de rozamiento. Estas notables propiedades se mejoran
todavía con la adición de fibras de vidrio (resistencia mecánica), grafito
(evacuación del calor de rozamiento), etc.
295
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Actualmente, la mayoría de los compresores de pistón seco se construyen
con segmentos de este material plástico.
En la figura se muestra la forma de un compresor de pistón seco y el
detalle de un pistón de laberinto a la izquierda, y otro con segmentos a
la derecha.
Corte de un compresor de pistón seco. A la izquierda pistón con laberinto. A la derecha pistón con segmentos de plástico
Compresores electromagnéticos.
Este tipo de compresores se utiliza generalmente para frigoríficos
domésticos. Su velocidad de funcionamiento es igual a la frecuencia de
la corriente alterna. Los compresores electromagnéticos constan de tres
componentes principales, fijados sobre un soporte en fundición y
suspendidos en una caja estanca de acero:
•
Un motor síncrono constituido por un circuito magnético laminar,
que lleva dos bobinados unidos a los bordes de la red de alimentación
y un imán.
•
Un sistema oscilatorio mecánico constituido por una lámina resorte
que lleva, encajado dentro de una aleación ligera, el imán, que puede
por tanto desplazarse según un movimiento pendular.
•
Un componente aspirador-compresor que consta esencialmente de
un cilindro fijo, un pistón llevado por el imán móvil y que permite
efectuar la aspiración, y una válvula de descarga.
Al conectar los bornes del compresor a la corriente alterna, se induce
un flujo magnético en el núcleo del circuito magnético.
Este flujo magnético cambia continuamente de sentido con la corriente
alterna y varía entre dos valores aproximadamente iguales y de signo
contrario. Las variaciones de flujo tienen como consecuencia la aparición
296
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
de polaridades alternativamente norte y sur en las extremidades del
imán, y por consiguiente, la aparición de una fuerza alternativa, según
su línea de desplazamiento.
El imán móvil se pone así en movimiento, arrastrando el pistón, que
puede entonces realizar su trabajo de compresión en el cilindro fijo,
comprimiendo el fluido refrigerante aspirado directamente de la carcasa.
Esquema de un compresor electromagnético
1.4. Compresores rotativos
Los compresores rotativos son también compresores volumétricos, ya
que la compresión de los vapores aspirados se obtiene dentro de un
recinto de volumen variable. El elemento compresor puede ser de émbolo
o de paletas, y se encarga de reducir el volumen del espacio comprendido
entre el cilindro estator y el elemento mecánico que lo complete.
Estos compresores son de movimiento continuo, lo que permite hacerlos
girar a velocidades mayores que los compresores alternativos.
Se pueden utilizar tanto con todos los refrigerantes del tipo
fluorcarbonados como con amoniaco. Los mejores resultados se han
obtenido con fluidos cuya temperatura de ebullición, a presión atmosférica,
es relativamente elevada (-5º C a +15º C).
297
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Estos compresores se fabrican en todas las potencias y puede conseguirse
un vacío muy grande ya que su espacio perjudicial es prácticamente
despreciable.
En comparación con los compresores de pistón, los compresores rotativos
son compactos, de construcción sencilla y con menos piezas. Además,
los compresores rotativos tienen un excelente coeficiente de rendimiento
y eficiencia.
Sin embargo exigen una gran precisión en la fabricación, ya que no
contienen juntas entre la alta y baja presión; por esta razón su campo de
aplicación es la media presión. Otro inconveniente es que exigen una
gran resistencia al desgaste entre las piezas en contacto, por eso el engrase
tiene en estos compresores una gran importancia y se realiza a presión.
Existen dos tipos fundamentales de compresores rotativos:
•
Compresores de paletas.
•
Compresores de excéntrica.
Compresores de paletas
Los compresores de paletas están constituidos por un rotor ranurado
con varias paletas que se instalan a distancias iguales, introducido dentro
de un cilindro de tal forma que en todo momento mantenga una
generatriz común con éste
Compresor rotativo de paletas
Dichas paletas se mantienen constantemente apoyadas en el cilindro por
medio de resortes, y en determinados momentos merced a la fuerza
centrífuga desarrollada en la rotación.
El refrigerante procedente del evaporador pasa a través del orificio de
aspiración o de succión, llenando el espacio comprendido entre el
cilindro, el rotor y las dos paletas contiguas. Al girar el rotor, se va
reduciendo el volumen de refrigerante comprimiéndose hasta llegar al
final de la vuelta, descargándose entonces el gas comprimido por el
orificio de descarga o de compresión hacia el condensador.
Este tipo de compresores rotativos requiere el uso de válvulas de control
en la línea de aspiración o de descarga, para evitar que el refrigerante
de descarga regrese a través del compresor y de la tubería de aspiración
al evaporador cuando el compresor está parado.
298
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Compresor de excéntrica
Consta de un rodillo cilíndrico de acero que gira sobre un eje excéntrico,
montado éste concéntricamente con un cilindro. Debido al eje excéntrico,
el rodillo cilíndrico toca sólo al cilindro a lo largo de una generatriz.
Compresor rotativo tipo excéntrica
Al girar el eje, el rodillo se desliza alrededor de la pared del cilindro, en
la dirección del sentido de giro del eje, manteniendo siempre contacto
con la pared del cilindro.
Una paleta, montada en una ranura en la pared del cilindro, está siempre
en contacto con el rodillo obligada por un resorte. La paleta se mueve
hacia dentro o hacia fuera en su ranura de alojamiento, según va girando
el rodillo. Esta paleta establece la separación entre la aspiración y la
descarga.
Cuando el rodillo está tangente al cilindro en el lugar de la paleta, todo
el espacio comprendido entre el rodillo y el cilindro se llena de gas
procedente del evaporador. Este espacio va disminuyendo de volumen
a medida que el rodillo gira y la descarga se efectúa cuando el rodillo
está tangente al cilindro sobre el orificio de descarga.
En el paso de descarga existe una válvula de tipo de lengüeta que evita
que el gas comprimido regrese a la cámara del cilindro. Hay que resaltar
que en este tipo de compresor la aspiración se hace de una manera
continua.
1.5. Otros tipos de compresores de desplazamiento positivo
Compresores de Tornillo
Llamados también helicoidales por la forma en hélice de sus rotores, se
utilizan, igual que los compresores centrífugos, para la obtención de
potencias frigoríficas muy elevadas.
No emplean válvulas de aspiración ni de descarga, y la compresión del
refrigerante evaporado se obtiene en el espacio resultante entre los
299
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
engranajes helicoidales de igual diámetro exterior montados dentro de
un carter de fundición de alta resistencia.
El compresor de tornillo, compuesto por dos engranajes helicoidales,
uno macho de perfil semicircular, con cuatro lóbulos, y el otro hembra
con seis huecos (alveolos) de igual perfil, realiza la compresión de los
vapores refrigerantes por la reducción volumétrica que se consigue en
el espacio cerrado entre el carter y los huecos entre engranajes. En esta
compresión el fluido es arrastrado tanto radial como axialmente.
El alveolo juega, muy aproximadamente, el papel de un cilindro cuyo
volumen se reduce progresivamente en su lado delantero, mientras que
el lóbulo realiza la función de pistón hasta que la rotación lo lleva frente
a la boca de descarga.
Estos compresores deben ir provistos de separadores de aceite eficaces,
ya que el enfriamiento se realiza por inyección de aceite en las diversas
partes de la misma, el cual, naturalmente, se mezcla con el refrigerante
aspirado. La inyección de aceite permite aumentar considerablemente
la estanqueidad interna del engranaje y alcanzar relaciones de compresión
de 1:20.
El compresor de tornillo combina las ventajas de los compresores de
desplazamiento positivo con la de los compresores centrífugos.
Componentes de un compresor de tornillo
Compresores de membrana
Este compresor no tiene cierre de cigüeñal pues el fluido refrigerante
no penetra en el carter, ni en el cilindro.
El funcionamiento es el siguiente:
Un pistón descarga y aspira aceite bajo una membrana pistón deformable
sujeta entre dos tapas. Esta membrana se apoya alternativamente en la
tapa superior y en la inferior, descargando y aspirando así el gas cada
vez.
300
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Una bomba auxiliar movida por el cigüeñal envía aceite sobre el pistón
y un limitador de presión regulable deja volver al cárter el aceite sobrante.
Los compresores de membrana se utilizan para pequeñas y medianas
potencias. Tienen la ventaja de suprimir la preocupación del retorno del
aceite, ya que éste no se mezcla con el fluido, y de suprimir el cierre del
cigüeñal, pero presenta el inconveniente de las posibles roturas de la
membrana.
1.6. Compresores centrífugos
Los compresores centrífugos o turbo-compresores no poseen un elemento
mecánico que realice la compresión de los vapores aspirados, sino que
la compresión se debe a la fuerza centrífuga ejercida por la rotación a
alta velocidad de los rodetes.
El compresor centrífugo emplea el aumento de la energía cinética del
fluido, obtenida al utilizar la fuerza centrífuga provocada por la gran
velocidad periférica en que el fluido sale de los alabes del rotor, velocidad
que al pasar seguidamente a través de un difusor, con la consiguiente
caída de velocidad, obtiene, como contrapartida, un aumento de presión.
Dichos compresores consisten fundamentalmente en una serie de rodetes,
montados sobre un eje de acero y encerrados en una cubierta de hierro
fundido. El número de rodetes empleados depende de la presión final
a la que haya que someter al gas. Lo más corriente son compresores con
dos, tres y cuatro rodetes.
Los rodetes, consisten en dos discos, con varias palas o alabes montados
radialmente entre ellos. Para resistir la corrosión y la erosión, las palas
del rodete se construyen de acero inoxidable, o de acero con una capa
de plomo. El principio de funcionamiento de estos compresores es el
siguiente: el gas a baja presión procedente del evaporador se introduce
por el centro del rotor. Al llegar al primer rodete es expulsado radialmente
hacia fuera, entre las palas de éste, por acción de la fuerza centrífuga,
y es descargado desde los extremos de los alabes a la cubierta del
compresor a alta velocidad, aumentando así su temperatura y su presión.
Los vapores son recogidos por difusores diseñados en la cubierta con el
fin de realizar la conversión de la energía cinética en energía de presión,
y conducidos al centro del segundo rodete y así sucesivamente, hasta que
en el último paso son conducidos a la cámara de descarga. Desde allí
van al condensador.
Los alabes de pre-rotación permiten, merced a la modificación por
medios neumáticos o electrónicos del ángulo de entrada del refrigerante
evaporado en el interior del rodete, obtener en cada posición de dichos
301
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
alabes una potencia frigorífica distinta, desde un 10 a un 100 % de su
valor nominal.
El rotor de estos compresores suele estar compuesto de varios rodetes,
por lo que también el estator constará de varios difusores, en los que,
progresivamente, se irá aumentando la presión.
Sus ventajas principales son que ocupan un espacio reducido (a igualdad
de condiciones de funcionamiento, a mayor velocidad de rotación
menores dimensiones), y la ausencia de vibraciones debido al equilibrado
riguroso de las partes rotativas, aunque las más importantes consisten en
la facilidad de variación de la potencia frigorífica, como se ha indicado
anteriormente, y al hecho de que el refrigerante permanece en el
compresor totalmente puro, sin trazas de aceite ni de refrigerante en
estado líquido, que provocarían un efecto rápido de erosión en los alabes.
La velocidad de giro puede variar de 3.000 a 25.000 revoluciones por
minuto, lo que implica velocidades periféricas de 150 a 250 m/s, y algunas
veces supersónicas. El accionamiento del compresor para alcanzar estas
velocidades, salvo en el caso de que se obtengan por medio de una
turbina de vapor, exige un multiplicador de velocidad, generalmente
incorporado al compresor.
Los compresores centrífugos se pueden subdividir en dos grupos. Los
de acción, que serán aquéllos en los que no se produce variación de
presión en los alabes del rodete; y los de reacción, cuando el diseño de
los alabes es tal (radial o curvado hacia atrás) que se produce un aumento
de presión dentro del rodete. Este último es el caso más normal.
Se llama grado de reacción a la relación entre la energía de presión
generada en el rodete y la energía de presión total conseguida. El
compresor centrífugo es una máquina de gran simplicidad mecánica,
constando solamente de elementos en rotación y estáticos, lo que le da
gran seguridad y duración.
En este tipo de compresores es aconsejable utilizar refrigerantes con
presiones de vapor pequeñas y gran peso específico, debido a que la
energía comunicada por el rodete no sólo es función de su velocidad,
para un rodete dado, sino también de la densidad del vapor del fluido
refrigerante desplazado.
Esquema compresor centrifugo
302
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Los rendimientos conseguidos en los compresores centrífugos son
relativamente altos, 70-80 %. Los bajos rendimientos que a veces se
producen son casi siempre debidos a turbulencias y fricciones del fluido
refrigerante.
Compresores axiales
El funcionamiento del compresor axial se basa en comunicar a los vapores
de refrigerante una determinada energía cinética que después se
transforma en energía estática o de presión.
La única diferencia con los compresores centrífugos es el sentido del
movimiento del fluido al comprimir, no en el modo de producir la
presión.
1.7. Aplicaciones de los diferentes tipos de compresores
En la siguiente tabla se indica qué tipo de compresor se debe seleccionar,
en función de la potencia que se desee obtener (dependiendo del rango
de temperaturas de trabajo), y de las posibilidades de regulación de dicha
potencia.
Tipo de compresor
Alternativo
Rotativo
Tornillo
Rango potencia (rango temperatura)
<600.00 frig/h (-40ºC/-10ºC)
600.000 frig/h (-10ºC/25ºC)
200.000 frig/g (-30ºC/25ºC)
600.00 frig/h (-40ºC/-10ºC)
2x106 frig/h (-10ºC/25ºC)
106 frig/h (-30ºC/30ºC)
Velocidad de Giro
Regulación Potencia
600-2800 r.p.m
1000%-0% excepto
los de pistón seco
100%-50%
100%-50%
3000-30.000 rpm
100%-10%
3000-25.000 rpm
100%-10%
1500-3000 r.p.m
6
Centrífugo
24x10 frig/h (+1ºC/35ºC)
6
2,5x10 frig/h llegando a -45ºC
1.8. Partes constituyentes de un compresor
Para estudiar las partes constituyentes de un compresor se ha elegido un
compresor alternativo, por ser el tipo de compresor más utilizado.
Las partes principales de este tipo de compresores son:
•
Cárter: depósito de aceite lubricante donde se mueve el cigüeñal y
las bielas.
•
Cilindro: alojamiento cilíndrico del émbolo.
•
Embolo o pistón: elemento compresor móvil, en los cilindros.
•
Segmentos: aros colocados en el pistón que aseguran la estanqueidad
entre el émbolo y las paredes del cilindro.
303
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Bulón o eje del émbolo: articulación entre la biela y el pistón.
•
Biela: acciona el pistón y transforma el movimiento de rotación del
cigüeñal o de la excéntrica en movimiento alternativo.
•
Cigüeñal: elemento dotado con movimiento de rotación y accionado
por la máquina motriz y en cuyos cuellos van fijadas las bielas.
•
Excéntrica: un eje de rotación y una excéntrica sustituyen al cigüeñal
en algunos compresores, principalmente en los pequeños.
•
Cojinetes principales: son los apoyos del eje o cigüeñal.
•
Válvulas de aspiración y de impulsión: controlan el paso del refrigerante
al compresor. Junto con el cierre del cigüeñal, son las partes más
delicadas del compresor.
•
Cierre del cigüeñal: impide las fugas del fluido refrigerante y del
aceite y las entradas de aire al cárter por el orificio de salida del
cigüeñal.
•
Cabeza del cilindro: base superior del cilindro. Contiene la placa de
válvulas y el resorte de seguridad de las válvulas de compresión.
•
Volante: hace girar el compresor por medio de la transmisión de una
o más correas que conectan con la polea del motor.
•
Elementos accesorios: camisas de agua o aletas de enfriamiento. Bypass (comunicación entre la aspiración y la impulsión que permite
el arranque en vacío del compresor). Resorte de seguridad (el resorte
que en caso de sobrepresión puede levantarse). Presostatos de
seguridad, conexiones para los manómetros, porta-termómetros,
filtro, nivel de aceite, bomba de aceite, válvula de servicio.
A continuación vamos a desarrollar más detenidamente algunos de estos
conceptos:
Cuerpo del compresor
Es un bloque de hierro fundido que precisa ser de primera calidad,
finísimo y exento de poros, con aleación especial de semiacero. Consta
de una o dos partes; en este último caso, una para el bloque de cilindros
y la otra (cárter) para el alojamiento del eje. Cuando forma un solo
bloque lleva una tapa en la parte inferior para facilitar el acceso a las
bielas y pistones en caso de avería.
Cuerpo compresor
304
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Los compresores con cigüeñal llevan en el lado del volante una tapa
lateral, donde va alojado el prensaestopas, que permite la colocación del
cigüeñal. Esta tapa no se precisa en los compresores de excéntrica, detalle
que permite distinguir ambos modelos. En algunos modelos de
compresores, dicha tapa, en lugar de ir al lado del volante, sirviendo de
alojamiento al prensaestopas, se halla al otro extremo, cumpliendo la
misma finalidad de facilitar la colocación del cigüeñal.
Las paredes de los cilindros son rectificadas y pulidas a espejo con
tolerancias muy rigurosas.
La parte exterior de las paredes de los cilindros adopta la forma de aletas,
a fin de aumentar la superficie de radiación del calor producido por la
fricción de los pistones y las paredes de los cilindros. Algunas marcas de
compresores emplean «camisas», cuyas paredes interiores son también
rectificadas y pulidas, que se insertan en el cuerpo de cilindros, facilitando
así su reparación que se limita a la sustitución de dichas «camisas».
En el cuerpo del compresor se hallan los cojinetes de rozamiento del
cigüeñal o excéntrica. La mayor parte de los compresores van equipados
con cojinetes de bronce fosforoso. En los compresores del tipo de
excéntrica, los dos cojinetes se hallan en la misma carcasa o cuerpo y no
pueden desequilibrarse. En los modelos de cigüeñal, uno va en la carcasa
y el otro en la tapa lateral, por lo que al montar el compresor debe
tenerse en cuenta el perfecto ajuste y alineación de ambos cojinetes.
Las superficies de rozamiento de los cojinetes están ranuradas de forma
que permitan una distribución uniforme y completa del aceite lubricante.
En gran parte de compresores hay una bola-tope que se aloja entre una
concavidad del eje-cigüeñal y de la tapa del cojinete posterior (lado
opuesto al del volante) y sirve para impedir el movimiento axial del eje.
Cigüeñal y excéntrica
Los cigüeñales que se emplean en los compresores son similares en
apariencia y construcción a los usados en los motores de automóvil. Se
construyen normalmente de acero estampado, de hierro forjado o
nodular, de aleación y dureza especiales, con las superficies de rozamiento
completamente rectificadas y pulidas. Pueden ser sencillos o dobles,
según el compresor sea de uno o dos cilindros.
El eje del cigüeñal está perfectamente balanceado a fin de evitar la más
pequeña vibración. Los del tipo sencillo llevan contrapeso, lo que no
ocurre generalmente en los dobles.
El cigüeñal lleva una parte cementada, donde se ajusta el prensaestopas,
con el que forma un cierre hermético. Va asimismo provisto de una
ranura para obtener una lubricación adecuada en este punto.
305
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Su forma tiene diseño especial, posee varios cuellos donde se ajustan las
cabezas de las bielas.
Imagen de cigüeñal
Los cigüeñales de los compresores cuyos cilindros están en línea, poseen
un cuello por cada cilindro, pero cuando los cilindros están en V, W, o
estrella, poseen un cuello para varios cilindros.
Las excéntricas se componen de un eje recto en el que se ajusta la
excéntrica. Puede ser sencilla o doble, según el número de cilindros; en
el primer caso lleva contrapeso, mientras que en el segundo, al ser doble,
ella misma actúa de contrapeso.
La excéntrica está formada por dos cilindros excéntricos de hierro
fundido. En el centro lleva un orificio por donde pasa el eje de rotación.
Imagen de eje y excéntrica
La excéntrica esta sujeta al eje mediante tornillos y chavetas, con lo que
se consigue que ambas piezas formen un solo cuerpo.
El sistema de cigüeñal se emplea en compresores de potencia mayor de
10.000 frigorías, mientras que las excéntricas se utilizan para compresores
de potencia menor.
Bielas
Las bielas conectan los pistones con el eje del cigüeñal o con la excéntrica
y forman el brazo de empuje del pistón, transformando el movimiento
de rotación del eje en el movimiento de vaivén del pistón.
Conviene que sean muy ligeras, pero a la vez que sean resistentes y
soporten la fuerza sobre la cabeza del pistón. En la actualidad, debido
a la velocidad de los compresores, y como consecuencia del mayor
306
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
número de cilindros y dimensiones reducidas, las bielas se construyen
con materiales ligeros y resistentes.
En los compresores, generalmente se usan dos tipos de bielas:
•
Las que se usan con el eje cigüeñal.
•
Las que se usan con excéntricas.
En las que se usan con eje cigüeñal, la cabeza de biela está divida en dos
mitades para poder acoplarle el cuello del cigüeñal. Las bielas de
excéntrica tiene la cabeza de una sola pieza.
Biela para excéntrica
Biela para cigüeñal
Al montar las bielas debe tenerse en cuenta que un ajuste demasiado
fuerte sobre el cigüeñal causaría una sobrecarga en el motor, con el
consiguiente exceso de consumo del mismo y un recalentamiento
innecesario del compresor.
En las excéntricas, la biela puede moverse libremente a un lado sobre
la excéntrica, debido a la gran superficie de rozamiento que existe entre
ambas. Debe tenerse cuidado, cuando se desarma un compresor de este
tipo, de anotar la relación exacta entre la biela y la excéntrica.
Pistones
Elemento compresor móvil; normalmente son de hierro fundido especial,
aunque últimamente, y en especial en los compresores que emplean
refrigerantes halógenos (R-12, R-22, R-502 y los nuevos HFC) y que
trabajan a velocidades altas, se utilizan ya pistones de aleaciones de
aluminio.
Esquema de pistones
307
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Generalmente van equipados con segmentos rectificados que aseguran
una perfecta hermeticidad con el cilindro. De todos modos, aunque
pocos, existen algunos modelos que no llevan segmentos en los pistones,
los cuales van dispuestos con ranuras en sustitución de aquéllos. Estos
pistones sin segmentos se emplean en los compresores que trabajan a
velocidades altas.
Segmentos
Los segmentos se emplean para formar un cierre hermético entre el
pistón y el cilindro. Van alojados en unas ranuras practicadas en el pistón
y su número varía entre dos y cuatro.
Los segmentos están construidos de hierro fundido y deben manejarse
con el mayor cuidado, especialmente cuando se sacan del pistón, a fin
de evitar su rotura.
Pueden ser de compresión o de engrase, siendo de distinta forma. Los
segmentos de engrase están colocados debajo de los de presión, o sea,
en la parte inferior del pistón. Estos segmentos llevan practicadas unas
ranuras que se encargan de distribuir el aceite en el cilindro.
Esquema de segmentos
Eje de pistones o bulones
Articulación entre la biela y el pistón; en refrigeración son de acero
endurecido o esmerilado, con tolerancias muy rigurosas.
Las tres modelos de sujeción a las bielas son:
•
El modelo 1 es el más usado, y además se utiliza también en los
motores de automóviles; es el modelo que está ranurado en el centro
y va sujeto a la biela; las superficies de rozamiento se hallan en el
pistón.
Sujeción de bulones a las bielas
308
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
El modelo 2 va ajustado fuertemente al alojamiento del pistón y se
fija en la biela por medio de un pasador, con la superficie de
rozamiento en la misma biela.
•
El modelo 3 no va sujeto y puede moverse libremente, tanto en la
biela como en el pistón. Lleva unos tapones de latón en los extremos
para no rozar los cilindros.
Camisa del cilindro
La camisa del cilindro es una pieza de forma cilíndrica rectificada
mecánicamente, dentro de la cual se desliza el pistón.
La camisa se usa generalmente en compresores de gran potencia; en los
de pequeña y mediana potencia el cilindro está situado en el mismo
bloque.
En los compresores que usan camisa ésta se aloja en el cuerpo compresor
y lleva una pestaña en la parte superior para fijarla al bloque. La sujeción
se realiza por medio de tornillos que roscan en el bloque; en algunos
compresores dicha sujeción se realiza por presión.
Si la refrigeración del cilindro se realiza por agua, la camisa está construida
con una doble superficie envolvente, y el agua circula entre la superficie
exterior y la interior, disipando el calor producido por el deslizamiento
del pistón y la compresión.
Si la refrigeración se realiza por medio de aire, la parte exterior de los
cilindros suele llevar aletas.
Camisa cilíndrica
Plato o placa de válvulas
El plato de válvulas es un elemento en el que van situadas las válvulas de
descarga unas veces y las de aspiración y descarga otras.
309
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Plato o placa de válvulas
En los compresores en los que el refrigerante entra y sale del cuerpo a
través de los pistones, éstos van equipados con válvulas; en este caso, la
válvula de succión (válvula de pistón) que da paso al refrigerante evaporado
en el movimiento de descenso del pistón, va alojada en el mismo pistón,
y la válvula de descarga en el plato.
En otros modelos, tanto las válvulas de aspiración como las de descarga
van montadas en el plato. Una de las ventajas de este sistema frente al
sistema con válvulas de pistón es que el refrigerante no circula a través
del cárter, reduciendo el bombeo de aceite.
Las válvulas de aspiración van colocadas en la parte inferior y las de
descarga en la parte superior de la placa. El conjunto va colocado entre
los cilindros y la culata. Encima de la placa se coloca la culata con lo cual
se cierra todo el mecanismo del plato de válvulas.
Válvulas de descarga
Tienen dos funciones: primero mantener un cierre hermético entre la
parte alta y baja del sistema, durante el ciclo de parada, evitando que el
refrigerante descargado retroceda de nuevo a la cámara del cilindro.
Este cierre mantiene la presión de alta necesaria en el depósito de líquido.
En segundo lugar, abrirse a cada pistonada, cerrándose al completar la
compresión, para evitar el retroceso de gases cuando el pistón desciende.
Existen varios tipos de válvulas de descarga. El que se emplea más
generalmente es el tipo de disco, otros tipos adoptan variadas formas:
de lengüeta, de cruz, romboides, etc.
Tipo de válvulas de descarga
Válvulas de succión
Como se ha indicado anteriormente, las válvulas de succión (no las de
pistón) van colocadas en el mismo plato que las de descarga accionando
en sentido opuesto a aquéllas. Su función es la de dar paso al refrigerante
evaporado en el movimiento de descenso del pistón, cerrándose cuando
éste sube.
310
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Tipos de válvulas de succión
Culata
La culata es una pieza cuya misión es cerrar la parte superior de los
cilindros y separar los vapores procedentes de la vaporización de los de
descarga.
Al igual que el cuerpo del compresor, la culata es de hierro fundido y
se encuentra encima mismo del cilindro y plato de válvulas.
La culata está asegurada a los cilindros por medio de tornillos y lleva
entre los cilindros y ella una junta que asegura el cierre hermético. Puesto
que la culata se halla en la parte de alta presión del sistema, las tuercas
de fijación de la misma deben ir fuertemente apretadas a fin de evitar
toda fuga de refrigerante a través de las juntas entre el plato de válvulas
y culata.
En los compresores de mediana y gran potencia la culata suele estar
refrigerada por agua.
Esquema de compresor donde se indica pistón, segmentos, cilindro, válvulas, placa y culata.
Cierre del cigüeñal (prensaestopas)
El prensaestopas tiene la función de conseguir un cierre hermético entre
la atmósfera y el interior del compresor, justo en la zona del cárter donde
el árbol sale al exterior para su accionamiento por medio de un motor.
Este orificio, si no se cierra convenientemente, pueda dar lugar a fugas.
En los compresores herméticos este problema no existe puesto que el
motor eléctrico y el compresor, acoplados directamente, están encerrados
herméticamente en una campana.
Los dos tipos fundamentales de prensaestopas son los siguientes:
•
Prensaestopas tipo de fuelle.
311
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Prensaestopas de diafragma.
Prensaestopas tipo de fuelle
Están constituidos esencialmente por un fuelle de lumbaga (metal a base
de cobre) de espesor variable.
Existen dos clases de prensaestopas de tipo fuelle, los de tipo fijo, y los
giratorios.
Prensaestopas de tipo fuelle fijo:
Este tipo de prensaestopas se llama fijo porque no gira simultáneamente
con el cigüeñal, sino que permanece inmóvil.
Prensaestopas de tipo fuelle fijo con resorte interior.
El fuelle está soldado por una parte sobre un disco plano, aprisionado
entre la tapa y el cárter, y por la otra, sobre un anillo de bronce especial
que hace junta sobre el saliente rectificado del eje. Un resorte apoyado
sobre la tapa empuja el anillo contra el eje. El conjunto disco, fuelle,
resorte, anillo, es fijo y el cierre se hace entre el anillo y el eje que gira.
Los compresores que emplean este tipo de prensaestopas llevan un
cojinete en el extremo opuesto del eje del cigüeñal, cuyo objeto es
proveer una superficie de rozamiento a la fricción causada por la presión
del resorte.
Con el fin de evitar que se desgaste el saliente del eje sobre el que frota
el anillo de bronce, se coloca otro anillo(collar de cierre) apoyando o
no sobre otro anillo en caucho sintético.
El resorte puede ser interior o exterior al fuelle, según el diámetro de
este último. En los prensaestopas con el resorte exterior al fuelle se
consigue eliminar la posibilidad de ruido o silbido que pudiera producirse
por fricción con el eje del cigüeñal.
Prensaestopas de tipo fuelle giratorio:
Otro tipo de prensaestopas es el giratorio que forma un sello entre el
312
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
casquillo y una superficie trabajada a máquina en la carcasa del compresor,
llamada placa de alojamiento.
La segunda junta se forma entre el asiento del cigüeñal y la pestaña del
fuelle por medio de una tuerca roscada que aprieta fuertemente el
prensaestopas al eje con el que gira a la vez.
Prensaestopas tipo fuelle giratorio
Prensaestopas de diafragma:
Los prensaestopas de diafragma utilizan el mismo principio general que
los de fuelle, en lo que se refiere al casquillo de bronce que efectúa el
sello contra el asiento del cigüeñal. No emplea, sin embargo, el resorte
que se halla colocado en el extremo opuesto del cigüeñal en el cárter.
Prensaestopas de diafragma
Volante
Va acoplado al eje del cigüeñal o excéntrica y hace girar el compresor
por medio de la transmisión de una o más correas que conectan con la
polea del motor. El volante se sujeta al extremo del eje por medio de
una tuerca.
Volante
Polea del motor
313
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
En algunos compresores, el volante va provisto de unas palas en sus
radios, para ayudar la ventilación sobre el condensador de aire.
1.9. Ciclo de un compresor. Dimensionamiento y rendimiento
de un compresor
Como hemos indicado al iniciar el estudio de las partes constituyentes
de un compresor, el punto que vamos a desarrollar también hablará de
los compresores alternativos, aunque los distintos conceptos aquí expuestos
pueden ser aplicados a cualquier tipo de compresor, siempre que se
tengan en cuenta las diferencias que puedan existir entre ellos.
Ciclo de compresión teórico: (Diagrama de P-V)
Ciclo teórico de compresión
Vamos a identificar sobre el diagrama de P-V los puntos característicos
del ciclo de compresión teórico:
Fase de compresión:
Consideremos el pistón al final de su carrera de aspiración, PUNTO 1;
el cilindro se encuentra totalmente lleno (longitud O1’ sobre las abscisas
del diagrama) de los vapores aspirados a la presión de aspiración (Pa).
Al iniciar el émbolo la carrera de compresión (segmento 12) las válvulas
de aspiración y descarga cierran, y el volumen de gas disminuye mientras
el émbolo asciende en el cilindro, aumentando constantemente la presión,
hasta que la presión dentro del cilindro es ligeramente superior a la
presión de descarga (Pd), PUNTO 2.
Fase de descarga:
En el PUNTO 2, la válvula de descarga se abre y los vapores comprimidos
se escapan (segmento 23) hasta que el émbolo alcanza su punto muerto
superior, PUNTO 3.
314
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Comprobamos entonces que entre lo alto del émbolo y el fondo del
cilindro, queda un espacio lleno de vapores a la presión de descarga
(Pd), que el émbolo no desplaza nunca, el llamado espacio muerto
(longitud O3’ sobre las abscisas del diagrama). Espacio necesario como
consecuencia de las tolerancias en los ajustes y la dilatación de las piezas
en movimiento para que el émbolo no golpee las válvulas.
Fase de reexpansión:
El émbolo comienza su carrera de descenso (segmento 34), la válvula de
descarga cierra de nuevo sobre su asiento, pero la válvula de aspiración
permanece cerrada, y no abrirá hasta que la presión de los vapores
contenidos en el espacio entre el émbolo y el plato de válvulas sea
ligeramente inferior a la presión de aspiración (Pa), PUNTO 4. La
necesidad mecánica de reservar el espacio muerto, provoca un retraso
en la aspiración, logrado por el freno que constituye el volumen del
vapor contenido en dicho espacio al terminar la compresión. Como
hemos dicho, la válvula de aspiración no abre hasta que la presión dentro
del cilindro es inferior a la presión de aspiración, cuanto mayor es el
espacio muerto, más vapor queda a alta presión contenido en dicho
espacio, y más tarde alcanzamos la presión a la cual abre la válvula de
aspiración por necesitar más volumen para reducir la presión dentro del
cilindro. Dicho incremento de volumen que provoca la disminución de
la presión por debajo de la presión de descarga es la longitud 3’4’ en el
diagrama (volumen reexpandido de los vapores que ocupaban el espacio
muerto).
Fase de aspiración:
Con la válvula de aspiración abierta, el émbolo continúa su carrera de
descenso, llenando el cilindro con los vapores aspirados hasta alcanzar
el PUNTO 1.
El volumen útil que se llena con los vapores aspirados es la longitud 4’1’
sobre el eje de abscisas del diagrama.
Retraso en la apertura de las válvulas de aspiración y descarga.
Las válvulas de los compresores empleados en la industria frigorífica
abren y cierran a impulsos de magnitudes internas, diferencia de presiones,
ya que esta forma de trabajo permite controlar las presiones a las que
operan evaporador y condensador.
Como ya hemos dicho, la presión dentro del cilindro debe ser ligeramente
inferior a la presión en la línea de aspiración ( Pa − ∆pa ) para así vencer
la tensión del resorte de la válvula de aspiración y que la válvula pueda
descender.
315
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Esto quiere decir que el vapor, al entrar en el cilindro, sufre una expansión
a su paso por el orificio dentro de la válvula de aspiración. La presión
dentro del cilindro mientras dura la aspiración es inferior a la existente
en la línea de aspiración.
Al expansionarse el vapor que entra en el cilindro, el volumen admitido
dentro del cilindro disminuye, pues parte de la carrera teórica de
aspiración del pistón se emplea en expansionar el gas desde ( Pa ) hasta
( Pa − ∆pa ) .
Por la misma razón, hasta que la presión en el cilindro no sea ( Pd + ∆pd ) ,
es decir ligeramente superior a la existente en la línea de descarga, la
válvula de descarga no abre y el gas no sale del cilindro hacia el
condensador. Esto significa que los gases encerrados en el espacio muerto
se encuentran a una presión superior a la ( Pd ) , con lo cual el volumen
reexpandido de los gases contenidos en el espacio muerto debe ser
mayor, disminuyendo el volumen admitido en el cilindro.
Tanto el retraso en la apertura de la válvula de aspiración como el retraso
en la apertura de la válvula de descarga produce una disminución del
volumen útil de los vapores aspirados en el cilindro.
La cilindrada C de un compresor es el volumen desplazado por los
pistones en su carrera de aspiración en un giro del eje-manivela, y es
función de:
•
Diámetro de los cilindros (D)
•
Carrera de los pistones (L)
•
Numero de cilindros (N)
El volumen teórico desplazado por el compresor (Vt) es función de la
cilindrada (C) del compresor, magnitud puramente geométrica, y de la
velocidad de rotación(n en r.p.m).
Si multiplicamos el volumen teórico desplazado por el compresor por
la densidad del refrigerante en las condiciones de aspiración (condiciones
en el evaporador), se obtiene el caudal másico del refrigerante.
316
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Si se conoce el efecto frigorífico por cada unidad de masa de refrigerante
que circula por el evaporador, se puede obtener la capacidad de
refrigeración teórica del compresor.
siendo:
Qt = Capacidad de refrigeración teórica del compresor (Kcal/h)
= Densidad del refrigerante en las condiciones de operación, aspiración
(Kg/m3)
= Entalpías del vapor y del líquido en las condiciones de operación
del evaporador (Kcal/Kg).
La capacidad refrigerante de cualquier compresor (Kcal/h) es el producto
del caudal másico refrigerante que trasiega por el compresor (Kg/h)
por el efecto refrigerante (Kcal/Kg) del fluido frigorífico en las condiciones
de operación del sistema frigorífico.
Si se compara la capacidad real de refrigeración de un compresor con
la capacidad teórica podemos llegar a la conclusión de que la capacidad
real siempre es menor a la teórica
Si retomamos la ecuación con la que hemos calculado la capacidad de
refrigeración teórica del compresor, y analizamos los términos que
intervienen en ella, podemos comprender por qué la capacidad real de
un compresor es siempre menor que la capacidad teórica.
La capacidad teórica del compresor es proporcional al volumen teórico
desplazado (magnitud puramente geométrica). Si volvemos al diagrama
de P-V del ciclo de un compresor, este volumen teórico coincide con la
longitud O1’, siendo el volumen útil aspirado la longitud 4’1’, inferior
a O1’, debido al espacio muerto, al volumen reexpandido de los vapores
contenidos en el espacio muerto, y al retraso en la apertura de las válvulas
de aspiración y descarga, como ya hemos explicado.
Otro factor que aparece en la ecuación, es la densidad del refrigerante
en las condiciones de aspiración. La densidad del vapor dentro del
cilindro (tras la aspiración) siempre es menor que la densidad del vapor
en la tubería de aspiración.
Evidentemente, si el volumen real aspirado es inferior al teórico, y la
densidad del refrigerante tras la aspiración es menor que en las condiciones
de aspiración, la capacidad real de refrigeración es siempre menor a la
capacidad teórica de refrigeración.
317
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Esta discrepancia entre capacidad teórica y real lleva a definir el
rendimiento volumétrico teórico de un compresor:
Se define como rendimiento volumétrico teórico de un compresor el
debido esencialmente a su espacio muerto. Por esta razón variará con
la cantidad de este espacio y con las presiones de aspiración y descarga.
El rendimiento volumétrico teórico se puede calcular estableciendo una
relación entre el volumen real de vapor aspirado y el volumen teórico
desplazado por el émbolo, o bien, una relación carrera útil a carrera
total.
Cuanto mayor es el espacio muerto, menor es el volumen real aspirado
ya que la cantidad de gases que ocupan ese espacio a alta presión es
mayor, y necesitan mayor volumen para reexpandirse, disminuyendo el
rendimiento volumétrico teórico.
El volumen reexpandido de los gases que ocupan el espacio muerto es
función de dicho espacio, pero para un espacio muerto dado, cuanto
mayor es la diferencia entre la presión de descarga, y la presión de
aspiración, mayor es el espacio reexpandido, con lo cual menor es el
volumen real aspirado, y menor es el rendimiento volumétrico.
Cuanto mayor es la presión de descarga, a más presión se encuentran
los gases en el espacio muerto, y más volumen necesitan los gases para
alcanzar una presión inferior a la presión de aspiración.
A menor presión de aspiración, más tienen que reducir los gases su
presión (más volumen necesitan) para que la válvula de aspiración se
abra.
Cuando las presiones de aspiración y descarga varían se puede incrementar
la eficiencia volumétrica del compresor y la capacidad frigorífica real del
mismo.
Se llama relación de compresión a la que existe entre la presión absoluta
de descarga (Pd) y la presión absoluta de aspiración (Pa).
Existen relaciones matemáticas que permiten calcular el rendimiento
volumétrico teórico en función de la relación de compresión y de la
relación entre el volumen del espacio muerto y el volumen desplazado
por el pistón.
donde
318
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
siendo:
= espacio muerto
= volumen desplazado por el pistón
= presión de descarga
= presión de aspiración
= calor específico a presión constante
= calor específico a volumen constante
Disminuyendo la relación de compresión de un compresor, podemos
aumentar el rendimiento volumétrico teórico del compresor, y aumentar
la potencia frigorífica real del compresor.
Además de las pérdidas volumétricas reseñadas, existen otros factores
que limitan el volumen de vapor comprimido en cada movimiento del
pistón, disminuyendo el rendimiento volumétrico real.
Factores que influyen en el rendimiento volumétrico real de un compresor:
Temperatura de las paredes del cilindro. Los vapores aspirados, al entrar
en el cilindro, se ponen en contacto con las paredes, las cuales se
encuentra calientes, lo que produce una expansión de los vapores
aspirados. Esta expansión de los vapores al entrar en el cilindro reduce
el volumen real aspirado, disminuyendo el rendimiento volumétrico del
compresor. Además, el calentamiento del cilindro es mayor cuanto mayor
es la relación de compresión.
Fugas a través de las válvulas alrededor del pistón. Estas fugas reducen
el volumen de vapor impulsado. Fugas alrededor del pistón son muy
poco frecuentes, en cambio existen retrocesos y fugas en las válvulas, ya
que es difícil diseñar válvulas que cierren instantáneamente. Cuanto
mayor es la relación de compresión, mayores son las fugas a través de
válvulas. Estas fugas disminuyen con la velocidad del compresor.
Disminución de las áreas a lo largo del circuito del refrigerante. Esta
disminución produce una pérdida de presión por fricción, tanto interna
como externa, en función de la velocidad del refrigerante a través de los
elementos del circuito (válvulas, tuberías...). A mayor velocidad del
refrigerante, mayores pérdidas por fricción.
La velocidad del refrigerante al atravesar las válvulas, dependerá de la
sección de las válvulas, del refrigerante utilizado, y de la velocidad del
compresor. A mayor velocidad del compresor, mayor velocidad del
refrigerante, y para refrigerantes con mayor volumen específico, y menor
calor latente, mayores pérdidas de carga.
319
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Como acabamos de ver, existen otros factores que varían el volumen real
aspirado; para tener en cuenta estos factores no incluidos en el rendimiento
volumétrico teórico, aparece otro término cuyo producto con el anterior
da lugar al rendimiento volumétrico real:
El rendimiento volumétrico real es función del rendimiento volumétrico
teórico y de unos factores anteriormente descritos, incluidos en el término
.
Con lo cual, podemos decir que el rendimiento volumétrico real es
función de los siguientes parámetros:
Diseño del compresor:
Espacio muerto: a mayor espacio muerto, menor rendimiento volumétrico
teórico.
Diseño de válvulas, tuberías…; a mayor estrangulamiento, mayores
pérdidas por fricción, menor .
Relación de compresión:
A mayor relación de compresión, menor rendimiento volumétrico teórico.
A mayor relación de compresión, mayor temperatura en las paredes del
cilindro, menor volumen aspirado, menor .
A mayor relación de compresión, mayores son las fugas a través de las
válvulas, menor volumen impulsado, menor .
Velocidad del compresor:
A menor velocidad del compresor, mayores fugas a través de las válvulas,
menor volumen impulsado, menor .
A mayor velocidad del compresor, mayor velocidad del refrigerante,
mayores pérdidas por fricción, menor .
Tipo de refrigerante:
Mayor volumen específico, mayores pérdidas por fricción, menor
Menor calor latente, mayores pérdidas por fricción, menor
.
.
El rendimiento volumétrico teórico es medible para un compresor y
unas condiciones de funcionamiento, pero no ocurre lo mismo con que
habrá que determinarse en función del rendimiento volumétrico teórico
y real.
320
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Las desviaciones del ciclo de compresión se pueden determinar de forma
experimental mediante un indicador de Watt que registra gráficamente
la evolución de la presión en el cilindro, en función del movimiento del
pistón por cada vuelta de eje-manivela.
El ciclo real de compresión producido durante la prueba de compresión
llevado a un diagrama presión-volumen recibe el nombre de diagrama
indicado.
El trabajo de compresión obtenido del diagrama se llama trabajo indicado
y a la potencia computada a partir de este trabajo se le denomina potencia
indicada.
La potencia indicada tiene en cuenta el rendimiento de compresión, es
decir, las desviaciones respecto al ciclo teórico. Las áreas por encima de
la presión de descarga teórica (Pd) y por debajo de la presión de aspiración
(Pa) representan un aumento de trabajo debido al estrangulamiento y
efecto de válvulas.
Las otras desviaciones respecto a la compresión y expansión adiabáticas,
indican que estas evoluciones siguen en realidad líneas politrópicas con
cesión de calor entre el cilindro y los vapores de fluido refrigerante.
Se define el rendimiento indicado como la relación entre la potencia
teórica y la potencia indicada:
Del análisis del diagrama indicado se observa que los factores que influyen
sobre el rendimiento indicado son prácticamente los mismos que afectan
al rendimiento volumétrico real: efectos de estrangulamiento, intercambio
de calor entre el vapor y el cilindro, fricción en el fluido debido a las
turbulencias y a no ser fluido perfecto.
Para cualquier compresor, los rendimientos volumétricos real e indicado
son prácticamente iguales y variarán en la misma proporción con la
relación de compresión.
Como anteriormente hemos indicado, el rendimiento volumétrico teórico
es medible para un compresor y unas condiciones de funcionamiento,
mientras que el rendimiento volumétrico real se determinará mediante
el diagrama indicado obtenido del banco de ensayo.
321
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Se ha comprobado que compresores de las mismas características de
diseño tienen aproximadamente los mismos rendimientos volumétricos,
independientemente del tamaño del compresor de que se trate.
En la siguiente gráfica se indican los rendimientos volumétricos teóricos
y reales de un compresor en función de la relación de compresión.
1.10. Potencia de un compresor
En el punto anterior se han desarrollado los conceptos de rendimiento
volumétrico real e indicado, que tienen en cuenta las desviaciones del
ciclo real de compresión respecto al ciclo teórico.
Si queremos obtener la potencia total que debe ser suministrada al árbol
de transmisión del compresor debemos definir otro término llamado
rendimiento mecánico.
Se define el rendimiento mecánico del compresor como la relación:
siendo:
= Trabajo absorbido según el ciclo real del compresor.
= Trabajo absorbido en el eje del compresor.
Este rendimiento es una medida de los rozamientos mecánicos del
compresor, pistón-cilindro, etc.
322
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Depende de la velocidad de rotación. Para una misma velocidad, será
máximo cuando el compresor esté muy cargado.
Ahora estamos en disposición de calcular la potencia total a suministrar
al eje del compresor, potencia que recibe el nombre de potencia al freno.
Dicha potencia se puede calcular a partir de la potencia teórica dividida
por el rendimiento indicado y el rendimiento mecánico:
Por último, definimos el rendimiento eléctrico del compresor como la
relación:
siendo:
= Potencia mecánica absorbida en el eje del compresor.
= Potencia eléctrica absorbida por el motor.
Este rendimiento contabiliza las pérdidas que se producen en el motor
eléctrico.
Depende de la potencia del motor (a mayores potencias, mayores
rendimientos).
En la siguiente tabla se indican valores aproximados de rendimientos
para diferentes relaciones de compresión.
1.11. Régimen de funcionamiento de un compresor
Funcionamiento de un compresor en régimen húmedo
Las condiciones de funcionamiento de un compresor cambian
constantemente como consecuencia de que varía la velocidad del
compresor, de que la válvula de regulación no deja pasar siempre la
misma cantidad de líquido, de la introducción variable de mercancías
en la cámara, etc., y como consecuencia, resulta que el estado de los
vapores a su entrada en el compresor varía también.
323
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Cuando entra en el cilindro una mezcla de vapor y líquido en forma de
gotitas no evaporadas todavía, se dice que el compresor trabaja en régimen
húmedo. Esto puede suceder cuando por cualquier razón la válvula de
laminación deja pasar demasiado líquido. Al llegar al cilindro, donde la
temperatura es más elevada, las gotitas de líquido se vaporizan, pero esto
sucede en perjuicio del rendimiento de la instalación, ya que estas gotas
deberían haberse evaporado en el evaporador, produciendo un efecto
frigorífico útil.
En la fase de compresión, el calor de compresión es el encargado de
acabar de evaporar las gotitas de líquido que puedan quedar en el cilindro.
Con este régimen, la tubería de aspiración está escarchada si la temperatura
de evaporación es inferior a 0° C y la escarcha cubre también una parte
del cuerpo del compresor, alrededor de la entrada. La tubería de descarga
está relativamente fría.
Funcionamiento de un compresor en régimen seco o recalentado
Por el contrario, si la última gota de líquido se ha evaporado en el
evaporador, antes de llegar al compresor, los vapores que entran en el
compresor son vapores saturados secos o recalentados y se dice que el
compresor trabaja en régimen seco o recalentado, respectivamente.
La tubería de aspiración estará fría y húmeda o incluso escarchada si la
temperatura del vapor recalentado es todavía inferior a 0° C. La tubería
de descarga estará caliente.
El funcionamiento en régimen recalentado es el más empleado pues
supone un aumento del rendimiento del 10 al 12% sobre el régimen
húmedo y además evita el peligro de “golpes de líquido” en el compresor.
Si bien es interesante trabajar en régimen recalentado, este
recalentamiento no debe ser excesivo. Lo ideal sería que entrasen en el
cilindro únicamente vapores en el estado exacto de vapor saturado seco,
pero dadas las inevitables irregularidades de caudal en la válvula de
regulación, es necesario trabajar con un recalentamiento de algunos
grados.
1.12. Regulación de potencia en compresores alternativos
El cálculo y diseño de un compresor se realiza para satisfacer una
producción frigorífica máxima en el momento de mayores necesidades
frigoríficas, regulándose después su potencia al nivel necesario en cada
momento, de forma que la llegada de líquido al evaporador sea tal que
éste trabaje a plena capacidad de absorción de calor.
Esta regulación se realiza de una forma mecánica, actuando sobre los
324
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
elementos del compresor responsables de su producción frigorífica,
siendo los más utilizados:
•
Acción sobre la velocidad de rotación del compresor, lo que se puede
conseguir escalonando motores con distintas velocidades, o bien con
variadores de velocidad mecánicos o eléctricos.
•
En los compresores multicilíndricos, variando el número de cilindros
que están en funcionamiento. Esto se consigue de forma automática
dejando abiertas las correspondientes válvulas de aspiración.
•
Actuando sobre el rendimiento volumétrico, con el inconveniente
de ser un método caro y difícil de automatizar.
•
Mediante el empleo de un by-pass entre la aspiración y la impulsión.
Este método es el más empleado hoy día, aunque termodinámicamente
sean preferibles los que actúan sobre la velocidad y el número de
cilindros.
•
Conectando el cilindro del compresor con el colector de aspiración
y sin actuación directa sobre las válvulas. De esta forma lo aspirado
será nuevamente impulsado a la aspiración.
1.13. Selección de un compresor
Debido a que la capacidad refrigerante y las necesidades de potencia de
un compresor varían con las condiciones del vapor refrigerante a la
entrada y a la salida del compresor, los catálogos suministrados por el
fabricante de estos equipos indican las capacidades refrigerantes y las
necesidades de potencia para distintas temperaturas de evaporación y
condensación.
Si la selección del evaporador se ha realizado antes del compresor se ha
de elegir éste en función de aquél.
Se ha de tener en cuenta que raras veces es posible seleccionar un
compresor que tenga exactamente la capacidad requerida por las
instalaciones de diseño, de ahí que se tienda a seleccionar un compresor
que tenga una capacidad igual o algo mayor a la requerida según las
condiciones de funcionamiento.
Para seleccionar un compresor para una aplicación concreta se necesitan
los siguientes datos:
•
Capacidad refrigerante requerida (Kcal/h), y su evolución en función
del tiempo durante el funcionamiento previsible de la instalación.
•
Temperatura de evaporación (ºC), que dependerá de la aplicación
del sistema frigorífico.
•
Temperatura de condensación (ºC) que dependerá del sistema de
condensación que se seleccione, agua o aire.
325
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
2. EVAPORADORES
2.1. Evaporador. Definición y función
El evaporador es el elemento productor de frío de la instalación frigorífica.
Los evaporadores son intercambiadores térmicos que aseguran la
transmisión del flujo calorífico del medio que se enfría hacia el fluido
frigorígeno; este flujo calorífico tiene por finalidad la evaporación del
fluido refrigerante líquido contenido en el interior del evaporador.
El evaporador debe obtener la transmisión del flujo calorífico que procede
del medio que se enfría al fluido frigorígeno, absorbiendo éste dicho
flujo a temperatura constante por liberación de su calor latente de
evaporación. Esto ocurre debido a que la temperatura de ebullición del
fluido refrigerante es inferior a la temperatura de medio que se desea
enfriar, convirtiéndose el refrigerante en el foco frío, y el medio a
refrigerar en el foco caliente.
El fluido refrigerante se evapora a baja temperatura y, por tanto, a baja
presión, aunque usualmente superior a la atmosférica, con el objeto de
evitar la entrada de gases y/o vapor de agua en el circuito de baja presión.
El evaporador de la instalación frigorífica está ubicado entre la válvula
de expansión y la tubería de aspiración del compresor. La absorción de
calor del recinto a refrigerar y la transmisión de ese calor al fluido
refrigerante, se consigue de la forma siguiente: el fluido proveniente de
la válvula de expansión entra al evaporador a la temperatura de ebullición
correspondiente a la presión existente en el mismo, y lo hace como vapor
saturado muy húmedo (con un título de vapor muy bajo); debido a su
baja temperatura, absorbe calor a través de las paredes del evaporador,
por lo que se evapora la fracción líquida y aumenta el título del vapor
hasta el valor x = 1 (vapor saturado seco) en el momento de salida del
evaporador.
La eficacia frigorífica de la mezcla líquido-vapor depende del contenido
de líquido en la mezcla, por lo que debe tenerse interés en reducir el
valor de la relación de la mezcla admitida en el evaporador a un límite
lo más bajo posible.
Cuando el evaporador se alimente por válvula de expansión, es imposible
disponer de líquido puro en la inyección. Si queremos alimentar
absolutamente el evaporador con líquido puro, deberá disponerse en el
circuito frigorífico de un separador de líquido.
326
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
El evaporador es la parte estática de la instalación que más problemas
causa, debido a:
•
Dificultades de elección del tipo adecuado para cada instalación en
particular.
•
Determinación de su emplazamiento en las instalaciones.
•
Variación temporal del coeficiente de transmisión de calor como
consecuencia de la formación de hielo, sobre los tubos.
•
Disminución de rendimiento debido a la presencia en su interior de
aceite procedente del compresor.
2.2. Características que debe reunir un evaporador
Para obtener un buen rendimiento, es decir, para conseguir una buena
transmisión de calor en el evaporador, éste debe reunir las siguientes
condiciones:
Operativas:
•
La mayor parte de la superficie del evaporador debe estar en contacto
con vapor saturado húmedo y, si es posible, con líquido refrigerante
en ebullición, mejorando así el coeficiente de transmisión de calor.
•
La vaporización del fluido debe hacerse preferentemente por
ebullición, condición que ratifica a la anterior.
•
El vapor debe salir saturado seco hacia el compresor. En caso negativo
se colocará un separador de líquido.
•
El fluido circulará por el evaporador produciendo una pérdida de
carga mínima, pero con velocidad suficiente para originar una buena
transmisión de calor.
•
En su seno deben separarse del fluido frigorígeno todas las impurezas,
incluso el aceite de los oleosolubles.
•
Debe presentar estanqueidad y solidez respecto al refrigerante
utilizado.
Constructivas:
•
Su construcción debe ser sencilla, simple de ejecución y de modo de
operación, siendo su precio bajo.
•
Debe ser resistente a la corrosión.
Higiénicas y de mantenimiento:
•
Ser de fácil limpieza y, en su caso, de desescarche; acceso fácil para
inspección, limpieza y disponibilidad para purgar aceite, lo que
repercutirá en un bajo coste de mantenimiento.
327
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Un evaporador que reúna estas características funcionará bien siempre
que tenga una buena alimentación de fluido frigorífico. La velocidad de
alimentación depende de la velocidad de vaporización del refrigerante,
la cual aumenta con la carga térmica.
2.3. Tipos de evaporadores
Debido a las muchas y distintas aplicaciones de la refrigeración mecánica,
los evaporadores se fabrican según distintos diseños.
Se clasifican según los criterios:
•
Método de alimentación del líquido refrigerante.
•
Tipo de construcción.
•
Procedimiento de circulación del aire o líquido.
•
Aplicación.
Tipos de evaporadores según el metodo de alimentacion
del refrigerante
Según el método de alimentación del refrigerante los evaporadores se
pueden clasificar como:
•
De expansión seca.
•
Inundados.
Esta clasificación se realiza en función de si la instalación contiene un
separador de líquido o no.
Evaporador de expansión seca (sin separador de líquido).
En este tipo de evaporador, la alimentación del líquido se realiza a través
de una válvula de expansión termostática.
Evaporador de expansión seca con válvula termostática
La cantidad de líquido que entra en el evaporador está limitada a la
cantidad que puede ser completamente vaporizada durante el tiempo
en que éste recorre el evaporador, de forma que sólo llegue vapor al
tramo de aspiración. Se evita así la posible llegada de líquido al compresor,
pero no se aprovecha bien la parte final del evaporador.
328
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Para obtener una vaporización completa del refrigerante en el evaporador,
se permite un recalentamiento de 10° C al final del mismo. Esto requiere
normalmente de un 10 % a un 20 % de la superficie total del evaporador.
La cantidad de líquido en el evaporador de expansión seca varía con la
carga del evaporador. Para un evaporador de expansión seca, la relación
cantidad de líquido-superficie húmeda y por lo tanto, la eficiencia del
evaporador, aumenta cuando la carga se incrementa
Este tipo de evaporadores a pesar de tener peores rendimientos que los
de tipo inundado, son mucho más baratos y más simples en su diseño.
Presentan menos problemas de recirculación de aceite y requieren menos
carga de refrigerante, siendo los más utilizados en instalaciones frigoríficas.
Evaporador inundado (con separador de líquido).
Son evaporadores que durante el funcionamiento están llenos de líquido
casi en su totalidad. El evaporador es alimentado con una sobredosis de
líquido, del que sólo una parte (20-25%) es vaporizado cuando el
refrigerante deja los tubos. La carga térmica es abatida mediante la
evaporación de ese 20-25%, el resto de líquido refrigerante se utiliza
para mantener la superficie de los tubos húmeda, incrementando la
transferencia de calor interno, sirviendo al mismo tiempo para eliminar
el aceite.
La ebullición es provocada y sostenida por el vacío creado por la aspiración
de los vapores del evaporador por el compresor, y cesa al pararse el
compresor.
El nivel de líquido en el evaporador inundado se mantiene constante
mediante una válvula de regulación de tipo flotador.
Las formas que adoptan estos evaporadores son muy variadas, pero en
esencia están constituidos por un gran depósito, generalmente cilíndrico,
donde va alojada la válvula y el flotador. Esta válvula colocada en el lado
de baja del sistema, permite la entrada de refrigerante líquido a medida
que sea necesario, siendo controlada su acción por el nivel de líquido
en el depósito cilíndrico, que debe encontrarse en sus 4/5 partes. Los
vapores desprendidos en la evaporación llenan el espacio libre en la
parte superior del depósito.
Evaporador inundado
329
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Es evidente que un sistema seco tendrá un menor coeficiente de
transferencia de calor que un sistema inundado, que es de un gran
rendimiento, ya que al hallarse toda su superficie bañada de líquido
refrigerante, se obtiene una plena ebullición de toda la masa de forma
muy vigorosa con la consiguiente y rápida absorción, en grado máximo,
de vapor en toda la superficie del evaporador. Sin embargo la gran
cantidad de líquido necesario en los evaporadores inundados encarece
mucho este tipo de instalaciones.
Tipo de evaporadores según el tipo de construcción
Atendiendo al tipo de construcción empleada, los evaporadores se pueden
clasificar en:
•
Evaporadores de tubos lisos.
•
Evaporadores de placas.
•
Evaporadores de superficie ampliada o con aletas.
Los evaporadores donde la superficie del evaporador está más o menos
en contacto con el refrigerante que se vaporiza en el interior se clasifican
como evaporadores de superficie primaria, es el caso de los evaporadores
de tubos lisos y los evaporadores de placas. En los evaporadores con
aletas, los tubos por los que circula el refrigerante forman la superficie
primaria, mientras que las aletas que no están llenas de refrigerante son
las superficies secundarias de transferencia de calor, cuya función es la
de captar calor de los alrededores y transmitirlo hasta los tubos que
transportan el refrigerante.
Los evaporadores de tubos lisos y placas aunque dan resultados
satisfactorios en cualquier tipo de instalación, se emplean principalmente
en aquellas instalaciones en las que la temperatura se mantiene por
debajo de -1º C y es inevitable la acumulación de escarcha sobre la
superficie del evaporador.
La acumulación de hielo en la superficie primaria del evaporador no
afecta a la capacidad del equipo en la misma extensión que lo hace en
las aletas.
Tienen, además, la ventaja de que se limpian fácilmente y pueden
descongelarse con rapidez, manualmente, ya sea cepillando o raspando
la acumulación de hielo. Esta operación puede ser realizada sin interrumpir
el proceso de refrigeración y mimetizando la calidad del producto
refrigerado.
Evaporador de tubos lisos
Los evaporadores de tubos lisos se construyen generalmente en acero y
330
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
cobre. Los construidos en acero se utilizan para construir grandes
evaporadores, mientras que los de cobre se usan en instalaciones pequeñas.
Los serpentines de tubos lisos se pueden obtener en varias formas tamaños
y diseños, y generalmente se fabrican bajo pedido, para cada instalación
en particular. Formas comunes son el zig-zag u ovales.
Evaporadores de tubos lisos
Los evaporadores de este tipo se emplean para el enfriamiento de líquidos.
Evaporadores de placas
Los evaporadores de placas son de varios tipos. Algunos están construidos
con dos láminas de metal estampadas o soldadas, de forma que suministran
una trayectoria al fluido refrigerante entre ellas.
Evaporador tipo placas
Este tipo de evaporador de placas se utiliza en los frigoríficos y congeladores
domésticos, debido que se limpian fácilmente, y son de construcción
rápida y económica en cualquiera de los diseños establecidos.
Otro tipo de evaporador de placas se construye uniendo a un circuito
tubular dos placas metálicas que se sueldan. Para conseguir un mejor
contacto térmico entre las placas soldadas y el circuito tubular que
transporta el refrigerante, el espacio entre las placas se llena con una
solución eutéctica o bien se realiza el vacío de forma que la presión
atmosférica ejercida en las superficies exteriores de las placas mantenga
éstas firmemente unidas a los tubos.
Evaporadores de este tipo son utilizados en los camiones frigoríficos. En
estos tipos de evaporadores, las placas están situadas verticalmente u
horizontalmente en las paredes o en el techo del camión, conectándose
331
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
a una planta central de refrigeración mientras que los camiones están
aparcados en las terminales durante la noche.
Evaporadores con aletas
Los evaporadores con aletas son tubos lisos a los que se les han incorporado
placas metálicas o aletas. Estas aletas sirven como superficie secundaria
de absorción de calor y tienen la misión de incrementar la superficie
total del evaporador y, por tanto, su eficiencia.
Se produce un aumento de la eficiencia debido a que en los evaporadores
de tubos lisos, gran parte del aire que circula a su través pasa por los
espacios existentes entre tubo y tubo y no tiene contacto con la superficie
metálica. Cuando las aletas son añadidas a los tubos, estas aletas ocupan
el espacio existente entre los tubos y actúan como colectores de calor,
aumentando la superficie de captación de calor hacia los tubos.
Para que la captación de calor desde las aletas hacia los tubos sea efectiva,
las aletas deben estar colocadas de manera que aseguren un buen contacto
térmico entre ellas y los tubos. En algunos casos, las aletas se sueldan
directamente a la tubería, mientras que en otros se deslizan sobre el
tubo, expandiéndose luego éste por la aplicación de presión o por algún
otro medio, de manera que las aletas se incrustan en la superficie del
tubo, estableciendo un buen contacto térmico.
El tamaño y espaciado de las aletas depende en parte, del tipo particular
de aplicación para el que ha sido diseñado el evaporador.
El tamaño del tubo condiciona el de la aleta proporcionalmente, tubos
pequeños requieren aletas pequeñas y viceversa.
El espaciado entre aletas variara principalmente según la temperatura
de operación del tubo.
El espaciado de las aletas debe ser más amplio para los evaporadores con
convección natural, que para aquellas que emplean ventiladores. Un
aleteado excesivo puede reducir la capacidad del evaporador por restringir
la circulación del aire entre los tubos innecesariamente.
Los evaporadores con aletas tienen una superficie mayor por unidad de
longitud, con lo cual pueden construirse de menor tamaño .
Evaporadores con aletas
332
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Tipo de evaporadores según el procedimiento de circulacion
del aire
Según el método de circulación del aire los evaporadores se clasifican
en:
•
Evaporadores de convección natural.
•
Evaporadores de convección forzada.
Para seleccionar la velocidad de circulación del aire en el espacio
refrigerado se debe de tener en cuenta las diferentes aplicaciones
existentes.
Una corta velocidad del aire disminuye el rendimiento del evaporador,
provocando un enfriamiento lento del producto, ocasionando el desarrollo
de bacterias. En cambio una excesiva velocidad del aire causa una
deshidratación del producto.
La velocidad de circulación del aire deseada depende sobre todo de:
-
Humedad de la cámara o espacio a refrigerar.
-
Tipo de producto.
-
Período de almacenamiento.
Estos tres factores están interrelacionados. Una pobre circulación de aire
tiene el mismo efecto en el producto que una alta humedad del aire en
el recinto, mientras que una alta circulación de aire tiene el mismo efecto
que una baja humedad.
Evaporadores de convección natural
Estos evaporadores se utilizan para refrigeradores domésticos, neveras
portátiles, y almacenes frigoríficos, donde es necesaria una humedad
relativa elevada y no es necesaria la ventilación de los productos
almacenados. Sus inconvenientes son el bajo coeficiente de transmisión
de calor, la deficiente distribución de la temperatura del recinto y la
dificultad de desescarche.
Evaporador convección natural
333
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
El funcionamiento de estos evaporadores se basa en la diferencia de
densidades del aire conforme aumenta de temperatura. El aire del recinto
a enfriar al ponerse en contacto con las aletas del evaporador se enfría,
aumenta su densidad y, al ser más pesado, cae. Es reemplazado por aire
caliente que llega por la parte superior al evaporador y realiza el mismo
ciclo.
La velocidad de circulación del aire sobre los tubos del evaporador en
la convección natural es función de la diferencia de temperatura existente
entre el evaporador y la cámara.
Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor es el nivel de
circulación.
Evaporadores de convección forzada
Los evaporadores de convección forzada son básicamente tubos lisos con
aletas situados en el interior de una carcasa y equipados con uno o más
ventiladores para suministrar la circulación del aire. Los ventiladores
establecen una circulación de aire forzado, aumentando así la absorción
de calor y reduciendo, en consecuencia, la superficie del evaporador.
Evaporadores de convección forzada
Ventajas de los evaporadores de convección forzada.
•
Formas más compactas.
•
Tamaño reducido.
•
Facilidad de instalación.
•
Obtención de una temperatura más uniforme debido a la rápida
circulación de aire.
•
Regulación del grado de humedad relativa.
La caída de temperatura del aire que circula por el evaporador debe ser
la mitad de la diferencia entre la temperatura del recinto y la de
vaporización del refrigerante.
Como regla general, la velocidad del aire debe ser mantenida entre 12,5 m/s.
334
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Tipos de evaporadores según su aplicación
Según su aplicación podemos diferenciar entre enfriadores de líquidos,
de aire y de sólidos por contacto directo.
Enfriadores de líquidos.
Los enfriadores de líquidos se clasifican en:
•
Enfriador Baudelot.
•
Enfriador sumergido o de inmersión.
•
Enfriador de circuito cerrado.
Enfriador Baudelot
El enfriador Baudelot consiste en una serie de tubos horizontales, los
cuales se sitúan debajo unos de los otros y se conectan todos entre sí al
objeto de establecer el circuito por el que circulará el fluido refrigerante.
Evaporador de Baudelot
El refrigerante circulará por el interior de los tubos mientras que el
líquido a enfriar circula formando una fina película (cortina) sobre el
exterior.
El líquido fluye a través de los tubos por gravedad desde un distribuidor
localizado en la parte superior del enfriador y es recogido en un canal
situado en la parte inferior.
El hecho del que el líquido enfriado se encuentre a la presión atmosférica
y esté abierto al aire, hace ideal este evaporador para cualquier aplicación
de enfriamiento en la cual sea importante la aireación.
Con este tipo de evaporador es posible enfriar el líquido hasta una
temperatura próxima a su punto de congelación sin que haya peligro de
daños para el equipo si ocurre una congelación ocasional del producto.
335
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Enfriador sumergido o de inmersión
Este tipo de evaporador consiste en un enfriador de tubos lisos instalado
en el centro o en un lado de un gran tanque de acero, el cual contiene
el líquido a enfriar. Aunque completamente sumergido en el líquido a
enfriar, el serpentín enfriador está separado del cuerpo principal del
líquido por un deflector. Existe un agitador que es empleado para poner
en contacto el líquido a enfriar con el serpentín evaporador a una
velocidad relativamente alta de 30-45 m/min. Este tipo de serpentín
puede adoptar disintas formas: espiral, tubos lisos, etc.
Dentro de este tipo de evaporadores se encuentran los utilizados como
acumuladores de hielo.
El tanque de acumulación de hielo consiste en un evaporador de tubos
lisos o de placas sumergido en un tanque de agua. Los tubos o las placas
se separan a una distancia superior a la normal para permitir la formación
de la capa de hielo.
Enfriadores de circuito cerrado
Los enfriadores de circuito cerrado incluyen:
•
Enfriadores de doble tubo.
•
Enfriadores multitubulares: verticales y horizontales.
•
Enfriadores de doble tubo.
Los enfriadores de doble tubo consisten en dos tubos, uno montado
en el interior del otro. El fluido a enfriar circula en una dirección a
través del tubo interior mientras que el refrigerante fluye en la
dirección opuesta a través del espacio anular entre los tubos interior
y exterior, lo que proporciona un elevado coeficiente de transmisión
de calor, dependiendo éste no sólo de la velocidad de los fluidos sino
también de la diferencia media de temperatura. Se puede tomar
como valor medio de cálculo el de 500 Kcal/m2fh°C.
Las longitudes de tubo empleadas se encuentran entre 3 y 6 m,
constando cada elemento a refrigerar con 6 a 16 tubos en altura,
aislados exteriormente.
Los tubos exteriores se sueldan a colectores verticales lo que
proporciona un fácil acceso a los tubos interiores y elimina las uniones
de conductos de refrigerante.
Pueden trabajar en régimen seco e inundados.
Una de las desventajas de estos enfriadores es el gran espacio que
ocupan, sobre todo en altura. Se utilizan en aplicaciones muy
especiales, como en industrias de fermentación: vino y mosto.
336
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
En ciertas aplicaciones que requieren un coeficiente de transmisión
de calor mayor se construyen de triple tubo, circulando el refrigerante
por la sección anular media.
•
Enfriadores multitubulares
Llamados también de carcasa y tubos, existen dos grandes grupos en
función del refrigerante con el que trabajan.
1. Evaporadores multitubulares cuyo refrigerante es un HFC
Construidos en cobre con tubos aleteados laminados, el refrigerante
circula por el interior de los tubos. Son enfriadores que trabajan
en régimen seco, regulando el caudal del refrigerante mediante
válvulas termostáticas. El mantenimiento es más complicado que
los que trabajan con amoniaco, se suele realizar un tratamiento
químico.
2. Evaporadores de carcasa y tubos cuyo refrigerante es el R-717
(amoniaco).
Construidos en acero inoxidable con tubos lisos, el amoniaco
circula entre los tubos y la carcasa. Estos evaporadores trabajan
inundados, pudiendo utilizar la mitad de la carcasa como separador
de líquido. El flujo de refrigerante se regula a través de una válvula
de flotador, manteniendo el nivel de refrigerante constante, justo
por encima de la última fila de tubos. El mantenimiento es muy
sencillo, se accede muy fácilmente a los tubos eliminando las tapas
de los mismos.
Esta diferencia en su concepción se debe únicamente a las
condiciones de la distinta miscibilidad de estos fluidos con los
aceites de lubricación.
Estos evaporadores se utilizan para enfriar agua, salmuera, leche,
cerveza y otros líquidos de baja viscosidad.
Estos enfriadores son usados exclusivamente para temperaturas
de agua relativamente altas. La temperatura de evaporación debe
ser superior al punto de
congelación del agua.
La velocidad de circulación
del líquido en los tubos no
puede exceder normalmente de los 2 mIs para
evitar problemas de pérdidas
de presión y de corrosión.
Enfriador multitubular
337
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Enfriadores de aire
El enfriamiento del aire de los locales, es idéntico en su principio, al de
los líquidos, debiendo tenerse en cuenta las tres diferencias siguientes:
•
El coeficiente de transmisión entre el aire y la superficie fría es mucho
más bajo que su homólogo en el caso de enfriamiento de líquido.
•
Al igual que en los evaporadores enfriadores de líquidos, la velocidad
de circulación del fluido a enfriar es un factor primordial para
aumentar el valor del coeficiente global de transmisión térmica.
•
El aire a enfriar será el de una cámara fría en la que se desean
conservar alimentos perecederos, o el que, después de tratado, se
descargan en los locales climatizados.
Aunque el enfriamiento del aire se puede realizar tanto por convección
natural como por forzada, ya se ha indicado anteriormente que el segundo
tipo es el más utilizado por las ventajas que presenta.
Dentro de los enfriadores de aire se diferencian dos grupos principales:
•
Secos.
•
Húmedos.
•
Enfriadores de aire secos
Los enfriadores secos son aquéllos en los que el aire y el fluido
frigorígeno intercambian calor de forma indirecta (existe una pared
metálica de separación).
Dentro de este tipo están:
-
Baterías de convección forzada.
-
Radiadores.
Las baterías de convección forzada consisten en una carcasa
metálica con una serie de tubos con aletas, que normalmente
lleva ventiladores. Las bocas de salida del aire se colocan en la
cámara frigorífica. En la parte superior suelen llevar una boca de
aspiración de aire y en la inferior un dispositivo para recoger el
agua de desescarche. En estos tipos de enfriadores de aire, el
coeficiente global de transferencia de calor, K, está comprendido
entre 12-15 w/m2 °C.
Los radiadores consisten en una batería de tubos lisos o con aletas,
dentro de los cuales se vaporiza el fluido frigorígeno y que se
encuentran dispuestos en un espacio cerrado fuera del recinto
frigorífico a enfriar. Un ventilador establece la circulación del
338
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
aire sobre los tubos y dentro de la cámara. El conjunto bateríaventiladores se encuentra encerrado dentro de una carcasa
correctamente aislada. Se emplean en cámaras frigoríficas con
temperaturas negativas. Valor del coeficiente global de transferencia
de calor, K entre 5-10 w/m2°C.
Enfriador de aire húmedo
•
Enfriadores de aire húmedos
Los enfriadores de aire húmedos son enfriadores de aire en los cuales
el aire está en contacto con el fluido refrigerante, normalmente agua.
En el pasado, se utilizaron como refrigerantes las salmueras, hoy día
el medio más popular es el agua. Por esta razón, el uso de este tipo
de enfriador está restringido a cámaras con temperatura positiva.
El funcionamiento es el siguiente: el agua fría es pulverizada por
medio de un tubo rociador sobre la masa de aire y los ventiladores
mueven el aire en contracorriente a través de la masa húmeda,
enfriando la masa de aire. Funcionamiento inverso al de las torres
de refrigeración donde la corriente de aire provoca el enfriamiento
del agua.
Problemas que conlleva el uso de enfriadores de aire húmedo:
-
Necesitan un espacio considerable.
-
Son caros en cuanto a su coste de compra y requieren alta inversión
y mantenimiento contra la corrosión.
-
Muestran un consumo energético superior al de los evaporadores
secos debido a la utilización de bombas para la impulsión del
agua.
Ventajas del uso de enfriadores de aire húmedo.
-
La humedad relativa obtenida en el recinto es más alta debido a
que el aire está en contacto con el agua. El aire deja el enfriador
con una humedad relativa en torno al 100 %.
-
Es posible utilizar grandes volúmenes de aire sin que el producto
339
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
sufra proceso de secado alguno ya que es el agua y no el producto
quien suministra la humedad al aire.
-
Es posible variar los volúmenes de aire sin que se produzcan
cambios en las condiciones de dicho aire.
-
Dado que no se va a producir escarcha no es necesario el
desescarche de estos enfriadores.
2.4. Sistemas directos e indirectos de enfriamiento
Cualquier superficie de transferencia de calor en la cual se expande y
revaporiza un líquido volátil (refrigerante) con el objeto de producir un
efecto de enfriamiento se llama evaporador de “expansión directa” y al
líquido que se evapora se le llama “refrigerante de expansión directa”.
Un sistema de refrigeración de expansión directa es aquél en el cual el
evaporador del sistema, utilizando un refrigerante de expansión directa,
se encuentra en contacto directo con el espacio o material que va a ser
enfriado.
En determinados casos, el enfriamiento no se obtiene por la expansión
directa del refrigerante evaporado, empleándose para dichos casos un
sistema de enfriamiento indirecto.
Agua, salmuera o algún otro líquido adecuado son enfriados por un
refrigerante de expansión directa en un enfriador de líquido y
posteriormente bombeados a través de tuberías hasta el recinto a enfriar.
El líquido enfriado es denominado “refrigerante secundario”.
El refrigerante secundario puede ser puesto en contacto directo con el
producto a refrigerar o bien puede pasar a través de un enfriador de aire
o cualquier otro tipo de superficie de intercambio de calor. El refrigerante
secundario, caliente tras enfriar el producto o recinto, es recirculado y
enfriado de nuevo en el enfriador de líquido bombeándose a continuación.
Los sistemas indirectos de enfriamiento se utilizan en instalaciones donde
existe una gran distancia entre el equipo condensador y la zona a enfriar,
debido a que se necesita un gran volumen de refrigerante primario, y
las tuberías son mas caras de instalar, teniendo posteriormente mayores
problemas de pérdidas de cargas.
También son ventajosos los sistemas de expansión indirecta en instalaciones
en las que las fugas de refrigerante y/o aceite en las tuberías pueden
causar contaminaciones o daños en el producto almacenado.
De todas formas, las fugas son siempre más importantes y problemáticas
en tuberías que transportan refrigerantes primarios que en circuitos
hidráulicos o que contienen salmuera.
340
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
El refrigerante secundario más utilizado es el agua, debido a su fluidez,
alto calor específico, alto coeficiente de conductividad, por ser barata y
relativamente no corrosiva, pero cuando la temperatura de trabajo es
inferior a 0ºC deben utilizarse otros refrigerantes que no congelen.
Otro refrigerante secundario es la salmuera, utilizada cuando la
temperatura de trabajo es inferior al punto de congelación del agua.
La salmuera es el nombre que se la da a la solución resultante de la
disolución de diversas sales en agua. Cuando una sal es disuelta en agua,
la temperatura de congelación de la salmuera resultante será inferior a
la temperatura de congelación del agua pura.
Existe una concentración de sal en el agua que produce que la salmuera
tenga el punto de congelación más bajo posible para esa sal en particular,
si la concentración de sal varía aumentando o disminuyendo, la
temperatura de congelación de la disolución aumenta. La solución a la
concentración crítica es denominada solución eutéctica.
Los dos tipos de salmuera que se utilizan en refrigeración son:
•
La salmuera de cloruro cálcico.
•
La salmuera de cloruro sódico.
Además del agua y la salmuera, se utilizan como refrigerantes secundarios
soluciones anticongelantes como el etilenglicol, el propilenglicol, el
metanol y la glicerina.
A diferencia de las salmueras, las soluciones glicoladas no son corrosivas,
siendo compuestos extremadamente estables; además, los glicoles no
sufren vaporización alguna en condiciones normales de operación, por
lo que las soluciones glicoladas están reemplazando a las salmueras en
un número importante de instalaciones.
2.5. Parámetros característicos
Capacidad frigorífica del evaporador (coeficiente global
de transmisión)
La capacidad frigorífica de un evaporador es la cantidad de calor que
fluye a través de su superficie de intercambio procedente del recinto o
producto a refrigerar, y que se invierte fundamentalmente en la
vaporización del líquido refrigerante.
Un evaporador seleccionado para una aplicación específica cualquiera
debe tener siempre capacidad frigorífica suficiente para permitir que el
refrigerante, al vaporizarse, absorba calor con la rapidez necesaria para
341
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
llevar a cabo el enfriamiento requerido cuando opera a las condiciones
de diseño.
La capacidad frigorífica del evaporador está determinada por los mismos
factores que rigen el flujo de calor a través de cualquier superficie de
transferencia de calor y está expresada por la ecuación:
donde:
•
Q: Cantidad de calor transferido, en W.
•
K: Coeficiente global de transmisión de calor, en W/m 2 °C.
•
A: Superficie de intercambio, en m2.
•
:Diferencia de temperatura media logarítmica, en °C, entre la
temperatura del recinto o producto a enfriar y la temperatura de
vaporización del refrigerante.
La capacidad frigorífica de un evaporador depende por lo tanto, de los
siguientes factores:
•
Coeficiente global de transmisión de calor, que variará a su vez con
el tipo de evaporador utilizado, sistema de válvula de expansión,
velocidad de alimentación, velocidad de movimiento del medio que
rodea al evaporador, formación de hielo en su superficie, exceso de
aceite, etc.
•
Superficie del evaporador (tanto primaria como secundaria).
•
Diferencia de temperatura media logarítmica.
Coeficiente global de transmisión
En el intercambio térmico entre dos fluidos que circulan a uno y otro
lado de una pared, la resistencia global al paso del fluido térmico es igual
a la suma de las resistencias parciales ofrecidas por los elementos
constitutivos de la pared, por lo que tendremos:
El coeficiente global de transmisión de calor K es la inversa de R:
El coeficiente global de transmisión térmica K de un evaporador nos
indica la cantidad de calor expresada en Watios que el evaporador puede
absorber por metro cuadrado de superficie y por grado de diferencia
entre la temperatura de vaporización del refrigerante, y la temperatura
del medio a enfriar.
342
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Cuanto mejor coeficiente global de transmisión térmica dispone el
evaporador, menor diferencia de temperatura entre el recinto a enfriar
y el refrigerante se necesita para conseguir el flujo calorífico que demanda
la instalación, se puede utilizar un refrigerante cuya temperatura de
vaporización se encuentre más cercana a la temperatura del local a
enfriar.
Considerando la sección de un tubo de evaporador tenemos, cualquiera
que sea la posición de dicha sección:
•
El refrigerante en el interior del tubo, bajo la forma de mezcla líquidovapor en proporción variable, pero con temperatura constante Tr,
(temperatura de evaporación) circulando a una velocidad Vr (m/s).
•
En el exterior del tubo, el medio que ha de enfriarse, en las mismas
condiciones de funcionamiento, circulando a una velocidad Vm
(m/s) y se encuentra a la temperatura Tm (los dos fluidos circulan,
generalmente, a contracorriente).
•
Separando las dos corrientes de fluido, tenemos la pared del tubo,
una pared metálica de espesor e (mm) bañada en sus dos caras por
los fluidos que se hallan en circulación y cuyas temperaturas respectivas
son Tr, y Tm. En todos los puntos del evaporador la temperatura de
evaporación del refrigerante Tr, es inferior a la temperatura del medio
a enfriar Tm.
El intercambio de calor a través de las paredes del tubo se realiza:
•
Por convección del fluido frigorígeno en la superficie interna del
tubo.
•
Por conducción a través de la pared metálica del tubo.
•
Por convección de la superficie exterior del tubo al medio a enfriar.
En la realidad, las condiciones de funcionamiento hacen que esto no
sea completamente cierto. La pared interior de los tubos se hallará
recubierta de una película de aceite, a pesar de que se instalen separadores
de aceite en la descarga del compresor. La pared exterior en el caso de
los evaporadores enfriadores de aire, cuando la temperatura de dicha
pared exterior deba hallarse por debajo de los 0°C observaremos una
capa de escarcha.
343
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
La pared metálica que nos encontrábamos antes se ha convertido en una
pared compuesta por tres capas, donde el flujo calorífico es función del
espesor y conductividad térmica de cada capa.
Ahora el intercambio térmico se produce:
•
Por convección del fluido frigorígeno en la superficie de la película
de aceite que recubre la pared interna del tubo;
•
Por conducción entre las distintas capas superpuestas: aceite-espesor
del tubo-escarcha (eventualmente);
•
Por convección de la superficie externa del tubo hacia el líquido, o
de la escarcha hacia el aire que ha de enfriarse.
La conductividad térmica del aceite y de la escarcha son menores que
la de los metales, por tanto interesa buscar métodos que permitan su
eliminación de la manera más eficaz.
El coeficiente global de transmisión térmica en estas condiciones se
calcula de la siguiente forma:
Partiendo de las dos ecuaciones anteriores y sabiendo que:
: coeficiente de convección del refrigerante, expresado en W/m2 ºC
: coeficiente de convección del medio a enfriar expresado en W/m2
ºC
: espesor de la película de aceite, expresado en metros.
: espesor del tubo que constituye el evaporador, expresado en metros
: espesor de la escarcha eventual, expresado en metros.
: coeficientes de conductividad térmica de los elementos
correspondientes, expresado en W/m ºC
para el caso de un evaporador recubierto de escarcha (enfriamiento de
344
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
aire) y sin el término de la resistencia parcial de la escarcha
caso de un evaporador enfriador de líquido.
en el
Varía en función del tipo de evaporador y será una de las magnitudes
características que nos permitirán calcular la superficie que debe darse
a un determinado evaporador para evacuar la producción frigorífica
deseada.
Salto térmico en el evaporador
Existen varias definiciones de salto térmico en un evaporador.
Dependiendo del salto térmico seleccionado puede ocurrir que la
superficie obtenida para diseñar el evaporador sea insuficiente ya que
se ha seleccionado un salto térmico superior al real. Es muy importante
este dato a la hora de seleccionar o diseñar un evaporador.
La existencia de varias definiciones se debe a que ni la temperatura de
fluido a enfriar, ni la temperatura de ebullición del refrigerante
permanecen constantes mientras los dos fluidos atraviesan el evaporador.
La temperatura del fluido a enfriar disminuye de forma progresiva a
medida que éste pasa a través del evaporador, además la caída de
temperatura no es lineal, sino que es mayor al cruzar la primera hilera
del serpentín y disminuye a medida que éste pasa por las demás hileras.
Esto es debido a que el salto térmico sigue esa evolución en el transcurso
del evaporador. La caída de temperatura se ve mejor representada por
una curva. El punto medio de la curva expresa la temperatura media
real del aire.
La temperatura real de evaporación es la temperatura a la cual la
evaporación tiene lugar en el evaporador, pero esta temperatura no es
constante. En el distribuidor de la válvula de expansión y en la propia
válvula hay una caída de presión e incluso esta caída de presión es mucho
más importante en los tubos del evaporador. Como la presión varía, la
temperatura de evaporación también varía. Sin embargo, no se pueden
realizar cálculos en base a una temperatura que está continuamente
variando, por lo tanto la definición de temperatura de evaporación es
la temperatura de saturación del refrigerante a la presión que haya a la
salida del evaporador.
Se define la diferencia de temperatura media logarítmica como:
345
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
y la diferencia de temperatura media aritmética:
donde:
: temperatura del aire a la entrada del evaporador.
: temperatura del aire a la salida del evaporador.
: temperatura de evaporación.
Existe también otra definición de salto térmico que se utiliza:
A DT también se le llama diferencia de temperatura en el evaporador.
Ejemplo:
Vamos a calcular el salto térmico en un evaporador utilizando las distintas
definiciones que existen para ello:
Los datos de partida son:
= -19 ºC
= -22 ºC
= -26 ºC
Diferencia de temperatura media logarítmica:
Diferencia de temperatura media aritmética:
Diferencia de temperatura en el evaporador:
De todos los saltos térmicos anteriormente definidos, el que mejor
representa la evolución de las temperaturas de los dos fluidos a lo largo
del evaporador es la diferencia de temperatura media logarítmica.
Diferencia de temperatura en el evaporador
Como hemos indicado antes, la DT se define como la diferencia de
temperatura entre la temperatura del aire que entra al evaporador y la
346
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
temperatura de saturación del refrigerante correspondiente a la presión
de salida del evaporador. Suponiendo todos los demás factores constantes,
un aumento de la DT produce un aumento en el salto térmico del
, es decir la DT afecta a la capacidad del evaporador.
evaporador
Para una superficie dada de evaporador, si se quiere aumentar la capacidad
de enfriamiento se debe aumentar el valor de DT, y cuando sea posible,
la velocidad a través del evaporador.
Además de la influencia que tiene la DT sobre la capacidad del evaporador,
la DT es el factor más influyente sobre el grado de humedad relativa del
espacio a refrigerar:
Mientras menor sea el salto térmico entre la temperatura del evaporador
y la de la cámara, mayor será la humedad relativa que habrá en el espacio.
Recíprocamente, mientras mayor sea la DT, menor será la humedad
relativa en el espacio.
En las cámaras frigoríficas, la humedad relativa existente en ellas es un
factor muy importante a la hora de conservar el producto en buenas
condiciones, una humedad relativa baja deshidrata el producto y le hace
perder peso, mientras que una humedad relativa alta favorece el desarrollo
de microorganismos sobre los productos.
Es importantísimo buscar un equilibrio sobre la humedad relativa de la
cámara que reduzca los dos inconvenientes anteriores.
Antes de seleccionar un evaporador hay que determinar primero la DT
a que se quiere que funcione, y una vez conocida se elige el evaporador
con suficiente superficie.
Área del evaporador (ventaja de las aletas)
La ecuación,
, indica que la capacidad de un evaporador
varia directamente con la superficie exterior, siempre que el coeficiente
global de transmisión de calor K, y el salto térmico del evaporador
permanecen constantes. Lo que ocurre es que muchas veces la variación
en la superficie del evaporador provoca cambios en los valores de K y de
. Esto provoca que, al contrario de lo que indica la ecuación, la
capacidad refrigerante del evaporador no varía en proporción directa
a la variación de la superficie.
Estos cambios en los otros parámetros de la ecuación al variar la superficie
dependen de cómo se amplíe la superficie del evaporador.
Si la superficie se amplia aumentando el número de hileras en
profundidad, la capacidad frigorífica del evaporador no aumenta en
347
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
proporción lineal a la superficie ampliada, ya que el
disminuye
puesto que la caída de temperatura disminuye a medida que el aire pasa
sobre cada hilera sucesiva. Esto es debido a la diferencia de temperatura
entre el refrigerante y el aire. Se ha ampliado la superficie del evaporador
pero no se ha ampliado la sección transversal de paso del aire a través
del evaporador. En cambio, si la superficie se amplia aumentando el
número de hileras, pero manteniendo la profundidad y ampliando la
sección transversal de paso del aire a través del evaporador, entonces el
aumento de capacidad frigorífica del evaporador es la deseada.
Aumento de hileras
Por lo tanto, para la misma área total, un evaporador plano y largo se
comportará más eficientemente que uno estrecho y con mayor número
de hileras en profundidad. Sin embargo, en ocasiones el espacio físico
disponible es un factor limitante y debe utilizarse este segundo tipo de
evaporador.
Aumentando la velocidad de paso del aire sobre los serpentines, aumenta
el coeficiente global de transmisión de calor K, con lo cual puede ser
una manera de compensar la disminución de capacidad por la disminución
, al ampliar la superficie del evaporador aumentando la profundidad
de
de las hileras.
Una de las maneras de aumentar la superficie de intercambio térmico
es añadir aletas a las superficies primarias que conforman los evaporadores.
El objetivo de añadir aletas a una superficie es el de aumentar la superficie
disponible para la transmisión de calor por convección al fluido envolvente.
Sin embargo, la utilización de superficies adicionales rebaja la temperatura
superficial media por debajo del valor, que tendría si no se montasen
aletas. Si el efecto del aumento del área superficial es mayor que el de
la disminución de la temperatura superficial media, las aletas provocarán
un aumento en la capacidad frigorífica del evaporador.
Las aletas actúan unidas a las superficies primarias que conforman el
evaporador intentando obtener el mayor contacto térmico posible.
Se define como eficacia o efectividad de una aleta la relación entre el
calor transmitido por ella y el que transmitiría si la superficie de la aleta
se mantuviese a la misma temperatura que la superficie primaria, de esta
348
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
forma se relaciona la capacidad calorífica de una superficie ampliada
con aletas con la de la superficie primaria desprovista de aleta.
La eficacia de una aleta es función e sus dimensiones y la conductividad
del material del que esta hecha, para aletas de cobre y aluminio la eficacia
esta alrededor de 0,90-0,95.
El espaciado entre aletas depende principalmente de la temperatura de
operación. Si existe acumulación de hielo, en los tubos con aletas se
produce una disminución en el paso del aire entre aletas.
Los evaporadores con aletas diseñados para trabajar a bajas temperaturas
deben de tener un amplio espaciado entre aletas para minimizar los
efectos del hielo. Normalmente el espaciado en estos evaporadores varia
entre 6,5 y 8 mm, en cambio en evaporadores donde el problema del
hielo no existe, el espaciado puede estar entre 1,5 y 2 mm.
2.6. Posición de los ventiladores
En los evaporadores de convección forzada tenemos la posibilidad de
colocar el ventilador delante o detrás de la batería de enfriamiento.
Si la posición del ventilador es anterior a la batería de enfriamiento,
pasando antes el flujo de aire por el ventilador y posteriormente por la
batería, la capacidad de enfriamiento es mayor que si colocamos el
ventilador detrás de la batería, ya que el valor de DT es superior en el
primer caso, puesto que la temperatura de entrada de aire en la batería
es superior al absorber el calor del motor del ventilador.
Como anteriormente hemos indicado, para una misma superficie de
evaporador, si se aumenta el valor de DT, aumenta la capacidad de
.
enfriamiento del evaporador, ya que aumenta
2.7. Escarche y desescarche de los evaporadores
El aire atmosférico es una mezcla de gases que contiene, especialmente,
vapor de agua en suspensión, este vapor de agua tiende a depositarse
sobre las superficies refrigerantes cuya temperatura es inferior a la de
la cámara y, en la mayor parte de los casos, por debajo de 0°C.
Dicho vapor de agua se deposita, entonces, en forma de escarcha. La
formación de escarcha es prácticamente ilimitada en cuanto al tiempo,
debido a las infiltraciones de vapor de agua a través de paredes y puertas,
por no ser totalmente estancas, y por las aperturas que se producen por
causas del servicio. Otra fuente de humedad que provoca la formación
de escarcha es la humedad que despiden los productos almacenados en
las cámaras frigoríficas.
349
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Intuitivamente, si permanece constante la temperatura media de la
cámara, aumentará la formación de escarcha cuanto más baja sea la
temperatura de las superficies refrigerantes, es decir la temperatura de
las baterías del evaporador.
La temperatura de la superficie de las baterías es más baja cuanto más
baja es la temperatura de evaporación del refrigerante.
Esto nos lleva de vuelta al concepto de la diferencia de temperatura en
el evaporador, DT, anteriormente definido. Si la temperatura de la cámara
permanece constante, y la temperatura de evaporación del refrigerante
disminuye, eso provoca un aumento en la DT. Esto nos indica que un
aumento en la DT provoca un aumento en la formación de escarcha. Si
tenemos en cuenta que la mayor parte de ese vapor de agua depositado
sobre las superficies de las baterías proviene de la evaporación superficial
de los productos almacenados, llegamos a la misma conclusión que
cuando tratábamos el concepto de DT:
Un aumento en la DT produce una deshidratación de los productos
almacenados, reduciendo la humedad relativa de la cámara, por un
aumento en la formación de escarcha sobre la superficie de las baterías.
Para el cálculo de la superficie de un evaporador, antes deberemos fijar
el valor de la DT, teniendo bien en cuenta el valor del grado de humedad
deseado.
Otro factor importante en la valoración del grado hidrométrico, es la
velocidad en la circulación del aire alrededor de los productos
almacenados. Una velocidad elevada motiva renovaciones rápidas de la
capa de aire saturado que se encuentra en contacto con los productos
provocando una evaporación más intensa, con la consiguiente y más
importante deshidratación de aquéllos.
Consecuencias de la escarcha:
•
Efecto aislante que provoca una disminución del coeficiente de
película exterior, con la consiguiente disminución de la producción
frigorífica de la máquina, aumentando el tiempo de funcionamiento
de la máquina.
•
Reducción del volumen efectivo de aire libre a través de los tubos y
de las aletas dado que la caída de presión del aire aumenta y el flujo
del mismo disminuye.
350
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Variación del contenido de humedad adecuado para la correcta
conservación del género.
Debido a estas razones, el consumo de energía eléctrica de la planta
aumentará al incrementarse el tiempo de funcionamiento del equipo
siendo necesaria la realización de un desescarche de forma regular.
Inconvenientes del proceso de desescarche:
•
Se produce una perturbación de la temperatura y de la humedad del
almacén frigorífico sino por la adición de calor y humedad, por la
interrupción del ciclo de enfriamiento.
•
Se tiene energía de desescarche desperdiciada dentro del almacén
frigorífico.
•
Los ventiladores requieren un período de retraso antes de entrar en
funcionamiento, de otra forma ellos distribuirán el exceso de humedad
en el recinto.
•
El calor expande el aire en el almacén frigorífico de tal forma que
se produce una presión contra las paredes y el techo.
La determinación de la duración y frecuencia de desescarche es muy
difícil, depende del tipo de evaporador, de la naturaleza de la instalación
y del procedimiento utilizado para ello.
En función de cómo se proceda para obtener la fusión de la escarcha,
podemos clasificar los sistemas de desescarche en dos grandes grupos:
•
•
Los procedimientos de tipo externo en los cuales la fusión de la
escarcha es obtenida a partir de la capa periférica; dicha fusión debe
ser total.
-
Desescarche manual (por raspado o cepillado).
-
Desescarche por paro de la máquina y calentamiento natural de
los evaporadores.
-
Desescarche por paro de la máquina y circulación de aire forzado
sobre el evaporador.
-
Desescarche por aspersión o pulverización de agua, salmuera o
anticongelantes.
Los procedimientos internos, más modernos y más rápidos, en los
cuales la fusión de la escarcha se obtiene a partir de la capa interior
que se halla en contacto con los tubos del evaporador sin necesidad
de una fusión total, ya que la escarcha se rompe al faltarle soporte
sobre los tubos.
-
Desescarche por calentamiento eléctrico del evaporador.
351
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
-
Desescarche por gases calientes.
-
Desescarche por inversión de ciclo.
Procedimientos externos: procedimientos lentos ya que los
desescarches son poco frecuentes.
-
Desescarche manual:
Los procedimientos de desescarche por raspado, cepillado o
picado de la escarcha se han abandonado debido a la importante
mano de obra que requerían y, asimismo, a que sólo podían
aplicarse a los evaporadores de tubos lisos.
-
Desescarche por paro de la máquina y calentamiento natural de
los evaporadores:
Este sistema sólo puede emplearse si la temperatura de la cámara
es superior a cero grados. Es un procedimiento largo debido a la
poca capacidad calorífica del aire y a la masa térmica importante
que representa la escarcha, el evaporador y el fluido contenido
en el mismo. Requiere el paro de la máquina pero puede
automatizarse fácilmente.
-
Desescarche por paro de la máquina y circulación de aire forzado
sobre el evaporador:
También es un sistema para cámaras donde la temperatura es
superior a cero grados. Este procedimiento es similar al
anteriormente descrito, aunque la fusión de la escarcha se acelera
por medio de la circulación de aire sobre el elemento del
evaporador durante el período de parada de la máquina. El
sistema puede automatizarse con facilidad quedando sujeta la
puesta en marcha de la máquina a la fusión total de la escarcha.
-
Desescarche por aspersión de agua, salmuera o soluciones
anticongelantes:
Para recintos frigoríficos de temperatura muy próxima a 0°C, el
desescarche puede hacerse atomizando agua sobre la superficie
de los serpentines del evaporador, pero si la temperatura es inferior
a -2°C, se ha de utilizar salmuera o solución anticongelante en
lugar de agua.
El sistema de desescarche por pulverización de agua es
posiblemente el más sencillo de todos los empleados. Una lluvia
de agua a presión sobre las capas de hielo acumuladas sobre el
evaporador, funde el hielo y limpia el evaporador, preparándolo
para el siguiente ciclo de operación. Las baterías de pulverización
de agua se colocan siempre encima del elemento evaporador.
352
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Es preciso controlar el funcionamiento del ventilador para asegurar
que no funcionará desde unos minutos antes de la inyección de
agua, hasta unos minutos después de interrumpida ésta, a fin de
evitar la proyección de agua fuera del evaporador.
El desescarche por este procedimiento dura aproximadamente
4-5 minutos. Es necesario que se regule la operación de
desescarchado de forma que la máquina no pueda ponerse
nuevamente en marcha hasta que haya goteado totalmente el
evaporador y, además, en el caso de las cámaras de congelación,
deberá preverse un dispositivo que asegure el vaciado del agua
que quede retenida en la batería de pulverización, a fin de evitar
su congelación durante el período de marcha de la máquina.
•
Procedimientos internos: más rápidos y modernos que los externos,
no requieren la fusión total de la escarcha acumulada en el interior.
La fusión de la misma se obtiene desde el interior y la capa de escarcha
se fragmenta antes de la fusión total por la falta de soporte sobre el
evaporador.
La caída de grandes fragmentos de escarcha sobre la bandeja de
desagüe implica, por el contrario, la necesidad de calentar dicha
bandeja a fin de activar su fusión.
Fácilmente convertibles en automáticos, estos procedimientos se
emplean cada día más para el desescarche de los evaporadores en las
cámaras de temperatura negativa y, asimismo, en los evaporadores
de las vitrinas de exposición y venta de productos congelados.
-
Desescarche por calentamiento eléctrico del evaporador.
Es un sistema cómodo, fácil de instalar y relativamente sencillo
de regular y controlar, por lo que puede decirse que es el más
generalizado. Es un procedimiento muy utilizado para el
desescarche de evaporadores de tubos aleteados. Además, cuando
se utiliza este sistema suele calentarse eléctricamente también la
bandeja del evaporador y el tubo de drenaje para evitar una nueva
congelación del hielo fundido.
La fusión de la escarcha se obtiene por el calentamiento directo
de las aletas del evaporador, por medio de resistencias bajo tubo,
de fácil recambio, que se adapta en las aletas. En el ciclo de
desescarche, las aletas se calientan por la acción de las resistencias
transmitiendo por conducción a los tubos del evaporador la
energía calorífica cedida por aquéllas, a través de los cuellos de
contacto de las aletas.
La escarcha, que se funde a su contacto con las aletas y los tubos
calientes, se desprende en forma de placas y partículas circulares
353
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
que terminan de fundirse en la bandeja de desagüe colocada en
la parte inferior del evaporador.
El ciclo de desescarche se inicia cerrando la válvula de solenoide
en la tubería de líquido y parando el ventilador del evaporador.
Esto provoca que la presión descienda rápidamente, y que el
compresor gobernado por el presostato de baja pare. A
continuación, se activa el circuito de las resistencias, las cuales
van a fundir el hielo durante su trabajo. Alcanzada la temperatura
en el evaporador, con lo que se tiene la certeza de que no hay
escarcha sobre el mismo, es importante que las resistencias queden
nuevamente fuera de servicio. Según el control utilizado puede
proseguir el ciclo con un período de paro total, para facilitar el
drenaje del agua de deshielo, entrando seguidamente en servicio
la válvula solenoide y el ventilador, poniéndose posteriormente
en marcha el compresor y quedando la instalación en régimen
normal.
Este procedimiento se emplea mucho en las cámaras de
temperatura negativa que no requieran superficies de intercambio
muy grandes.
-
Desescarche por gases calientes:
Este sistema presenta distintas variantes, teniendo todas en común,
el utilizar como fuente de calor el gas caliente descargado por el
compresor, para conseguir el desescarche del evaporador.
Dicho dispositivo, además de los elementos convencionales de
una instalación frigorífica, debe incluir:
-
Una tubería de gases calientes (1) que une la descarga del
compresor a la entrada del evaporador después de la válvula
de expansión.
-
Una válvula de retención (2) que evita toda alimentación
imprevista de líquido al evaporador, durante el desescarche,
por vaciado del condensador.
Esquema equipo con desescarche gas caliente
354
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
-
Una válvula solenoide (4) intercalada en la tubería de líquido,
antes de la válvula de expansión, que interrumpe la
alimentación del evaporador por medio de dicha válvula de
expansión durante el período de desescarche.
-
Una válvula solenoide (3) que cierra la tubería de gases
calientes durante los períodos de marcha normal.
Una tubería de derivación, equipada con una válvula de solenoide
(3), se instala entre la descarga del compresor y el evaporador.
Cuando la válvula de solenoide abre, el gas caliente de la descarga
del compresor deriva del condensador y entra en el evaporador
en un punto situado inmediatamente delante del sistema de
control de refrigerante. El desescarche se consigue conforme el
gas caliente cede su calor al evaporador frío, provocando la
condensación del refrigerante. Parte del refrigerante condensado
permanece en el evaporador, mientras que el resto regresa al
compresor donde es evaporado por el calor del compresor, siendo
recirculado al evaporador.
Uno de los inconvenientes de este sistema es que, a medida que
se produce el desescarche, se acumula líquido en el evaporador
y vuelve poco refrigerante al compresor para su recirculación. De
esta forma, el sistema tiende a agotar el vapor antes de que el
evaporador esté completamente desescarchado. Otra desventaja
más seria de este método es la posibilidad de que retorne una
cantidad considerable de refrigerante líquido al compresor y
provoque su deterioro. Estos problemas pueden solucionarse
intercalando algún dispositivo para reevaporar el líquido que se
condense en el evaporador antes de que regrese al compresor. El
método particular que se utilice para reevaporar el líquido es el
factor principal que diferencia un sistema de desescarche por gas
caliente, de otro.
Un método común de desescarche por gas caliente es el de
emplear un serpentín evaporador suplementario en la línea de
aspiración para reevaporar el líquido. Durante el ciclo de
funcionamiento normal, la válvula de solenoide en la línea de
aspiración está abierta y el vapor procedente del evaporador deriva
del serpentín reevaporador para evitar una pérdida excesiva de
presión en la línea de aspiración. A intervalos regulares (3 a 6
horas) el control de tiempo de desescarche inicia el ciclo de
descongelación, abriendo la válvula de solenoide en la línea de
gas caliente y cerrando la de la línea de derivación de aspiracion.
Al mismo tiempo, se paran los ventiladores del evaporador y
arranca el del reevaporador. El líquido condensado en el
evaporador, es reevaporado nuevamente en el serpentín del
355
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
reevaporador y regresa como vapor al compresor, en donde es
comprimido y circulado nuevamente al evaporador. Cuando se
ha terminado la descongelación, puede cerrarse el ciclo por medio
de un control de tiempo o por un control de temperatura en el
evaporador. En cualquier caso, el sistema vuelve a ponerse en
operación cerrando la solenoide de gas caliente, abriendo la de
la aspiración, parando el ventilador del reevaporador y arrancando
los ventiladores del evaporador.
Esquema equipo con desescarche gas caliente
Cuando dos o más evaporadores se conectan a un condensador
común se han de desescarchar por separado, según este sistema.
En este caso, el evaporador en operación puede servir como
reevaporador del refrigerante condensado formado en el
evaporador que se está desescarchando.
-
Desescarche por inversión del ciclo:
Este sistema es el más eficaz de todos los dispositivos de desescarche
por gases calientes, ya que en este sistema la condensación de los
gases es total en el evaporador, y el líquido formado se reevapora
en el condensador. Durante el período de desescarche se produce
la inversión de los procesos normales del condensador y del
evaporador, de donde proviene la denominación de desescarche
por inversión de ciclo o desescarche por inversión de marcha.
La gran eficacia del sistema procede de que se disipa en el
evaporador, que se halla bajo el ciclo de desescarche, toda la
potencia calorífica de la máquina y, generalmente, a una
temperatura de evaporación superior a la de su marcha normal.
Se puede obtener esta inversión del ciclo funcional utilizando un
dispositivo especial llamado válvula de inversión.
356
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
3. CONDENSADORES
3.1. Condensadores. Definición, función y características
El condensador es el componente del equipo frigorífico encargado de
licuar los vapores de refrigerante, a alta presión, procedente del compresor;
su fin esencial consiste en el traspaso del flujo calorífico del fluido
frigorígeno al medio ambiente.
El medio de condensación ha de ser capaz de tomar del gas refrigerante
todo el calor que contiene, que es igual a la suma de calor absorbido en
el evaporador y el correspondiente al trabajo mecánico de compresión.
El condensador es, en suma, un intercambiador de calor.
Se pueden distinguir tres zonas dentro del condensador:
•
Zona de enfriamiento: enfriamiento de los vapores desde la
temperatura del vapor recalentado hasta la temperatura de
condensación (eliminación de calor sensible).
Esta fase es muy rápida debido a la gran diferencia de temperatura
que existe y se efectúa generalmente en la primera cuarta parte del
condensador.
•
Zona de condensación: cesión de calor latente de condensación a
temperatura constante.
Esta cesión de calor es muy lenta y necesita las dos cuartas partes
siguientes del condensador. Para que esta cesión se realice es necesario
un salto de temperaturas importante entre el fluido y el medio de
condensación.
•
Zona de subenfriamiento: enfriamiento del líquido desde su
temperatura de condensación hasta la temperatura deseada (líquido
subenfriado).
Este enfriamiento se realiza en la cuarta y última parte del condensador.
El enfriamiento que se consigue es función del salto térmico entre
el refrigerante y el medio de condensación.
Condiciones que ha de cumplir todo condensador.
Los fabricantes de condensadores intentan conseguir el régimen de
funcionamiento más económico posible, utilizando la mejor transmisión
de calor, intentando conseguir la disminución de la temperatura de
357
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
refrigerante con un caudal de fluido de enfriamiento mínimo y una
mejor utilización de las superficies.
Para conseguir esto el condensador debe cumplir una serie de condiciones:
•
Amplia admisión de gas en el aparato.
•
Rápida evacuación del líquido al depósito, sin permanencia prolongada
en las tuberías.
•
Sentido inverso en la marcha del fluido y del agua o del aire en el
condensador (contracorriente).
•
Gran velocidad del aire o del agua de enfriamiento.
3.2. Partes constituyentes
El condensador, al ser un intercambiador de calor, se compone
básicamente de un haz de tubos lisos o con aletas donde se realiza el
intercambio térmico del refrigerante con el medio condensante. A partir
de ahí, los elementos que componen un condensador difieren mucho,
dependiendo del tipo de condensador de que se trate.
En el siguiente punto se describen los distintos condensadores que existen
haciendo referencia a los elementos que los componen.
3.3. Clasificación de los condensadores
Los condensadores se pueden clasificar según la proporción de calor
intercambiado (sensible y latente) como:
•
De calor sensible:
De aire:
-
Circulación natural
-
Circulación forzada
De agua:
•
-
De inmersión
-
De doble tubo a contracorriente
-
Multitubulares
De calor latente:
Atmosféricos:
-
Multitubulares verticales
-
De lluvia
-
De lluvia a contracorriente
358
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
De evaporación forzada:
-
Condensadores evaporativos
Además, los condensadores se pueden clasificar en función del medio
refrigerante empleado:
•
Condensadores enfriados por agua.
•
Condensadores enfriados por aire.
•
Condensadores evaporativos (combinación de ambos).
En los dos primeros se produce el enfriamiento a expensas de un aumento
de calor sensible del medio condensante, mientras que en el tercero se
realiza gracias al calor latente de vaporización del agua, fenómeno que
se favorece mediante corrientes de aire.
Condensadores enfriados por agua
El agua, absorbe el flujo calorífico del refrigerante, traduciéndose en un
calentamiento del agua que sirve para condensar el fluido refrigerante.
Este calentamiento condiciona el caudal de agua que debe proporcionarse
al condensador, y como su coste por metro cúbico es relativamente
elevado, puede parecer interesante disminuir el caudal de agua necesario
para la condensación, siempre que se acepte un calentamiento más alto
a fin de reducir los gastos de consumo del agua. La contrapartida de esta
economía será la elevación de la temperatura de condensación del fluido
frigorígeno y, correlativamente, un descenso del rendimiento global de
la instalación. Por consiguiente, es necesario adoptar una solución de
compromiso y, de acuerdo con el coste del metro cúbico de agua, debe
mantenerse un calentamiento comprendido entre 7ºC y 12ºC. Este
problema de limitación del caudal no se presenta en el caso del
condensador de aire, donde podemos disponer gratuitamente de éste.
Los condensadores de agua ofrecen en su realización más diversidad que
los condensadores de aire y, teniendo en cuenta la naturaleza de los dos
fluidos presentes, los coeficientes globales de transmisión térmica son
mucho más elevados que en los condensadores de aire. Por consiguiente,
a capacidad calorífica igual, serán mucho menos voluminosos que los
condensadores de aire.
Los principales atributos de los condensadores enfriados por agua son
su solidez y su elevado poder de transmisión de calor. Como inconvenientes
principales presentan la formación de incrustaciones, la corrosión y el
riesgo de congelación.
A la hora de analizar los datos suministrados por los fabricantes, se debe
tener en cuenta un factor de formación de incrustaciones. Bajo ninguna
circunstancia, se debe seleccionar un condensador en base a los tubos
limpios.
359
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Condensadores de inmersión
Es el tipo más antiguo de condensador de agua. Se empleó al principio
de la industria frigorífica para las máquinas de amoníaco, anhídrido
sulfuroso o cloruro de metilo. Hoy en día no se utilizan.
De todos modos, se emplean siempre bajo una forma que permite
combinar la función de condensador y recipiente de líquido.
Pueden construirse en versión horizontal o vertical. En la versión
horizontal, el condensador se compone de una botella de chapa de acero
doblada y soldada cerrada en sus extremos por dos tapas embutidas y
soldadas. El fluido se condensa en el exterior del serpentín de circulación
de agua, formado éste por un tubo de cobre liso, o con aletas laminadas,
enrollado en forma de espiral de eje horizontal. El fluido condensado
se recoge en el fondo del recipiente.
A potencia calorífica igual son más voluminosos que los de versión vertical,
y su capacidad de condensación no sobrepasa los 8000 watios.
La versión vertical permite aumentar la gama de condensación desde 12
000 a 70 000 watios. El principio de funcionamiento es el mismo:
circulación de agua en el interior del serpentín de tubo de cobre, con
aletas laminadas, y condensación del fluido en el exterior del haz de
tubos arrollados en espiral en sentido del eje vertical. La botella de acero
sirve igualmente de recipiente de líquido.
Habida cuenta de su capacidad de condensación, pueden montarse
varios serpentines en paralelo, conectados a colectores de entrada y salida
de agua.
En su forma vertical los circuitos de agua pueden vaciarse por gravedad,
pero en la versión horizontal este vaciado sólo puede obtenerse en su
totalidad bajo una presión de aire.
Condensador sumergido
Condensadores de doble tubo a contracorriente
Otro tipo de condensador enfriado por agua es el condensador de doble
tubo. Es el tipo más clásico de cambiador de calor. Actualmente está
desplazado por los condensadores multitubulares. Consta de dos tubos
concéntricos en los que el fluido refrigerante circula por el espacio anular
360
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
comprendido entre ambos, de reducido espesor, 4 mm, y el agua de
refrigeración por el interior del tubo central, realizando una verdadera
circulación a contracorriente.
Generalmente, el tubo central es de cobre y el otro de acero, con lo que
disminuye bastante el peligro de corrosión por agua.
Sus principales atributos son un alto coeficiente de transmisión térmica,
facilidad de limpieza y poca ocupación de espacio.
Para este tipo de condensador se puede tomar como coeficiente de
transmisión K=700-950 W/m2 ºC.
Dichos condensadores requieren una botella recipiente de líquido en
el circuito.
El principal inconveniente son las elevadas pérdidas de carga, aunque
se trata de reducirlas disminuyendo el número de codos y limitando las
longitudes de los tubos. Por las condiciones de velocidad citadas, el agua
tiende a dejar menos depósitos, y, aunque su limpieza se realiza fácilmente,
se debe descartar su uso cuando el agua contenga altas proporciones de
materias grasas o bien aceites, como en el caso de aguas de puertos.
Condensador doble tubo
Condensadores multitubulares
Es un condensador muy utilizado. Consta de un envolvente cilíndrica,
en cuyo interior van montados tubos paralelos longitudinales, fijados en
ambos extremos a unas placas tubulares.
Por los tubos circula el agua, que encuentra en las tapas de los extremos,
unos tabiques divisorios que le obligan a efectuar un cierto número de
pasos longitudinales.
El fluido circula por el interior de la envolvente, bañando la superficie
exterior de los tubos de forma que se delimitan dos espacios aislados
361
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
para la circulación de los dos fluidos. La parte inferior de la virola sirve
de recipiente del líquido condensado.
Las dimensiones de estos condensadores son muy variables, encontrándose
diámetros de la carcasa comprendidos entre 0,10 y 1,60 m y longitudes
de tubos entre 0,90 y 6,0 m: Los diámetros de tubos más corrientes, van
de 1,6 cm hasta 5,1 cm, y el número de tubos contenidos en el condensador
puede variar desde seis hasta más de un millar.
Una preocupación general a tomar en estos condensadores es la de evitar
las variaciones bruscas de temperatura que dan lugar a dilataciones o
contracciones rápidas.
Podemos encontrarlos bajo dos formas bien distintas:
•
Condensadores multitubulares horizontales.
•
Condensadores multitubulares verticales.
Condensador multitubular horizontal.
El haz de tubos se puede construir mediante tubos lisos, tubos rectos
con aletas laminadas o con tubos en U y aletas laminadas.
La superficie de condensación se obtiene por la superficie exterior de
los tubos que forman el haz multitubular, los construidos con tubos lisos
implican virolas de diámetros muy grandes a fin de montar mayor número
de tubos. Para reducir en lo posible este diámetro, y cuando se trata de
fluidos clorofluorados, se emplean tubos con aletas laminadas sobre la
masa del tubo y que, comparativamente con los tubos lisos de dimensiones
análogas, presentan, por metro lineal, superficies de intercambio de tres
a cinco veces superiores. Aumentada extraordinariamente la superficie
de intercambio en el lado del fluido, las dimensiones generales del
aparato quedan asimismo reducidas. El modo de construcción de este
tipo de condensador es similar al de tubos lisos.
Otra forma de construir el haz de tubos es mediante tubos doblados en
forma de espiga formando cada uno una «U».
Con esta disposición, y por las razones expuestas anteriormente, se
consigue un volumen mucho más reducido, a potencia igual, que con
un condensador de tubos lisos.
Los elementos que constituyen este tipo de condensadores son los
siguientes:
•
Un cuerpo cilíndrico, llamado calandria, construido de tubo de acero
estirado sin soldadura, o bien, si el diámetro es demasiado grande,
con chapa de acero doblada y soldada.
•
En uno de los extremos laterales de la calandria va soldada una tapa
de fondo, de acero, donde se mandrinan los extremos libres del haz
de tubos.
362
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Un haz tubular formado por tubos doblados en forma de espiga
formando cada uno una «U».
•
En la parte opuesta a donde se monta la tapa de fondo, la calandria
va cerrada mediante una tapa de acero embutida.
•
Una tapa tabicada, incorpora las tomas de entrada E y de salida S del
agua, obteniendo, por medio del tabique separador, el número de
«pasos» deseados para la circulación del agua en el haz de tubos.
•
La entrada del fluido y la salida del líquido condensado van dispuestas
en forma alternada en la virola.
Condensador multitubular en U
Condensadores multitubulares verticales
Los condensadores multitubulares verticales se consideran como
intercambiadores de calor intermedios entre los que utilizan calor sensible
y los condensadores de evaporación natural o forzada.
Estos condensadores son prácticamente idénticos de concepción que los
condensadores multitubulares horizontales de tubos lisos, pero colocados
verticalmente. Además los fondos donde terminan los tubos de circulación
de agua están abiertos al aire.
Como en los condensadores horizontales multitubulares, encontramos
de nuevo: la calandria, las tapas de fondo y el haz tubular, habiendo, sin
embargo, desaparecido las tapas tabicadas. El haz tubular desemboca al
aire libre. El agua desciende verticalmente por el interior de todos los
tubos en paralelo.
Al alimentar un tubo vertical por un tanque superior que contenga una
altura reducida de agua, se produce naturalmente un fenómeno de
remolino que proporciona al agua un movimiento de giro muy rápido
que le hace seguir la pared interior del tubo a través de un movimiento
helicoidal sin llenar completamente el tubo. Esta notable propiedad en
la circulación de los líquidos se utiliza en este tipo de condensadores a
fin de tener una velocidad de circulación elevada con un gasto reducido.
No hallándose los tubos llenos de agua, pueden servir entonces de
chimenea de circulación de aire ya que el condensador se halla dispuesto
363
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
siempre en el exterior del edificio. El inicio del movimiento de giro se
puede facilitar por la instalación en la parte superior de los tubos de
agua de unas chapas en forma de hélice, o bien de unas piezas de cerámica
con hendiduras helicoidales. Como que el citado fenómeno de remolino
no puede producirse de forma eficaz más que en tubos de diámetro
bastante grande, este tipo de condensador se emplea especialmente en
las máquinas de amoníaco.
El fluido refrigerante circula por el interior de la calandria.
En la parte superior del haz tubular se encuentra el dispositivo de
alimentación del agua que se compone de un tanque alimentado
generalmente por una válvula de flotador que, por rebosadero, alimenta
con una carga constante los distribuidores de agua montados en el
extremo superior de cada tubo del haz tubular. La parte inferior del
condensador descansa sobre una base de hormigón en forma de cubeta
para la recuperación del agua, con un tubo de desagüe, y rebosadero
que evita toda obstrucción en la circulación ascensional del aire en el
interior del haz tubular.
Condensador vertical
Es un condensador que puede utilizarse con agua de mar, pero no con
aguas muy duras.
El consumo de agua es aproximadamente el doble que en un condensador
multitubular horizontal, pero puede reducirse a su tercera parte
acoplándolo con una torre de enfriamiento.
La principal ventaja de este condensador es que los tubos pueden limpiarse
sin interrumpir el funcionamiento de la instalación.
Condensador atmosférico por simple agua de lluvia
Este condensador está formado por unos serpentines verticales de tubo
de acero espaciados alrededor de 0,6 m entre ellos, sobre cada uno de
364
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
los cuales se coloca el distribuidor, consiguiéndose así la lluvia o rociado
del agua de condensación. Esta agua se recupera en la parte inferior del
condensador en una balsa de cemento cuyo nivel se mantiene constante
por medio de una válvula de flotador. La bomba de circulación efectúa
la recirculación del agua sobre el haz de tubos. Las distintas hileras de
serpentines se unen en la parte superior e inferior a través de los colectores.
Condensador de lluvia.
Estos condensadores requieren mucho cuidado en su conservación para
evitar la corrosión de los tubos, la formación de sarro y el desarrollo de
algas en el exterior del haz tubular.
El bajo valor del coeficiente de transmisión y los imperativos de su diseño
conducen a aparatos muy voluminosos, por lo que los constructores han
buscado la forma de mejorar el coeficiente global de transmisión térmica
a fin de reducir la superficie del aparato y, por lo tanto, su volumen.
La manera de mejorar el coeficiente de transmisión térmica es mediante
la construcción de los condensadores de lluvia de agua a contracorriente.
Condensadores atmosféricos de lluvia de agua a contracorriente
(condensador Block)
Este condensador funciona enteramente a contracorriente. Los gases
calientes penetran por la parte inferior de cada serpentín de tubo y el
líquido sale por la parte superior. Los tubos de un mismo serpentín se
unen entre sí por medio de unas curvas de forma especial, en las que la
parte superior, formando una especie de bucle de arco elevado, permite
mantener cierta cantidad de líquido en la parte inferior del tubo. Cuando
la cantidad de líquido llega a un punto que forma tapón, la cantidad
excedente es arrastrada en el tubo superior por los gases descargados y
así, de tubo en tubo, hasta alcanzar el tubo más alto de donde el líquido
es evacuado hacia la botella de líquido.
La presencia constante de líquido y de vapor en los tubos mejora de
forma importante el coeficiente de transmisión.
365
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Condensador Block
Condensadores evaporativos
El condensador evaporativo es una combinación de un condensador y
una torre de enfriamiento. Es un condensador atmosférico con circulación
forzada de agua y flujo de aire. Este tipo de condensador se ha impuesto
por la necesidad de reducir el elevado consumo de agua de condensación
que presentan los otros tipos de condensadores.
Constan en esencia de un condensador de tubos con aletas, en el que
la entrada del refrigerante es por la parte superior y la salida por el fondo
del condensador.
Este condensador va instalado en el interior de una caja, que tiene una
entrada para aire, por una de las partes laterales inferiores y una salida
para aire en el techo.
La parte baja de la caja está formada por un recipiente para agua, cuyo
nivel se mantiene constante gracias a una válvula flotador.
El agua es tomada desde el recipiente, y por medio de una bomba es
conducida a unas toberas pulverizadoras colocadas sobre el condensador.
Condensador evaporativo
366
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Sobre las toberas van colocadas unas placa eliminadoras, que impiden
que el agua pueda ser arrastrada por el aire.
En el techo de la caja, y en el orificio de salida, hay un electroventilador
que provoca una ventilación forzada de éste.
El funcionamiento de este tipo de condensadores es el siguiente:
El aire que entra por la parte inferior del aparato es aspirado por el
ventilador y obligado a atravesar los serpentines de condensador, para
ser expulsado por la parte superior.
El agua bombeada desde el recipiente situado en la parte inferior cae
en forma de lluvia contra el aire que atraviesa los serpentines.
Separadores adecuados impiden que el agua sea arrastrada por el aire.
El agua absorbe el calor cedido por el fluido refrigerante a través de los
serpentines del condensador en forma de calor sensible, elevando su
temperatura.
El aire, al atravesar la cortina acuosa, absorbe algo del agua que rocía
los serpentines, llevándose como calor latente el calor absorbido por el
agua.
Como es lógico, el rendimiento de estos condensadores depende de la
humedad relativa del aire y de la temperatura de condensación del fluido.
La diferencia entre la temperatura de condensación y la temperatura
media del agua de refrigeración varía entre 4°C y 7°C, lo que permite
mejores rendimientos que pueden reducir la potencia del compresor.
El consumo de agua teórico se fija entre el 1,5 y el 3% respecto al de los
otros tipos, aumentando a un 5-10% en los meses de verano. Además del
agua vaporizada, para conseguir el enfriamiento es necesario considerar
el agua de purga, así como el agua que el aire arrastra en forma de gotitas.
Se fijará un valor de consumo de agua entre el 10% y el 15%, valor que
se ha establecido en 2 a 3 litros/h por 1.000 frig/h.
La velocidad superficial del aire se debe fijar para que no se produzca
un elevado arrastre de gotitas, y para que la potencia consumida no sea
elevada. Los valores normales varían de 1,6 a 2,5 m/s.
La fuerza motriz consumida por la bomba de circulación de agua y el
ventilador se estiman entre el 7% y el 8 % de la potencia del compresor.
El coeficiente global de transferencia de calor varía mucho según los
tubos interiores lleven o no aletas y según el tipo de éstas. Se tienen
valores en torno a 350-700 W/m2°C para tubos con aletas, según el diseño
de las mismas.
El mayor inconveniente de este tipo de condensadores es su coste, algo
367
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
elevado, pero estos gastos se amortizan al haber escasez de agua o cuando
resulta cara la obtención de la misma.
También presentan una estructura de complicada construcción y son
muy voluminosos, teniendo una gran facilidad para la formación de
incrustaciones.
Sin embargo, presentan otra ventaja, y es la de poderlos utilizar como
condensadores enfriados por aire cuando las temperaturas son bajas,
como en invierno, y como evaporativos cuando las temperaturas son
elevadas.
Condensadores enfriados por aire
El aire es un medio de condensación del que se puede disponer
gratuitamente de forma ilimitada, con lo cual debería de ser el elemento
elegido para conseguir la condensación de los vapores del fluido
refrigerante.
Sin embargo, el aire tiene un calor específico muy bajo (Cp = 0,24
Kcal/Kg°C) y, por otra parte, el coeficiente de transmisión térmica entre
un vapor condensante y un gas es igualmente reducido. Estas dos
características obligan a que se tengan que mover grandes volúmenes de
aire y a poner en juego elevadas superficies de intercambio para potencias
frigoríficas relativamente pequeñas. Ello implica la necesidad de aparatos
muy voluminosos y explica por qué los condensadores de aire equipan
solamente máquinas frigoríficas de potencia igual o inferior a 6.000 W.
De todas formas, debido tanto al precio del m_ de agua como a las
restricciones en su consumo, existen cada vez más máquinas frigoríficas
industriales equipadas con condensadores de aire (se denominan
condensadores remotos). Hoy día, los condensadores enfriados por aire
son utilizados en grandes instalaciones industriales, incluso en aquéllas
que utilizan amoniaco.
Los principales .factores a favor de los condensadores enfriados por aire
son: economía de agua, facilidad de instalación, seguridad, escaso
mantenimiento (25% del de los enfriados por agua), útiles en casos de
altos costes de agua y bajos costes de energía eléctrica, adecuados en
casos de aguas duras y/o corrosivas, y para climas húmedos pero no muy
cálidos, y facilidad para obtener elevados intercambios con aletas eficaces.
Como inconvenientes se le atribuyen: mala transmisión de calor,
temperaturas de condensación altas, y costes reales de instalación y
funcionamiento elevados.
Normalmente, la temperatura de condensación se sitúa entre 10º C y 15
°C por encima de la temperatura del ambiente.
368
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Según como se consiga la circulación del aire sobre el condensador, se
clasifican en condensadores de convección natural, los cuales ya no se
utilizan más que en refrigeradores domésticos de muy pequeña capacidad
y en condensadores de convección forzada, por la acción de un ventilador.
Condensadores de convección natural
Como acabamos de decir se utilizan solamente para las instalaciones de
muy reducida potencia (aparatos domésticos o similares). Construidos
al principio con tubo y aletas no se realizan ahora en dicha forma, ya
que los tubos con aletas se llenan de polvo muy rápidamente y, como la
disposición del condensador se halla debajo del mueble, existiendo,
además, el hecho de que la velocidad del aire es muy débil, queda
favorecida aún más la formación de depósitos de polvo y suciedad sobre
las aletas.
Actualmente estos condensadores están formados por un tubo en forma
de serpentín aplicado sobre una chapa que forma una aleta única,
perforada para evitar resonancias, o bien, soldado sobre un entramado
de hilos metálicos, colocándose entonces el condensador en sentido
vertical detrás del aparato. El espacio necesario para la circulación del
aire se obtiene por medio de tacos separadores de materia plástica.
Condensadores de convección forzada
Para potencias frigoríficas superiores a las instaladas en aparatos domésticos
es indispensable utilizar condensadores de aire con circulación forzada
de aire a fin de que los aparatos utilizados tengan un volumen compatible
con las potencias caloríficas que han de evacuarse.
Estos condensadores se utilizan para los grupos frigoríficos llamados
grupos comerciales. Se emplazan sobre la base del grupo compresor, y
la hélice de ventilación se monta sobre la polea del motor de accionamiento
del compresor, si se trata de un compresor accionado por correas. En el
caso de los motocompresores herméticos o herméticos accesibles, se
obtiene la circulación de aire sobre el conjunto aleteado por medio de
uno (o varios) electroventiladores independientes.
Deben mencionarse también los dispositivos de ventilación adoptados
sobre los condensadores de aire de potencia calorífica elevada instalados
a distancia del conjunto motor-compresor. Bajo esta forma, la potencia
calorífica evacuada por estos condensadores, en cuanto al flujo térmico
intercambiado, corresponden generalmente a potencias frigoríficas del
orden de 40.000 Watios.
Por razones económicas de explotación, o de falta total de agua de
condensación puede llegar a desarrollarse condensadores de aire hasta
una potencia unitaria de 2000 KW.
369
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
3.4. Selección de los condensadores
Es necesario tener en cuenta la siguiente información a la hora de elegir
el condensador más adecuado:
•
Flujo de refrigerante.
•
Temperatura de evaporación.
•
Temperatura de condensación.
•
Temperatura de entrada agua/aire.
•
Temperatura de salida agua/aire.
•
Tipo de factor de corrección aplicado.
El criterio fundamentalmente utilizado para la elección del condensador
es la disponibilidad de agua.
Existiendo agua en cantidades suficientes y sin limitaciones, todas las
razones, técnicas y económicas apuntarán a un condensador multitubular
de tipo vertical, cuando el agua disponible sea sucia, y de tipo horizontal
cuando el agua sea dura.
En aquellos casos en los que el agua sea un elemento condicionante se
elegirán condensadores evaporativos, condensadores multitubulares
combinados con torres de enfriamiento, o bien condensadores enfriados
por aire.
Se ha de tener en cuenta también el precio y el espacio ocupado.
Hay que considerar también la resistencia que opone el condensador al
paso del fluido, tanto al de refrigerante como al del que realiza el
enfriamiento. La pérdida de carga en los circuitos del fluido refrigerante
repercute en un aumento de la presión de descarga.
Para la elección de condensadores atmosféricos, evaporativos o combinados
con torres de enfriamiento hay que considerar las condiciones
climatológicas, ya que funcionan mal en climas muy húmedos y cálidos.
Los condensadores enfriados por aire son utilizados en climas cálidos,
siempre que la temperatura del termómetro seco no sobrepase los 37°C.
En los condensadores enfriados por agua, el calentamiento de ésta debe
ser calculado en función de su temperatura de entrada, tomándose
usualmente entre 5º C y 6°C, y siempre considerando que el calentamiento
máximo no debe exceder de 15°C.
370
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
3.5. Funcionamiento del condensador
Carga del condensador
Puesto que el calor cedido en el condensador por el refrigerante al medio
de condensación incluye tanto el calor absorbido en el evaporador como
el trabajo de compresión, la carga total de calor a eliminar en el
condensador siempre excederá a la del evaporador en una cantidad igual
al trabajo de compresión.
Para condiciones de operación fijas, existe una relación entre la carga
del condensador y la del evaporador:
donde:
= capacidad de l condensador en W.
=capacidad frigorífica del evaporador en W.
=potencia indicada real en W.
Capacidad del condensador
La capacidad frigorífica del condensador está determinada por los mismos
factores que rigen el flujo de calor a través de cualquier superficie de
transferencia de calor y está expresada por la ecuación:
donde:
•
: capacidad del condensador en W.
•
K: Coeficiente global de transmisión de calor, en W/m2 °C.
•
A: Superficie de intercambio del condensador, en m2.
•
: Diferencia de temperatura media logarítmica, en grados C, entre
la temperatura de condensación del refrigerante y la del medio
condensante.
Para un determinado valor de K, la capacidad del condensador depende
del área del condensador y de la diferencia de temperatura entre el
refrigerante y el medio condensante. Para cualquier condensador de un
determinado diseño y tamaño, donde el área y K son fijos, la capacidad
del condensador será función de la diferencia de temperatura entre el
refrigerante y el medio de condensación. Por lo tanto, para un
condensador dado, la capacidad del condensador se incrementa o
371
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
disminuye sólo si se aumenta o disminuye el salto térmico. Si se asume
que la temperatura del medio de condensación es constante, el aumento
o disminución de la capacidad de condensador depende del aumento
o reducción de la temperatura de condensación.
Dado que la carga del condensador es siempre proporcional a la carga
del evaporador cualquier variación en la carga del evaporador provocará
una variación en la carga de condensación.
Coeficiente global de transmisión (coeficiente global práctico)
En el intercambio térmico entre dos fluidos que circulan a uno y otro
lado de una pared, la resistencia global al paso del fluido térmico es igual
a la suma de las resistencias parciales ofrecidas por los elementos
constitutivos de la pared, por lo que tendremos:
El coeficiente global de transmisión de calor K es la inversa de R:
Como antes hemos indicado, los intercambios de calor que se producen
en el condensador hacen que podamos diferenciar tres zonas dentro del
mismo:
•
Zona de enfriamiento.
•
Zona de condensación.
•
Zona de subenfriamiento.
Como en cada zona el estado del refrigerante es diferente, las condiciones
de transferencia de calor difieren de una zona a otra con lo que el
coeficiente de transmisión de calor será diferente y variable en cada una,
de acuerdo con la naturaleza del medio de condensación (aire o agua).
Considerando la sección de un tubo de condensador tenemos, cualquiera
que sea la zona de funcionamiento en que coloquemos esta sección del
tubo:
•
El refrigerante en circulación en el interior del tubo, cuando la
máquina se halla en régimen permanente, tiene en este punto
particular una velocidad Vr (m/s) y una temperatura Tr (ºC).
372
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
En el exterior del tubo, el medio de condensación, el cual, en las
mismas condiciones de funcionamiento, tiene una velocidad de
circulación de Vf (m/s) y una temperatura Tf (ºC).
•
Separando las dos corrientes de fluido, tenemos la pared del tubo,
una pared metálica de espesor e (mm), bañada en sus dos caras por
los fluidos que se hallan en circulación y cuyas temperaturas respectivas
son Tr, y Tf. En todos los puntos del condensador la temperatura del
refrigerante Tr, es superior a la temperatura del medio de condensación
Tf.
El intercambio de calor a través de las paredes del tubo se realiza:
•
Por convección del fluido frigorígeno en la superficie interna del
tubo.
•
Por conducción a través de la pared metálica del tubo.
•
Por convección de la superficie exterior del tubo al medio de
condensación.
En la realidad, las condiciones de funcionamiento hacen que esto no
sea completamente cierto. La pared interior de los tubos se hallará
recubierta de una película de aceite, a pesar de que se instalen separadores
de aceite en la descarga del compresor. Además sobre la pared exterior
a pesar de las precauciones que se toman para conservar bien limpia la
superficie exterior del condensador, en el caso de los condensadores de
aire, existe siempre una cantidad de polvo atmosférico, y en el caso de
los condensadores de agua sarro.
La pared metálica que nos encontrábamos antes, se ha convertido en
una pared compuesta por tres capas, donde el flujo calorífico es función
del espesor y conductividad térmica de cada capa.
Ahora el intercambio térmico se produce:
•
Por convección del fluido frigorígeno en la superficie de la película
de aceite que recubre la pared interna del tubo.
•
Por conducción entre las distintas capas superpuestas: aceite-espesor
del tubo-sarro (o polvo).
373
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Por convección de la superficie externa del sarro (o de la capa de
polvo) al medio de condensación.
La conductividad térmica del sarro o polvo son menores que la de
los metales, por tanto deberá mantenerse lo más limpia posible la
superficie bañada por el medio de condensación, eliminando de la
forma más eficaz posible toda señal de sarro o polvo.
El coeficiente global de transmisión térmica en estas condiciones
para cada zona diferenciada del condensador se calcula de la siguiente
forma:
Partiendo de las dos ecuaciones anteriores y sabiendo que:
•
: coeficiente de convección del refrigerante (en las condiciones
de circulación de este fluido), expresado en W/m 2 ºC.
•
: coeficiente de convección del medio condensante (en las
condiciones de circulación de este fluido), expresado en W/m2 ºC.
•
: espesor de la película de aceite, expresado en metros.
•
: espesor del tubo que constituye el condensador, expresado
en metros.
•
•
: espesor del sarro (o polvo), expresado en metros.
: coeficientes de conductividad térmica de los elementos
correspondientes, expresado en W/m ºC.
Conociendo todos estos elementos podemos calcular los valores respectivos
de los coeficientes globales de transmisión térmica por zona de trabajo
K1, K2, K3.
Coeficiente global práctico
Teniendo los coeficientes globales de transmisión térmica un valor
diferente por cada zona, hace falta determinar la superficie de cada zona
para formar un conjunto coherente.
En realidad, esta determinación se simplifica por parte de los constructores
de aparatos con la adopción de un coeficiente de orden práctico como
promedio de transmisión de calor, teniendo en cuenta que las cantidades
de calor evacuadas en las zonas de enfriamiento y de subenfriamiento
son reducidas, en relación con las zonas de condensación.
Estos coeficientes son consecuencia de los datos experimentales obtenidos
en la explotación de las máquinas frigoríficas.
374
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
El coeficiente global práctico de transmisión térmica K de un condensador
nos indica la cantidad de calor expresada en Watios que el condensador
puede evacuar por metro cuadrado de superficie y por grado de diferencia
entre la temperatura del refrigerante y la temperatura del medio de
condensación.
La forma del condensador, la naturaleza del metal empleado y el sistema
de fabricación, determina este coeficiente de transmisión que debe ser
deducido en cada tipo de forma experimental.
En la siguiente tabla se indican los coeficientes globales de transmisión
térmica K de cada tipo de condensador:
Grupo
Medio de condensación
K (W/m2 ºC)
Circulación natural
Circulación forzada
Inmersio
Doble tubo
contracorriente
9 a 12
24 a 30
240 a 300
Multitubulares
horizontales
700 a
1100
Atmosféricos
Multitubulares
verticales
De lluvia simple
De lluvia a
contracorriente
800 a
1400
240 a 300
800 a
1100
Evaporación forzada
Evaporativos
240 a 350
Aire
De calor
sensible
Agua
De calor
latente
Tipo
700 a 950
3.6. Flujo e incremento de la temperatura del medio
condensante
Tanto en el caso de condensadores enfriados por aire o por agua, la
cantidad de calor eliminado por el refrigerante al condensar, incrementa
la temperatura del medio de condensación. El incremento de temperatura
experimentado por el medio que refrigera el condensador es directamente
proporcional a la carga del condensador e inversamente proporcional
al caudal y calor específico del mismo:
375
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
donde:
•
= Temperatura del aire o agua a la salida del condensador, expresado
en ºC.
•
= Temperatura del aire o agua a la entrada del condensador,
expresado en °C.
•
= Capacidad del condensador, expresado en Kcal/h.
•
= Masa de aire o agua que circula a través del condensador,
expresado en Kg/h.
•
= Calor específico a presión constante del aire o agua, expresado
en Kcal/Kg°C.
Asumiendo que tiene un valor constante para una carga del condensador
siendo
dada la ecuación anterior contiene sólo dos variables: y
el valor de cada una de ellas inversamente proporcional al valor de la
otra.
A mayor masa de aire o agua a través del condensador, menor salto
térmico se necesita en el medio condensante para obtener la misma
capacidad del condensador y viceversa.
Retomando la ecuación que define la capacidad frigorífica del
condensador:
y aplicándola a la ecuación anterior, tenemos:
siendo:
donde:
=temperatura de condensación del fluido refrigerante en ºC.
Para un condensador determinado (con un área y coeficiente de
transmisión definido) y una carga de condensación dada ( ), la
temperatura de condensación del refrigerante en el equipo dependerá
. Cuanto
sólo del incremento de temperatura del medio condensante
más bajo sea el incremento de temperatura del medio condensante, más
con lo cual más baja es la temperatura de condensación .
bajo es
376
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Dado que el incremento de temperatura del medio condensante disminuye
cuando el caudal del medio que fluye aumenta, cuanto mayor es la
cantidad de medio condensante circulando, más bajo es el incremento
de temperatura de dicho medio. Por lo tanto, para una determinada
carga del condensador, a mayor flujo del medio condensante, menor
temperatura de condensación.
En la práctica, se admite que la temperatura de condensación se sitúa
alrededor de 5°C por encima de la temperatura de salida del agua del
condensador, pudiendo variar el calentamiento del agua circulada
entre 5º C y 12°C.
En el caso de los condensadores de aire se admite generalmente que la
temperatura de condensación sea superior en 7ºC-8°C a la temperatura
de salida del aire, calentándose éste de 6º C a 8°C. Este aumento de
temperatura conduce a que la temperatura de condensación sea 15°C
superior a la temperatura del ambiente, que es la de entrada del aire en
el condensador.
377
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
378
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
4. DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD Y REGULACIÓN
4.1. Tipos de dispositivos de seguridad y regulación
Control de flujo de refrigerante
Debido a la necesidad para controlar el refrigerante y a su adaptabilidad
a las muchas y variadas aplicaciones del ciclo de refrigeración, la válvula
de expansión termostática ha jugado un papel importante en el continuo
progreso de la industria de refrigeración y su tecnología. Como muchos
otros componentes del sistema, el desarrollo de la válvula de expansión
termostática, ha sido un resultado de la evolución técnica tal y como
explicaremos en los sucesivos apartados.
Válvula de expansión manual:
En el comienzo de la refrigeración mecánica, el control del refrigerante
se hacía con una válvula de aguja operada manualmente (en la actualidad
aún se emplea en sistemas de refrigeración con amoníaco). Este dispositivo
proporciona alguna medida de control en aplicaciones donde la carga
es constante, pero no responde a otras condiciones que afectan la cantidad
de refrigerante que pasa a través de ella, tales como cambios de presión
en el líquido causados por variaciones en la presión de descarga del
compresor. De acuerdo con esto, el uso de la válvula de expansión manual,
requiere supervisión constante. El consiguiente desarrollo de un medio
para superar esta dificultad, produjo lo que se conoció como la válvula
de expansión automática.
Válvula de expansión automática:
La válvula de expansión automática fue un decidido progreso sobre la
válvula de expansión manual. Mantiene la temperatura más constante
y controla mejor la escarcha en la línea del evaporador. También, cierra
la línea de líquido cuando para el compresor, y evita el flujo excesivo al
arrancar el mismo.
Habitualmente, se instala un filtro a la entrada del líquido a la válvula
para de prevenir la entrada de contaminantes que puedan causar la
obstrucción de la misma.
Una válvula de expansión automática mantiene la presión constante en
el evaporador, inundando menos la superficie del mismo en respuesta
a los cambios de carga del sistema. La presión constante característica
379
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
de la válvula de expansión automática resulta de la interacción de dos
fuerzas opuestas:
•
Presión del evaporador.
•
Presión del muelle.
En la figura siguiente se aprecian las partes constituyentes de la válvula
de expansión automática.
Válvula de expansión automática
La presión del evaporador ejercida en un lado del diafragma actúa para
mover la válvula en la dirección de cierre, mientras que la presión del
muelle en el lado opuesto del diafragma actúa moviendo la válvula en
la dirección de apertura. Cuando el compresor está funcionando la
válvula funciona manteniendo en equilibrio la presión del evaporador
con la presión del muelle. Como su propio nombre indica, la operación
de la válvula es automática y una vez que la tensión del muelle se ajusta
para una determinada presión del evaporador, la válvula operará
automáticamente para regular el flujo de líquido refrigerante en el
evaporador de tal forma que la presión de evaporación deseada sea
mantenida independientemente de la carga del evaporador. Cuanta más
superficie del evaporador se convierta en efectiva, el grado de vaporización
aumenta y la presión del evaporador aumenta hasta equilibrar la presión
del muelle y viceversa. Es importante señalar que las características de
funcionamiento de la válvula de expansión automática son tales que la
válvula cierra cuando el compresor está parado y permanece cerrada
hasta que el compresor entra en funcionamiento.
La vaporización en el evaporador continúa un corto período después de
la parada del compresor y dado que el vapor resultante no es eliminado
por el compresor, la presión en el evaporador aumenta. Debido a que
durante la parada del ciclo, la presión del evaporador excederá a la
presión del muelle, la válvula permanecerá cerrada. Cuando el compresor
arranca la presión del evaporador se reduce por debajo de la presión del
muelle, la válvula abre y admite suficiente líquido en el evaporador para
establecer el equilibrio en operación entre la presión del muelle y la del
380
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
evaporador. El principal inconveniente de la válvula de expansión
automática es su baja eficiencia comparada con otros controles de flujo
refrigerante. Analizando la relación evaporador-compresor, es evidente
que para mantener una presión constante en el evaporador se requiere
que el grado de vaporización en dicho equipo se mantenga constante.
En el caso de que la carga del evaporador sea alta y la transferencia de
calor por unidad de superficie de evaporador sea elevada se necesita una
estrangulación severa del líquido para limitar la cantidad efectiva de
superficie de evaporación. Cuando la carga del evaporador disminuye
y la transferencia de calor por unidad de superficie del evaporador se
reduce, más y más superficie del evaporador debe ser inundada con
líquido con objeto de mantener un grado de vaporización constante.
Tiende a sobrealimentar refrigerante al evaporador cuando la carga
térmica es baja, o a no alimentar suficiente cuando la carga térmica es
alta. Por lo tanto, la disminución de la temperatura es lenta; ya que no
se aprovecha el área completa del evaporador ni su capacidad, al arrancar
el ciclo de refrigeración. A fines de la década de los 20 se desarrolló un
dispositivo que superaba las limitaciones que tenían los otros dos tipos
de válvulas de expansión, la manual y la automática. A este dispositivo
se le llamó válvula de expansión termostática.
Válvula de expansión termostática:
Originalmente, el propósito era que controlara el flujo de refrigerante
líquido hacia el evaporador, de tal manera que lo mantuviera todo el
tiempo activo; es decir, que el evaporador estuviera todo el tiempo lleno
de refrigerante líquido para aprovechar al máximo la extracción de calor
latente, aún con las variaciones de la carga térmica, y también, que
cuando el compresor parara, se cerrara la válvula. Obviamente, si el
evaporador está todo el tiempo lleno de líquido, no se tendría vapor
sobrecalentado y ese líquido estaría regresando al compresor. En la
actualidad sabemos que esto no es conveniente, y que a la salida del
evaporador, el refrigerante debe de estar en forma de vapor y a una
temperatura mayor que la de saturación. Ésta es una de las funciones de
la válvula de expansión termostática: mantener un sobrecalentamiento
constante a la salida del evaporador.
La válvula de expansión termostática o válvula de termo-expansión, es
un dispositivo de medición diseñado para regular el flujo de refrigerante
líquido hacia el evaporador, en la misma proporción en que el refrigerante
líquido dentro del evaporador se va evaporando. Esto lo logra manteniendo
un sobrecalentamiento predeterminado a la salida del evaporador (línea
de succión), lo que asegura que todo el refrigerante líquido se evapore
dentro del evaporador, y que solamente regrese al compresor refrigerante
381
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
en estado gaseoso. La cantidad de gas refrigerante que sale del evaporador
puede regularse, puesto que la válvula de expansión termostática responde
a:
•
La temperatura del gas que sale del evaporador.
•
La presión del evaporador.
Las principales funciones de una válvula de termo expansión son: reducir
la presión y la temperatura del líquido refrigerante, alimentar líquido
a baja presión hacia el evaporador, según la demanda de la carga, y
mantener un sobrecalentamiento constante a la salida del evaporador.
En la figura siguiente se aprecian las partes constituyentes de la válvula
de termo expansión.
Válvula de termo expansión
En la figura, se puede ver que el bulbo remoto está conectado a la parte
superior de la válvula termo expansión mediante un tubo capilar. El
bulbo se ubica en la línea de succión, justo a la salida del evaporador. El
bulbo y el capilar contienen un fluido (carga) que puede ser líquido o
gaseoso, el cual «siente» la temperatura del gas de succión que pasa por
este punto. En esta posición, el bulbo y el fluido dentro de éste tienen
aproximadamente la misma temperatura del gas de succión. Los cambios
de temperatura causan que aumente o disminuya la presión del fluido
dentro del bulbo.
Válvula de expansión termostática con igualador interno:
En sistemas pequeños donde no se considera caída de presión a través
del evaporador, la presión del evaporador que se usa para que actúe
debajo del diafragma es la de la entrada. Para esto, las válvulas empleadas
tienen maquinado un conducto interno que comunica el lado de baja
presión de la válvula con la parte inferior del diafragma. A este conducto
se le conoce como «igualador interno».
382
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Válvula de expansión termostática con igualador externo:
Cuando existe caída de presión a través del evaporador, la presión que
debe actuar bajo el diafragma es la de la salida del evaporador; por lo
que una válvula con igualador interno no operaría satisfactoriamente,
como se explicará más adelante. Las válvulas que se utilizan en estos
casos son válvulas con «igualador externo». En este tipo de válvulas el
igualador no comunica al diafragma con la entrada del evaporador, sino
que este conducto se saca del cuerpo de la válvula mediante una conexión.
Además, es necesario colocar empaques alrededor de las varillas de
empuje, para aislar completamente la parte inferior del diafragma de la
presión a la entrada del evaporador. Una vez instalada la válvula, esta
conexión se comunica a la línea de succión mediante un tubo capilar,
para que la presión que actúe debajo del diafragma, sea la de la salida
del evaporador.
Válvula de expansión electrónica:
Para tener una simple y rápida visión de las posibilidades actuales se hará
referencia a dos parámetros de regulación y a un campo concreto de
aplicación:
-
Inyección de líquido electrónicamente.
-
Regulación de la presión de evaporación.
La inyección de líquido en evaporadores secos se ha realizado y se sigue
realizando en este campo, mediante las válvulas termostáticas de expansión
con un buen resultado. Sin embargo, dentro de sus limitaciones de
utilización se pueden destacar:
-
Dependencia del tipo de refrigerante utilizado.
-
Dificultad de ajuste y diagnóstico.
-
Sensibilidad a los cambios de las condiciones de funcionamiento.
A la válvula de expansión controlada electrónicamente se le ha de exigir
por tanto, un cierto número de ventajas:
-
Funcionamiento independiente del refrigerante.
-
No ha de necesitar ajustes, debiendo presentar dispositivos de
autodiagnosis.
-
Debe de facilitar un control óptimo de la inyección de refrigerante
en condiciones de funcionamiento variables.
El sistema de la válvula de expansión electrónica consiste en tres
componentes:
-
Regulador electrónico.
383
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
-
Válvula con accionador.
-
Sensores.
El regulador debe estar conectado a la tensión de la red de alimentación.
La utilización de la tensión de la red de suministro de electricidad facilita
la instalación y simplifica la utilización. Todas las entradas y salidas están
igualmente a nivel de la tensión de la red.
La válvula de expansión electrónica es una válvula de solenoide (más
adelante se explicará en qué consiste una válvula de solenoide)
proporcional con un orificio de expansión incorporado. La válvula
funciona al mismo tiempo como válvula de expansión y como solenoide.
La válvula efectúa la regulación de acuerdo con el principio de modulación
por anchura de impulsos. El período de funcionamiento de la misma ha
sido fijado en 6 segundos, es decir, dentro de cada período de 6 segundos
la válvula abre y cierra una vez. Si se necesita una mayor cantidad de frío,
la válvula permanece abierta durante la casi totalidad de este período de
tiempo. Cuando no se necesita suministro de líquido, la válvula cierra
herméticamente.
Tubo capilar:
Se trata del dispositivo más sencillo de regulación y control de flujo fluido
frigorígeno; está formado por un tubo de cobre cuya longitud y diámetro
dependen de la pérdida de carga que se necesite obtener, naturaleza y
estado del flujo. La posición en la que se instala, entre el condensador
(alta presión) y el evaporador (baja presión).
Durante el flujo de refrigerante a través del tubo capilar se forma gas.
Al reducirse la presión del líquido que pasa por el tubo, se reduce
proporcionalmente la temperatura del refrigerante. La expansión del
fluido se obtiene por la caída de presión a su paso por el interior del
tubo; para evitar la evaporación parcial en el interior se suelda parte del
tubo capilar al tubo de aspiración.
El caudal del tubo capilar y las condiciones en que alimenta el evaporador
no depende de la carga frigorífica por lo que se debe emplear únicamente
Tubo capilar
384
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
en aquellos casos en los que la carga se relativamente constante como
en los compresores de tipo hermético o en pequeñas instalaciones.
Tubo capilar de inyección
Cuando la carga de refrigeración sube y la presión de descarga aumenta,
la temperatura de gas de descarga aumenta y el motor del compresor se
sobrecalienta. El diseño del tubo capilar de inyección coincide con la
del tubo capilar. Se conecta al compresor o al tubo de aspiración. Un
volumen constante de refrigerante líquido pasa por el tubo capilar de
inyección, donde el refrigerante se transforma en un refrigerante líquido
de temperatura baja que enfría el motor del compresor.
Válvula de paso manual: membrana, bola y globo
En los sistemas de refrigeración, además de las válvulas de control
automáticas operadas por presión, por temperatura o eléctricamente,
también se utilizan válvulas manuales. Estas válvulas son de tipo totalmente
cerradas o totalmente abiertas. Los materiales que se utilizan para la
fabricación de válvulas manuales para refrigeración son: acero, bronce,
latón y cobre.
Las conexiones pueden ser: roscadas, soldables y bridadas. Por su forma,
las válvulas manuales pueden ser de globo, de esfera, de diafragma, de
ángulo, de retención, de acceso, etc. En un sistema de refrigeración, se
puede instalar cualquier cantidad de válvulas manuales, tantas como lo
permita el tamaño del sistema o la caída de presión. Algunas de las
Válvula de paso manual
385
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
características que se requieren en las válvulas manuales son: confiabilidad,
baja caída de presión, diseño a prueba de fugas, materiales compatibles
con el refrigerante y el aceite. En los sistemas de refrigeración las válvulas
manuales se instalan en puntos claves, y sirven no sólo para regular el
flujo de líquido, sino también para aislar algún componente o parte del
sistema para darle mantenimiento, sin tener que interrumpir otros
componentes o accesorios. El diseño de la válvula deberá ser tal que sus
superficies sellantes no se distorsionen o se desalineen con los cambios
de temperatura, la presión y el esfuerzo de la tubería a la que está
conectada. Las superficies sellantes (asientos) deberán ser de diseño y
materiales tales que la válvula permanezca cerrada herméticamente
durante un período de servicio razonable.
A continuación se describen algunos de las principales aplicaciones de
las válvulas de paso:
•
Válvulas de Paso
Su función principal es controlar el flujo de líquido y la presión. Las
válvulas de paso instaladas en un sistema, deben estar totalmente
abiertas o totalmente cerradas. Se utilizan para aislar componentes
en el sistema. Las válvulas de paso que más comúnmente se utilizan
en refrigeración, son las de tipo globo.
•
Válvulas de Servicio
En los sistemas de refrigeración, los técnicos de servicio deben estar
familiarizados con las válvulas manuales de servicio. Estas válvulas le
permiten sellar partes del sistema mientras conectan manómetros,
se carga o descarga refrigerante o aceite, se realiza el vacío, etc.:
-
-
Válvulas de Servicio Para Compresor . Los compresores abiertos
y semiherméticos generalmente vienen equipados con válvulas
de servicio. Estas válvulas van atornilladas al cuerpo del compresor,
una en la succión y otra en la descarga.
Válvula de Servicio para depósito de líquido. Los depósitos de
refrigerante líquido llevan dos de estas válvulas. Una va ubicada
sobre el tanque, después del condensador (válvula de entrada),
y la otra se ubica sobre el recibidor, antes de la línea de líquido
(válvula de salida). Estas dos válvulas permiten al técnico
desconectar el depósito recibidor del sistema, cargar refrigerante
en forma líquida, colectar todo el refrigerante del sistema en el
recibidor, etc. Algunos recibidores están equipados con una sola
válvula de servicio, la de salida, con la entrada en forma de una
conexión ordinaria de codo.
386
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Válvula de retención
Este tipo de válvulas se utilizan en los sistemas de refrigeración, para
evitar que refrigerante (en forma líquida o gaseosa) y el aceite fluyan en
sentido contrario. Estas válvulas sólo permiten el flujo de refrigerante y
aceite en un sólo sentido. Algunos tipos de válvulas de retención se
utilizan en líneas de succión, para evitar que regrese refrigerante o aceite
al evaporador u otros dispositivos, donde pudiera condensar o alojar
durante los ciclos de paro. Con frecuencia se utilizan en instalaciones
de evaporadores múltiples, conectados a una sola unidad de condensación
y los evaporadores a diferentes temperaturas.
Algunos sistemas de bombas de calor utilizan dos válvulas de retención,
en combinación con dos válvulas de termo-expansión, para que opere
una u otra cuando se invierta el ciclo de refrigeración a calefacción o
viceversa.
Las válvulas de retención también se utilizan en algunos sistemas de
deshielo por gas caliente. Una de las aplicaciones más comunes, tanto
en refrigeración comercial como industrial, es en la línea de descarga
(gas caliente), entre el separador de aceite y el condensador, con el
objeto de evitar que en los ciclos de paro o en los cambios repentinos
de presión, regrese refrigerante al separador de aceite y se condense,
sobre todo en lugares de baja temperatura ambiente.
Válvula de retención
Válvula solenoide
En la mayoría de las aplicaciones de refrigeración es necesario abrir o
detener el flujo, en un circuito de refrigerante, para poder controlar
automáticamente el flujo de fluidos en el sistema. Para este propósito,
generalmente se utiliza una válvula de solenoide operada eléctricamente.
Su función básica es la misma que una válvula de paso operada
manualmente, pero siendo accionada eléctricamente se puede instalar
en lugares remotos y puede ser controlada convenientemente por
387
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
interruptores eléctricos simples. Las válvulas de solenoide pueden ser
operadas por interruptores termostáticos, de flotador, de baja presión,
de alta presión, por reloj, o cualquier otro dispositivo que abra o cierre
un circuito eléctrico, siendo el interruptor termostático el dispositivo
más común utilizado en sistemas de refrigeración.
Una válvula de solenoide consiste de dos partes accionantes distintas,
pero integrales: un solenoide (bobina eléctrica) y el cuerpo de la válvula.
Un electroimán es un imán en el cual las líneas de fuerza son producidas
por una corriente eléctrica. Este tipo de imanes es importante para el
diseño de controles automáticos, porque el campo magnético puede ser
creado o eliminado al activar o desactivar una corriente eléctrica. La
bobina proporciona un canal, en el cual se crea una fuerte fuerza
magnética al energizar la bobina. El solenoide es una forma simple de
electroimán que consiste de una bobina de alambre de cobre aislado, o
de otro conductor apropiado, el cual está enrollado en espiral alrededor
de la superficie de un cuerpo cilíndrico, generalmente de sección
transversal circular (carrete). Cuando se envía corriente eléctrica a través
de estos devanados, actúan como electroimán. El campo magnético que
se crea es la fuerza motriz para abrir la válvula. Este campo atrae materiales
magnéticos, tales como el hierro y muchas de sus aleaciones. Dentro del
núcleo va un émbolo móvil de acero magnético, el cual es jalado hacia
el centro al ser energizada la bobina.
Válvula de solenoide
Algunas de las principales aplicaciones en refrigeración se describen a
continuación:
Prevención de Inundación del Compresor
Probablemente la aplicación más común en refrigeración de una válvula
de solenoide es su uso como válvula de paso automática en la línea de
líquido que alimenta un evaporador. Aunque las válvulas de termo
–expansión son producidas como dispositivos de cierre hermético, no
388
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
se puede confiar en un cierre positivo, si la superficie de sus asientos
están expuestas a polvo, humedad, corrosión o erosión. Además, si el
bulbo remoto de una válvula de expansión está instalado en un sitio,
donde durante los ciclos de paro puede ser afectado por una temperatura
ambiente más alta que la del evaporador. El ciclo de enfriamiento bobina
energizada válvula puede abrir durante una parte del ciclo de paro y
admitir el paso de líquido al evaporador. Una válvula de solenoide en la
línea de líquido, conectada para cerrar cada que el compresor pare,
evitará dicha fuga. En sistemas de evaporadores múltiples se puede utilizar
una sola válvula de solenoide en la línea de líquido principal, para evitar
la inundación de refrigerante líquido. En esta aplicación, la válvula de
solenoide se conecta de la misma manera, para que cierre cuando pare
el compresor.
Control de Vacío
Una importante variación de la aplicación de la válvula de solenoide
para la línea de líquido es el ciclo de control de vacío, adaptable
especialmente para instalaciones de aire acondicionado. El objetivo
principal de este sistema de control es evitar que durante los ciclos de
paro el refrigerante en el evaporador emigre hacia el compresor y diluya
el aceite en el cárter. El arreglo se hace de tal forma que la válvula de
solenoide esté controlada por un termostato. Cuando el sistema alcanza
la temperatura deseada, el termostato manda una señal y la válvula de
solenoide cierra, pero el compresor continúa trabajando y de esta manera
remueve casi la totalidad del refrigerante en el evaporador .Al disminuir
la presión un interruptor de baja presión detiene el compresor, pero
este mismo interruptor no lo puede arrancar otra vez. Cuando el
termostato reclama más enfriamiento envía una señal a la válvula de
solenoide para que abra, se eleva la presión de succión y el interruptor
de baja presión arrancará de nuevo al compresor. Se puede utilizar un
relevador para el arrancador del motor. Esto evitará que se acumule un
exceso de líquido en el evaporador, entre el tiempo en que la válvula de
solenoide abra y el compresor arranque.
Descarga de Gas Caliente
Instalada una válvula de solenoide especial para gas caliente, en un desvío
alrededor de uno o más cilindros del compresor, proporcionará un
control de capacidad para el compresor. La válvula puede ser operada
ya sea por un termostato o un interruptor de presión. Otra aplicación
para las válvulas de solenoide en control de capacidad es el uso de una
válvula de tres vías en ciertos compresores. En este caso, la válvula de tres
vías es un operador piloto del mecanismo de descarga, integrado en el
compresor.
389
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Control de Nivel de Líquido
En una instalación con uno o más evaporadores del tipo inundado como
un sistema múltiple "seco", se puede colocar una válvula de solenoide
para líquido, seguida de una válvula de expansión manual. La línea de
líquido conduce a un recipiente o tambor, en el cual el nivel de refrigerante
líquido está controlado por un interruptor de flotador. La válvula de
solenoide para líquido es accionada por el interruptor del flotador.
Cuando el nivel del líquido baja a un nivel predeterminado, el interruptor
abre la válvula. Al alcanzarse el nivel deseado, el interruptor cierra la
válvula. También se puede obtener la acción inversa.
Válvulas de Solenoide para Succión
Estas válvulas se usan con frecuencia cuando se requiere un aislamiento
completo para el deshielo. También se utilizan para desviar la succión
en instalaciones con dos o más unidades en serie, alimentadas por una
válvula de termo expansión. Si la diferencia de temperaturas entre dos
o más unidades refrigeradas es mayor de 7°C, se utiliza con frecuencia
una válvula de solenoide para succión en la salida de la unidad menos
fría, para evitar la condensación de refrigerante en la unidad más fría,
durante el ciclo de paro.
Válvulas de Solenoide Descargadoras
Existen muchas instalaciones en donde es necesario arrancar el compresor
descargado, a presiones de succión de arranque descomunalmente altas,
a causa del motor que se utiliza, con el consabido alto consumo de
energía. Las válvulas de solenoide para descargar compresores se usan
fácilmente en estas aplicaciones, instalándolas en una línea de desvío
entre la descarga y la succión del compresor. La válvula se abre
automáticamente cuando arranca el compresor, esto corta la carga en
el arranque. Cuando el compresor alcanza su velocidad completa la
válvula de solenoide que descarga al compresor cierra y el compresor
queda funcionando normalmente.
Válvulas electromagnéticas de dos y tres vías
Válvulas de Dos Vías
Los tres tipos principales de válvulas son: de dos vías, de tres vías y de
cuatro vías. La válvula de dos vías es el tipo de válvula de solenoide más
común; tiene una conexión de entrada y una de salida, y controla el flujo
del fluido en una sola línea. Puede ser de acción directa u operada por
piloto, dependiendo de la capacidad del sistema. Cada una de éstas
puede ser “normalmente cerrada” o “normalmente abierta”. Cuando la
390
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
bobina está desenergizada, el peso del émbolo y la acción del resorte
mantienen cerrada la válvula. Cuando se energiza la bobina, se forma el
campo magnético, el cual atrae al émbolo hacia el centro y la aguja se
levanta del asiento, abriendo el orificio del puerto y permitiendo el flujo
a través de la válvula. Cuando nuevamente se desenergiza la bobina, la
fuerza que retiene al émbolo es liberada, haciéndolo que caiga por su
propio peso y por la acción del resorte, cubriendo el orificio del puerto
y deteniendo el flujo a través de la válvula.
Válvulas de Tres Vías
Las válvulas de tres vías, tienen una conexión de entrada que es común
a dos diferentes conexiones de salida. Las válvulas de tres vías son,
básicamente, una combinación de la válvula de dos vías, normalmente
cerrada, y de la válvula de dos vías normalmente abierta, en un solo
cuerpo y con una sola bobina. La mayoría son del tipo “operadas por
piloto”.
Las principales aplicaciones de las válvulas de tres vías son las siguientes:
•
Recuperación de Calor.
Las válvulas de solenoide utilizadas para recuperación de calor, están
diseñadas, específicamente, para desviar el gas de descarga a un
condensador auxiliar. Se instalan conectando la entrada común a la
descarga del compresor. Las dos salidas van conectadas una al
condensador normal, y la otra, al condensador auxiliar. Como es una
válvula operada por piloto, depende de la presión del gas refrigerante
para deslizar el ensamble del pistón, y su operación está gobernada
por la posición del émbolo.
Válvula de tres vías
•
Reducción de Capacidad del Compresor.
Comúnmente, la reducción de capacidad de un compresor, se lleva
a cabo descargando el gas de los cilindros, durante los períodos de
391
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
baja demanda, y desviándolo hacia la succión. Cuando están
desenergizadas, el gas de descarga del compresor sigue su ciclo normal
hacia el condensador. Cuando se energiza la bobina, el gas de la
descarga es entonces desviado al lado de baja del sistema, reduciendo
la capacidad. También, el gas de la descarga puede utilizarse para el
deshielo del evaporador.
•
Deshielo con Gas Caliente.
En esta aplicación, la válvula se usa para admitir gas caliente hacia
las líneas de succión. Cuando está desenergizada la bobina, el émbolo
está cerrando el orificio piloto y está cerrada la línea piloto, permitiendo
que se iguale la presión a través del pistón. La presión de descarga
mantiene cerrado el puerto superior, y el flujo es del evaporador a
la succión del compresor. Esta es la posición en que el sistema opera
normalmente. Cuando está energizada la bobina, se abre el puerto
mover el pistón, cerrando el flujo del evaporador a la succión y
desviando la carga hacia el evaporador. Entonces, el gas de alta presión
fluye de la línea de descarga hacia el evaporador, aumentando la
temperatura y presión dentro del evaporador y deshelando el serpentín.
Una válvula de solenoide de tres vías, se usa para mantener la válvula
de termo expansión herméticamente cerrada durante los ciclos de
paro. Cuando el compresor está trabajando, la válvula de solenoide
está energizada, el émbolo es accionado hacia arriba, cerrando el
puerto que conecta a la alta presión. La presión de la línea de succión
es transmitida a la válvula de termoexpansión a través del tubo
igualador. Cuando el compresor se detiene, la válvula de solenoide
se desenergiza, el émbolo cae y cierra el puerto conectado a la línea
de succión. El refrigerante de alta presión entra a la válvula de
solenoide y pasa hacia la válvula de termoexpansión a través del tubo
igualador, forzando el diafragma a subir, para así mantener cerrada
la válvula de termoexpansión durante los ciclos de paro.
Válvula inversora de cuatro vías
Las válvulas de solenoide de cuatro vías como la que se muestra en la
figura, se conocen comúnmente como válvulas reversibles. Su uso es casi
exclusivamente en bombas de calor, para seleccionar ya sea el ciclo de
enfriamiento o el de calefacción, dependiendo del requerimiento. Estas
válvulas tienen tres salidas y una entrada común. Una bomba de calor
es un equipo central acondicionador de aire, con ciclo reversible. En el
verano, el refrigerante absorbe calor del interior de edificio y lo expulsa
al exterior. En el invierno, el ciclo se invierte, el refrigerante absorbe
calor del exterior y lo libera dentro del edificio. El condensador y el
evaporador son obligados a intercambiar funciones, invirtiendo el flujo
de refrigerante, y la válvula de cuatro vías es la que se encarga de esto.
392
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Válvula de cuatro vías
Válvula reguladora presión de arranque y aspiración
La válvula de arranque se utiliza para proteger el motor del compresor
contra las sobrecargas debidas a las temperaturas de evaporación elevadas,
constatadas a la puesta en marcha de las instalaciones frigoríficas cuyas
temperaturas de evaporación en régimen normal son muy bajas. Actúan
directamente sobre la presión de aspiración del compresor,
independientemente de la presión de evaporación del fluido frigorígeno,
limitando la presión de aspiración del compresor, a la puesta en marcha,
a un valor máximo determinado previamente por la regulación de la
válvula.
Válvula reguladora de presión de arranque
Las válvulas reguladoras de arranque se montan en la tubería de aspiración
lo más cerca posible del compresor, y efectúan una acción de
estrangulamiento automático en relación a la temperatura de evaporación,
a la que se va ajustando hasta abrir por completo tan pronto se llega al
límite de presión deseada para su trabajo normal. Para su regulación
debe verificarse simultáneamente la carga del motor por medio de un
amperímetro, a fin de observar el punto en que no excede su consumo
normal, así como también la presión del condensador a través del
manómetro de alta presión.
393
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Válvula reguladora presión de condensación
Para instalaciones con condensación por aire, se emplea la válvula
reguladora de presión de condensación para mantener una presión
constante de condensación y de recipiente. La regulación de la presión
se obtiene por disminución de la superficie efectiva del condensador.
Válvula reguladora presión de recipiente
La válvula es un regulador de presión por modulación, se abre cuando
la presión en el recipiente disminuye, derivando el gas caliente para
mantener la presión de recipiente. Junto con la válvula reguladora de
presión de condensación se emplea con el fin de mantener una presión
constante y elevada en el condensador y en el recipiente.
Válvula reguladora derivación gas caliente o válvula
reguladora de capacidad
Estas válvulas se emplean para la reducción de la capacidad del compresor
en instalaciones con uno o más evaporadores, cuando descienden las
necesidades de frío, evitando, por medio del control de baja presión,
que ésta no se reduzca excesivamente por causa de la carga reducida,
con la consiguiente y peligrosa admisión de refrigerante líquido en el
compresor que contribuye a la ebullición y fuga de aceite en el cárter
del mismo. Su objeto no es, sin embargo, mantener constante la presión
de aspiración, sino evitar oscilaciones muy fuertes, reduciendo la capacidad
del compresor cuando éste no incorpora otro sistema regulador de la
misma. Estas válvulas actúan abriendo el paso a medida que la presión
cae por debajo del límite establecido. En el período de servicio normal,
mientras la aspiración se halla por encima del valor ajustado, la válvula
queda cerrada, abriendo a medida que desciende dicha presión. Se
monta haciendo un «by pass» que comunica la descarga del compresor
a la línea de aspiración. Al abrirse la válvula pasa gas evaporado caliente
a la aspiración, de forma que el compresor pueda absorber dicho
refrigerante sin aumentar la refrigeración.
Válvulas reguladoras caudal de agua de condensación
El consumo de agua de condensación representa un elemento importante
en el coste de una instalación cuando el condensador se alimenta con
«agua perdida», por lo que interesa limitar este consumo al mínimo
compatible con el funcionamiento correcto de la instalación. Para obtener
este resultado es del todo indispensable ajustar el caudal de agua a las
variaciones de régimen experimentadas por la máquina. Para ello se
394
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
recurre a las válvulas de agua presostáticas y termostáticas que regulan
este caudal en función de la presión de condensación (válvulas de agua
presostáticas) o de la temperatura de salida del agua (válvulas de agua
termostáticas), y con estos aparatos, a la parada de la instalación se cierra
progresivamente el paso del agua de enfriamiento. También se puede
alimentar con agua el condensador por medio de una válvula de tipo
magnético (solenoide); en este último caso, el caudal no se ajusta a las
condiciones de marcha de la máquina, actuando únicamente en función
del tipo de válvula empleada y de las condiciones en que se realiza la
distribución de agua.
Termostatos
Son aparatos de regulación de la temperatura, de funcionamiento todo
o nada; interruptores eléctricos accionados por temperatura. Constan
de un detector (órgano sensible de un termómetro) y un emisor (contactor
eléctrico).
El órgano sensible del detector puede basarse en:
•
Las variaciones de tensión de vapor de un fluido encerrado en un
bulbo (termostato de bulbo).
•
En la deformación relativa de dos metales diferentes (termostato
bimetal).
Los termostatos se usan para controlar el nivel de temperatura de un
recinto o un producto refrigerado, operando sobre el ciclo de trabajo
del compresor. En los sistemas automatizados disponen de control gracias
a las siguientes aplicaciones del termostato:
•
Termostato interno del compresor.
•
Termostato de descarga (control sobrecalentamiento).
•
Termostato para protección del condensador contra alta presión de
trabajo.
•
Termostato de control de protección antihielo.
Termostato
395
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Higrostatos
Los higrostatos son interruptores eléctricos controlados por humedad
y provistos de un conmutador universor unipolar, su finalidad consiste
en regular entre dos límites previamente determinados en la regulación
del aparato, la humedad relativa de un recinto gaseoso refrigerado.
Las principales aplicaciones de los higrostatos son instalaciones en las
que se desean mantener la humedad relativa dentro de límites precisos;
se emplean para la puesta en marcha de dispositivos de deshidratación
y deshumificación.
4.2. Tipos de dispositivos de seguridad
Conmutador de presión alta
El presostato de presión controla a presión de impulsión o de descarga,
interrumpiendo el circuito cuando el valor de dicha presión se eleva por
encima de un valor determinado, volviendo a poner en marcha el
compresor al restablecerse las condiciones de funcionamiento normales.
Presostato de alta, conmutador de presión alta
Conmutador de presión baja
Mantiene la marcha automática de la instalación regulando la presión
de evaporación del fluido frigorígeno. Como aparato de protección
detiene el compresor en caso que la presión de aspiración baje
Presostato de baja, conmutador de presión baja
396
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
anormalmente, volviendo a poner en marcha el compresor una vez se
restauren las condiciones normales.
Conmutador de presión de aceite (OPS)
Instalado con un dispositivo temporizador en la tubería de aspiración,
detiene el compresor si la lubrificación de éste no se realiza a la presión
ajustada en a puesta en marcha de la instalación.
Tapón fusible
Consiste en un tapón de metal relleno de una aleación cuyo punto de
fusión es bajo (70-75ºC). Se instala en el condensador o en el tubo de
líquido entre el y el aparato de medición. Al producirse una sobrepresión,
con el derivado aumento de temperatura, el fusible metálico se funde,
expulsando el refrigerante.
Válvula de seguridad, válvula de descarga.
Se trata de una válvula instalada en la parte de alta presión del sistema.
Cuando la presión adquiere un valor por encima del ajustado, esta
sobrepresión empuja el asiento de la válvula, abriendo el circuito y
expulsando el refrigerante.
Existen válvulas de seguridad de tipo membrana con comunicación
interior (by-pass), instalada entre la salida del compresor y la entrada
del condensador, en caso de existir separador de aceite, se instala entre
éste y el condensador, comunicando por su otro extremo con el lado de
baja. Cuando se produce una sobrepresión se abre la membrana de
comunicación equilibrándose el sistema y evitando la pérdida de
refrigerante.
Reguladores de presión
En el período invernal, la presión en el recipiente acumulador debe
mantenerse a un valor compatible con el buen funcionamiento de los
aparatos de alimentación (válvulas de expansión), lo que se consigue
merced a una toma de presión practicada en la descarga del compresor.
Dicho dispositivo requiere la instalación de dos reguladores de presión
montados, por una parte, sobre la tubería de unión entre el condensador
y el recipiente de líquido condensado y, por otra, en la tubería de «bypass» de los gases descargados. El regulador de presión intercalado entre
el condensador y el recipiente de líquido debe cerrar ante una baja de
presión en el condensador, y el que se halla en la tubería del «by-pass»,
397
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
debe abrir por descenso de presión en el recipiente de líquido. Se trata,
en efecto, de un regulador de capacidad.
4.3. Dispositivos eléctricos y electrónicos
de seguridad y control
Las principales protecciones eléctricas y electrónicas así como dispositivos
de control son los siguientes:
•
Relé de sobreintensidad
Tal y como se explicará en el apartado 5.6.15, instalado en el cuadro
eléctrico, evita que los motores del ventilador y del compresor se
quemen. Si la corriente es superior a la de ajuste, la pieza bimetálica
del relé se deforma al calentarse abriéndose los contactos y provocando
la parada del motor.
•
Magnetotérmicos de protección del compresor/ventiladores
Los fusibles de protección contra sobreintensidades son sustituidos
por interruptores magnetotérmicos en los circuitos de potencia. Los
interruptores magnetotérmicos permiten el rearme automático y no
es necesaria la sustitución de ninguno de sus componentes como en
el caso de los fusibles.
•
Relé contra inversión de fase
Dispositivo de protección que impide el funcionamiento inverso del
compresor, de forma que éste no pueda accionarse en la dirección
incorrecta debida a la conexión errónea de las fases de la fuente de
alimentación principal.
•
Interruptor por diferencia de presión de agua:
Dispositivo mediante el cual se registra la diferencia de presión entre
las tuberías de entrada y salida de agua en los sistemas condensados
por agua, con el fin de detectar obstrucciones en las tuberías de agua.
•
Interruptor de caudal de agua
Dispositivo mediante el cual se detectan anomalías en las tuberías de
398
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
agua, tratándose de un interruptor que evalúa el caudal de agua en
circulación.
•
Contador horario
Se emplean para registrar las horas totales de funcionamiento del
compresor.
•
Alarmas de fallo en el funcionamiento
Son dispositivos electrónicos que permiten verificar el funcionamiento
normal o anormal del sistema. Normalmente en caso de mal
funcionamiento, en el cuadro de protección y control se señaliza
mediante señales ópticas y, en algún caso, sonoro, mediante un relé
temporizador o un pulsador, pueden desconectarse estos avisadores.
En las unidades que disponen de control microprocesado es posible
obtener un histórico de las alarmas y comprobar las condiciones en
las que funcionaba el sistema en el momento del fallo.
•
Contador horario de funcionamiento del compresor:
El contador horario indica las horas totales de funcionamiento del
compresor.
•
Sistema de control por microprocesador:
Existen en la actualidad sistemas completamente automatizados
mediante los cuales se puede obtener información acerca del sistema,
registrar comandos y protocolos de funcionamiento, detectar fallos
del sistema o funcionamientos anómalos. Mediante tarjetas de interfaz
es posible recoger toda esta información y centralizarla en un único
puesto remoto desde el cual pueda controlarse la instalación.
En las tarjetas de circuitos impresos están montados microprocesadores,
relés y componentes electrónicos. Gracias a la eliminación de piezas
mecánicas y de cables, se asegura una mayor fiabilidad.
399
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Las tarjetas contienen diversas funciones controladas por el
microprocesador; tomaremos como ejemplo las funciones de la tarjeta
de un sistema de control de una enfriadora, condensada por agua de
cuatro compresores:
•
Circuito de protección cíclica del compresor de tornillo.
•
Temporizador electrónico del circuito de protección cíclica del
compresor de tornillo, conectado al circuito de control del compresor,
retarda el periodo de reinicio del compresor de tornillo, el
temporizador actuaría de la siguiente forma: aproximadamente tres
(3) minutos para el compresor nº 1, cuatro (4) minutos para el
compresor nº 2, cinco (5) para el compresor nº 3 y seis (6) para el
compresor nº 4.
•
Circuito del termostato electrónico. El termostato electrónico detecta
la temperatura de salida del agua enfriada y acciona las válvulas de
solenoide de control de capacidad del compresor de tornillo.
•
Circuito de protección reversible del compresor de tornillo. Este
circuito consta de un relé contra la inversión de fase.
•
Reinicio tras producirse un fallo de alimentación de corta duración.
Si se produce un fallo de alimentación de menos de 2 segundos de
duración, los compresores se podrán reiniciar automáticamente en
un periodo de 3 minutos.
•
Fuente de alimentación. El circuito de control recibe corriente del
circuito de alimentación principal. Para el control remoto, el
interbloqueo de bomba y el funcionamiento de la bomba.
400
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
5. TORRES DE REFRIGERACIÓN
5.1. Introducción
Como se ha visto en temas anteriores, dentro de los elementos principales
que componen el ciclo de refrigeración está el condensador. Existen
condensadores refrigerados por aire y condensadores refrigerados por
agua. En los primeros una corriente de aire ambiente elimina el calor
del refrigerante, mientras que en los segundos es una corriente de agua
la que realiza la absorción de calor.
Cuando no se dispone de una corriente natural de agua, como podría
ser un río o el agua de mar, se usan circuitos cerrados de agua en los que
dicho líquido realiza un segundo ciclo de calentamiento-enfriamiento
en el que toma el calor del refrigerante y lo cede al aire ambiental.
La primera transferencia de calor (del refrigerante al agua) se realiza
en la unidad condensadora. La segunda transferencia (del agua al aire
ambiente) se puede realizar de varios modos: a través de intercambiadores
de placas (haciendo pasar corrientes de aire a través de las tuberías que
recorre el agua) o a través de torres de refrigeración.
En las torres de refrigeración se consigue disminuir la temperatura del
agua caliente mediante transferencia de calor y de materia al aire que
circula por el interior de la torre. El agua es pulverizada a través de una
corriente de aire y parte de este agua, si la humedad relativa del aire
circulante es reducida y la temperatura del agua bastante elevada, se
evapora.
Para evaporarse el líquido necesita cierta cantidad de calor que roba en
parte del aire circulante y, mayoritariamente, de las gotas de agua que
tiene a su alrededor. Las gotas no evaporadas van enfriándose a medida
que cierta parte del agua continúa evaporando. Finalmente las gotas no
evaporadas se recogen en el fondo de la torre desde donde comienzan
de nuevo el ciclo de enfriamiento al ser impulsadas al condensador.
Además del citado fenómeno de la evaporación, el aire también roba
cierta cantidad de calor al agua caliente cuando se produce el contacto
aire-agua. De todos modos, esta transferencia puede cifrarse en el 10%
del total producido en una torre de refrigeración.
La cantidad de agua cedida al aire ambiente en forma de vapor es muy
reducida en comparación con los caudales circulantes a través del circuito
de enfriamiento del refrigerante: para evaporar 1 kg de agua a las
temperaturas de funcionamiento de las torres hacen falta 550 kilocalorías;
dicho calor será absorbido de las gotas de aguas circulantes, si en ellas
401
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
se produce un descenso de la temperatura de 5,5º C (salto térmico
normal en torres de refrigeración), serán necesarios 100 kg de agua para
poder evaporar la cantidad de agua citada.
Es por eso por lo que el consumo de agua se cifra aproximadamente en
el 1% del caudal necesario para el enfriamiento del refrigerante.
Esquema de funcionamiento de una torre de refrigeración
5.2. Clasificaciones de las torres de refrigeración
Las torres de refrigeración se suelen clasificar dependiendo de si la
corriente de aire que favorece el enfriamiento del agua se mueve de
modo natural o si, por el contrario, existe algún elemento mecánico
exterior que provoca dicha corriente. Así, las torres se dividen en torres
de circulación natural y torres de tiro mecánico o forzado.
Además, las torres de circulación natural se subdividen en torres
atmosféricas y torres de tiro natural, propiamente dichas.
Por su parte, las torres de tiro mecánico se subdividen en torres de tiro
natural asistido y torres de tiro mecánico.
5.2.1. Torres de circulación natural
Torres Atmosféricas
Las torres atmosféricas utilizan las corrientes de aire atmosférica (vientos).
El aire se mueve de forma horizontal y el agua cae verticalmente a su
través.
402
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Deben construirse de gran altura para aprovechar los vientos dominantes,
de modo que ningún obstáculo pueda impedir la citada corriente de
aire.
El costo inicial de construcción es elevado pero su mantenimiento es
mínimo al no existir partes mecánicas móviles. Para que resulten
económicas en relación con otras soluciones debe asegurarse una
velocidad del viento constante por encima de los 8 km/h y por ello son
muy pocos los lugares adecuados.
De otro modo los costes de bombear el agua desde el condensador hasta
la parte alta son más elevados que los que ocurren por crear una corriente
artificial de aire.
Este tipo de torres está en desuso.
Torre atmosférica
Torres de Tiro Natural
En las torres de tiro natural se induce una corriente de aire, generalmente
vertical ascendente, a través del flujo de agua que cae en sentido vertical
descendente.
La corriente de aire se consigue al construir una chimenea de altura
suficiente y base abierta al exterior. El aire interior se calienta al entrar
en contacto con el agua a refrigerar y al calentarse tiende a subir hacia
el exterior a través de la parte superior de la chimenea. Al fluir crea una
depresión en el interior de la chimenea que el aire exterior trata de
compensar entrando a través de la base abierta al exterior.
Además, con la altura el aire es menos denso y las velocidades de los
vientos, superiores; ambos fenómenos facilitan la corriente interior de
las chimeneas, y para ello las torres de refrigeración deben ser altas y
con grandes secciones transversales que ofrezcan poca resistencia a la
corriente de aire.
Al igual que las anteriores, los costes iniciales de las instalaciones son
muy elevados y los costes de mantenimiento, reducidos, en comparación
403
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
con los enfriamientos obtenidos.
Son adecuadas para enfriar grandes cantidades de agua ,pero presentan
un difícil control de las temperaturas de salida del agua y no son indicadas
en las aplicaciones en las que esto sea preferente.
Las torres de tiro natural son las usadas en las centrales térmicas de
producción de energía eléctrica y raramente utilizada en los sistemas de
refrigeración industrial.
Torre de tiro natural
5.2.2. Torres de Tiro Mecánico
Torres de Tiro Natural Asistido
Las torres de tiro natural asistido son torres de tiro natural inducido en
las que, para permitir disminuir el tamaño de la chimenea (sección y
altura), se instalan unos ventiladores en la base abierta al exterior de la
chimenea que se encargan de introducir aire fresco exterior en la
chimenea y facilitan la corriente vertical de aire.
Este tipo de torres aumentan el ratio de intercambio por unidad de
superficie y encuentran aplicación en industrias con grandes caudales
de agua a enfriar.
Torres de Tiro Mecánico
Estas torres incorporan potentes ventiladores (en relación con las potencias
de intercambio con las que trabajan) que, por sí mismos, son capaces de
generar la corriente de aire que precisa el agua para ser refrigerada.
Con estos sistemas se consigue un elevado control en la temperatura de
salida del agua.
404
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Comparativamente, en relación a las torres de tiro natural, son elementos
muy compactos, de reducidas dimensiones, de bajo gasto para bombeo
del agua, pero que precisan mayor mantenimiento al presentar más
elementos mecánicos y de control que las anteriores.
Se distinguen entre torres de tiro mecánico forzado e inducido; en las
primeras, los ventiladores se instalan en la entrada de aire y fuerzan al
aire a pasar a través de la corriente de agua. En las segundas, los
ventiladores se sitúan a la salida del aire, creando un vacío en el interior
de la torre que induce al aire exterior a introducirse en la torre y enfriar
a su paso el agua refrigerante.
Las torres de tiro forzado son más eficientes que las de tiro inducido ya
que al tomar aire del exterior lo toman a presión atmosférica y en estas
condiciones son capaces de mover mayores cantidades de aire que si lo
hacen a presiones inferiores. Además el aire que pasa a través de los
ventiladores es aire seco y frío en comparación con el aire de salida,
mucho menos agresivo, por tanto, para las partes mecánicas de los
ventiladores.
Por contra, la posibilidad de recirculación del aire de la salida de torre
de nuevo hacia la entrada es elevada por disminuir en dicho punto la
presión relativa, debido a la acción del ventilador. Si ello se produce, la
temperatura del aire a la entrada es superior y desciende su capacidad
de enfriar el agua.
En las torres de tiro inducido, el aire a la entrada y a la salida tienen
prácticamente la misma presión y no hay motivos físicos que produzcan
un retorno del aire de salida hacia la toma de aire de la torre.
Torre de tiro mecánico forzado
Torre de tiro mecánico inducido
405
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
5.2.3. Otras Clasificaciones
Además de la tipología presentada anteriormente, las torres de
refrigeración admiten más clasificaciones.
Según el flujo relativo de aire y agua
Según este parámetro, las torres se dividen en torres de flujo cruzado y
torres de flujo a contracorriente.
En todas las torres, el agua se deja caer libremente o con un poco de
presión, por lo que, debido a su propio peso, adquiere una velocidad
vertical descendente.
La dirección del aire es la que sirve de base para esta clasificación. Las
torres de tiro cruzado son aquéllas en las que el aire se cruza con el flujo
de agua según una velocidad vertical ascendente. El aire más fresco y,
sobre todo, seco se encuentra a la entrada en la torre con el agua más
fría y en estas condiciones el rendimiento del equipo es superior.
En las torres de flujo cruzado el encuentro entre corrientes de aire y
agua se realiza según direcciones perpendiculares, el aire discurre en
horizontal. Los equipos resultantes poseen menos altura que los que se
realizan mediante flujo a contracorriente y el mantenimiento de los
componentes se facilita. La pérdida de presión que provoca el cruce
entre masas de aire y agua es menor si éste se realiza cruzado y los
ventiladores no precisan tanta potencia.
Como inconveniente está el hecho de que con los equipos cruzados no
se pueden conseguir grandes acercamientos entre las temperaturas del
agua y del aire.
De la anterior clasificación, las torres de tiro natural, de tiro natural
asistido y de tiro mecánico forzado son de flujo a contracorriente, mientras
que las torres atmosféricas son de tiro a contracorriente.
Torre de flujo a contracorriente
Torre de flujo cruzado
406
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
En cuanto a las torres de tiro mecánico inducido, existen de los dos tipos,
a contracorriente y de flujo cruzado.
Según la forma en la que el agua es distribuida
El objetivo de la distribución de agua es que se genere la máxima superficie
posible de contacto aire-agua y así maximizar el intercambio de calor
entre los dos fluidos.
En las torres de relleno laminar se fuerza al agua para que forme películas
de poco espesor sobre materiales de gran superficie a los que se obliga
a mojar en su totalidad.
Las torres de relleno de goteo tratan de pulverizar el agua para que no
existan grandes masas de agua en las que la superficie exterior actúe a
modo de escudo y evite el enfriamiento de las partes interiores.
5.3. Principios físicos de funcionamiento
Como se ha descrito en la introducción, conducción-convección en el
contacto entre agua y aire y, sobretodo, evaporación de parte del agua
son los principios físicos que explican el intercambio de calor y, por
tanto, el funcionamiento de las torres de refrigeración.
En el presente apartado se van a estudiar las variables y ecuaciones que
describen estos fenómenos de modo que seamos capaces de reconocer
el buen funcionamiento o la falta de mantenimiento-reparación de las
torres de refrigeración, a partir de los datos de campo que tomemos.
Ecuación característica:
La energía cedida por el agua en forma de masa y calor debe ser igual
a la que absorbe la corriente de aire que atraviesa la torre. Este hecho
se describe a través de la siguiente ecuación característica:
En la que:
•
L, representa el caudal másico de agua (kg/h).
•
c, es el calor específico del agua (igual a 1 KCal/Kg ª C, por lo que
no se suele escribir en la ecuación).
•
T1 y T2, representan la temperatura de entrada y salida del agua de
la torre respectivamente (ª C).
•
G, es el caudal másico de aire (Kg/h).
•
h1 y h2, son la entalpía del aire a la entrada y a la salida respectivamente
(KCal/Kg).
407
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
A partir de la ecuación característica de una torre de refrigeración se
definen los siguientes términos:
•
A la diferencia de temperaturas entre el agua de entrada y el agua
de salida se le denomina Salto Térmico (T1-T2).
•
El Acercamiento es la diferencia entre las temperaturas de salida del
agua (T2) y la temperatura húmeda del aire (Th).
•
La Eficiencia ( )de una torre mide el rendimiento de la misma
respecto a las condiciones de diseño (relación entre las condiciones
reales alcanzadas en una torre y las máximas que teóricamente podría
alcanzar):
Despejando la entalpía del aire a la salida en la ecuación se obtienen las
características de éste a la salida:
Representando esta ecuación en un diagrama entalpía-temperatura (ht), la relación se transforma en una recta denominada Línea de
Enfriamiento del Aire, de pendiente conocida como Factor de
Enfriamiento, y que es la relación entre los consumos de agua y aire
(L/G).
Si en el mismo diagrama se representa la línea de saturación del aire,
siempre quedará por encima de la línea de enfriamiento y la superficie
existente entre ellas informa de la capacidad del sistema: a mayor
superficie, mejores son las condiciones de intercambio de calor y menores
serán las instalaciones para refrigerar una cantidad dada de agua.
Si además de lo anterior se tiene en cuenta que la línea de saturación
va perdiendo pendiente según desciende la temperatura húmeda, se
deduce que para conseguir una determinada cesión de calor interesará
que:
•
La temperatura húmeda del aire sea lo más elevada posible.
•
El acercamiento sea también lo más elevado posible.
•
El salto térmico disminuya.
•
La relación entre caudales de agua y de aire sea lo más pequeño
posible.
408
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Representación de la línea de enfriamiento del aire en un diagrama h-t
5.4. Elementos Constituyentes
5.4.1 Sistema de Distribución de Agua
El Sistema de Distribución de Agua se encarga de conducir el agua desde
la balsa inferior de recogida de la torre de refrigeración hasta el punto
de vertido superior de la misma, llevándola en el trayecto a través del
condensador del sistema de refrigeración, tramo en el que absorbe el
calor que debe evacuar en la torre de refrigeración.
Se compone, pues, de la balsa de recogida y sus puntos de desagüe, la
red de tuberías y conducciones que unen las distancias entre los distintos
elementos, el sistema de bombeo, y el sistema de distribución de agua
al interior de la torre.
Los sistemas de distribución de agua al interior de la torre se dividen,
según su funcionamiento, en sistemas por gravedad y sistemas por presión.
El sistema por gravedad es el que suelen utilizar las torres de refrigeración
con flujo cruzado. En este sistema el agua es distribuida a una especie
de balsas que se ubican en las partes altas de las torres, con una serie de
orificios en su base a través de los cuales el agua cae al interior de la
torre, donde se encuentra con el flujo de aire.
Sistema de distribución de agua por gravedad
409
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
En otras ocasiones se dispone de un tanque central del que nacen una
serie de canales laterales de profundidad variable y con orificios en su
base que permiten la salida del agua hacia la torre. Con este diseño de
profundidad variable se consigue que por todos los orificios de los canales
el agua salga a la misma velocidad al compensarse la pérdida de presión
que produce el fluir del caudal de agua, con la ganancia que supone la
ganancia de profundidad.
Requieren pequeñas alturas de bombeo (bajos costos de operación), su
mantenimiento es sencillo de llevar a cabo, dado que todas las partes del
sistema son accesibles incluso con la torre en funcionamiento, y la
regulación de los componentes se limita a la apertura gradual de las
válvulas de control hasta que el agua alcanza en todas las balsas niveles
similares.
La parte más importante de los sistemas de distribución de agua por
presión es su parte final que está compuesta por unas boquillas o aspersores
que rocían el agua a través del interior de la torre. Con ello se consigue
dividir el flujo de agua en pequeñas gotas con mucha mayor superficie
específica que en los sistemas anteriores y aumentar el intercambio de
calor entre los dos flujos.
Para su correcto funcionamiento, las boquillas requieren una presión
interior por debajo de los 5 bar, que es la presión que debe asegurar la
parte inicial del sistema de distribución.
Básicamente, existen dos tipologías de sistemas a presión: los fijos y los
rotativos. En los primeros, las tuberías de distribución de agua realizan
un emparrillado en la parte superior de la torre del que se cuelgan,
regularmente repartidos, los pulverizadores.
Sistema de distribución de agua por presión fijo
En los segundos existe un cabezal central del que se cuelgan uno o varios
brazos en los que se cuelgan, orientadas hacia la parte trasera, las boquillas
de salida del agua. La orientación de las boquillas y el caudal de salida
provocan un momento torsor en el cabezal central que le llevan a rotar
sobre su eje vertical como si se tratara de un aspersor.
410
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Sistema de distribución de agua por presión rotativo
En los sistemas de presión se incrementan y dificultan las operaciones
de mantenimiento, debido a la mayor complejidad de los elementos que
los componen; se requieren mayores alturas de bombeo (incremento de
los costos de explotación) y la regulación o equilibrado para conseguir
condiciones similares de caudal y presión en todas las boquillas es más
complejo.
Las bombas se encargan de recircular el caudal de agua refrigerada a
través del circuito mencionado. Es el componente de la torre de
refrigeración que mayor energía consume. Aunque las bombas pueden
ser de tipo axial, centrífugo o mixto, las de tipo centrífugo son las que
se utilizan habitualmente.
Para el dimensionamiento de la bomba se debe tener en cuenta el caudal
de agua a refrigerar, las pérdidas de presión que ocurren en el circuito
y que marcan la altura de bombeo, y, además, las características del caudal
a trasegar: análisis químico y propiedades físicas (temperatura,…).
Según aumenta el tamaño de la instalación se recurre a mayor número
de bombas, en lugar de aumentar la potencia y mantener una única
bomba en la instalación. Con estos diseños se posibilita el funcionamiento
parcial de la instalación en caso de avería de una de las bombas. Si el
tamaño de la instalación lo requiere o el proceso resulta crucial, es
práctica habitual la instalación, además, de una bomba de reserva que
puede entrar en funcionamiento en el momento que se produce la avería
en alguno de los equipos.
411
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
5.4.2. Rellenos
El relleno es el componente más importante de una torre de refrigeración,
pues es la parte que se encarga de maximizar el intercambio de calor
entre aire y agua, actuando de dos formas: aumentando el tiempo en
que ambos fluidos están en contacto y aumentando la superficie específica
del flujo de agua.
Es el material que llena el interior de las torres y debe reunir las siguientes
condiciones para que pueda ser utilizado como tal: bajo costo de
adquisición, sencillez de ensamblaje de unas partes con otras para
adaptarse a la parte interior de la torre, poseer una elevada aerodinámica
para ofrecer el menor obstáculo posible al paso del aire, facilidad de
limpieza y no ser proclive a la aparición de suciedades que reduzcan la
capacidad de la torre.
Los rellenos, según su principio de funcionamiento, se dividen en:
rellenos de goteo, rellenos de película o lámina y rellenos mixto.
Rellenos de goteo:
Su funcionamiento se basa en la rotura de las masas de agua en gotas
sucesivamente más pequeñas que presenten poca masa interior y faciliten
la evaporación de parte de esas gotas a costa de un enfriamiento del
resto de la gota.
Relleno de goteo
Existen varios modos de conseguir rellenos de este tipo. Uno de ellos es
la instalación de un entramado de listones horizontales dispuestos según
dos direcciones perpendiculares entre sí que impiden la caída directa
412
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
del agua que proviene del sistema de distribución sobre la balsa de
recogida inferior.
Es importante conseguir la horizontalidad de los listones para evitar
caminos inclinados que permitan al agua descender sin tener que saltar
de unos listones a otros, y evitando así su rotura.
El aire puede discurrir horizontal (flujo cruzado) o verticalmente (flujo
a contracorriente). Para evitar el arrastre de las gotas de agua por parte
del flujo de aire se deben disponer separadores de gotas que impidan
ese consumo inútil de agua.
Los listones que se están imponiendo son los que tienen forma de V
invertida debido a su poco peso, facilidad de instalación y elevada
capacidad para romper el flujo de agua.
Rellenos de película
Su funcionamiento se basa en la consecución de que el flujo de agua
moje la mayor superficie de relleno posible, de modo que el espesor de
la capa de agua sea el menor posible, disminuyendo así su capacidad
para almacenar calor.
Se está comprobando que la capacidad de intercambio de calor de estos
sistemas es superior a la que presentan los sistemas anteriores, lo que se
traduce en menores dimensiones de los equipos para refrigerar
determinadas cantidades de agua, y por ello son los que más se están
utilizando.
La mayor dificultad a la que se enfrenta el sistema de distribución de
agua que trabaja con este tipo de rellenos, es la generación de finas
corrientes de agua que sean capaces de mojar toda la superficie del
relleno, sin que se generen caminos preferentes que reduzcan la eficacia
de la torre.
Frente a los rellenos de goteo, los rellenos de película son más favorables
a la acumulación de suciedad, pero el arrastre de agua por parte del
caudal de aire es mucho más reducido.
La forma en que se consigue la superficie base a mojar marca la
clasificación de los rellenos de película.
Así, hay rellenos que se basan en la acumulación y superposición de
objetos de un modo ordenado o azaroso como pueden ser piedras o
trozos de porcelana, plástico o aluminio. Son los rellenos de acumulación.
Generan un gran obstáculo al paso del aire y no son los más habituales
en los procesos de enfriamiento industrial.
Los rellenos laminares abiertos se componen de grupos de láminas
ordenadas paralelamente y a cierta distancia, permitiendo el flujo de
aire entre una lámina y la siguiente, estando ambas caras mojadas por
413
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
el agua. Las láminas pueden ser planas u onduladas. Los materiales
utilizados son fibrocemento, PVC y fibra de vidrio. Es el tipo que se está
utilizando en las torres de tiro natural y mecánico de uso industrial.
El relleno laminar cerrado o relleno de panal está formado por paneles
realizados en rejilla plástica que se amontonan sobre sí mismos, resultando
una apariencia similar a los rellenos de goteo. La dificultad mostrada al
paso de aire es superior que en el caso de los rellenos laminares abiertos.
Su rendimiento es superior y, por ello, su uso está en auge, desplazando
a los tipos anteriores.
Relleno laminar de fibrocemento
Rellenos mixtos
En su funcionamiento se dan, conjuntamente, la pulverización del agua
y la formación de películas húmedas. Se resuelven como los rellenos de
goteo pero los listones presentan mayores perfiles verticales y en estas
superficies se acumula el agua antes de caer al listón siguiente del relleno.
Se utilizan en torres en las que las características específicas del agua de
refrigeración (elevado grado de suciedad, dureza (formación de costras
calcáreas),…) impiden el uso de los rellenos laminares.
5.4.3. Deflectores de aire
Son los elementos encargados de dirigir el aire de entrada hacia el
interior de la torre y hacerlo pasar a través del relleno. Se usan
preferentemente en las torres de tiro inducido para aprovechar al máximo
la depresión que se genera en el interior de la torre por el funcionamiento
del ventilador a la salida de la misma.
Se trata de unas lamas dispuestas en forma de rejilla a la entrada de aire,
con una forma adecuada para direccionar la corriente de aire sin presentar
excesivo obstáculo a su paso.
5.4.4. Eliminadores de gotas
Para evitar un elevado consumo de agua en las torres de refrigeración,
a la salida del aire se instalan eliminadores de gotas que impiden que la
corriente de aire arrastre las gotas del agua pulverizada al exterior. Actúan
haciendo variar de forma brusca la dirección del aire, de modo que el
agua, que no es capaz de seguir dicho cambio, choca contra las lamas,
414
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
las microgotas se agrupan en gotas de mayor tamaño y vuelven, por
propio peso, a caer sobre el relleno.
Además de evitar la pérdida de agua del circuito de enfriamiento, evitan
daños en el entorno del equipo, ya que el aire con agua en suspensión
es más abrasivo y corrosivo que el aire libre de ella, y limita la formación
de neblina y aerosoles, efecto a eliminar en las torres de refrigeración
debido a ser conocidos agentes de transporte de la bacteria causante de
la Legionela al cuerpo humano a través de las vías respiratorias.
En las torres de tiro inducido, el uso de eliminadores de gotas presenta
una cuarta ventaja y consiste en la uniformización del flujo de aire a
través del relleno, debido a la barrera que supone el eliminador para el
paso de aire y ello se traduce en una igualdad de presiones en la zona
existente entre relleno y ventilador que provoca la citada uniformidad.
Los separadores consisten en lamas de sección ondulada o poligonal que
forman rejillas a la salida. Como se ha comentado, el aire de salida es
bastante abrasivo y los materiales deben ser resistentes. Clásicamente se
han utilizado madera tratada, acero galvanizado, aluminio y las últimas
tendencias consisten en realizarlas con fibrocemento o materiales plásticos
(PVC).
Tipología de eliminadores de gotas
5.4.5. Chimeneas
Su uso generalizado está en las torres de tiro inducido y se instalan para
favorecer (de un modo no mecánico) el flujo de aire a través de la torre.
Presentan las ventajas de no presentar coste alguno de explotación, muy
reducido coste de mantenimiento y alejar del ámbito de la torre el aire
húmedo y caliente de salida (evitando corrosiones de las partes más
débiles del sistema y recirculaciones en el sistema).
Dependiendo del tamaño de la torre se pueden construir de chapa
metálica o plástica para las torres más pequeñas, o de obra civil (hormigón
armado), para las de mayor tamaño..
Las formas más usuales son la cilíndrica, la troncocónica y la hiperbólica.
Las primeras son de construcción más sencilla mientras que la geometría
415
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
de la última permite el óptimo cambio de la energía potencial que
transfiere el ventilador al aire en la energía cinética que favorece la
entrada de aire por la parte inferior de la torre.
Ventiladores
El ventilador es el equipo encargado de aportar el aire exterior a las
torres de tiro mecánico. Fundamentalmente se usan dos tipos de
ventiladores en las torres de refrigeración: axiales y centrífugos.
En los ventiladores axiales el aire a la entrada y a la salida lleva la misma
dirección, siendo ésta la misma que la que posee el eje de rotación del
equipo. Son adecuados para mover grandes cantidades de aire con
pérdidas de presión relativamente bajas. Se usan en torres de refrigeración
de todos los tamaños.
La eficiencia de los ventiladores se sitúa alrededor del 80-85% cuando
se usan con chimeneas y deflectores apropiados.
Los ventiladores centrífugos son aquéllos que funcionan basándose en
la fuerza centrífuga que confieren las palas al aire. La toma de aire suele
ser según la dirección axial del rodete (parte móvil del ventilador),
mientras que la salida se realiza según una dirección tangencial a dicho
rodete. Los caudales que trasiegan estos ventiladores son inferiores a los
axiales, aunque las presiones que vencen son muy superiores.
Los ventiladores centrífugos suelen ser muy ruidosos y por ello su uso
se limita a los casos en los que esto no es un inconveniente.
Los motores eléctricos de los ventiladores pueden estar expuestos a las
mismas condiciones de funcionamiento que los ventiladores. Estas
condiciones de elevadas temperaturas y humedades, unidas a los grandes
períodos de funcionamiento, hacen que la elección de estos elementos
deba realizarse con sumo cuidado y respetar unas condiciones mínimas
de protección (motores clase IP55, que proporcionan protección contra
el polvo y chorros directo de agua en cualquier dirección).
Cuando el tamaño de la instalación aumenta se suele proteger el motor
instalándolo a distancia de la corriente de aire y usando sistemas de
transmisión para transportar la energía mecánica hasta las aspas del
ventilador.
416
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
5.4.7. Control
En las torres de refrigeración deben controlarse el nivel de agua presente
en el circuito y el nivel de pH de dicho agua.
El nivel de agua se controla en la balsa de recogida de la torre tras su
paso a través del relleno, mediante válvulas de boya o niveles de contacto
magnético que accionan el sistema de llenado.
El ajuste del pH se realiza mediante la adición de productos químicos
(principalmente ácidos) y la adición de inhibidores de la corrosión, tras
los resultados de análisis químicos realizados temporalmente al agua de
proceso.
En grandes instalaciones el control se automatiza y los análisis se realizan
de continuo mediante la toma de muestras realizada en distintas partes
del circuito. Además se miden las temperaturas de funcionamiento
(entrada y salida de la torre, entrada y salida del condensador).
5.5. Evaluación de Rendimientos
5.5.1. Consumo de Energía en la Torre
En las torres de refrigeración, salvo el computable a los elementos de
control, el consumo de energía se reduce al que consume el sistema de
distribución de agua y, si el tiro es mecánico, el sistema de ventiladores.
La energía consumida por un grupo de elevación de agua se transforma
en la energía que se le comunica al fluido en forma de presión para que
sea capaz de llegar, pasando a través de todo el circuito hasta el punto
de vertido al relleno con la presión suficiente para que esa salida se
realice en las condiciones óptimas.
Para que ello se produzca, la energía eléctrica que consume la bomba
debe transformarse en la energía mecánica que se le transmite al agua,
y este cambio tiene un coste que se evalúa a través del rendimiento de
la bomba ( ), que, por definición, es la energía útil dividido por la
energía consumida por el equipo.
El rendimiento de la bomba es un factor que facilita el fabricante para
cada punto de funcionamiento de la misma. La energía útil se evalúa
como la presión que se le confiere al caudal de agua que atraviesa el
circuito. La presión debe ser suficiente para vencer la diferencia de
417
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
alturas entre la balsa de almacenamiento de agua y el punto de vertido
de agua, además de las pérdidas de presión que provoca el rozamiento
del caudal de agua por el interior de las tuberías y componentes del
sistema.
De este modo, resulta que:
En la que:
•
Pb, es la potencia eléctrica consumida por la bomba (kW)
•
Q, es el caudal (m3/seg) impulsado por el equipo
•
H, es la presión (en mca) que la bomba proporciona al fluido
•
, es el peso específico del agua (igual a la densidad del agua por la
aceleración de la gravedad 1.000Kg/m 3 ·9,81m/seg 2 = 9.810
Kg/m2seg2)
•
, es el rendimiento de la bomba.
La energía consumida por el equi po es igual al producto de la potencia
anterior por el tiempo de funcionamiento. Si además queremos conocer
el costo de dicha energía tendríamos que multiplicar por el coste de la
energía eléctrica:
Donde:
•
, es el coste anual de bombeo de la instalación ( )
•
, es la potencia del equipo (kW)
•
•
, es el tiempo a lo largo del año que está en funcionamiento la
instalación (seg)
, es el precio de la energía ( /kJ).
De modo análogo se calcula la potencia y la energía consumida por el
ventilador:
Pero en este caso:
•
, es la potencia eléctrica consumida por el ventilador (kW)
•
, es el caudal (m3/seg) impulsado por el equipo
418
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
H, es la presión (en mca) que la bomba proporciona al fluido
•
, es el peso específico del aire (igual a la densidad del aire por la
aceleración de la gravedad 1,2Kg/m3·9,81m/seg2 = 11,8 Kg/m2seg2)
•
, es el rendimiento del ventilador.
En los sistemas de calentamiento-enfriamiento de líquidos y gases, la
potencia térmica se calcula como el producto del caudal a trasegar por
el calor específico del fluido circulante y por el salto térmico que provoca
el sistema:
Siendo:
•
Pt, la potencia térmica necesaria (kCal/h)
•
L, el caudal másico a enfriar (kg/h)
•
c, el calor específico del fluido (1 Kcal/kgºC para el agua)
•
T1 y T2, las temperaturas de entrada y salida del agua, respectivamente.
Esta potencia es la que resulta útil en la instalación y la que hay que
evaluar frente a los costes de bombeo y ventilación para evaluar el
rendimiento económico de la instalación.
5.5.2. Pruebas de rendimiento
Las pruebas de rendimiento de una torre de refrigeración consisten en
ensayar dicho elemento en condiciones similares a las de su diseño
original, para evaluar su buen funcionamiento, desestimar la posibilidad
de existencia de algún fallo, o reconocer el o los elementos en mal estado.
La prueba debe llevarse a cabo en condiciones ambientales e internas
similares a las de diseño del sistema de refrigeración, entendiendo por
“similares” los siguientes límites:
•
Temperatura húmeda: ±5ºC
•
Temperatura seca:
±10ºC
•
Salto térmico:
±20%
•
Caudal de agua:
±10%
Durante la prueba, los siguientes parámetros deben mantenerse constantes:
•
Caudal de agua:
±5%
•
Calor total:
±5%
419
El método expuesto
está basado en
“ACCEPTANCE TEST
CODE FOR WATER
COOLING TOWERS”,
ATC-105, del
COOLING TOWER
INSTITUTE y la Norma
DIN 1947
“PERFORMANCE
TESTS ON COOLING
TOWERS”
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
±5%
•
Salto térmico:
•
Temperatura húmeda: ±1ºC / hora
•
Temperatura seca:
±3ºC / hora
La duración de la prueba no será inferior a una hora y, previamente, el
equipo deberá haber sido puesto en marcha con la suficiente antelación
para que durante una hora no varíen los parámetros anteriores por
encima de los límites señalados.
La siguiente tabla recoge la frecuencia con la que se deben tomar las
mediciones para considerar la prueba como correcta:
PARÁMETRO
Temperatura húmeda
Temperatura seca
Temperatura del agua fría
Temperatura del agua
caliente
Caudal de agua de
circulación
Altura de bombeo de la
torre
Potencia absorbida por el
ventilador
Velocidad del viento
NÚMERO MÍNIMO DE MEDIDAS /HORA
UNIDAD
PRECISIÓN
6
6
6
ºC
ºC
ºC
0,1
0,1
0,1
6
ºC
0,1
3
m3/h
1
1
mca
0,1
1
kW
0,1
3
m/s
1
5.5.3. Evaluación de rendimiento en las torres de refrigeración
En las torres de refrigeración de gran potencia, la evaluación del
rendimiento de su funcionamiento se puede realizar principalmente de
tres modos:
•
Método de la curva característica.
•
Método de la curva de rendimiento.
•
Método de la curva de garantía de enfriamiento.
En los tres casos se trata de representar sobre las curvas que facilita el
fabricante de la torre, los resultados de pruebas de rendimiento ensayadas.
Los valores a representar se obtienen por métodos numéricos de cálculo
matemático aplicados sobre el conjunto de datos tomados en campo
durante la realización de los ensayos.
Con estos valores se traza la curva característica de la prueba y se compara
con la del fabricante y con ello se observa si la torre está trabajando por
encima o por debajo de su capacidad de diseño, su rendimiento.
420
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
No es objetivo del presente libro el detalle de todo este proceso que
puede consultarse en la bibliografía citada al final del texto.
Se detalla, sin embargo, a continuación, el caso de las torres de
refrigeración utilizadas en acondicionamiento de aire, ya que, dado su
menor tamaño, el fabricante no facilita el tipo de curvas descrito en
párrafos anteriores, sino que dispone de tablas con los resultados a los
que cada uno de los modelos de su catálogo es capaz de llegar en unas
condiciones de funcionamiento muy determinadas.
Dado que el ámbito de aplicación de este tipo de torres no presenta un
gran espectro de casos, sino que, según las zonas, las condiciones de
trabajo exteriores e interiores están bastante acotadas, las citadas tablas
suelen ser suficientes y se pueden realizar interpolaciones en los casos
en los que los datos de campo no coinciden exactamente con los facilitados.
En el caso de las torres de refrigeración para aire acondicionado:
•
Con los datos de caudal de agua y temperaturas de entrada y salida
de agua tomados en campo, se calcula la potencia real que está
cediendo el equipo a la instalación.
•
Con el modelo identificado en la tabla de selección de los equipos,
se busca, para las mismas condiciones de trabajo, la potencia máxima
que asegura el fabricante.
•
Relacionando ambas potencias se obtiene el rendimiento de la
instalación que ayudará a encontrar los problemas y a la toma de
decisiones oportunas para mantener las instalaciones en adecuadas
condiciones.
Ejemplo: La instalación de aire acondicionado de un local comercial
precisa enfriar de 35º C a 30º C un caudal de agua de 80 m3/h. Durante
el período de funcionamiento se tiene una previsión de temperatura de
bulbo húmedo de 23º C. Se desea seleccionar un equipo de la siguiente
tabla comercial y calcular el rendimiento del mismo cuando, tras una
prueba de rendimiento, se comprueba que las condiciones de
funcionamiento son de 34,5º C a la entrada de agua, 29º C a la salida y
una temperatura de bulbo húmedo de 25º C fluyendo un caudal de
38 m3/h por la instalación.
421
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
La tabla muestra para cada modelo de torre la potencia térmica (kW)
que es capaz de disipar en función de las condiciones de funcionamiento
(temperaturas).
Como se ha visto en apartados anteriores, la potencia térmica se calcula
según la siguiente ecuación:
Siendo:
•
Pt, la potencia térmica necesaria (kCal/h)
•
L, el caudal másico a enfriar (kg/h)
•
c, el calor específico del fluido (1 Kcal/kgºC para el agua)
•
T1 y T2, las temperaturas de entrada y salida del agua, respectivamente.
Sustituyendo los datos del ejemplo se obtiene la potencia necesaria para
el equipo:
422
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Entrando con estos valores en la tabla se obtiene el modelo necesario:
El modelo seleccionado sería el:
TC-135
En las nuevas condiciones de funcionamiento el equipo está disipando
la siguiente potencia:
423
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
La potencia prevista para la torre del local, con las nuevas condiciones
de funcionamiento es la siguiente:
La potencia suministrada por el equipo seleccionado sería:
301 kW
El rendimiento de la instalación se obtiene dividiendo la potencia real
entre la prevista, resultando:
El reducido valor del rendimiento muestra la presencia de alguna avería
o malfuncionamiento en la torre que precisa la atención del técnico de
la instalación.
424
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
5.6. Mantenimiento
A continuación se detallan los elementos a controlar en las torres de
refrigeración:
Sistema de distribución de agua
Para el correcto funcionamiento de la torre y el aprovechamiento del
relleno, los pulverizadores y boquillas a través de las que el agua es vertida
al interior de la torre deben estar totalmente limpios.
Tanto en los sistemas de distribución por presión como en los que lo
hacen por gravedad, la presencia de suciedad en estos elementos se
observa ante la mala distribución del agua al relleno.
Si ésta distribución no es accesible debe observarse el estado de las balsas
superiores en el caso de distribución por gravedad.
En el caso de distribución por presión, se debe medir la presión en
algunos puntos del sistema. Si la obstrucción se produce en alguno de
los colectores secundarios se tendrá una distribución desigual entre unos
ramales y otros, y presiones variantes para puntos igualmente alejados
del sistema de bombeo.
Si la obstrucción se produce en las conducciones principales la muestra
será el descenso en el caudal de agua total que pasa por la torre.
Todas las balsas requieren limpiezas periódicas para evitar obstrucciones
en las rejillas, válvulas y bombas de circulación. Puede realizarse una
limpieza anual vaciando por completo la balsa, mientras que las rejillas
deben ser inspeccionadas y limpiadas frecuentemente.
La balsa de agua fría debe mantener un nivel normal o ligeramente alto.
El descenso de nivel a través de la parrilla de barrotes debe ser nulo si
la parrilla está limpia. Posteriormente se revisará el ruido, vibración y
r.p.m. de la bomba. Los ruidos y las vibraciones pueden ser causados por
mal estado de los cojinetes o por cavitación. La cavitación de la bomba
puede provenir de varios conceptos: bombeo excesivo, poca altura de
aspiración, agua caliente, impulsor desgastado o una combinación de
todos ellos.
Si se comprueba falta de caudal y el circuito de recirculación está limpio,
el problema puede deberse a la bomba. Para proceder a su comprobación
se debe estar en posesión de su curva característica y su curva de
rendimiento.
La curva característica de una bomba es un diagrama que muestra, para
todos los caudales que es capaz de trasegar, la presión que puede dotar
al fluido. La curva de rendimiento relaciona, también para todos esos
425
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
caudales, la potencia eléctrica consumida y la potencia que se le transfiere
al fluido.
Con estos diagramas se procede a realizar tomas de datos de caudal y
altura que proporciona la bomba para varias posiciones de las válvulas
de cierre que se instalan en su impulsión. De ese modo se varía la curva
resistente de la instalación y el caudal varía de una prueba a otra.
Dibujando los datos obtenidos sobre la curva característica, la no
coincidencia delatará la presencia de algún problema en el equipo. Que
puede ser alguno de los siguientes:
•
Perforación del rodete: debido a la cavitación producida por un
deficiente diseño del tramo de aspiración desde la balsa de recogida
de agua hasta el equipo, o la presencia de algún elemento extraño.
•
Pérdida del sellado entre rodete y carcasa, que hace que la presión
del agua se escape en forma de fugas hacia la aspiración de la bomba.
Relleno
El relleno debe ser revisado cada seis meses, inspeccionando:
• El estado general de todos los elementos.
•
Su correcta ubicación para permitir el correcto flujo de aire y agua,
y la no aparición de tensiones que puedan llevar a la fractura de
alguno de ellos.
Eventualmente se debe controlar el estado general de limpieza de todas
las superficies, evitando que la suciedad disminuya el rendimiento del
equipo.
Muchos de los problemas de suciedades se evitan actuando sobre el agua
y el aire del circuito, tratando convenientemente la primera y disponiendo
filtros a la entrada de aire.
Deflectores y eliminadores de gotas
Comprobar si algún panel está roto, deteriorado o mal colocado, así
como la existencia de huecos o desalineamientos que permitan una
pérdida excesiva de agua. Examinar los soportes y comprobar que no
haya obstrucciones por depósitos o por crecimiento de algas.
Ventiladores
El nivel de control sobre el funcionamiento de una torre de refrigeración
de tiro mecánico se consigue mediante los ventiladores de la misma.
La forma de los álabes que impulsan el aire es determinante para el
426
La curva característica
de una bomba es un
diagrama que
muestra, para todos
los caudales que es
capaz de trasegar, la
presión que puede
dotar al fluido. La
curva de rendimiento
relaciona, también
para todos esos
caudales, la potencia
eléctrica consumida y
la potencia que se le
transfiere al fluido.
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
correcto funcionamiento del ventilador y de la torre, en general. Existen
ventiladores en los que los álabes son de posición orientable; en estos
casos deberá revisarse y ajustarse periódicamente dicha posición, además
de las variaciones que se les debe dar para adaptar las prestaciones de
la torre a las necesidades de la instalación de refrigeración.
La presencia de suciedad en los álabes también varía sus condiciones de
funcionamiento.
En los ventiladores de álabes fijos hay que revisar el estado de la unión
de los álabes con el eje ya que es el punto de mayor esfuerzo y por donde
suelen romperse estos elementos.
Tratamiento del agua de recirculación
El agua contiene sólidos disueltos, gases y materias en suspensión en
cantidades variables, que pueden ser origen de problemas de operación:
•
Los bicarbonatos y sulfatos de calcio, sodio y hierro son los sólidos
en disolución más corrientes, dependiendo la cantidad de cada uno
de ellos de su abundancia en el terreno de donde procede el agua.
•
El dióxido de carbono es el gas más común y las mayores
concentraciones se encuentran en aguas de pozos poco profundos
y lagos, debido a los procesos de putrefacción.
•
Los sólidos en suspensión pueden ser limo o partículas transportadas
por el aire. En el transcurso del funcionamiento todos los sistemas
de agua desarrollan algas y otros organismos.
Por otra parte, el agua disponible puede estar afectada por vertidos
industriales, que le confieren un carácter ácido.
Además, el agua está expuesta continuamente al aire atmosférico, que
puede estar sucio o contaminado, y la cortina de agua de la torre actuar
a modo de filtro para todas esas partículas que quedan en el agua.
En función del tamaño e importancia de la instalación, los tratamientos
van desde una purga del fondo de la balsa de almacenamiento de agua
(donde se recogen todas estos contaminantes) hasta la inyección en
continuo y automático de todo tipo de elementos químicos (en función
de los parámetros detectados en análisis realizados también en continuo)
que inhiben los efectos corrosivos del agua contaminada.
Los problemas que pueden aparecer en los elementos de una torre de
refrigeración por la deficiente calidad del agua son los siguientes:
•
Erosión de los materiales ante los choques producidos por el agua
y los elementos que lleva en suspensión.
•
Formación de incrustaciones que conducen a distribución irregular,
427
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
posible bloqueo de los conductos de aire y/o agua y posibles fallos
estructurales.
•
Taponamiento de los canales del relleno por acumulación de suciedad.
•
Ataques de hongos; el riesgo por este concepto puede aumentar por
humedecimiento y secado alternativo del material.
•
Degradación química.
•
Corrosión de las partes metálicas.
•
El rendimiento puede verse afectado por colonias orgánicas que
proliferan en los conductos llegando a bloquearlos, aunque no por
eso se produzcan daños en los materiales.
Para evitarlos, deben realizarse controles periódicos sobre:
•
La acidez y alcalinidad del agua.
•
La aparición de incrustaciones.
•
La corrosión de las partes metálicas de la instalación.
•
Los crecimientos orgánicos.
•
Los filtros del sistema.
428
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
6. ELEMENTOS AUXILIARES DE LOS SISTEMAS
FRIGORÍFICOS
6.1. Silenciadores
Se instalan silenciadores con el fin de reducir los ruidos que originan las
pulsaciones del gas.
Se trata de dispositivos en forma de tubos en cuyo interior van dispuestas
placas, tabiques o mallas metálicas que originan cambios en la velocidad
del aire sin originar grandes pérdidas de carga. La instalación de
silenciadores entre compresor y condensador debe ir complementado
con el empleo de amortiguadores de vibraciones (antivibratorios o
conexiones flexibles descritos en el apartado 5.7.1).
Silenciadores
6.2. Receptor de líquido
El receptor de líquido tiene como función almacenar el refrigerante en
estado líquido con el fin de asegurar la compensación de las variaciones
de volumen de fluido del circuito debidas a las diferentes temperaturas
de funcionamiento y permitir la compensación de aperturas y cierres de
la válvula de expansión que suministra fluido al evaporador.
El receptor de líquido se instala entre el condensador y la válvula de
expansión tal y como se muestra en el esquema siguiente.
429
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Esquema receptor de líquido
Receptor de líquido
6.3. Acumulador de succión
Un acumulador de succión se trata de un recipiente a presión diseñado
para evitar la entrada de refrigerante en estado líquido al compresor y/o
aceite líquido en grandes cantidades; el acumulador es capaz de retener
el exceso de mezcla en estado líquido y posteriormente enviarlo en estado
de gas. Se instala entre el evaporador y el compresor, donde existe la
posibilidad de regreso de líquido por la línea de succión.
Entre las causas que originan la entrada de refrigerante líquido al
compresor se encuentran:
•
Válvula de expansión de tamaño superior al necesario.
•
El bulbo de la válvula de expansión no hace correctamente contacto
en la línea de succión.
•
La válvula de expansión está mal ajustada o en posición abierta.
•
Sobrecarga de refrigerante en sistemas que usan tubo capilar.
•
Falta de carga en el evaporador.
•
Regreso de líquido al terminar el ciclo de deshielo con gas caliente.
430
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
La entrada de refrigerante líquido y aceites líquidos al compresor
dependen de la cantidad que le esté llegando. Tal y como se ha explicado
en el punto 1.5.1, los compresores para refrigeración están diseñados
para comprimir vapor. Si es excesiva la cantidad de líquido que entra al
cilindro a través de la línea de succión, el pistón, en su carrera ascendente,
golpeará este líquido contra la válvula o plato de descarga, produciendo
un efecto como el de un gato hidráulico originando daños en las válvulas
de descarga, los pistones, las bielas y hasta el cigüeñal, pudiendo provocar
la ruptura del compresor. El exceso de refrigerante líquido que retorna
al compresor diluye el aceite, disminuyendo sus propiedades lubricantes,
y causando daños por mala lubricación en cojinetes y otras partes móviles.
En algunos casos, se pierde completamente el aceite del cárter.
Ejemplo: La existencia de refrigerante líquido en el aceite puede ocasionar
que el interruptor de presión de aceite se dispare por baja presión
(aunque el nivel de aceite del compresor sea alto). El compresor se
presenta una momentánea baja de presión en el cárter, y el refrigerante
líquido se evapora, sin poder la bomba mantener la presión adecuada.
Si esta situación continúa, cuando se haya evaporado determinada
cantidad del refrigerante de la mezcla (refrigerante-aceite), se normalizan
las presiones en la bomba. Puede pensarse erróneamente que el fallo
está en la bomba (al no haber podido mantener la presión), pero al
reponerla no se solucionará el problema mientras siga habiendo aceite.
Cuando se presenta una situación de éstas, se piensa que es la bomba de
aceite la que está fallando y se reemplaza. Al instalar una bomba nueva,
se creerá que se solucionó el problema, pues se restablecerá la presión
del aceite; sin embargo, la siguiente vez que se diluya el aceite con
refrigerante líquido, volverá a bajar la presión del aceite.
El acumulador de succión más frecuente se trata de un recipiente vertical
en forma de U , el vapor de refrigerante entra al acumulador, pasa a
través del tubo en U hacia la succión del compresor. Las gotas (más
pesadas) de refrigerante caen al fondo incrementando el volumen de
líquido.
Acumulador de succión
Acumulador de succión
431
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
6.4. Separadores de aspiración
Se trata de un separado de aceite (descrito en el punto siguiente) que
lleva incorporado un serpentín donde se intercambia calor entre el
líquido caliente y la aspiración fría (actuando como un intercambiador
(apartado5.6.10).Se instala en la línea de aspiración antes del compresor.
En los puntos siguientes se desarrolla el funcionamiento tanto del
separador de aceite como del intercambiador de calor.
6.5. Separadores de aceite
El separador de aceite es un dispositivo diseñado para separar el aceite
lubricante del compresor del refrigerante antes que entre a otros
componentes del sistema, también produce efecto de silenciador
reduciendo las pulsaciones del gas en la descarga del compresor.
El aceite es necesario para la lubricación y el enfriamiento de los
compresores (como se desarrollará en el apartado 5.8), no obstante a
continuación describiremos los efectos que produce la presencia de
aceite en distintos componentes del sistema:
•
Condensador: La presencia de aceite en el condensador reduce la
capacidad de éste, puesto que ocupará un volumen que debería ser
utilizado por el refrigerante. La capacidad del condensador se reduce
en un porcentaje similar al del aceite en la mezcla.
Ejemplo: Si en la mezcla de refrigerante-aceite existe un 20% de
aceite el condensador tendrá que trabajar más para que circule la
cantidad necesaria de refrigerante. El aceite recubrirá las paredes
disminuyendo la superficie de transferencia de calor, añadiendo que
será necesaria mayor presión de condensación; por tanto la presencia
de aceite origina un aumento del trabajo de la instalación.
•
Evaporador: Cuando hay exceso de aceite circulando en un sistema
de refrigeración, el evaporador se ve afectado por la reducción en
la transferencia de calor, debido a que las paredes internas de los
tubos se recubren de una película de aceite que actúa como aislante,
lo que trae como consecuencia un aumento en las temperaturas de
evaporación y de los productos que se están enfriando, haciendo que
el equipo trabaje durante más tiempo.
•
Filtros deshidratadores: Cuando el aceite se descompone generando
lodos y ceras, disminuyendo la superficie de filtrado, incluso llegando
a obstruirlo.
432
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Dispositivos expansión: En los tubos capilares el efecto es muy parecido
al que se observa en el condensador, ya que les reduce su capacidad
volumétrica al circular aceite a través del reducido orificio del tubo
capilar, disminuye el flujo de refrigerante y causa variaciones en la
presión. También, el punto de ebullición del refrigerante se ve
afectado por el aceite, y varía, dependiendo del porcentaje de aceite
en la mezcla. Todo lo anterior afecta la capacidad del tubo capilar
(descrito en el apartado 5.4.1) para controlar el flujo de refrigerante
hacia el evaporador, provocando fluctuaciones en la temperatura de
evaporación. La presencia de aceite en el sistema produce la
acumulación de ceras alrededor de la aguja de la válvula de termo
expansión (descrito en el apartado 5.4.1), obstruyen el orificio de la
válvula y en ocasiones la tapan totalmente. El aceite, al pasar a través
de la válvula de termo expansión, también disminuye la capacidad
volumétrica de una manera similar que en el condensador; el bulbo
de la válvula de termo expansión se ve afectado por el aceite en
circulación, ya que éste recubre las paredes internas del tubo de la
línea de succión, causando variaciones en la transferencia de calor,
y consecuentemente, afecta al control que el bulbo pueda reflejar al
sobrecalentamiento del gas de succión.
La separación del aceite del fluido frigorígeno en un separador se obtiene
mediante la combinación de tres procedimientos:
•
Cambios bruscos de dirección del flujo de gas: la inercia tiende a
proyectar las gotas de aceite a lo largo de las paredes donde se
decantan.
•
Reducción brusca de la velocidad del gas refrigerante: las moléculas
pesadas de aceite no pueden ser arrastradas por el fluido gaseoso.
•
Superficie de choque a la cual se va a adherir el aceite: provocando
el mismo efecto que los dos sistemas citados.
A continuación se describe el funcionamiento del separador de aceite:
El gas de descarga sobrecalentado y cargado de aceite, sale del compresor
a alta velocidad, y a través de la línea de descarga llega a la entrada del
separador de aceite. Aquí, el refrigerante queda en estado gaseoso con
un altísimo sobrecalentamiento y moviéndose a gran velocidad. El aceite
tiene la misma velocidad pero en forma líquida, y como tiene mayor
densidad que el refrigerante, su inercia también es mayor. Como el área
de sección transversal de la cápsula del separador es mucho mayor que
la del tubo de descarga, esto provoca una reducción en la velocidad del
gas. Simultáneamente a esta reducción de velocidad, la mezcla de gas y
aceite pasa a través de la malla de choque a la entrada, donde una parte
del aceite es separado del gas refrigerante. Otro gran porcentaje del
433
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
aceite se encuentra en forma de partículas más finas, las cuales sólo
pueden ser removidas provocando que choquen unas con otras para
formar partículas más pesadas. Esto sólo puede lograrse gracias al cambio
de velocidad que sufre la mezcla de aceite y gas refrigerante, y a que las
partículas de aceite tienen mayor densidad que el gas refrigerante. El
gas refrigerante una vez liberado de su alto contenido de aceite, fluye
hacia abajo y hace un giro de 180° en U alrededor de la placa de choque,
donde se separa aún más aceite debido a la fuerza centrífuga; ya que el
gas refrigerante sobrecalentado puede cambiar de dirección más
fácilmente, dejando abajo el aceite que es más pesado. Finalmente, el
gas pasa a través de la malla de salida donde sufre una última depuración,
antes de entrar a la línea de descarga, para luego recuperar su velocidad
original debido a la reducción del diámetro. Una vez libre de aceite, el
gas refrigerante sigue su paso hacia el condensador. El aceite separado
escurre al fondo, donde se encuentra un depósito adecuado para
acumularse, hasta que alcance un nivel suficiente para balancear el
flotador y accionar la válvula de aguja, la cual permite el regreso del
aceite al cárter del compresor. El flujo de aceite hacia el cárter, es
provocado por la diferencia de presiones entre la alta presión del gas en
el separador y la baja presión en el cárter. Siempre va a permanecer en
el separador una pequeña cantidad de aceite, lo suficiente para que con
otro poco que se acumule, se accione el mecanismo del flotador
La selección del separador de aceite debe hacerse teniendo en cuenta
la potencia frigorífica, la naturaleza del fluido frigorígeno, así como las
temperaturas de evaporación y condensación.
Separador de aceite
6.6. Sistemas de retorno de aceite a los compresores
Tal y como se ha descrito en el punto anterior, cierta cantidad de aceite
está en contacto con el fluido frigorígeno , siendo necesario separar la
mezcla y devolver el aceite al cárter del compresor. En la parte alta del
434
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
separador de aceite, y conectada al tubo de aspiración, se instala una
válvula tarada que mantiene la diferencia de presión entre el depósito
de aceite y el cárter del compresor y garantiza la vuelta del aceite al cárter.
A continuación se describe el proceso por el que actúa la válvula de
retorno de aceite:
•
Al pararse el compresor y subir la presión de aspiración se abre la
lengüeta y permite el retorno del aceite que contiene el gas evaporado.
•
Al ponerse en marcha y descender la presión de aspiración en relación
con la del cárter, dicha lengüeta queda cerrada y evita el bombeo de
aceite.
El aceite de retorno a los compresores debe depurarse previamente
mediante filtros de malla metálica con el fin de retener las impurezas y
asegurar la máxima calidad del aceite que lubrica el compresor.
Por medio de visores de paso de aceite, se controla la circulación y el
estado del aceite; el regulador de nivel de aceite garantiza la correcta
entrada del aceite al cárter así como el mantenimiento de un nivel
adecuado.
Separador de aceite- válvula retorno
a) Visor de paso aceite, b) Regulador de nivel de aceite, c) Filtro, d)
Válvula retorno de aceite, e) Aceite sobrecalentado, f) Sensor de
temperatura de descarga.
6.7. Filtro deshidratador
Durante el proceso de instalación, ensamblaje, carga de refrigerante o
de aceite existe la posibilidad que entren contaminantes en el sistema
frigorífico. Entendemos por contaminantes aquellas sustancias presentes
en los sistemas de refrigeración sin ninguna función útil y que son
perjudiciales para el funcionamiento de los componentes.
El refrigerante y el aceite deben mantenerse libres de contaminantes y
humedad a lo largo de todo el ciclo, para evitar que se produzcan
435
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
problemas de funcionamiento en la válvula de expansión, tubo capilar
o compresor; por tanto, antes de la puesta en marcha de de la instalación,
debe eliminarse la humedad por vacío (proceso descrito en el apartado
5.6.14), durante el funcionamiento y para asegurar el funcionamiento
óptimo se debe recoger y almacenar suciedad y humedad mediante
filtros.
Los principales efectos de los contaminantes sólidos:
•
Rayar las paredes de los cilindros y los cojinetes.
•
Obstrucción de la válvula de termo expansión o del tubo capilar.
•
Alojarse en el devanado del motocompresor y actuar como
conductores, creando corto circuito, o actuar como abrasivos en el
aislante del alambre.
•
Depositarse en los asientos de las válvulas de succión o descarga,
reduciendo significativamente la eficiencia del compresor.
•
Tapar los orificios de circulación de aceite en las partes móviles del
compresor, provocando fallas por falta de lubricación.
•
Servir como catalizadores (aceleradores) de la descomposición química
de refrigerante y aceite.
La entrada de humedad en el sistema ocasiona:
•
Formación de hielo en la válvula de termo expansión, en el tubo
capilar o el evaporador, restringiendo u obstruyendo el flujo de
refrigerante.
•
Oxidación y corrosión de metales.
•
Descomposición química del refrigerante y del aceite.
•
Corrosión.
•
Daño químico al aislamiento.
•
Hidrólisis del refrigerante formando ácidos y agua.
•
Polimerización del aceite, descomponiéndose en otros contaminantes.
Los filtros deshidratadores contienen material desecante y material
filtrante para absorber la humedad, ácidos, así como contaminantes en
estado sólido de la mezcla de refrigerante y aceite del sistema, instalándose
en la línea de líquido.
436
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
6.8. Pre-enfriador
Para enfriar el gas de descarga del compresor y volver a enviarlo éste
como medida de protección contra sobrecalentamientos del motor y
para reducir el consumo de energía se emplean tubos de cobre en forma
de U o parte de la tubería de refrigeración del condensador.
Esquema pre-enfriador
6.9. Indicadores de líquido humedad
El indicador de líquido y humedad es un dispositivo que revela la presencia
de exceso de humedad (en el apartado 5.6.7 se han descrito los problemas
que genera la humedad en el sistema) y permite comprobar la circulación
de refrigerante líquido a través del visor
El indicador dispone de un papel filtro poroso que cambia de color en
función de la presencia de exceso de humedad; el cambio será reversible,
volviendo al color inicial una vez se ha eliminado la humedad.
437
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Como ya se ha explicado, el refrigerante debe llegar a la válvula de
expansión en estado líquido; la existencia de burbujas indica que el
refrigerante está evaporándose.
En el apartado 5.6.7 se han descrito las causas de la presencia de humedad
en el sistema, por lo que a continuación describiremos únicamente las
causas por las que puede encontrarse burbujas en el visor:
•
Falta de refrigerante, debido a una carga insuficiente o fugas.
•
Filtro deshidratador parcialmente obstruido.
•
Restricciones en la línea de líquido que provocan una caída de presión
con el consiguiente cambio de temperatura produciendo la
evaporación del líquido y formando burbujas.
•
Si la línea de líquido es demasiado larga y el indicador está instalado
a la salida del filtro deshidratador no se detectará la presencia de
burbujas formadas a continuación de éste, debido a las pérdidas hasta
la válvula de expansión. En estos casos se instalan dos indicadores de
nivel en la línea de líquido, uno después del filtro y otro antes de la
válvula de expansión.
•
Falta de subenfriamiento.
Los indicadores de líquido y humedad se fabrican en acero, latón y cobre,
tratándose de elementos fijos del sistema; en el apartado 2.3 se desarrolla
la medición de la humedad mediante psicrómetros.
Indicador líquido humedad
6.10. Intercambiadores de calor
El intercambiador de calor permite la transmisión de calor entre la
tubería de líquido (fluido caliente) y la tubería de aspiración (fluido
frío).
Durante el funcionamiento, el refrigerante líquido de temperatura alta
(antes de su entrada en la válvula de expansión) intercambia calor con
el refrigerante gaseoso de temperatura baja (antes de ser enviado al
compresor) produciéndose, por subenfriamiento del líquido, el
recalentamiento de los gases (evaporándose las gotas de refrigerante).
438
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Las funciones del intercambiador de calor son las siguientes:
•
Aumentar el coeficiente de transmisión de calor.
•
Asegurar la entrada únicamente de líquido subenfriado a la válvula
de expansión.
•
Evitar la compresión húmeda.
El intercambiador está formado interiormente por un tubo de cobre y
aletas en espiral, por donde circula el líquido y el gas (disposición que
permite aumentar la superficie de intercambio entre las dos fases). La
circulación de los gases y el líquido será en sentido contrario.
Exteriormente puede estar constituido por acero, cobre o latón.
La capacidad del intercambiador depende de la superficie de intercambio
y su selección es función de la potencia frigorífica de la máquina, la
selección de un intercambiador de superficie inferior a la necesaria
podría provocar recalentamiento y pérdida de carga elevadas en el
circuito de aspiración.
6.11. Purgadores
Los circuitos de fluido frigorígeno, y especialmente las instalaciones que
trabajan a presiones inferiores a la atmosférica, contienen en servicio
gases no condensables (aire, compuestos gaseosos liberados por aceites…),
que originan un aumento en la presión de descarga.
Para eliminar estos gases del sistema se recurre a los purgadores:
•
Válvula de purga manual: Situada en la tubería de descarga antes de
la entrada al condensador; se emplea en instalaciones pequeñas y
tiene el inconveniente que al finalizar el proceso manual de purga
se pierde parte del fluido refrigerante.
•
Válvula de purga automática: Tiene la ventaja respecto a la manual
de poder recuperar el refrigerante arrastrado por los gases no
condensables; se debe situar en todos aquellos puntos del sistema
susceptibles de albergar gases no condensables, como a la entrada
del condensador y en el recipiente de líquido, que suelen incorporar
una toma específica.
Mediante el enfriamiento se consigue la condensación del refrigerante,
que va al fondo del purgador, y los gases no condensables se separan.
439
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Purgador
a) Entrada de mezcla fluido frigorígeno-gases no condensables, b) doble
envolvente, c) toma unión evaporador-compresor, d) válvula de expansión
de flotador para fluido condensado, e) purga de gases no condensados,
f) tubo central.
6.12. Drenaje
Las tuberías y bandejas de drenaje se instalan con el fin de conducir y
evacuar los condensados y goteos del evaporador.
6.13. Cilindro de carga
Para el llenado de refrigerante a los compresores herméticos y
semiherméticos se emplean cilindros de carga; se trata de un dispositivo
graduable para cada tipo de refrigerante que dispone de un manómetro,
válvula de seguridad y válvula de carga.
6.14. Equipo de vaciado y de carga
El equipo de vaciado y carga está compuesto por: dosificador de
refrigerante, bomba de vacío, vacuómetro y analizador. El procedimiento
de vaciado y llenado de la instalación aparece descrito en el apartado 2.
6.15. Suministro de energía y cableado de enlace
Con el fin de entender el sistema de alimentación de energía a los
distintos elementos del circuito así como los dispositivos de protección,
resumiremos los conceptos fundamentales de la electricidad.
Unidades eléctricas
Voltio (V) es la diferencia de potencial eléctrico que existe entre dos
puntos de un hilo conductor que transporta una corriente de intensidad
440
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
constante de un amperio cuando la potencia disipada entre estos puntos
es igual a 1 watio. Unidad de fuerza electromotriz.
Amperio(A) es la intensidad de una corriente constante que
manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud
infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de
un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2·10-7
newton por metro de longitud. Unidad de intensidad de corriente
eléctrica.
Watio (w) es la potencia que da lugar a una producción de energía igual
a 1 julio por segundo. Unidad de potencia, flujo radiante.
Un ohm ( ) es la resistencia eléctrica que existe entre dos puntos de un
conductor cuando una diferencia de potencial constante de un voltio
aplicada entre estos dos puntos produce, en dicho conductor, una
corriente de intensidad un amperio, cuando no haya fuerza electromotriz
en el conductor.
Motores eléctricos: máquinas que convierten la energía eléctrica en
mecánica; atendiendo al tipo de alimentación, se distinguen:
-
Motores de corriente alterna (monofásica o trifásica).
-
Motores de corriente continua (serie, derivación o compound).
Rendimiento de un motor: relación entre la energía en el eje del motor
(restando las pérdidas por rozamiento…) y la energía suministrada.
Factor de potencia: la intensidad de corriente alterna lleva un desfase
respecto a la tensión por lo que la potencia no es el producto de intensidad
y tensión, incorporándose el término conocido por cos f.
Dispositivos eléctricos:
Relé de puesta en marcha y capacitador:
Ambos dispositivos se emplean para la puesta en marcha del compresor;
se pueden diferenciar dos sistemas teniendo en cuenta si las unidades
van equipadas con tubo capilar o válvula de expansión:
441
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Utilizado en unidades equipadas con un tubo capilar
Encendido 1
En el caso de motores de inducción monofásicos, el par de torsión de
puesta en marcha se obtiene por la diferencia de fase creada por el
capacitador (Cr )entre bobina principal y auxiliar.
Utilizado en las unidades equipadas con una válvula de expansión
Encendido 2
Las unidades equipadas con válvula de expansión necesitan un par de
torsión más elevado para la puesta en marcha del compresor, por lo que
se le añade al esquema de encendido 1 el capacitador de puesta en
marcha. Cuando la velocidad de giro aumenta y el voltaje de la bobina
auxiliar se incrementa hasta el voltaje de accionamiento, el contacto se
abre.
•
Contactor: utilizado para la puesta en marcha de los motores de
compresores y ventiladores. Cuando se suministra energía a la bobina
A, se transforma en un imán atrayendo el núcleo B y haciendo que
el contacto C se cierre.
•
Protector contra inversión de fase: evita el giro invertido del compresor.
Si se cambian las conexiones de las fases de la fuente de alimentación
principal se cambiaría el sentido de giro del compresor, éste aspirará
el refrigerante a partir de la tubería de descarga enviándolo a la
tubería de aspiración.
442
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Protector contra inversión de fase
•
Protector interno: evita que se queme el motor del compresor. Cuando
la temperatura de la bobina aumenta la pieza bimetálica se deforma
abriéndose los contactos e interrumpiendo la alimentación al motor.
Protector interno
•
Protector térmico del compresor: evita que el compresor se queme,
detectando la temperatura del cabezal del compresor. Trabaja de
forma similar al protector interno, cambiando la ubicación del
interruptor. Cuando la temperatura del cabezal del compresor
aumenta por encima de la temperatura ajustada, la pieza bimetálica
del interruptor sujeto al cabezal se deforma, y los contactos eléctricos
se abren, ocasionando la parada del motor.
•
Relé de sobreintensidad: instalado en el cuadro eléctrico, evita que
los motores del ventilador y del compresor se quemen. Si la corriente
es superior a la de ajuste, la pieza bimetálica del relé se deforma al
calentarse, abriéndose los contactos y provocando la parada del motor.
Relé de sobreintensidad:
a) Terminal circuito de control, b) Contactos eléctricos, c) Palanca,
d)Pieza bimetálica, e) Calentador, f) Terminal circuito principal
443
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Termostato de protección contra la congelación: dispositivo que evita
la congelación del intercambiador interno.
•
Temporizador de seguridad: conectado al circuito de control del
compresor retarda el periodo de reinicio del compresor durante un
cierto tiempo.
Temporizador de seguridad
•
Conmutador: se emplea para convertir la corriente alterna en continua
en los casos en los que los contactores magnéticos funcionen en
corriente continúa.
Conmutador
•
Varistor o varistancia: con el fin de proteger los microprocesadores,
relés y demás componentes electrónicos de las tarjetas de circuitos
impresos se emplea el varistor.
•
Transformador: los elementos de control se alimentan a distinto
voltaje (12-24 V) que el resto de los componentes (220-380V). Para
suministrar alimentación al control con el voltaje adecuado se emplean
transformadores.
444
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Diagrama de cableado
a) Suministro de energía, b) Transformador, c) Contacto del protector
térmico del compresor, d) Contacto del conmutador de presión alta,
e) Relé de sobreintensidad, f) Contactor magnético, g) Conjunto rotativo,
h)termostato.
445
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
7. MATERIALES
De acuerdo con lo dispuesto en el artículo 23 del Reglamento de Seguridad
para Plantas e Instalaciones Frigoríficas, cualquier material empleado
en la construcción e instalación de un equipo frigorífico debe ser resistente
a la acción de las materias con las que entre en contacto, de forma que
no pueda deteriorarse en condiciones normales de utilización, y, en
especial, se tendrá en cuenta su resistencia a efectos de su fragilidad a
baja temperatura.
Empleo de metales no férricos y sus aleaciones.
Conforme a lo previsto en el párrafo anterior, queda prohibido el uso
de los siguientes metales y sus aleaciones:
a) El cobre con el amoníaco y el formiato de metilo. Las aleaciones de
cobre (por ejemplo, latón, bronce) pueden utilizarse después de un
minucioso examen de su compatibilidad con los materiales con que
puedan estar en contacto.
b) El aluminio con el cloruro de metilo.
c) El magnesio, salvo en casos especiales en que se utilicen aleaciones
de bajo porcentaje del mismo. En estos casos se comprobarán
minuciosamente, antes de su empleo, sus resistencias a los productos
con los que vayan a entrar en contacto.
d) El zinc con el amoníaco, cloruro de metilo y fluidos frigorígenos
clorados.
e) El plomo con los fluidos frigorígenos fluorados, salvo en la construcción
de juntas.
f) El estaño y las aleaciones plomo-estaño con hidrocarburos fluorados,
cuando se prevean temperaturas de servicio inferiores a -10º C.
g) Las aleaciones de estaño para soldaduras blandas a temperaturas de
servicio inferiores a -10º C. Se podrán utilizar a otras temperaturas
siempre y cuando vayan a estar sometidas a tensiones mecánicas
pequeñas.
Los componentes de las aleaciones para soldadura fuerte se examinarán
en función de su compatibilidad con los fluidos frigorígenos.
7.1. Tipos y designación comercial; condiciones
de utilización y aplicaciones
Tuberías de cobre en rollos, rígida y capilar
En las instalaciones frigoríficas normalmente se asocia el fluido frigorígeno
446
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
con los materiales constituyentes como tuberías y accesorios; para fluidos
clorofluorados se emplea el cobre, y en instalaciones de amoniaco se
emplea el acero. La primera asociación es siempre válida con
independencia de la potencia del sistema, por el contrario, en instalaciones
comerciales, para las tuberías de líquido de alta presión en instalaciones
industriales, las tuberías de baja presión hasta 2 5/8’’ y en las ejecutadas
en forma de monobloque condensadas por agua se emplea cobre,
utilizando acero en el resto de instalaciones industriales.
Las tuberías de cobre para las instalaciones frigoríficas tienen que estar
recocidas, limpias y secas, en todo momento. Durante el suministro y la
ejecución de la instalación se taparán los extremos de las tuberías de
forma que queden limpios y sin humedad.
Las principales características y ventajas de la tubería de cobre son:
-
Resistencia a la corrosión.
-
Se fabrican sin costura.
-
Continuidad de flujo.
-
Facilidad de unión.
-
Fácil de cortar y de soldar.
Las tuberías se instalarán de forma ordenada, disponiéndolas, siempre
que sea posible, paralelamente a tres ejes perpendiculares entre sí y
paralelos a los elementos estructurales del edificio, salvo las pendientes
que deben darse a los elementos horizontales.
La separación entre la superficie exterior del recubrimiento de una
tubería y cualquier otro elemento será tal que permita la manipulación
y el mantenimiento del aislante térmico, si existe, así como de válvulas,
purgadores, aparatos de medida y control, etc.
El órgano de mando de las válvulas no deberá interferir con el aislante
térmico de la tubería. Las válvulas roscadas y las de mariposa deben estar
correctamente acopladas a las tuberías, de forma que no haya interferencia
entre éstas y el obturador.
La alineación de las canalizaciones en uniones, cambios de sección y
derivaciones se realizará sin forzar las tuberías, empleando los
correspondientes accesorios o piezas especiales.
Para la realización de cambios de dirección se utilizarán preferentemente
piezas especiales, unidas a las tuberías mediante rosca, soldadura, encolado
o bridas.
El radio de curvatura será el máximo que permita el espacio disponible.
Las derivaciones deben formar un ángulo de 45 grados entre el eje del
ramal y el eje de la tubería principal. El uso de codos o derivaciones con
447
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
ángulos de 90 grados está permitido solamente cuando el espacio
disponible no deje otra alternativa o cuando se necesite equilibrar un
circuito.
Tubería de cobre en rollos
TUBERÍA COBRE ROLLOS BLANDO
Dn
Normalizado
DN ext
(mm)
esp (mm)
DN int (mm)
3/16’’
4,76
0,71
3,34
1/4’’
6,35
0,76
4,83
5/16’’
7,94
0,76
6,42
3/8’’
9,52
0,81
7,90
1/2’’
12,70
0,81
11,08
5/8’’
15,87
0,81
11,08
3/4’’
19,05
0,89
17,27
7/8’’
22,22
0,89
20,44
1’’
25,40
1,02
23,26
Tubería de cobre rígida
TUBERÍA COBRE RIGIDO
Dn
Normalizado
DN ext
(mm)
esp (mm)
DN int (mm)
5/8’’
15,87
0,76
14,35
3/4’’
19,05
0,81
17,43
7/8’’
22,22
0,81
20,60
1’’
25,40
0,89
23,62
1 1/8’’
28,57
0,89
26,79
1 3/8’’
34,92
1,07
32,78
1 5/8’’
41,27
1,27
38,73
2 1/8’’
53,97
1,50
50,97
2 5/8’’
66,67
1,65
63,37
Tubería de cobre capilar
Comercialmente los tubos de cobre capilar se suministran en los siguientes
diámetros y espesores:
TUBO CAPILAR DE COBRE
mm
mm
0,8
2
1
2
1,25
2,45
1,5
2
2,45
3
448
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
La tubería de cobre capilar se emplea en instalaciones de pequeña
potencia, para efectuar la función de válvula de expansión y para el
conexionado de presostatos, manómetros… tal y como se explica en el
apartado 5.4. ‘’Dispositivos de seguridad y regulación y en el 2.3’’
Instrumentos de medición’’.
Tuberías de acero con y sin soldadura
Atendiendo al Reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones
Frigoríficas los tubos de material férrico empleados en la construcción
de elementos del equipo frigorífico o en conexiones y tuberías de paso
de refrigerante deberán ser siempre de acero estirado, no estando
permitido el uso de tubo de acero soldado longitudinalmente.
Excepcionalmente, la Dirección General de Industrias Alimentarias y
Diversas podrá autorizar el empleo de otros tipos de tubo de acero,
siempre que su utilización esté debidamente justificada.
Las tuberías de acero con y sin soldadura se fabrican de acero al carbono
o de aleación, de acuerdo con los distintos procedimientos de producción.
Dn Normalizado
1/8’’
TUBERÍA ACERO
DN ext (mm)
esp (mm)
10,2
2
DN int (mm)
6,2
3/4’’
13,5
2,35
8,8
3/8
17,2
2,3
12,6
1/2
3/4
21,3
26,9
2,6
2,6
16,1
21,7
1
1 1/4
33,7
42,4
3,2
3,2
27,3
36
1 1/2
48,3
3,2
41,9
2
60,3
3,6
53,1
2 1/2
3
4
5
76,1
88,9
114,3
139,7
3,6
4
4,5
5
68,9
80,9
105,3
129,7
6
165,3
5
155,3
Uniones, manguitos, conexiones y elementos de fijación
Según el tipo de tubería empleada y la función que ésta deba cumplir,
las uniones pueden realizarse por soldadura, rosca, brida, compresión
mecánica. Los extremos de las tuberías se prepararán de forma adecuada
al tipo de unión que se debe realizar.
Antes de efectuar una unión, se repasarán y limpiarán los extremos de
los tubos para eliminar las rebabas y cualquier otra impureza que pueda
haberse depositado en el interior o en la superficie exterior, utilizando
449
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
los productos recomendados por el fabricante. La limpieza de las
superficies de las tuberías de cobre y de materiales plásticos debe realizarse
de forma esmerada, ya que de ella depende la estanquidad de la unión.
Las tuberías se instalarán siempre con el menor número posible de
uniones; en particular, no se permite el aprovechamiento de recortes de
tuberías en tramos rectos.
Entre las dos partes de las uniones se interpondrá el material necesario
para la obtención de una estanqueidad perfecta y duradera, a la
temperatura y presión de servicio.
Cuando se realice la unión de dos tuberías, directamente o a través de
un accesorio, aquellas no deben forzarse para conseguir que los extremos
coincidan en el punto de acoplamiento, sino que deben haberse cortado
y colocado con la debida exactitud.
No deberán realizarse uniones en el interior de los manguitos que
atraviesen muros, forjados u otros elementos estructurales.
Los cambios de sección en las tuberías horizontales se efectuarán con
manguitos excéntricos y con los tubos enrasados por la generatriz superior
para evitar la formación de bolsas de aire.
En las derivaciones horizontales realizadas en tramos horizontales se
enrasarán las generatrices superiores del tubo principal y del ramal.
Las conexiones soldables para unir tubería de cobre son fabricadas de
tal manera que permiten, una vez ensambladas, tener juego de muy
pocas milésimas, sólo el necesario para realizar el proceso de soldadura
capilar. Todas las conexiones cuentan con un tope o asiento en su interior,
que permite introducir el extremo del tubo de cobre, no dejando ningún
espacio muerto que pudiera crear turbulencias en los fluidos.
Todas las conexiones soldables vienen grabadas en los extremos, con la
medida del diámetro nominal de entrada. Las conexiones soldables se
fabrican de diferentes materiales: cobre, bronce y latón. La gama de
conexiones es muy variada. Las conexiones de cobre son las más
recomendables para unir tuberías de cobre, puesto que son del mismo
metal y tienen las mismas características. Se fabrican codos de 90º y de
45º, tees, sifones, etc.
Las conexiones de bronce son una aleación de cobre, zinc, estaño y
plomo. Son piezas fundidas y posteriormente maquinadas, por lo que su
superficie exterior es rugosa. Se fabrican también roscables, además de
soldables, en variedades como codos, tees, reducciones, tapones,
conectores, tuerca unión, etc.
Las conexiones de latón son aleaciones de cobre y zinc y piezas forjadas.
Por lo regular, tienen un extremo soldable y uno roscado, para unir una
pieza roscable con un tubo de cobre. Comercialmente, se identifican
450
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
nombrando primero la unión soldable y luego la roscable. Todos los
tipos de conexiones antes mencionados, se pueden obtener fácilmente
en el mercado, y para identificarlas existe una manera comercial,
dependiendo del tipo y del diámetro nominal. Normalmente, una
conexión que tiene el mismo diámetro en todos sus extremos, se nombra
por su medida nominal. En el caso de conexiones con rosca, se debe
indicar claramente el lado roscable y el tipo de rosca (interior o exterior).
Para las conexiones soldables con reducción, se da primero el diámetro
mayor y luego el menor, como en el caso de codos reducidos. Las tees
reducidas, tomando en cuenta que tienen dos lados en línea recta, se
nombra primero el de mayor diámetro, luego el extremo opuesto y
finalmente el diámetro del centro.
Para fijar las tuberías se emplean abrazaderas aisladas, de forma que no
se produzca una pérdida de carga en el sistema. Comercialmente se
suministran abrazaderas para todos los diámetros nominales tanto de
cobre como de acero empleados en refrigeración.
Abrazaderas con aislamiento
Soldadura para cobre/cobre
Proceso de Soldadura Capilar
La unión de tubería de cobre y conexiones soldables, se hace por medio
de "soldadura capilar". Este tipo de soldadura se basa en el fenómeno
físico de la capilaridad, que se define como sigue: cualquier líquido que
moje un cuerpo sólido, tiende a deslizarse por la superficie del mismo,
independientemente de la posición en que se encuentre. Al realizar una
soldadura, se calientan el tubo y la conexión hasta alcanzar la temperatura
de fusión de la soldadura, la cual correrá por el espacio entre el tubo y
la conexión, cualquiera que sea la posición que éstos tengan.
451
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Tipos de Soldadura
En general, podemos decir que las soldaduras son aleaciones de dos o
más metales en diferentes proporciones. Las soldaduras deben fundir a
temperaturas menores que las piezas metálicas a unir. Aunque existen
muchos tipos de soldaduras, en este punto analizaremos las que sirven
para unir tuberías y conexiones de cobre o aleaciones de éste.
La unión de tuberías de cobre se realiza por medio de dos tipos de
soldaduras: blandas y fuertes, según sea el caso.
Estas soldaduras son:
•
Soldaduras Blandas - Son todas aquellas que tienen su punto de
fusión abajo de 450ºC. Se utilizan principalmente en instalaciones
hidráulicas en los desagües de los evaporadores, ya que no es
recomendable someterlas a alta presión. Existen tres de uso común
y se emplean de acuerdo al fluido. Con refrigerantes del grupo
primero podrán hacerse por soldadura blanda.
•
Soldaduras Fuertes - Estas se dividen en dos clases: las que contienen
plata y las que contienen cobre y fósforo. Estos tipos de soldaduras
tienen puntos de fusión mayores de 430ºC, y son las recomendadas
para instalaciones de sistemas de refrigeración, aunque se prefieren
las de cobre y fósforo para unir tuberías y conexiones de cobre. Con
refrigerantes del grupo segundo y tercero deben emplearse siempre
soldaduras del tipo fuerte.
El fósforo en este tipo de soldaduras, actúa como un agente fundente,
y éstas son de menor costo que las de alto contenido de plata, por lo que
en ocasiones, no se requiere aplicar fundente. En las soldaduras de plata,
la aleación varía desde un 5% hasta un 60% de plata, y su punto de fusión
depende de esta aleación. Por ejemplo, una soldadura con 5% de plata
funde a 675ºC, y con 15% de plata funde a 640ºC. Las soldaduras de
cobre y fósforo, tienen puntos de fusión mayores (700ºC) y alta resistencia
a la tensión (2,800kg/cm2). Existen soldaduras de cobre fosforado con
contenido de 5% de plata, lo que le da mayor resistencia (más de 2,900
kg/cm2).
La selección de una soldadura fuerte, depende de cuatro factores
principales:
•
Dimensiones y tolerancias de la unión.
•
Tipo y material de la conexión (fundida o forjada).
•
Apariencia deseada.
•
Coste.
Las soldaduras fuertes tienen la ventaja de que se pueden unir metales
similares y diferentes a temperaturas relativamente bajas.
452
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Fundente
El fundente tiene una función muy apropiada. Debe disolver o absorber
los óxidos, tanto en la superficie del metal, como en la superficie de la
soldadura, los cuales se forman durante el calentamiento. Para lograr
esto, debe adherirse tan ligeramente a la superficie metálica, que la
soldadura pueda sacarla de allí conforme avanza sobre la superficie. El
fundente no limpia el metal. Lo mantiene limpio, una vez que se ha
removido la suciedad y el óxido. Al aplicar cualquiera de las soldaduras
blandas, es indispensable utilizar fundente. El fundente debe ser
anticorrosivo o exclusivo para soldar tubería de cobre. Debe agitarse
antes de usarlo. Debe aplicarse una capa delgada y uniforme con una
brocha o cepillo, tanto al tubo como a la conexión. Debe evitarse aplicarlo
con los dedos, ya que los compuestos químicos del fundente, pueden
ser dañinos si llegan a los ojos o una herida abierta. Los fundentes para
soldaduras fuertes, son diferentes en composición que los de soldaduras
blandas. No pueden y no deben intercambiarse. Los fundentes para
soldaduras fuertes son a base de agua. El fundente puede ser una fuente
de corrosión en un sistema. Debe evitarse que entre en él.
Existen ciertos tipos de soldaduras, que en su interior contienen resina
(alma ácida); sin embargo, estas soldaduras no son recomendadas para
unir tuberías de cobre, pues el poder humectante del fundente que
contienen, no es suficiente, ya que viene en mínimas proporciones,
además de contener ácido.
Soplete
Cuando se va a unir una tubería de cobre regida por medio de una
conexión, es necesario aplicar calor. Este calor lo proporciona una llama
lo suficientemente intensa, que al aplicarla al tubo, la soldadura se derrita
al contacto. El instrumento que proporciona este calor es el soplete, el
cual puede ser de diferentes combustibles: gasolina, propano, gas natural,
oxi-acetileno, etc. La llama de un soplete tiene dos coloraciones, que
corresponden a diversos grados de calor. La llama amarilla es luminosa
pero no muy calorífica. Al abrir poco a poco el spray, pasa más mezcla
gas-aire si hay suficiente presión, desaparece la llama amarilla para
convertirse en azul, que es más calorífica; y a medida que el spray se abra
más, se intensifica el calor. Ya sea que el combustible sea acetileno,
propano o gas natural.
Hay tres tipos básicos de llamas que se producen, cuando se mezclan
con el oxígeno en el soplete:
•
Llama Neutral. Es la que tiene en medio un pequeño cono azul. Esta
llama típicamente es la más caliente, y se utiliza cuando se requiere
aplicar calor en un solo punto específico.
453
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Llama Oxidante. Ésta se produce cuando hay presente más oxígeno
del necesario, para la combustión completa del gas. Se caracteriza
porque el cono azul es el más corto, cuando se usa acetileno con
oxígeno. Otra característica es el sonido áspero que hace el soplete,
debido al exceso de oxígeno. Este tipo de llama no se recomienda
para soldar; el exceso de oxígeno, contribuye a la oxidación de los
metales.
•
Llama Reductora. También llamada carburante, es la contraria a la
llama oxidante. Esta llama tiene una proporción tal de gas-oxígeno
que, hay presente un exceso de gas combustible. Se caracteriza por
tener el cono azul más grande que el de la llama oxidante, con un
cono suave y blanco alrededor del azul. Es la llama predominantemente
recomendada para soldar. La llama reductora ofrece varias ventajas.
Primera, realmente ayuda a eliminar el óxido de la superficie de los
metales. Segunda, calienta de manera más uniforme, ya que "envuelve"
al tubo. Esto se logra aplicando la llama de tal manera que la punta
del cono blanco apenas toque el tubo. Tercera, se reduce el riesgo
de sobrecalentar más en un solo punto, como con las otras llamas.
Hay diferencias de temperaturas entre los diferentes tipos de llamas,
al igual que en los diferentes gases combustibles, Se recomienda que
para soldar tubos hasta de 1", no se empleé una llama demasiado
fuerte, pues el calentamiento de la unión sería demasiado rápido y
no se podría controlar fácilmente, con el peligro de una evaporación
inmediata del fundente y oxidación del cobre, lo que impide que
corra la soldadura. En medidas mayores de 1", puede emplearse una
llama intensa, pues aquí no existe ese peligro. En diámetros de 3" a
4", será conveniente aplicar más calor.
Antes de todo, se debe tener la certeza del uso que va a tener la tubería,
para saber el tipo de soldadura y de fundente que se va a emplear. Como
ya mencionamos, existen soldaduras blandas a base de estaño y plomo
y soldaduras fuertes de cobre y fósforo, y de aleaciones de plata. Las
soldaduras blandas tienen puntos de fusión menores de 430ºC, y las
soldaduras fuertes tienen puntos de fusión mayores de 430ºC. Las primeras
se usan en instalaciones hidráulicas y las otras en el sistema de refrigeración.
La teoría básica y técnica de soldado, son las mismas para todos los
diámetros. Las variables son: las cantidades requeridas de tiempo, calor
y soldadura, para completar una unión designada. Una buena unión es
el producto de un técnico bien capacitado, que conoce y respeta los
materiales y métodos que utiliza. Los pasos básicos en el proceso de
soldadura son los siguientes:
•
Medición. La medición del largo del tubo debe ser precisa. Si el tubo
es muy corto, no alcanzará a llegar al tope de la conexión, y no se
podrá hacer una unión adecuada.
454
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Corte. El corte de un tubo puede hacerse de diferentes maneras,
para obtener un corte a escuadra satisfactorio. El tubo puede ser
cortado con un cortatubo, con disco abrasivo o con sierra cinta.
Independientemente del método de corte que se utilice, el corte
debe ser a escuadra, para que se pueda tener un asiento perfecto
entre el extremo del tubo y el tope de la conexión, evitando fugas
de soldadura. Se debe tener cuidado de no deformar el tubo mientras
se está cortando.
•
Rimado. La mayoría de los métodos de corte, dejan rebabas en el
extremo del tubo. Si éstas no se remueven, puede ocurrir erosión y
corrosión, debido a la turbulencia y a la velocidad en el tubo. Las
herramientas que se usan para rimar los extremos de los tubos son
varias. Los cortatubos tienen una cuchilla triangular; se puede usar
una navaja de bolsillo o una herramienta adecuada, como el rimador
en forma de barril, el cual sirve para rimar el tubo por dentro y por
fuera. Con tubo de cobre flexible se debe tener cuidado de no ejercer
demasiada presión, para no deformarlo. Un tramo de tubo rimado
apropiadamente tendrá una superficie suave para un mejor flujo.
•
Limpieza. La limpieza se hace fácil y rápida. Para que la soldadura
fluya adecuadamente es crucial que se remueva el óxido y la suciedad.
Si esto no se hace, el óxido y la suciedad de la superficie pueden
interferir con la resistencia de la unión y causar una falla. La limpieza
mecánica es una operación simple. El extremo del tubo deberá
limpiarse utilizando lija de esmeril, lana de acero o fibra de nylon,
en una distancia ligeramente mayor que la profundidad de la conexión.
También deberá limpiarse la conexión por dentro, utilizando lija o
cepillo de alambre del tamaño apropiado. Deben tenerse las mismas
precauciones que con el tubo. El cobre es un metal suave; si remueve
demasiado material, quedará floja la conexión, interfiriendo con la
acción capilar al soldar. El espacio capilar entre el tubo y la conexión,
es aproximadamente de 4 milésimas de pulgada (0.004"). La soldadura
puede llenar este espacio por acción capilar. Este espacio es crítico
para que la soldadura fluya y forme una unión fuerte. Se pueden
utilizar limpiadores químicos, siempre y cuando se enjuaguen
completamente la conexión y el tubo, de acuerdo con las
recomendaciones del fabricante del limpiador. Esto neutralizará
cualquier condición ácida que pueda existir. Las superficies, una vez
limpias, no deberán tocarse con las manos o guantes grasosos. Los
aceites de la piel o lubricantes y la grasa, pueden impedir que la
soldadura fluya y humedezca el tubo.
•
Rangos de Temperatura. Hasta este punto, los pasos para el proceso
de soldadura son los mismos para soldaduras blandas y fuertes; la
selección de uno u otro tipo, dependerá de las condiciones de
455
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
operación. En la práctica real, la soldadura blanda se aplica a
temperaturas entre 175ºC y 290ºC, mientras que la soldadura fuerte
se hace a temperaturas de entre 590ºC y 850ºC.
•
Aplicación del Fundente. Para soldaduras blandas, decíamos que es
indispensable el uso de fundente. En las soldaduras fuertes, algunas
no requieren el uso de fundente para soldar cobre a cobre; en uniones
de cobre a bronce y cobre a latón, sí se requiere fundente, al igual
que en soldaduras con aleaciones de plata. Los fundentes para
soldaduras blandas son diferentes en su composición, a los de
soldaduras fuertes, y no deben intercambiarse. La función del fundente
se explicó en el párrafo correspondiente. Se debe aplicar una capa
delgada y uniforme, con un cepillo o brocha, tanto a la parte exterior
del tubo como al interior de la conexión.
•
Ensamble. Después de haber limpiado ambas superficies, y aplicado
el fundente en forma adecuada, se deben ensamblar colocando la
conexión sobre el tubo, asegurándose que el tubo siente bien contra
el tope de la conexión. Se recomienda hacer un ligero movimiento
giratorio hacia uno y otro lado, para asegurar la distribución uniforme
de la pasta fundente. Retirar el exceso de fundente con un trapo o
estopa de algodón. Si se van a efectuar varias soldaduras en una
misma instalación, se recomienda preparar todas las de un mismo
día de trabajo. Se debe tener cuidado para asegurarse de que las
conexiones y tubos estén adecuadamente soportados, con un espacio
capilar razonable y uniforme alrededor de la circunferencia completa
de la unión. Esta uniformidad del espacio capilar asegurará una
buena penetración de la soldadura. Un espacio excesivo en la unión
puede provocar que la soldadura se agriete bajo una fuerte tensión
o vibración.
•
Calentamiento. En este paso deben observarse las precauciones
necesarias, debido a que se usan llama abierta y alta temperatura,
unidas a la flamabilidad de los gases. El calor, generalmente, se aplica
con un soplete, aunque también se pueden utilizar tenazas eléctricas.
Los sopletes para soldaduras blandas comúnmente operan a base de
una mezcla de aire con algún combustible, tal como gasolina, acetileno
o algún gas natural. Los sopletes para soldaduras fuertes utilizan una
mezcla de oxígeno y algún combustible, debido a las altas temperaturas
requeridas; el combustible puede ser cualquier gas natural o acetileno.
Recientemente, se han hecho innovaciones en las boquillas para
aire/combustible, y ahora se pueden utilizar éstas en una más amplia
variedad de tamaños, tanto para soldaduras blandas como para fuertes.
La operación de calentamiento empieza con un "precalentamiento",
que se hace con la llama perpendicular al tubo, cerca de la entrada
de la conexión. Este precalentamiento, conducirá el calor inicial
456
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
hacia el interior de la conexión, para una distribución pareja por
dentro y por fuera. El precalentamiento depende del diámetro de la
unión; la experiencia le indicará el tiempo apropiado. La llama deberá
moverse ahora hacia la conexión y luego hacia el tubo, en una
distancia igual a la profundidad del conector. Se toca la unión con
la soldadura; si no se funde, se retira y se continúa el proceso de
calentamiento. Hay que tener cuidado de no sobrecalentar, ni de
dirigir la llama al interior de la conexión. Esto puede quemar el
fundente y destruir su efectividad. Cuando se ha alcanzado la
temperatura de fusión, se puede aplicar calor a la base de la conexión,
para ayudar en la acción capilar.
•
Aplicación de la Soldadura: Cuando se ha alcanzado la temperatura
adecuada, si el tubo está en posición horizontal, se comienza a aplicar
la soldadura en un punto como en el 4 de un reloj. Se continúa en
el 8, y luego en el 12. Se regresa al 6, luego al 10, y finalmente al 2.
La soldadura fundida será "jalada" hacia el interior de la conexión
por la acción capilar, sin importar si ésta es alimentada hacia arriba,
hacia abajo o en forma horizontal. En diámetros de tubería grandes,
es recomendable golpetear levemente con un martillo en la conexión,
mientras se está soldando, para romper la tensión superficial y que
la soldadura se distribuya uniformemente en la unión. Hay que
recordar que la soldadura se debe fundir con el calor del metal. No
con la llama del soplete. Es muy importante que la llama esté en
movimiento continuo, y no debe permitirse que permanezca
demasiado en un punto como para que queme el tubo o la conexión.
Cuando se haya completado el proceso de soldadura, deberá quedar
visible un anillo continuo alrededor de la unión. Si la soldadura falla
en fluir o tiende a «hacerse bolas», indica que hay oxidación sobre
las superficies metálicas, o el calor es insuficiente en las partes a unir.
Si la soldadura no entra en la unión y tiende a fluir sobre el exterior
de cualquiera de las partes, indica que esa parte está sobrecalentada
o que a la otra parte le hace falta calor.
•
Enfriamiento y Limpieza: Después de que se ha terminado la unión,
es mejor dejar enfriar de forma natural. Un enfriamiento brusco,
puede causar un esfuerzo innecesario en la unión, y eventualmente,
una falla. Si la soldadura es blanda, el exceso de fundente debe
limpiarse con un trapo de algodón húmedo. Si la soldadura es fuerte,
los residuos de fundente se deben remover lavando con agua caliente
y cepillando, con cepillo de alambre de acero inoxidable.
Si las partes a unir están adecuadamente preparadas, apropiadamente
calentadas y si se usa la soldadura correcta, la unión final debe ser sana
y firme. Los sistemas con tubería de cobre, cuando son instalados
457
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
adecuadamente, proporcionarán años de servicio confiable y seguro.
Con un entrenamiento adecuado sobre las técnicas de instalación
correctas, como las expuestas aquí, el técnico alcanzará la habilidad de
realizar uniones confiables y consistentes en todos los diámetros.
Aislantes térmicos
Con el fin de proteger las instalaciones contra la disipación de energía,
se emplean materiales aislantes.
Los materiales aislantes son malos conductores del calor, tienen la
característica de estar formados por celdillas o células cerradas que
contienen aire seco o en reposo u otros gases con coeficientes de
conductividad térmica muy reducida. La efectividad del material aislante
provoca un ahorro energético en la instalación, ya que aislar de forma
adecuada los elementos portadores de energía, ocasiona una reducción
en las pérdidas, evita las condensaciones y facilita el mantenimiento de
la temperatura en el interior de la cámara o tubería.
Las cualidades de los materiales empleados como aislamientos térmicos
en los sistemas de refrigeración proporcionan, además:
•
Seguridad, evitando el riesgo de quemaduras al no permitir el contacto
con superficies excesivamente frías o calientes.
•
Disminución del ruido.
•
Retardo de la propagación de llamas
Los materiales aislantes deben cumplir las siguientes características:
•
Presentar baja conductividad térmica.
•
Baja higroscopicidad.
•
Imputrescible.
•
Inodoro, con el fin de no transmitir olores a los alimentos contenidos
en las cámaras frigoríficas.
•
No servir como alimento a parásitos.
•
Neutros químicamente frente a los otros materiales que deban estar
en contacto con él.
•
Presentar resistencia a la compresión y a la tracción (cargas presentes
en la formación de las cámaras).
•
Impermeable al agua, de modo que no puedan formarse vapor de
agua o congelación de agua en el interior del aislante.
•
Presentar un comportamiento plástico, para adaptarse a la obras sin
romperse.
458
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Los aislantes pueden clasificarse según diversos criterios:
CLASIFICACIÓN AISLAMIENTOS
Minerales
Sintéticos
ORIGEN
Vegetales
Animal
Pulverulentos
ESTRUCTURA
Fibrosos
Espumas
TEMPERATURA
Fibra de vidrio
Lana de roca
Vidrio expandido o celular
Espuma de vidrio
Espumas de PVC
Espumas de Poliestireno (expandido o extruído)
Espumas de Poliuretano
Corcho
Fibras de madera
Fieltro
Lana
Seda
Crin animal
Corcho
Diatomeas
Kieselguhr
Perlita
Vermiculitas
Fibra de vidrio
Lanas minerales
Lanas de animales y vegetales
Hormigones celulares
De origen sintético con células abiertas o cerradas
y aglomerantes
Refractarios (más de 800ºC)
Semirrefractarios (fibras cerámicas)
Ordinarios (menos de 800ºC)
Los materiales actuales utilizados como asilamiento, se basan en la
formación de un material formado principalmente por aire, encerrado
en las celdillas de materiales de baja densidad, intentando aproximar
con bajas densidades al del aire.
459
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Propiedades materiales de los aislantes utilizados en superficies plana:
Identificación
Forma
física
Estructura
Máxima
temperatura
admisible (ºC)
Peso específico
aproximado
(Kg/m3)
Conductividad
térmica a la
temperatura media
(Kcal./hm20C)
Urea
formaldehído
Celular
49
12,8
0,022 a 24
Ebonita
expandida
Celular
50
64
0,024 a 0
0,013 a -129
Celular
76-79
16-32
0,024-0,028 a 0
Corcho
secado
Celular
65
112,1-192,2
0,032-0,034 a 0
PVC
expandido
Celular
65
64-112
0,029 a 0
Celular
Celular
149
427
32-40
128,1-160,2
0,029 a 0
0,043 a -18
Lana de vidrio
Fibrosa
402-537
8-112
0,029-0,031 a 38
Lana de roca
Fibrosa
593
16-160
0,026 a 0
Fibrosa
649-815
48-112
0,038 a -5,6
Granular
704
80
0,018 a -15,5
0,013 a -101
Granular
871
48
0,031 a 10
Celular
Celular
65
140
64-112
32-48
0,029
0,032 a 10
Pliestireno
expandido
Poliurretano
Vidrio celular
Lana de
escorias
Rígida
Rígida
Relleno
suelto
Sílice aerogel
Perlita
expandida
PVC
Poliuretano
Flexible
460
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
∑Propiedades materiales de los aislantes utilizados en tuberías:
Identificación
Forma
física
Estructura
Máxima
temperatura
admisible
(ºC)
Peso
específico
aproximado
(Kg/m3)
Conductividad
térmica a la
temperatura
media
(Kcal./m2hºC)
Poliestireno
expandido
Celular
76,5-79,5
16-32
0,024-0,028 a 0
Corcho secado
Celular
65,5
112-192
0,032-0,034 a 0
0,012-0,018 a 135,5
Poliuretano
Fibrosa
149
32-40
0,018-0,031 a 0
0,012-0,018 a 135,5
Fibrosa
260
112-160
0,032 a 38
Fibrosa
260
112-160
0,032 a 38
Fibrosa
815
144-160
0,033 a 38
Lana de vidrio
(impregnada con
resina)
Lana mineral
(impregnada con
resina)
Lana de
escorias(impregnada
con resinas)
Trozo de
tubos
rígidos
Poliuretano
Celular
138
32-48
0,032 a 10
Lana de escorias
Lana de vidrio
Lana mineral
Fibrosa
Fibrosa
Fibrosa
149
482
760
112-144
128
96-144
0,032 a 38
0,035 a 38
0,031 a 38
Flexible
Aislantes acústicos
Se emplean aislantes acústicos para atenuar el nivel de ruido emitido
por las unidades, atenuando el paso de ruido entre ambientes distintos.
La función de los materiales aislantes acústicos es reflejar la mayor parte
de la energía que reciben; deben ser materiales pesados, flexibles y
continuos para obtener el máximo rendimiento de su peso.
Materiales empleados como aislantes acústicos:
Lana de vidrio.
Lana de roca.
Lana mineral.
461
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Poliuretano.
Caucho.
Espumas termoplásticos.
Plomo, recubierto con poliuretano expandido.
En la figura siguiente se muestra el aislamiento de la cabina.
∑
Aislamiento acústico cabina
Antivibratorios
A fin de evitar la posible transmisión de vibraciones a las estructuras
sobre las que se asientan las máquinas, se opta por la instalación de
antivibradores. Existen distintos dispositivos empleados como
antivibradores:
Antivibrador metálico
•
Antivibradores de caucho de superficie plana
•
Antivibradores de caucho-metal
•
Alfombrillas de goma
462
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Plancas antivibradoras de caucho neopreno con corcho comprimido
intermedio
•
Antivibradores metálicos
•
Conexiones flexibles
463
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
8. LUBRICANTES
8.1. Introducción
Como se ha visto en temas anteriores, en los sistemas frigoríficos existen
elementos (principalmente el compresor) en los que distintas piezas
mecánicas están en contacto contínuo, deslizando unas sobre las otras.
Sirva a modo de ejemplo la siguiente lista:
•
Pistón en el interior del cilindro en los compresores alternativos.
•
Ejes en los cojinetes de fricción.
•
Paletas del rotor contra la cara interna del cuerpo en los compresores
rotativos de paletas.
•
Excéntrica contra la cara interna del cuerpo en los compresores
rotativos de tipo excéntrico.
•
Entre los engranajes que forman los ejes rotativos de los compresores
de tornillo.
•
Etc.
Para que no se produzcan fugas de refrigerante entre las piezas en
movimiento y las estáticas (con la pérdida de refrigerante, de presión y
de rendimiento que ello supondría), los ajustes dimensionales (distancias
entre unas piezas y otras) tienden a reducirse a los mínimos que permiten
el movimiento relativo entre los dos elementos.
Esta disminución de las distancias provoca que las piezas estén
prácticamente en contacto contínuo y ello supone el desgaste de los
elementos y el calentamiento de ambas partes.
Se denomina lubricante al fluido con la capacidad de disminuir el
rozamiento entre dos materiales en contacto, facilitando el movimiento
relativo de uno respecto al otro, evitando el excesivo aumento de
temperatura entre ellos y reduciendo su desgaste.
Los lubricantes, además, tienen la capacidad de actuar como cierre
hidráulico o tapón a las fugas del fluido comprimido, dada su mayor
densidad relativa y la imposibilidad que presenta aquél para desplazarlo
de los espacios reservados para el desplazamiento de los elementos
mecánicos.
El tipo especial de lubricante utilizado en los sistemas de refrigeración,
se llama aceite para refrigeración. Este aceite debe cumplir ciertos
464
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
requerimientos especiales, que le permiten realizar su función lubricante,
sin importar los efectos del refrigerante y las amplias variaciones de
temperatura y presión.
El estudio de los aceites para refrigeración y su relación con los
refrigerantes, es necesario para el mantenimiento y la prestación de
servicio de modo efectivo a equipos de refrigeración y aire acondicionado.
En este apartado se va a presentar una clasificación de los lubricantes y,
a continuación, el temario se centrará en los aceites de refrigeración y
en las características más importantes que deben reunir para llevar a
cabo del mejor modo posible su cometido.
8.2. Clasificaciones
Existen diversas maneras de clasificar los refrigerantes. La más usual
cuando se habla de sistemas de refrigeración es aquella que se realiza
atendiendo al origen o naturaleza del fluido lubricante.
Otra clasificación muy intuitiva se realiza en función del aspecto que
presenta el lubricante en condiciones normales. Así, se tienen lubricantes:
•
Sólidos: usados cuando las piezas trabajan a presiones y temperaturas
extremas. Dentro de este grupo estarían el grafito, el bisulfuro de
molibdeno, talco, mica, parafinas, azufres,…
•
Pastosos o grasas: son dispersiones de aceite en jabón utilizadas para
lubricar las zonas que los aceites normales no alcanzan por sus
particulares características de falta de retención o por la presencia
de atmósferas polvorientas.
•
Líquidos: son los denominados aceites lubricantes en general (en los
que se centra la siguiente clasificación).
8.2.1. Origen
Según su origen, los lubricantes se clasifican en aceites naturales (de
origen animal, vegetal o mineral) y aceites sintéticos.
Animal y Vegetal
Los aceites de origen animal y vegetal no pueden ser refinados por
destilación (proceso térmico a través del cual se separan los componentes
de un compuesto debido a las distintas temperaturas de ebullición que
poseen cada uno de ellos) ya que se descomponen, por ello son
denominados también aceites fijos.
Entre ellos se encuentran: el aceite de lino, de algodón, de colza, de
oliva, de tocino, de pezuña de buey, glicerina, etc. El primero de los
465
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
usados con fines lubricantes fue el de ballena (normativamente fuera de
uso) y el de girasol.
Son inestables, tienden a formar ácidos y gomas, y además, se congelan
fácilmente; por lo que no son adecuados para refrigeración.
Minerales
Por lo anterior, los aceites lubricantes para refrigeración, se obtienen a
partir de los aceites de origen mineral, destilados y refinados.
Los aceites minerales son derivados del petróleo y se pueden clasificar
en tres tipos, de acuerdo con el crudo (mezcla de hidrocarburos que
forman el petróleo) del que se obtienen:
•
Aceites de base Parafínica: son los que se obtienen de un crudo en
el que hay predominio de los hidrocarburos alcanos (compuestos de
hidrógeno y carbono unidos entre sí por enlaces sencillos H-H, C-H:
metano, etano, propano, butano,…).
•
Aceites de base Nafténica: en el crudo del que se obtienen existen
mayoritariamente hidrocarburos alquenos (compuestos de hidrógeno
y carbono caracterizados por la presencia de algún enlace doble entre
átomos de carbono C=C: eteno, propeno, 1-buteno y 2-buteno,…).
•
Aceites de base Aromática: la mayoría de los hidrocarburos que
forman el crudo base son cíclicos (en ellos los compuestos de
hidrógeno forman anillos o cadenas cerradas: ciclopropano,
ciclobutano, ciclopentano,…).
A pesar de su similar composición, muestran dispares comportamientos
y los aceites de base nafténica son los que con más profusión se vienen
usando para equipos de refrigeración debido a las siguientes características:
•
Fluyen mejor a bajas temperaturas.
•
Conservan mejor su viscosidad que los aromáticos.
•
Hay menos depósitos de cera a bajas temperaturas, ya que contienen
menos parafina, que los de base parafínica.
•
Los depósitos de carbón formados por estos aceites son ligeros, y se
eliminan fácilmente.
•
Son más estables térmica y químicamente, que los aromáticos.
•
Tienen excelente capacidad dieléctrica.
Los aceites parafínicos en la actualidad, no se utilizan en refrigeración.
Los aceites nafténicos son sometidos a un proceso de ultra-desparafinado,
y en la actualidad, son los más adecuados para refrigeración. Los
aromáticos, derivados del dodecil-benceno, tienden a ser menos usados.
466
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Sintéticos
Los aceites sintéticos se obtienen a partir de reacciones químicas en
laboratorio. Por esta razón, su calidad no depende de la calidad de
ningún petróleo crudo, y su composición es consistente todo el tiempo,
ya que los componentes son siempre iguales.
De lo anterior se desprende que los aceites sintéticos, son lubricantes “a
la medida”, ya que estos fluidos pueden ser modificados de acuerdo con
las necesidades de una aplicación particular.
En el caso de los aceites sintéticos para refrigeración, se fabrican
enfatizando las propiedades de miscibilidad con los refrigerantes,
resistencia a bajas y a altas temperaturas, excelente poder lubricante, y
100% libres de cera.
Existen varios tipos de aceites sintéticos, pero los que mejor resultado
dan en refrigeración son los de polialquilenglicol (PAG) y los de poliol
éster (POE):
•
Polialquilenglicol (PAG): Se emplea con los HFC, es muy higroscópico,
se oxida en exposición con el aire, no se puede mezclar con aceites
minerales y se debe mantener en recipientes herméticos. Se usa casi
exclusivamente en automoción.
•
Poliol éster (POE): Es miscible con todos los refrigerantes (CFC,
HCFC, HFC), es miscible con el aceite mineral si no supera el 1% de
éste en la instalación si se emplea HFC. Si se emplea HCFC se puede
mezclar mineral y base Ester al 50%-50%. No es tan higroscópico
como el PAG pero lo es más que los aceites minerales.
En la actualidad, con la desaparición de algunos refrigerantes
clorofluorocarbonados (CFC's), y la aparición de sus sustitutos, es necesario
el uso de aceites sintéticos, ya que algunos de estos nuevos refrigerantes
como el R-134a, no son miscibles con los aceites minerales nafténicos ni
aromáticos. El R-134a inclusive, ha mostrado poca solubilidad con los
aceites sintéticos de alquilbenceno; en cambio, ha mostrado buena
solubilidad con los lubricantes de éster, de los cuales hay varios tipos.
Por otra parte, los lubricantes sintéticos de PAG, no son compatibles con
los clorofluorocarbonos (CFC's), como el R-12. Específicamente, el cloro
contenido en estos refrigerantes, puede reaccionar con el aceite sintético
y causarle una degradación.
8.3. Aceites para refrigeración
Los aceites para refrigeración no cumplen función alguna dentro del
ciclo de refrigeración, pero son necesarios para el adecuado
funcionamiento de las partes móviles.
467
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Por ello y por ser inevitable su puesta en contacto con el fluido refrigerante
en su paso a través del compresor, es necesario que cumplan una serie
de requisitos de modo que no creen problemas en el resto del sistema
de refrigeración.
8.3.1. Requerimientos
El fabricante de los equipos debe informar sobre las características
concretas del lubricante que se debe usar en las máquinas. Corresponde
a los técnicos de mantenimiento el cambio del aceite de los compresores
de las instalaciones de producción de frío y deben ser capaces de reconocer
aquellas características en los lubricantes existentes en el mercado para
usar el fluido más adecuado en cada caso.
Un buen aceite para refrigeración debe reunir las cualidades que a
continuación se listan:
•
Mantener su viscosidad a altas temperaturas.
•
Mantener buena fluidez a bajas temperaturas.
•
Ser miscible con los refrigerantes a las temperaturas de trabajo.
•
Tener buena (alta) capacidad dieléctrica.
•
No tener materia en suspensión.
•
No debe contener ácidos corrosivos o compuestos de azufre.
•
No formar depósitos de cera (flóculos) a las bajas temperaturas del
sistema.
•
No dejar depósitos de carbón al entrar en contacto con superficies
calientes dentro del sistema.
•
No contener humedad.
•
No formar espuma.
•
Ser química y térmicamente estable en presencia de refrigerantes,
metales, aislamientos, empaques, oxígeno, humedad y otros
contaminantes.
No existe el lubricante universal válido para todas las aplicaciones. Cuando
se habla de “altas temperaturas” debe entenderse referido el término a
la más alta temperatura del sistema, lo mismo con “bajas temperaturas”
y el resto de requerimientos. Se pretende decir con esto que cada
aplicación tendrá unos lubricantes más adecuados y otros menos
recomendables. El conocimiento de todas las magnitudes del ciclo de
468
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
refrigeración (presiones, temperaturas,…) permitirá al técnico elegir el
aceite correcto en función de las propiedades que se presentan en el
siguiente apartado.
8.3.2. Propiedades
Se repasan a continuación las propiedades más importantes y las
magnitudes que las cuantifican de los aceites usados en sistemas frigoríficos.
Viscosidad, punto de escurrimiento y punto de floculación
Viscosidad es la resistencia a fluir que tienen los líquidos. A mayor
viscosidad, mayor será la energía necesaria para hacer deslizar entre sí
dos superficies lubricadas con el aceite. Es función de la temperatura a
la que esté el lubricante, según desciende la temperatura, aumenta la
viscosidad.
La viscosidad nos indica cuánto puede fluir un aceite a una temperatura
dada. Los aceites se vuelven menos viscosos al aumentar la temperatura,
y más viscosos a bajas temperaturas. Esto es muy importante, ya que en
el evaporador se tienen las temperaturas más bajas del sistema; y si un
aceite es demasiado viscoso, se espesará y no fluirá a través del evaporador,
acumulándose dentro de éste, no permitiendo al refrigerante absorber
calor del medio a enfriar y disminuyendo la transferencia de calor del
sistema.
Si el aceite es poco viscoso (muy fluido), no permanecerá entre las
superficies de las partes en movimiento, sino que se escapará y las dejará
sin película protectora. Si el aceite es demasiado viscoso, causará una
excesiva resistencia, pérdida de fuerza y puede no ser capaz de fluir entre
las partes móviles.
La viscosidad de los aceites para refrigeración se ve afectada por su
miscibilidad (capaz de diluirse o mezclarse) con los refrigerantes. Esta
miscibilidad del aceite con los refrigerantes, varía desde no ser miscibles,
como con el amoníaco, hasta ser completamente miscibles, como en el
caso del R-12.
Hay varias maneras y unidades para expresar la viscosidad de los fluidos,
según el método que se utilice para determinarla:
•
Viscosidad absoluta (Poises): es la fuerza requerida para mover una
superficie plana de un centímetro cuadrado en un segundo cuando
las superficies están separadas por una capa de líquido de un
centímetro de espesor.
469
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Viscosidad cinemática (centiStokes (cSt)): es el tiempo requerido
para que una cantidad fija de aceite atraviese un tubo capilar bajo la
fuerza de gravedad.
•
Viscosidad Saybolt (Segundos Saybolt Universales (SUS)): El tiempo
en segundos requeridos por 60 ml de fluido por un tubo capilar en
un viscosímetro Saybolt Furol a una temperatura específica entre
70°F y 210°F.
En la actualidad, la Organización Internacional de Estandarización ISO
(International Standardization Organization), ha determinado que la
viscosidad de los aceites industriales, se exprese en centiStokes a una
temperatura de 40°C. Sin embargo, algunos fabricantes de aceites aún
utilizan las unidades en SUS.
La importancia de la viscosidad, está en seleccionar un aceite que
proporcione lubricación adecuada, bajo las diferentes condiciones de
trabajo que supone el ciclo frigorífico. Los fabricantes de aceite, pueden
satisfacer diferentes viscosidades para cumplir con cualquier especificación.
Cuando se tenga duda de qué viscosidad usar, se deben consultar las
recomendaciones del fabricante del equipo. Si no se dispone de ellas,
se puede utilizar la tabla siguiente como una guía para seleccionar la
viscosidad adecuada. Esta tabla sirve para la mayoría de las aplicaciones.
Los aceites deben seleccionarse de acuerdo con la temperatura del
compresor, la temperatura del evaporador y el tipo de refrigerante
utilizado.
CONDICIONES DE SERVICIO
Normal
Tª EN EL
CONDENSADOR
Alta
>= -18ºC
Tª DEL
EVAPORADOR
-18ºC < Tª < -40ºC
<= -40ºC
A/C Automoción
Compresores Rotativos
Compresores Centrífugos
REFRIGERANTE
Todos
Halogenados
Amoníaco
Halogenados
Amoníaco
Halogenados
Amoníaco
Halogenados
Amoníaco
Halogenados
Todos
Todos
VISCOSIDAD
(cSt)
32
32
68
32
68
32
32
32
32
100
100
100
VISCOSIDAD
(SUS)
150
300
300
150
300
150
150
150
150
500
500
500
Además de la viscosidad a 40ºC, dadas las distintas temperaturas a las
que trabaja el refrigerante (y el lubricante que con él realiza el ciclo
frigorífico) es necesario saber cómo se comporta la viscosidad del aceite
a distintas temperaturas. Los dos términos que se presentan a continuación
–punto de escurrimiento y punto de floculación- tratan de cuantificar
esta variación.
470
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
El punto de escurrimiento es la temperatura más baja a la cual fluirá un
aceite. Por definición, el punto de escurrimiento es 3°C mayor que la
temperatura a la cual el aceite cesa totalmente de fluir; es decir, el punto
de escurrimiento es 3°C, arriba de la temperatura de congelación del
aceite.
El punto de escurrimiento depende del contenido de cera y de la
viscosidad del aceite.
En todo sistema de refrigeración (sea cual sea el tipo de compresor)
siempre existe cierta cantidad de aceite que pasa al evaporador con el
refrigerante. Dicho aceite debe ser capaz de retornar al compresor a
través de todo el circuito.
Si el punto de escurrimiento del aceite es superior a la temperatura de
evaporación, el lubricante se congelará en el evaporador disminuyendo
la eficiencia del intercambio de calor y pudiendo quedar el compresor
sin lubricante, al quedar éste atrapado en el citado elemento. Este
problema se agrava cuando lubircante y refrigerante no son miscibles
(como en el caso de R-22 ó amoniaco).
Para determinar el punto de escurrimiento se utiliza un tubo de vidrio
de fondo plano, donde se coloca una muestra de aceite, se tapa y se pone
un termómetro. Se sumerge el tubo en un baño enfriado, y cada que vez
que su temperatura disminuye 3°C, se verifica su fluidez. El punto de
escurrimiento es 3°C arriba de la temperatura a la cual el aceite ya no
fluye.
Los valores recomendados de punto de escurrimiento de aceites para
refrigeración son:
•
•
Aceites de 32 cSt:
-
Minerales:
<-35ºC
-
Sintéticos:
<-55ºC
Aceites de 68 cSt:
-
Minerales:
<-30ºC
-
Sintéticos:
<-35ºC
El punto de floculación es la temperatura a la cual un aceite empieza a
formar depósitos de cera (flocular). Un aceite para refrigeración, no
debe flocular al ser expuesto a la temperatura más baja del sistema de
refrigeración.
Todos los aceites minerales usados en refrigeración contienen algo de
cera parafínica, algunos más que otros. La solubilidad de esta cera en el
resto de componentes del aceite disminuye con la temperatura. Cuando
471
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
a una mezcla de aceite y refrigerante se le disminuye su temperatura, la
solubilidad de la cera en el aceite disminuye, hasta que a cierta temperatura,
el aceite no puede mantener disuelta toda la cera, y parte de la misma
se separa y precipita.
La cera floculada sobre las superficies del evaporador supone los mismos
inconvenientes que el lubricante congelado y es por ello un efecto a
evitar en las instalaciones frigoríficas. En la válvula de expansión o en el
tubo capilar, la deposición de cera es más peligrosa pues puede causar
la obturación total del paso libre, con lo que se detiene el ciclo de
refrigeración y, si los elementos de seguridad del sistema funcionan
correctamente, se para el equipo.
A los aceites para refrigeración que no sufren separación de cera, cuando
se mezclan con refrigerante a bajas temperaturas, se les denomina "libres
de cera".
En laboratorio el punto de floculación se determina preparando una
mezcla de 10% de aceite y 90% de R-12 (% en volumen) que es enfriada
en un recipiente transparente, sumergiendo éste en un baño frío. Al
bajar la temperatura, la mezcla se enturbia, y comienzan a formarse
pequeños grumos de cera que flotan en la mezcla. La temperatura a la
cual comienzan a observarse los grumos, se toma como el punto de
floculación.
Los aceites para refrigeración deben tener puntos de floculación bajos.
Los valores recomendados son:
•
-51°C o menor para aceites utilizados con HCFC y HFC.
•
En los sistemas que usan amoníaco no se exige esta prueba.
Puntos de inflamación e ignición
Estas características de un aceite se tienen en cuenta en un sistema de
refrigeración cuando se trabaja con refrigerantes inflamables como el
amoníaco, el bióxido de azufre o el cloruro de metilo.
El punto de inflamación de un aceite es la temperatura más baja a la que
el vapor de aceite existente sobre su superficie libre se inflama al ser
expuesto a una llama, pero se apaga inmediatamente. Esta temperatura
no es lo suficientemente alta para mantener ardiendo al aceite.
El punto de ignición es la temperatura a la cual un aceite arde y continúa
quemándose (durante, al menos, 5 segundos) al ser expuesto a una llama
que cesa inmediatamente.
472
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Cuando un aceite presenta en su composición elementos volátiles los
puntos de ignición y de inflamación son más bajos que cuando no
presenta dichos elementos.
En ocasiones, para poder usar aceites de mala calidad debido a su baja
viscosidad, los fabricantes de lubricantes le añaden otros aceites con
muchos hidrocarburos volátiles de muy alta viscosidad, que le confieren
al primer aceite mayor viscosidad a costa de reducir sus puntos de
inflamación e ignición.
En algunas instalaciones, el lubricante así obtenido es totalmente válido
para las aplicaciones deseadas. En otras, el uso de estos aceites puede
conducir a situaciones peligrosas y es importante controlar estas
características.
En sistemas normales no se alcanzan las temperaturas de inflamación o
ignición y las características descritas sólo se utilizan como parámetro de
control de calidad de los productos.
La siguiente tabla muestra valores recomendados de inflamación e
ignición:
VISCOSIDAD
32 cSt
68 cSt
PUNTO DE INFLAMACIÓN
> 163ºC
> 171ºC
PUNTO DE IGNICIÓN
> 182ºC
> 193ºC
Rigidez dieléctrica
La medida de la rigidez dieléctrica sirve como medio de cuantificar la
pureza de un lubricante o la cantidad de contaminante que lleva disuelto.
La rigidez dieléctrica es la resistencia de un aceite al paso de una corriente
eléctrica. Se expresa como kilovoltios (kV) requeridos para que se
produzca una descarga eléctrica (corriente eléctrica de gran intensidad
y corta duración) entre dos polos sumergidos en un baño de aceite y
separados entre ellos una distancia igual a la décima parte de una pulgada.
El aceite debe estar a una temperatura de 25°C.
Los aceites de refrigeración tienen una rigidez superior a 25 kV. Los
contaminantes que suelen aparecer en un aceite (humedad, metales
disueltos o suciedad) aumentan la conductividad de la mezcla y disminuyen
su rigidez dieléctrica.
Con la aparición de los compresores herméticos y el creciente uso que
de ellos se está haciendo, la rigidez dieléctrica es una propiedad que
473
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
toma mayor importancia ya que con elevadas rigideces se evitan los
cortocircuitos entre los devanados del motor que suelen desembocar en
la quema de éste.
Número de neutralización
El número de neutralización es una medida de la estabilidad de un
lubricante y del grado de refinamiento al que ha sido sometido.
Mide la cantidad de ácidos contenidos en el aceite y se obtiene según la
cantidad de base que hay que añadirle para neutralizarlo (que la mezcla
una acidez nula).
En los aceites aparecen dos tipos de ácidos: los ácidos orgánicos y los
ácidos minerales.
Los ácidos orgánicos surgen como producto de algunas reacciones
internas que ocurren en los lubricantes, debido a la gran variedad de
componentes presentes en su composición (recordemos la procedencia
natural de los aceites minerales) y la presencia de alguna sustancia alcalina
(sustancia capaz de rebajar el grado de acidez de otra sustancia (agua
u oxígeno pueden ser sustancias). La presencia de estos ácidos no es
problemática en las instalaciones frigoríficas.
Los ácidos minerales no son producto de reacción interna alguna sino
que se encuentran presentes en el crudo original del que se obtiene el
aceite y pueden ser eliminados en el proceso de refino del lubricante.
Su presencia muestra que el refino ha sido insuficiente y que el aceite
no es de la calidad deseada.
En los sistemas de refrigeración corroen las partes interiores de los
componentes y aceleran la degradación del aceite, haciéndole perder
sus propiedades lubricantes.
El número de neutralización aumenta cuanto mayor es la presencia de
ácidos (orgánicos o minerales) en el aceite. Es por ello deseable que éste
sea lo más bajo posible, siendo el valor de 0,05 mgKOH/g (miligramos
de hidróxido de potasio por gramo de aceite) el valor máximo
recomendado.
Carbonización
Todo material procedente del petróleo, el aceite en concreto, puede
descomponerse por aplicación de calor. Según aumenta la temperatura
se van produciendo vapores que escapan del fluido quedando las fases
más pesadas en el fluido. Cuando dejan de escapar gases queda un
residuo carbonoso. Este proceso se denomina carbonización.
474
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
La relación del peso del residuo con el peso inicial del fluido se denomina
valor de carbón y se suele presentar en porcentaje. El aparato en el que
se realiza esta prueba se denomina aparato de carbón de “Conradson”
y, por ello, el valor de carbón se cita también como valor de carbón
Conradson.
El valor de carbón delata el tipo de petróleo del que procede el aceite.
El aceite de base parafínica deja un residuo duro y pegajoso, mientras
que el de procedencia nafténica posee un residuo ligero y esponjoso. El
residuo parafínico es más perjudicial que el nafténico, pero ninguno de
ellos es deseable y deben elegirse lubricantes que no carbonicen a las
temperaturas con las que se trabaja en la instalación.
Además, a mayor valor de carbón mayor es la tendencia del aceite a
reaccionar con el refrigerante formando lodos y cobrizado.
Un buen aceite para refrigeración, deberá tener un valor bajo de carbón
Conradson. El valor recomendado para todas las viscosidades es de 0,03%
o menor.
Peso específico
El peso específico de un lubricante no guarda relación alguna con la
posibilidad de ser usado en una instalación frigorífica. Para una misma
aplicación pueden servir aceites de pesos específicos muy distintos.
La importancia de esta propiedad estriba en razones de manutención
del lubricante, relacionar peso y volumen del fluido usado en el compresor.
El peso específico muestra también, como la anterior propiedad, la
naturaleza del crudo origen del lubricante.
El valor normalizado, utilizado para comparar varios aceites, corresponde
a una temperatura de 15ºC.
Tendencia a la corrosión
Entre los posibles compuestos presentes en un aceite, el azufre es el que
mayor corrosión suele causar en los elementos metálicos de las
instalaciones. El azufre se encuentra en el aceite en forma de diferentes
compuestos.
El modo de medir la tendencia a la corrosión de un lubricante es la
prueba de corrosión de la lámina de cobre. Para ello:
Una tira de cobre pulida, de aproximadamente 1.5 x 8 cms., es
sumergida en la muestra de aceite contenido en un tubo de vidrio.
Este tubo se tapa y se mete en un líquido caliente o en un horno,
durante tres horas a 100°C. Se saca la tira de cobre, se enjuaga con
solvente, y se examina la decoloración que ha sufrido, las manchas
que han aparecido, los poros que han surgido, o si muestra cualquier
475
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
otra evidencia de corrosión. Si el cobre está ennegrecido, es indicación
de la presencia de azufre elemental o suelto. Si el cobre está
definitivamente manchado o café, es indicativo de la presencia de
aditivos con contenido de azufre. Si esto sucede, es indicio de que
hay azufre en el aceite, como consecuencia de una mala refinación.
Los aceites bien refinados, no causan más que un ligero manchado del
cobre en esta prueba, y no deben contener azufre en cantidades que
puedan causar corrosión. El azufre en presencia de humedad, forma
ácidos, causando lodos y serios problemas mecánicos.
Oxidación acelerada
La prueba consiste en calentar aceite a 205°C durante 2-1/2 horas, en
una atmósfera de oxígeno. Los lodos formados se pesan, siendo el
resultado el valor de la oxidación acelerada. El valor recomendado es
menor de 20 para todas las viscosidades.
La prueba mide la capacidad de un aceite para refrigeración a permanecer
estable en presencia de oxígeno.
La combinación de aire, humedad y aceite, con las altas temperaturas
del compresor, produce ácidos y lodos. Cuanto mayor es el número de
oxidación de un lubricante mayores son las formaciones de los
contaminantes y más rápida la aparición de los problemas debidos a su
presencia.
En el interior de las instalaciones frigoríficas no debe haber ni aire ni
humedad. En las labores de carga y vaciado de aceite y refrigerante es
inevitable que ciertas cantidades de estos elementos se pongan en contacto
con el aire atmosférico. Si el aceite posee un bajo índice de oxidación
acelerada estas puestas en contacto carecerán de importancia.
Humedad
La humedad dentro del sistema de refrigeración contribuye a la formación
de ácidos, lodos y a congelarse dentro del sistema. Según algunos autores,
se le puede considerar incluso como el principal enemigo de los sistemas
de refrigeración.
El agua afecta a la lubricación tanto física como químicamente y es más
dañina que las partículas sólidas.
El agua entra en el sistema filtrándose a través de los sellos, o bien entrado
a través de respiraderos disuelta en el aire y condensándose en espacios
libres, o ser producto de la combustión de algún hidrocarburo.
Dentro del sistema, el agua puede encontrarse de tres formas: libre,
emulsionada y disuelta:
476
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Cuando el agua esta disuelta en el aceite, las moléculas de agua están
completamente mezcladas con las del aceite. En este estado, la
presencia del agua en el aceite resulta muy difícil de detectar. La
mayor parte de los aceites industriales pueden contener hasta 200600 ppm (0’02-0’06%) de agua, dependiendo de la temperatura y de
la edad del aceite, ya que el aceite viejo admite 3 ó 4 veces más que
el aceite nuevo.
•
Cuando la cantidad de agua disuelta en el aceite supera la cantidad
que puede disolver el aceite, éste se satura. En este estado, el agua
se separa en forma de pequeñas gotas, lo que es conocido como
emulsión. Cuando se produce este fenómeno, se dice que el aceite
tiene aspecto neblinoso.
•
Si la cantidad de agua es mayor, el aceite y el agua se separarán en
dos fases, originándose una capa de agua bajo la de aceite con agua
emulsificada. En la mayor parte de los casos, el agua se depositarán
en el fondo de los depósitos.
•
El agua libre y la emulsificada son las dos fases más dañinas para el
aceite.
El agua afecta a la formación de la capa de lubricación. Debido a la
incomprensibilidad del agua puede desplazar al aceite en zonas donde
se forma una capa de lubricación muy fina, provocando la pérdida de
la capa de lubricación hidrodinámica, dando como resultado un desgaste
excesivo.
El agua, además, corroe la mayor parte de los metales utilizados en los
sistemas de lubricación y tiene efectos dañinos también sobre el aceite,
facilitando su degradación.
Existen diversos métodos para detectar el agua en el aceite, si bien el
más utilizado es el Karl Fischer. El aspecto neblinoso del aceite es indicativo
de la presencia del agua. La presencia de cloro y sodio en el aceite
también es indicativa de la presencia de agua.
Ningún aceite para refrigeración debe contener humedad suficiente
como para afectar al sistema. La cantidad de humedad que contiene un
aceite, se expresa en partes por millón (ppm). Un aceite para refrigeración
cuando sale de la fábrica, normalmente tiene como máximo 30 ppm de
agua. Esta cantidad puede incrementarse durante el envasado, traslado
y almacenamiento, por lo que se deben tomar todo tipo de precauciones
para no dejar el aceite expuesto al medio ambiente; ya que los aceites
son higroscópicos (que tienen la propiedad de absorber la humedad del
aire).
Los aceites sintéticos a base de poliol éster (POE), son aproximadamente
10 veces más higroscópicos que los aceites minerales o de alquil benceno
477
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
(AB). Los aceites de poliol éster pueden absorber hasta 2.000 ppm,
mientras que los minerales absorben 200 ppm. La principal razón es,
que los aceites de POE se hacen mezclando un alcohol y un ácido orgánico
de éster, y el producto de esta reacción es un lubricante POE y agua.
Se elimina el agua y queda el lubricante sólo, pero esta reacción es
reversible; es decir, si el lubricante POE se expone a la humedad, se lleva
a cabo la reacción inversa y se producen alcohol y ácido. Por esta razón,
los lubricantes sintéticos de POE se envasan en recipientes metálicos,
bajo un sofisticado método que utiliza vacío y nitrógeno. Si se utilizan
envases de plástico, con el paso del tiempo, la humedad atraviesa el
plástico y se combina con el lubricante.
Color
El color del aceite para refrigeración se determina por medio de luz
transmitida, y se expresa por un valor numérico, basado en una
comparación con una serie de colores estándar.
El color apropiado que debe tener un aceite para refrigeración, fue
materia de discusión durante mucho tiempo. Sin embargo, el consenso
general se ha inclinado más hacia los aceites de colores más claros, casi
tanto como el agua.
Si un aceite se refina en exceso, perderá prácticamente su color y su
cualidad lubricante. Si no se refina lo suficiente, el aceite tendrá un color
oscuro, debido al alto contenido de hidrocarburos insaturados. Por lo
tanto, el aceite se debe refinar lo suficiente para eliminar estos
hidrocarburos, pero no tanto como para destruir sus cualidades lubricantes.
Trabajos recientes han demostrado que los aceites de colores más claros,
poseen mayor estabilidad que los oscuros, al entrar en contacto con el
refrigerante de un sistema en operación.
El aceite para refrigeración de buena calidad, debe tener un valor inferior
a 2.0 de color ASTM.
Punto de anilina
El punto de anilina de un aceite viene definido como la temperatura
mínima a la que, una mezcla a partes iguales de aceite y anilina, llega a
solubilizarse totalmente.
La anilina (C6H5-NH5) es un hidrocarburo aromático cuya estructura
molecular es un anillo de 6 átomos de carbono con enlaces dobles y
simples alternándose. En uno de sus vértices cuenta con un grupo amina
(-NH2). Es la amina más simple.
Dada la estructura molecular de la anilina ésta es más soluble en aceites
aromáticos, algo menos en los naftalénicos, y todavía menos en los
478
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
parafínicos. Por eso el punto de anilina nos orienta sobre la composición
química del aceite (en particular sobre el contenido en sustancias
aromáticas).
Cuanto menor sea el contenido en sustancias aromáticas, más alto será
el punto de anilina, y viceversa. Su valor tiene importancia al evaluar el
comportamiento del lubricante frente a los materiales que componen
los sellos o cierres compuestos mayoritariamente por materiales de goma
y elastómeros.
Esta característica se determina por medio de un ensayo en el que se
produce una agitación entre el aceite y la anilina, controlando la
temperatura y en condiciones normalizadas. Para temperaturas:
•
Menores de 65°C: se tienen aceites aromáticos.
•
Entre 66 y 80°C: se tiener aceites predominantemente nafténicos.
•
Entre 81 y 90°C: Aceites nafténicos - parafínicos.
•
Mayores de 90°C: Aceites de base parafínica.
La prueba para determinar este valor consiste en colocar en un tubo de
prueba, cantidades específicas del aceite a probar y de anilina. Las
sustancias dentro del tubo se calientan gradualmente, agitándolas
mecánicamente, hasta que se mezclan formando una sola fase.
Posteriormente, se enfría la mezcla de manera gradual, hasta que ocurre
la separación en dos fases. La temperatura a la que se separan es el punto
de anilina.
Estabilidad térmica
Dentro de un sistema de refrigeración, las reacciones entre el aceite y
el refrigerante a altas temperaturas, pueden causar problemas tales como:
formación de lodos, ácidos, gomas, lacas, barnices y cobrizado. Estos
depósitos afectan las válvulas de descarga, aceleran el desgaste, tapan los
conductos del aceite y en los compresores herméticos, interfieren con
la operación del motor.
Una prueba para evaluar la estabilidad del aceite en sistemas que operan
con refrigerantes halogenados, consiste en colocar partes iguales de
aceite y R-12 en un tubo de vidrio, en presencia de materiales de prueba
como acero y cobre. El tubo se sella para excluir el oxígeno y la humedad
atmosférica. Se coloca el tubo en un horno y se calienta. Las condiciones
típicas son 175°C, durante 14 días.
Esta prueba no reproduce las condiciones encontradas en un sistema de
refrigeración, pero incrementa en forma drástica las condiciones que
pueden causar la descomposición del aceite y el refrigerante, formando
los productos ya mencionados. Esta prueba es capaz de discriminar
per fectamente, entre el aceite de alta y el de baja calidad.
479
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Bajo estas condiciones, el cobre y el acero actúan como catalizadores,
acelerando la reacción. El R-12 tiende a reaccionar con el aceite para
formar R-22, además de otros productos. La formación del R-22 es una
guía de la reacción.
Después de 14 días, el contenido del tubo es analizado. Una medida
cualitativa de la reactividad es el color del aceite después del calentamiento:
si está oscuro, es indicación de una estabilidad pobre.
Una técnica más cuantitativa, es analizar la cantidad de R-12 que se ha
descompuesto. La medición del porcentaje de R-22 formado, indica lo
lejos que llegó la reacción. Mientras más R-22, mayor reacción y menos
estable el aceite.
En sistemas que operan con amoníaco, se lleva a cabo una reacción
diferente: el aceite puede oxidarse y formar ácidos orgánicos, los cuales
pueden reaccionar con el amoníaco y formar lodos. Uno de los métodos
más simples para probar la estabilidad del aceite en sistemas de amoníaco,
es calentarlo en un vaso a 115°C, durante 4 días. La medición cualitativa
es el color del aceite: mientras más oscuro, menos estable.
Compatibilidad con otros materiales
El aceite de un sistema debe se compatible con los elementos del mismo,
tales como las aleaciones metálicas, sellos del sistema, conductos de
materiales sintéticos, etc. En diferentes partes del sistema se tienen
elastómeros, expuestos tanto al refrigerante como al aceite. La mezcla
de refrigerante-aceite, puede causar que estos elastómeros se encojan o
se hinchen, debilitándolos; no permitiendo que sellen, o que ocurra una
extrusión de su posición original.
Los elastómeros, aunque se comercializan bajo ciertos nombres específicos,
tales como VITON - A, BUNA - N, etc., las composiciones pueden variar
significativamente de un fabricante a otro; por lo que es recomendable
realizar pruebas comparativas en distintas muestras para asegurar la
compatibilidad con un compuesto concreto.
La prueba consiste en pesar o medir una muestra del elastómero, y
después sumergirla en una mezcla de aceite-refrigerante por un cierto
tiempo y a una cierta temperatura. Se registra el porcentaje que cambia
en peso o en dimensiones.
Los aceites sintéticos y minerales, tienen casi el mismo efecto en
elastómeros y plásticos, y en general, son compatibles con la mayoría de
estos materiales.
El carácter químicamente activo de algunos aditivos hace que éstos sean
agresivos con los metales. Los aditivos que contienen azufre, cloro o
fosfatos son agresivos con el cromo, el cobre y el latón.
480
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
En cuanto a la compatibilidad entre lubricantes, se entiende esta propiedad
como la capacidad de un lubricante para mezclarse con otros, sin
reaccionar con ellos y provocar problemas, tales como precipitados o
pérdida de prestaciones del lubricante. Si el uso de lubricantes
incompatibles no se evita, surgirán estos problemas y pueden causarse
daños irreparables en el sistema.
La mayor parte de los casos de incompatibilidad son causados por los
aditivos que se suman al lubricante para mejorar sus propiedades más
débiles, aunque algunos son debidos al aceite base.
Durante la fase de desarrollo los fabricantes realizan pruebas de
compatibilidad con los productos de otros fabricantes, ya que no resulta
comercialmente atractivo un producto que no pueda mezclarse con
otros. La incompatibilidad puede surgir al mezclarse productos de distinto
tipo (para diferentes aplicaciones) o productos del mismo tipo pero de
distinto fabricante.
Como regla general, no deben rellenarse sistemas con más de un 10%
de aceite distinto al que tiene (aunque supuestamente sean compatibles),
ni mezclar distintos tipos de aceites sintéticos, ya que no todos son
compatibles entre sí, como muestra la siguiente tabla:
Tipo de aceite base sintético
Compatibilidad con aceite mineral
Alcalibencenos
Polialfaolefinos
Diesteres
Poliglicoles
Ester de fosfato
Poliesteres
Muy buena
Muy buena
Buena
Mala
Aceptable
Aceptable
8.4. Manipulación
Los requerimientos a los que están sometidos los lubricantes usados en
refrigeración, repasados en el apartado anterior, fuerzan a que tengan
que ser mezclados con otras sustancias (aditivos) capaces de conferirles
las propiedades deseadas.
Los aditivos se incorporan a los aceites en muy diversas proporciones,
desde partes por millón, hasta el 20 % en peso de algunos aceites. Cada
aditivo tiene una o varias misiones que cumplir, clasificándose al respecto,
como unidades o multifunción hales.
Fundamentalmente, los aditivos persiguen los siguientes objetivos:
•
Limitar el deterioro del lubricante a causa de fenómenos químicos
ocasionados por razón de su entorno o actividad.
481
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Proteger a la superficie lubricada de la agresión de ciertos
contaminantes.
•
Mejorar las propiedades físico-químicas del lubricante o proporcionarle
otras nuevas.
El efecto que un aditivo causa en un tipo determinado de aceite no tiene
por qué coincidir con el efecto que ocasionan en otro tipo. Los aditivos
deben ser solubles en el aceite base y compatible (estable) con el resto
de aditivos del lubricante, si existen.
En mezcla con el aceite, dos o más aditivos son compatibles si no dan
lugar a reacciones que formen compuestos indeseables o que mermen
alguna de sus características. Hay que ser cautos al añadir aditivos en un
aceite en uso y ser conocedores no sólo del tipo de aceite del que se
trata, sino también, de las sustancias que ya se la hayan añadido.
Los aditivos utilizados en aceites lubricantes pueden clasificarse, según
las propiedades sobre las que actúan en los siguientes grupos:
ACCIÓN
EJEMPLOS
VISCOSIDAD
Mejoradores
del índice de
viscosidad
Poliisobutenos, Copolímeros de alquil metacrilato,
Copolímeros de alquil acrilato, Copolímeros de vinil acetato-alquil
fumaratos, Poliestireno alquilatado.
PUNTO DE
CONGELACIÓN
Disminución
del punto de
congelación
Polímeros y copolímeros de alquil metacrilato, Poliacrilamidas,
Copolimeros de vinil carboxilato-dialquil fumaratos, Poliestireno
alquilatado, Polímeros y copolímeros de alfa-olefinas.
OXIDACIÓN
Disminución
de la tendencia
a la oxidación
Ditiofosfatos de zinc, Fenoles bloqueados, Aminas, Ditiocarbonatos
de zinc, Terpenos sulfurizados, Terpenos fosfosulfurizados.
TENDENCIA A LA
CORROSIÓN
Inhibidores de
la corrosión
Mezclas de mono, ditriorganofosfitos, obtenidos mediante
la reacción de alcoholes o hidroxiésteres con tricloruro de fósforo.
CARBORNIZACIÓN
Evitar los
depósitos
carbonosos
(la carbonización)
Detergentes
FLOCULACIÓN
Evitar la
formación de
lodos
Dispersantes: Copolímeros de alquil metacrilato y vinilpirolidona,
Copolímeros de alquil metacrilato y diaquilaminoetil metacnlato,
Poliisobutilen suceinimidas poliesteramidas.
FÍSICAS-QUÍMICAS
QUÍMICAS
FÍSICAS
PROPIEDADES SOBRE
LAS QUE ACTÚAN
482
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Otros aditivos se muestran en la siguiente relación:
•
Aditivos de untuosidad o acetosidad: son compuestos que, siendo
solubles con el aceite, presentan una fuerte polaridad, que permiten
en condiciones de lubricación límite, disponer sus moléculas adheridas
a la superficie metálica mediante fuerzas de tipo electrostático e
incluso químicas, protegiéndolas cuando existen fuertes cargas o
presiones.
•
Antiespumantes: Cuando un aceite está sometido a una acción de
batido o agitación violenta, en presencia de aire, éste queda ocluido
en la masa de aquél en forma de burbujas de distinto tamaño que
tienden a subir a la superficie, formando espuma más o menos
persistente. Los antiespumantes reducen este efecto.
A parte del conocimiento de los aditivos que suele contener un lubricante,
es importante conocer las precauciones a tener en cuenta durante un
cambio de aceite para evitar la contaminación del medio ambiente.
El aceite usado en una instalación frigorífica suele contener disuelto
ciertos niveles de refrigerante que, como se verá en temas posteriores,
no puede escapar a la atmósfera para evitar diversos tipos de contaminación
que pueden producir: rotura de la capa de ozono, efecto invernadero,…
Para evitar que el refrigerante escape se recomienda que el cambio de
aceite se realice a bajas presiones. De este modo, el aceite no es capaz
de mantener disuelto el refrigerante y éste se evapora en el interior del
sistema. La presión debe ser reducida hasta unos 5 Psi. La reducción de
presión puede realizarse bien en el interior del sistema y a continuación
drenar el aceite por el orificio correspondiente; bien drenar el aceite
hacia un recipiente especial y ser en este recipiente donde se reduzca
la presión, y se le permita al gas evaporado volver al sistema.
Una vez se ha recogido el aceite usado en un recipiente adecuado, es
importante que sea llevado a un punto de recogida de este tipo de aceites
para favorecer su reutilización, reciclaje, regeneración o biodegradación
de modo que no dañe el medio ambiente.
483
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
9. REFRIGERANTES
9.1. Introducción
La función de las instalaciones frigoríficas es la de enfriar un ambiente,
para ello extraen calor de su interior y lo ceden al exterior. El agente
que realiza dicho trasvase de calor de una zona a otra se denomina
refrigerante o fluido frigorífico. Se usan como medio de transporte de
calor entre dos puntos.
El calor se puede transportar en forma de calor latente o en forma de
calor sensible. En el primer modo, el fluido sufre un cambio de estado
(de líquido a vapor) para absorber calor y otro cambio (de vapor a
líquido) para cederlo; los refrigerantes que trabajan de este modo se
denominan frigorígenos y son en los que se basará principalmente el
presente apartado.
El calor se transporta de modo sensible cuando el refrigerante únicamente
sufre un aumento de temperatura para absorber calor y un descenso
para cederlo. Los refrigerantes en este caso se denominan frigoríferos.
En primer lugar se van a ver las propiedades que deben cumplir los
fluidos para que se pueda considerar su posibilidad de ser utilizados
como refrigerantes y se verá que las características concretas dependen
siempre de la aplicación concreta que se requiera.
Se va a describir la nomenclatura más usual para reconocimiento de los
refrigerantes y se va a repasar la historia de los mismos, desde sus orígenes
a las perspectivas de futuro.
Se mostrará la variada tipología de refrigerantes existente, las propiedades
de aquéllos de mayor uso en las aplicaciones actuales y la normativa
vigente que los rige.
Por último se darán indicaciones sobre los modos de operar con los
refrigerantes, desde su almacenamiento hasta su eliminación.
9.9.1. Propiedades
Antes de buscar un refrigerante se deben conocer las necesidades de la
instalación (temperatura interior a alcanzar, potencia frigorífica necesaria,
materia a enfriar,…) para determinar el refrigerante a utilizar.
484
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Así:
•
Se decidirá la temperatura de evaporación en función de la
temperatura interior a alcanzar, o
•
Se decidirá si un refrigerante es más o menos apropiado que otro en
función de si la materia a enfriar es para uso alimentario y una posible
fuga de refrigerante pueda contaminarla.
Con todo ello, las siguientes son las propiedades que, en general, se
deben exigir a todo fluido frigorígeno:
Características físicas:
Presión de vapor
Es conveniente que sea superior a la presión atmosférica para evitar que
en las zonas de baja presión algún poro en la instalación provoque la
entrada de aire ambiente en el sistema con los perjuicios que, como se
verá más adelante, ello conlleva al refrigerante y a la instalación.
Presión de condensación
Cuanto más baja sea, menos exigencias se le solicitarán a las tuberías y
elementos auxiliares de la instalación, con el menor coste y las menores
necesidades de mantenimiento que ello conlleva.
Como consecuencia de los dos puntos anteriores, la relación de
compresión también es aconsejable que sea baja, reduciendo así la
potencia del compresor, aumentando su rendimiento (a menor relación
de presión se producen menores fugas entre las juntas y ajustes de dicho
elemento) y reduciendo el consumo de energía de la instalación.
Calor latente de vaporización
A mayor calor latente del fluido menor cantidad de éste será necesaria
para absorber una determinada cantidad de calor. Con menos fluido los
calibres de tuberías, conducciones y auxiliares se reducen, y también el
coste de llenado-vaciado de la instalación, y así los costes tanto de la
instalación en sí como los derivados de su explotación disminuyen.
Características químicas:
El fluido circulante por el ciclo frigorífico debe ser estable frente al
contacto que realiza con todas las partes del sistema y frente a los cambios
de estado y temperatura que sufre.
Además, es aconsejable que las condiciones ambientales le afecten lo
menos posible, de modo que las operaciones de mantenimiento requieran
el menor número de elementos y aparatos posible.
485
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Comportamiento frente a la humedad
La higroscopicidad mide la capacidad de absorción de agua de cualquier
sustancia. Los refrigerantes, como el resto de elementos, absorben cierta
cantidad de agua cuando se les expone a la atmósfera, proveniente del
vapor de agua presente en el aire.
Cuanto más higroscópico es un fluido mayor absorción de agua presenta
y, en las operaciones de reparación o de llenado de gas de la instalación,
existe el riesgo de que el fluido absorba agua introduciéndose ésta en
el ciclo.
Los problemas que presenta el agua en la instalación son los siguientes:
•
El exceso de humedad puede congelarse a bajas temperaturas y
restringir o detener el paso de refrigerante, a través de la válvula de
expansión o del tubo capilar, dadas las reducidas secciones que éstos
elementos poseen.
•
El exceso de agua puede reaccionar con el refrigerante formando
ácidos corrosivos, los cuales causarán atascamientos, corrosión,
quemaduras del motocompresor, y en general, deterioro del sistema
de refrigeración.
De este modo los refrigerantes es conveniente que sean poco higroscópicos.
Comportamiento frente a los lubricantes
Debido a la presencia de elementos mecánicos en continuo movimiento
y al peligro de desgaste de las piezas y calentamiento de las partes, la
presencia de lubricantes o aceites es inevitable en el interior de la
instalación y, sobretodo, en el compresor.
Cuando el refrigerante es comprimido en el compresor entra en contacto
con el aceite. Si ambas sustancias tienen la propiedad de mezclarse se
dice que son miscibles, y esta propiedad resulta adecuada para algunos
temas e inadecuada para otros en las instalaciones de refrigeración.
Como ventajas de la miscibilidad se tienen las siguientes:
•
La facilidad relativa para retornar el aceite al compresor.
•
La lubricación de diferentes partes del sistema.
En cambio, presenta las siguientes desventajas:
•
La dilución del aceite en el cárter del compresor, que obliga a su
reposición periódica para evitar la falta de lubricación cuando el
nivel de aceite desciende.
•
La disminución de la transferencia de calor en el evaporador, al
cambiar las propiedades físicas del refrigerante.
•
Problemas de control.
486
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
A pesar de las desventajas anteriores, la mezcla o presencia conjunta de
aceite y refrigerante es químicamente estable en la mayoría de casos. Si
a la anterior mezcla se le añade agua, las condiciones cambian radicalmente
y pueden llegar a la descomposición del aceite, formación de lodos y
ácido, corrosión de superficies metálicas y depósitos de cobre.
En dos partes del sistema la miscibilidad de lubricante y fluido frigorífico
es de mayor interés: en el cárter del compresor y en el evaporador.
Solubilidad en el cárter:
En los refrigerantes que son completamente miscibles con el aceite el
mayor problema es la dilución del aceite en el cárter del compresor
cuando el sistema no está en operación, dado que la presión tiende a
igualarse entre el lado de alta y el de baja, y el refrigerante tiende a
acumularse en el cárter.
Debido a la miscibilidad, el refrigerante se disuelve en el aceite y cuando
esto sucede, los cojinetes pueden no tener la lubricación suficiente por
un breve período al arranque del compresor. Eventualmente, esta
condición puede causar desgaste excesivo y falla de los cojinetes. Este
problema se previene reduciendo la cantidad de refrigerante en el aceite,
por medio de dos métodos:
•
Calentadores de cárter.
•
Mediante el uso de una válvula solenoide conectada al control de
baja o al termostato.
Si el refrigerante no es soluble en el aceite o es parcialmente soluble se
pueden formar dos capas en el cárter cuando el sistema no está operando.
Con los refrigerantes pesados la capa de aceite estará arriba, mientras
que con los ligeros la capa de aceite estará abajo.
Puesto que la capa de aceite no contiene mucho refrigerante, sus
propiedades lubricantes no cambian significativamente. Aunque en el
fondo esté la capa de refrigerante líquido rodeando los cojinetes,
generalmente a éstos les queda suficiente aceite para darles una lubricación
adecuada durante el arranque, hasta que se obtengan las condiciones
normales de operación.
Las temperaturas a las que se forman dos capas líquidas y a las que se
separan son diferentes para cada refrigerante
Solubilidad en el evaporador:
En el evaporador las temperaturas son mucho más bajas que en el cárter,
y la concentración de aceite es relativamente más baja. En estas
condiciones, el factor importante es la viscosidad del aceite.
Esto es importante porque un aceite demasiado viscoso es difícil de
487
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
remover del evaporador; mientras que un aceite demasiado ligero es
fácilmente arrastrado por el refrigerante, fuera del evaporador.
Cuando el refrigerante se disuelve en el aceite, se reduce la viscosidad.
Por lo tanto, cuando la solubilidad del refrigerante en el aceite es alta,
el aceite tiende a ser removido más fácilmente del evaporador. El diseño
del evaporador y las dimensiones de la tubería son también factores
importantes para ayudar al aceite a salir del evaporador.
Estabilidad
Un compuesto se dice estable cuando no reacciona con los elementos
que tiene a su alrededor. Los refrigerantes suelen ser estables en las
condiciones normales de funcionamiento en el interior de las instalaciones.
Así, debe ser compatible con metales (tuberías y elementos mecánicos),
elastómeros (juntas y accesorios) y plásticos (accesorios).
Los problemas aparecen cuando dichas condiciones cambian, bien por
la aparición de elementos extraños en la instalación (humedad, lubricante,
impurezas por rozamiento de las piezas,..), bien por que hay alguna fuga
y es el refrigerante el que contamina el ambiente exterior.
Hay que prever la posible aparición de cualquiera de estas situaciones
y escoger los refrigerantes más estables o, en su defecto, que los productos
de la reacciones que ocurran causen los menos daños posibles a las
personas, equipos, materiales refrigerados y medio ambiente.
Características termodinámicas:
Las características termodinámicas de un ciclo frigorífico son las que se
definen a continuación:
•
Producción frigorífica específica: cantidad de calor que absorbe 1 kg
de refrigerante en el evaporador.
•
Producción frigorífica volumétrica: cantidad de calor que absorbe 1
m3 de refrigerante aspirado por el compresor.
•
Potencia frigorífica específica: cantidad de calor que teóricamente
absorbe el refrigerante, por unidad de trabajo del compresor.
Estas características presentan más variación en función de la tipología
de la instalación en la que se realiza la prueba que en función del fluido
comparado y por ello no son parámetros usados en la selección del
refrigerante.
Características de seguridad:
El Reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones Frigoríficas
(aprobado según Real Decreto 3099/1977) en su instrucción técnica
complementaria MI-IF-002 clasifica los refrigerantes según su grado de
488
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
peligrosidad inherente, en tres grupos de seguridad (Grupo primero:
refrigerantes de alta seguridad; Grupo segundo: refrigerantes de media
seguridad; y Grupo tercero: refrigerantes de baja seguridad). Para ello
se basa en los efectos fisiológicos de los fluidos frigoríficos.
A continuación, en la instrucción MI-IF-004, limita el uso de cada una
de estas categorías a aplicaciones concretas, con el objeto de limitar los
daños producidos por cualquier malfuncionamiento de las instalaciones.
La clasificación se basa en las siguientes características:
•
Toxicidad o peligrosidad: causada por presentar mayor o menor
grado de toxicidad por producir asfixia al desplazar el oxígeno.
•
Inflamación o explosión: causada a partir de ciertos límites de
concentración en el aire.
•
Fugas: los refrigerantes muestran diferente facilidad para provocar
fugas en el sistema frigorífico en operación, característica que depende
además de los elementos de construcción, del aceite lubricante y del
comportamiento del aceite-refrigerante.
•
Detección de fugas: con independencia de las pruebas de estanqueidad
a que son sometidos los equipos nuevos, es necesario disponer de
métodos de detección de fugas. Los detectores dependen del tipo de
refrigerante y varían desde la simplicidad del agua jabonosa a los
detectores electrónicos automáticos.
Obviamente, comparando refrigerantes se escogerá el que menos riesgos
muestre de toxicidad, inflamación, fugas y sea más fácilmente detectable.
9.1.2. Nomenclatura
El anteriormente citado Reglamento de Seguridad para Plantas e
Instalaciones Frigoríficas, en su artículo 11.2 advierte que:
“Los refrigerantes se denominarán o expresarán por su fórmula o denominación
química, o, si procede, por su denominación simbólica numérica según se establezca
en las instrucciones complementarias que dicte el Ministerio de Industria y Energía.
En ningún caso será suficiente el nombre comercial”
Se busca con esta orden, evitar el uso indebido de los fluidos frigoríficos
y que las casas comerciales traten de esconder productos ilegales bajo
sus denominaciones propias.
La nomenclatura utilizada en el Reglamento y sus instrucciones
complementarias se basa en la denominación estandarizada por la
ASHRAE (“American Society of Heating, Refrigerating and Air
conditioning Engineers”). Ésta tiene su origen en la formulación química
de las sustancias que los componen.
489
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Para entender mejor el sistema de denominación se mencionará que
surgió para normalizar la diversidad de refrigerantes fluorocarbonados
que iban surgiendo. Los fluorocarbonados son los refrigerantes compuestos
por uno o varios átomos de carbono acompañados, según el refrigerante
que se trate, de átomos de cloro, flúor, hidrógeno u otros elementos. La
denominación daba por sentada la presencia de los átomos de cloro y
el resto de numeración delataba cuántos átomos de carbono tenía la
molécula y qué átomos eran los que les acompañaban para rellenar todas
sus valencias.
Posteriormente, la normalización se ha ampliado para tratar de abarcar
todos los refrigerantes existentes (anteriores y posteriores a los
fluorocarbonados), introduciendo para ello nuevos números y letras.
A raíz del artículo del Reglamento, la instrucción complementaria MIIF-002, establece las bases de dichas denominaciones:
•
La denominación simbólica numérica de un refrigerante se establecerá
a partir de su fórmula química, consistiendo en una expresión
numérica (precedida por la letra “R” de refrigerante) en la que:
a) La primera cifra de la derecha, en los compuestos que carezcan
de bromo, indicará el número de átomos de flúor de su molécula.
b) A la izquierda de la anterior se indicará con otra cifra el número
de átomos de hidrógeno de su molécula más uno.
c) A la izquierda de la anterior se indicará con otra cifra el número
de átomos de carbono de su molécula menos uno (si resultara
cero no se indicará).
d) El resto de los enlaces se completará con átomos de cloro.
e) Si la molécula contiene átomos de bromo se procederá de la
manera indicada hasta aquí, añadiendo luego a la derecha una
B mayúscula, seguida del número de dichos átomos.
f) En los compuestos isómeros, el más simétrico (en pesos atómicos)
se indicará sin letra alguna a continuación de los números. Al
aumentar la asimetría, se colocarán las letras a, b, c, etc.
g) Los compuestos no saturados seguirán las letras anteriores,
anteponiendo el número 1 como cuarta cifra, contada desde la
derecha.
h) Los zeótrepos y azeótropos o mezclas determinadas de refrigerantes
se expresarán mediante las denominaciones de sus componentes,
intercalando, entre paréntesis, el porcentaje en peso
correspondiente a cada uno. Los zeótropos también pueden
designarse por un número de la serie 400 completamente
arbitrario, y los azeótropos por un número de la serie 500
completamente arbitrario.
490
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
i) Los números de identificación de los refrigerantes de los
compuestos inorgánicos se obtienen añadiendo a 700 los pesos
moleculares de los compuestos. Cuando dos o más refrigerantes
inorgánicos tienen los mismos pesos moleculares se utilizan las
A, B, C, etc. , para distinguirlos entre ellos.
Expliquemos por puntos las distintas partes del esquema de nomenclatura.
La siguiente figura representa simbólicamente la nomenclatura descrita
hasta el punto e) de la lista anterior:
Ejemplo: Escribir la denominación simbólica numérica del
Triclorofluormetano CCl3F.
La forma de la molécula es la siguiente:
La forma de dibujar las moléculas es ir rellenando las valencias del
Carbono (4) con el resto de átomos.
Siguiendo la figura anterior:
•
(B), no se pondrá nada porque la molécula no tiene átomos de
Bromo.
•
F, será 1 porque la molécula tiene 1 átomo de Flúor.
•
H+1, será igual a 1 porque la molécula tiene 0 átomos de Hidrógeno.
•
C-1, no se indicará porque la molécula tiene 1 átomo de Carbono y
al restarle 1 el resultado es 0.
•
Como se tiene 1 átomo de carbono y unidos a él de momento sólo
un átomo de flúor, las 3 valencias libres del Carbono se rellenan con
3 átomos de cloro.
La denominación simbólica del Triclorofluormetano CCl 3 F es:
R-11
491
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Ejemplo: Llegar a la formulación química del R-115.
Con el mismo esquema:
•
No existen átomos de Bromo, ya que no aparece la letra B.
•
El número de átomos de Flúor es igual a 5.
•
El número de átomos de Hidrógeno es 0.
•
El número de átomos de Carbono es igual a 2.
La forma de la molécula será la siguiente:
Y su denominación química es Cloropentafluoretano.
El punto f) se refiere a los compuestos isómeros. Los compuestos isómeros
son aquéllos que teniendo la misma fórmula molecular (igual número
de átomos de todos los componentes) son compuestos distintos por la
distribución desigual de estos átomos en la molécula, hecho que les
confiere propiedades distintas.
El punto f) explica, entonces, que ante dos denominaciones simbólicas
numéricas iguales salvo el número final, se tratará de la misma fórmula
molecular y el que no tenga, o tenga una letra anterior al otro, será más
simétrico en la distribución de sus átomos componentes.
En el punto g) se habla de los compuestos no saturados, siendo éstos los
compuestos en los que la valencia de alguno de los átomos de Carbono
tiene alguna de sus valencias libres. Para avisar de este hecho y que no
se rellenen todas las valencias con átomos de cloro (como sería el modo
de proceder en caso de que fuera saturado) se antepone el número 1
entre la tercera y cuarta cifra.
Los zeótropos y azeótropos nombrados en el punto h) son mezclas de
refrigerantes en distintos porcentajes para conseguir nuevos refrigerantes
de características distintas. Su denominación se realiza bien mediante
las denominaciones de sus componentes, intercalando, entre paréntesis,
el porcentaje en peso correspondiente a cada uno, o bien pueden
designarse por un número de la serie 400 ó 500, respectivamente,
492
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
completamente arbitrario (según se van descubriendo o fabricando
nuevos azeótropos se les van asignando denominaciones).
La diferencia entre las mezclas zeotrópicas y azeotrópicas radica en que
las azeotrópicas se comportan como si se tratara de un componente
único cuando se producen una ebullición o una licuación, mientras que
en las zeotrópicas no es así. En éstas uno de los componentes es más
volátil y comienza-termina antes de la ebullición, mientras que el otro
componente lo hace más tarde. Como consecuencia, se tiene que en
esos instantes las fases líquido y vapor no tienen la misma composición
química y se comportan como sustancias distintas que son.
Las azeotrópicas se comportan en todo momento como un único
componente, presentando la misma composición tanto la parte líquida
como el gas.
Los compuestos inorgánicos son aquéllos que carecen en su composición
de átomos de Carbono; fueron los primeros refrigerantes y algunos de
ellos continúan usándose. Según el punto i), estos refrigerantes se
denominan sumando 700 (serie 700) a su peso molecular. Para ello hay
que conocer la fórmula química del compuesto y los pesos moleculares
de sus átomos dados en la Tabla de Elementos Químicos. Si varios
compuestos tienen el mismo peso molecular, entre ellos se distinguen
posponiendo las letras A, B, C… al anterior número.
Tabla periódica de los Elementos Químicos
493
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
9.2. Historia de los refrigerantes
9.2.1. Orígenes
La práctica de la refrigeración, probablemente ha existido desde la época
de las cavernas. Con frecuencia, en la historia se menciona el uso de
hielo y nieve naturales para fines de enfriamiento. Los chinos, y después
los romanos, los usaban para enfriar sus bebidas. En algunos lugares
donde sólo tienen hielo en el invierno, lo almacenaban en fosos para
usarlo en el verano. En lugares desérticos donde no disponían de hielo
o nieve en ninguna época del año, como en Egipto, se utilizaba la
evaporación del agua para el enfriamiento de bebidas, y hasta algunos
dispositivos ingeniosos para hacer la estancia más confortable.
El agua fue el primer refrigerante, con una larga historia de uso,
continuando hasta nuestra época. Con el paso del tiempo, se han hecho
mejoras en cuanto a su manejo y almacenamiento, pero aún se utiliza
el hielo natural por todo el mundo. El uso histórico y fundamental del
hielo ha sido reconocido en una unidad de refrigeración: la tonelada de
refrigeración, la cual se define como la cantidad de calor que se requiere
para fundir dos mil libras (unos 907 Kg) de hielo en 24 horas.
9.2.2. Evolución (descubrimientos y mejoras)
En refrigeración se dio un gran paso adelante, allá por el año 1600,
cuando se descubrió que una mezcla de hielo con sal producía
temperaturas más bajas que el hielo sólo. En cierta manera, ésta fue la
primera mejora sobre la naturaleza en el campo de la refrigeración.
Hacia finales del siglo XVIII, la inventiva del hombre se había dirigido
hacia la producción de frío en el momento y tiempo que se deseara. Se
desarrollaron máquinas para disminuir la presión del vapor del agua y
acelerar su evaporación. También recibió considerable atención el arte
de producir frío por la liberación de aire comprimido.
Durante la primera parte del siglo XIX se desarrollaron máquinas para
la compresión de vapor y se probaron muchos fluidos como refrigerantes,
entre los que sobresalieron el amoníaco (NH3), bióxido de carbono
(CO2), bióxido de azufre (SO2), cloruro de metilo (CH3Cl) y en cierta
medida, algunos hidrocarburos. A finales del siglo, la refrigeración
mecánica estaba firmemente establecida.
Durante muchos años (desde 1876), al amoníaco se le han encontrado
excelentes propiedades como refrigerante, y desde entonces ha sido el
refrigerante más utilizado comúnmente. Aún en la actualidad ha
demostrado ser satisfactorio, sobre todo en refrigeración industrial en
grandes plantas.
494
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
En las décadas siguientes la atención fue orientada hacia el mejoramiento
del diseño mecánico y la operación de los equipos. A principios del siglo
XX se desarrollaron las unidades domésticas, y los refrigerantes en uso
en ese tiempo, padecían de una o más propiedades riesgosas. Algunos
eran tóxicos, otros inflamables, y otros más operaban a muy altas presiones,
por lo que, para estos equipos más pequeños, los ingenieros se enfocaron
al refrigerante de más baja presión de operación: el bióxido de azufre.
Este refrigerante tiene algunas fallas serias, como la formación de ácido
sulfuroso cuando se combina con el agua; es muy corrosivo y ataca las
partes del sistema. Además de esto, cuando se fuga -aún en pequeñísimas
cantidades- causa tos violenta y ahogamiento. Estas cualidades indeseables,
obligaron a los fabricantes a hacer las unidades menos propensas a fugas
y a tener precaución de secarlas, logrando reducir los requerimientos
de servicio hasta un punto donde las desventajas del refrigerante no eran
tan grandes. Literalmente, se construyeron millones de esas unidades
que utilizaban bióxido de azufre, las cuales operaban satisfactoriamente.
9.2.3. Presente y Futuro
En 1928, el vicepresidente de una importante compañía de automóviles,
C.F. Kettering, decidió que la industria de la refrigeración, si quería llegar
a alguna parte, necesitaba un nuevo refrigerante seguro y estable, que
no fuera tóxico, corrosivo ni inflamable, y que tuviera las características
necesarias para poder usarse en equipos compactos. Kettering solicitó
a Thomas Midgely que explorara la posibilidad de desarrollar dicho
producto.
Un grupo de químicos se pusieron manos a la obra e iniciaron la búsqueda
de tal refrigerante. Sabían que las combinaciones de flúor eran muy
estables, así que experimentaron con algunos de los compuestos químicos
comunes de carbono, cloro e hidrógeno, sustituyendo átomos de cloro
e hidrógeno por átomos de flúor, y en poco tiempo, lograron sintetizar
el diclorodifluorometano. Demostraron que no era inflamable y que
tenía una toxicidad inusualmente baja.
Los experimentos consistieron en reordenar la molécula de tetracloruro
de carbono. Comparando esta molécula con la de metano: se ve que las
dos son similares, excepto que el metano tiene 4 átomos de hidrógeno
y el tetracloruro tiene 4 átomos de cloro.
Molécula del CCI4
Molécula del CH4
495
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Reemplazando un átomo de cloro por un átomo de flúor se tiene otro
compuesto más estable, llamado tricloromonofluorometano o R-11. Si
se reemplazan dos átomos de cloro por dos de flúor, se obtiene el
diclorodifluorometano o R-12.
Molécula del CCI3F (R-11)
Molécula del CCI2F2 (R-12)
Este es el origen de los refrigerantes clorofluorocarbonados. En 1929 se
le solicitó a una compañía química que ayudara a desarrollar un proceso
comercial práctico para la fabricación del nuevo refrigerante. Con este
desarrollo nació la industria de los refrigerantes halogenados, ninguno
de los cuales existía antes. El primero de ellos fue el Freón 12, que
durante muchos años fue el más popular. De allí siguieron el Freón 11,
el Freón 21, el Freón 114, y el Freón 22, cada uno con sus características
especiales.
Sin embargo, el desarrollo de los refrigerantes Freón no tuvo una
recepción entusiasta. Las comisiones de seguridad eran prudentes en
sus sanciones; los técnicos de servicio estaban inconformes respecto a
las fugas, porque no los podían detectar con el olfato; los contratistas los
rechazaban porque costaban más que el bióxido de azufre, y algunos de
los fabricantes líderes, se negaban a diseñar el equipo de refrigeración
que se ajustara a las propiedades termodinámicas de estos refrigerantes.
Gradualmente, surgieron diseños que usaban pequeñas cantidades de
estos refrigerantes costosos. Se diseñaron compresores, evaporadores,
condensadores e intercambiadores; se construyeron unidades paquete
con un mínimo de uniones, y cada unión estaba cuidadosamente diseñada
y fabricada para eliminar fugas. Se utilizaron nuevos materiales que no
podían ser utilizados con seguridad con los antiguos refrigerantes, los
técnicos se volvieron expertos en la detección de fugas, y el Freón arribó
como un refrigerante aceptado. El resultado fue que los freones eran
virtualmente la base de todas las unidades pequeñas, y era usado también
en trabajos grandes de aire acondicionado.
Con el tiempo, se fueron desarrollando otros compuestos halogenados
y creció la familia de los freones. Además de refrigerantes, se les
encontraron otras aplicaciones, tales como propelentes, solventes,
extinguidores de fuego, agentes espumantes y otros. Algunos años más
496
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
tarde, otras compañías comenzaron a fabricar los compuestos halogenados
con otros nombres comerciales.
Para la década de los setenta, ya había sospechas de que estos compuestos
afectaban la capa de ozono de la atmósfera, pero no se podía demostrar,
y tal aseveración no era aceptada por los fabricantes. Al principio de los
ochenta, estudios hechos por científicos de la NASA por medio de
satélites, descubrieron un "adelgazamiento" de la capa de ozono en la
Antártida, y estudios posteriores, comprobaron que el deterioro del
ozono estratosférico era debido a la emisión de compuestos halogenados,
principalmente los que contienen bromo y cloro.
Después de varios años de negociaciones se llevó a cabo un acuerdo
internacional en 1989 en la ciudad de Montreal, Canadá, por lo que se
le conoce como el Protocolo de Montreal. Este protocolo es un esfuerzo
unido de gobiernos, científicos, industrias y grupos ecologistas coordinados
por la UNEP (Programa Ambiental de las Naciones Unidas).
Este acuerdo consistió en regular la producción y uso de los
clorofluorocarbonos (CFC) de manera gradual, hasta su total
desfasamiento antes del año 2000, partiendo de la base de los niveles de
producción mundial que había en 1986.
Mientras tanto, los fabricantes de refrigerantes trabajaban en la búsqueda
de productos nuevos para sustituir los que iban a desaparecer. Rápidamente
desarrollaron compuestos para sustituir al R-11 y al R-12, que tienen
propiedades termodinámicas muy similares, pero que no afectan la capa
de ozono. Estos refrigerantes son el R-123 y el R-134a, que en la actualidad
ya se están produciendo comercialmente, y algunos fabricantes de equipo
original ya los están incluyendo en sus unidades. Dichos productos
pueden utilizarse también en equipos usados que actualmente funcionan
con R-11 o R-12, haciendo algunas modificaciones al compresor, tales
como utilizar aceite sintético en lugar de aceite mineral y cambiar algunos
sellos o empaques, por otros de diferente material.
Se desarrollaron también refrigerantes como el R-124 y el R-125, para
sustituir al R-114 y algunas aplicaciones del R-502, respectivamente. Otras
alternativas aceptables para reemplazar al R-12 y al R-502 durante el
período de transición, hasta el desfasamiento total, son las mezclas
ternarias. Las mezclas ternarias, son mezclas azeotrópicas de tres diferentes
refrigerantes de entre los siguientes: 22, 124, 125, 134a, 152a y propano.
Estas mezclas tienen características muy similares a los clorofluorocarbonos,
pero con un impacto ambiental grandemente reducido y que requieren
un mínimo de cambios en los equipos, comparados con otros refrigerantes
alternos.
La historia se repite de manera similar, como a principios de la década
de los años treinta, cuando se introdujo comercialmente el R-12. La
497
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
introducción de los nuevos refrigerantes va a requerir de información
y capacitación tanto de técnicos, contratistas y fabricantes de equipo
original. Su costo actualmente es entre 2.5 y 4 veces más, pero a diferencia
de la primera vez, en esta ocasión son la única alternativa, y además,
existe la conciencia ecológica, lo que hace que tengan que aceptarse
estos nuevos productos.
Para poder utilizarlos en sistemas que actualmente están trabajando, va
a ser necesario rehabilitar el compresor del sistema en lo que se refiere
a cambiar algunos materiales como sellos o empaques, ya que los que
son compatibles con el R-11 y el R-12, no lo son con el R-123 y el R-134a.
Además, para estos refrigerantes sustitutos se tienen que utilizar aceites
sintéticos a base de polialquilenglicol (PAG), de poliol-éster (POE), o
de Alquil Benceno.
9.3. Clasificación y Normativa
Clasificaciones
Las posibilidades de clasificación de los refrigerantes son muy variadas.
En la introducción del presente capítulo se ha hecho ya mención a una
de ellas, la de refrigerantes frigorígenos y frigoríferos:
•
Se denomina refrigerante frigorígeno o primario a aquél que para
el trasvase de calor de un punto del ciclo de refrigeración a otro sufre
un cambio de estado; el trasvase se hace por medio de calor latente.
•
El refrigerante frigorífero o secundario es el que para el trasvase sufre
únicamente un cambio de temperatura; el trasvase se hace por medio
de calor sensible.
La Instrucción Complementaria MI-IF-002 del Reglamento de Seguridad
para Plantas e Instalaciones Frigoríficas clasifica los fluidos refrigerantes
según su grado de seguridad (Tabla I). Seguidamente nombra los efectos
fisiológicos de cada uno de ellos (Tabla II). A continuación se muestran
las dos tablas clasificatorias.
498
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
TABLA I: CLASIFICACIÓN DE LOS REFRIGERANTES
Nº de
identificación
del refrigerante.
Nombre químico
Fórmula química
Triclorofluormetano
Diclorodifluormetano
Clorotrifluormetano
Bromotrifluormetano
Tetrafluoruro de carbono
Diclorofluormetano
Clorodifluormetano
1,1,2-Triclorotrifluoretano
1,2-Diclorotetrafruoretano
Cloropentafluoretano
Octofluorciclobutano
R-12 (73,8%)
R-152a (26,2%)
R-22 (48,8%)
R-115 (51,2%)
Anhídrido carbónico
Trifluormetano
2,2-dicloro-1,1,1-trifluoretano
2 Cloro-1,1,1,2-tetrafluoretano
Pentafluoretano
1,1,1,2-Tetrafluoretano
Clorodifluormetano (R-22)
1,1-Difluoretano (R-152a)
2 Cloro-1,1,1,2-tetrafluoretano
(R- 124)
Clorodifluormetano (R-22)
1,1-Difluoretano (R-152a)
2 Cloro-1,1,1,2-tetrafluoretano
(R- 124)
Clorodifluormetano (R-22)
1,1-Difluoretano (R-152a)
2 Cloro-1,1,1,2-tetrafluoretano
(R-124)
Pentafluoretano (R-125)
Propano (R-290)
Clorodifluormetano (R-22)
Pentafluoretano (R-125)
Propano (R-290)
Clorodifluormetano (R-22)
Pentafluoretano (R-125)
1,1,1,2-tetrafluoretano (R-134a)
1,1,1-Trifluoroetano (R-143a)
Difluormetano (R-32)
Pentafluormetano (R-125)
1,1,1,2-tetrafluoretano (R-134a)
CCl2F
CCl2F2
CClF3
CBrF3
CF4
CHCl2F
CHClF2
CCl2FCClF2
CClF2CClF2
CClF2CF2
C4F8
CCl2F2
CH3CHF2
CHClF2
CClF2CF3
CO2
CHF3
CHCl2-CF3
CHClF-CF3
CHF2-CF3
CH2F-CF3
CHClF2 (53%)
CH3-CHF2 (13%)
CHClF-CF3
(34%)
CHClF2 (61%)
CH3-CHF2 (11%)
CHClF-CF3
(28%)
CHClF2 (33%)
CH3-CHF2 (15%)
CHClF-CF3
(52%)
CHF2-CF3 (60%)
C3H8 (2%)
CHClF2 (38%)
CHF2-CF3 (38%)
C3H8 (2%)
CHClF2 (60%)
CHF2-CF3 (44%)
CH2F-CF3 (4%)
H3-CF3 (52%)
CH2F2 (23%)
CHF2-CF3 (25%)
CH2F-CF3 (52%)
Peso
molecular
en gramos
Punto de
ebullición
enº C a
1,013 bar
Grupo primero:
Refrigerantes
de alta seguridad
R-11
R-12
R-13
R-13B1
R-14
R-21
R-22
R-113
R-114
R-115
R-C318
R-500
R-502
R-744
R-23
R-123
R-124
R-125
R-134ª
R-401ª
(53/13/34)
R-401B
(61/11/28)
R-401C
(33/15/52)
R-402ª
(60/2/38)
R-402B
(38/2/60)
R-404ª
(44/4/52)
R-407C
(23/25/52)
499
137,4
120,9
104,5
148,9
88
102,9
86,5
187,4
170,9
154,5
200
23,8
-29,8
-81,5
-58
-128
8,92
-40,8
47,7
3,5
-38,7
-5,9
99,29
-28
112
-45,6
44
70,01
153
136,5
120,02
102
-78,5
-82,15
27,96
-12,05
-48,41
-26,14
94,44
-33,08
92,84
-34,67
101,04
-28,43
101,55
-49,19
94,71
-47,36
97,6
-46,69
86,2
-43,44
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
TABLA I: CLASIFICACIÓN DE LOS REFRIGERANTES
Grupo segundo:
Refrigerantes de media seguridad
R-30
R-40
R-160
R-611
R-717
R-764
R-1130
Cloruro de metileno
Cloruro de metilo
Cloruro de etilo
Formiato de metilo
Amoníaco
Anhídrido sulfuroso
1,2-Dicloroetileno
CH2Cl2
CH2Cl
CH3CH2Cl
HCOOCH2
NH3
SO2
CHCl = CHCl
84,9
50,5
64,5
60
17
64
96,9
40,1
-24
12,5
31,2
-33
-10
48,5
Etano
Propano
Butano
Isobutano
Etileno
CH3CH3
CH3CH2CH3
CH3CH2CH2CH3
CH(CH3)3
CH2 = CH2
30
44
58,1
58,1
28
-88,6
-42,8
0,5
-10,2
-103,7
Grupo tercero:
Refrigerantes de baja seguridad
R-170
R-290
R-600
R-600a
R-1150
500
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
TABLA II: EFECTOS FISIOLÓGICOS DE LOS REFRIGERANTES
Número de
identificación del
refrigerante
Nombre químico
Fórmula
química
Porcentaje
en volumen de
concentración
en aire
*
** ***
Características
Advertencias
10
20
a
30
20
a
30
20
a
30
5
20
a
(1)
b
(1)
b
(1)
b
(1)
a
b
(1)
(1)
(1)
2,5
a
(1)
b
(1)
b
(1)
b
(1)
Grupo primero: Refrigerantes de alta seguridad
R-11
Triclorofluormetano
CCl2F
-
-
R-12
Diclorodifluormetano
CCl2F2
-
-
R-13
Clorotrifluormetano
CClF3
-
-
R-13B1
Bromotrifluormetano
CBrF3
-
-
R-14
R-21
R-22
Tetrafluoruro de carbono
Diclorofluormetano
Clorodifluormetano
CF4
CHCl2F
CHClF2
-
R-113
1,1,2-Triclorotrifluoretano
CCl2FCClF2
-
10
5a
10
R-114
1,2-Diclorotetrafruoretano
CClF2CClF2
-
-
R-115
Cloropentafluoretano
CClF2CF2
-
-
R-C318
Octofluorciclobutano
C4F8
-
-
R-12 (73,8%)
R-152a (26,2%)
R-22 (48,8%)
R-115 (51,2%)
CCl2F2
CH3CHF2
CHClF2
CClF2CF3
-
-
20
b
(1)
-
-
20
b
(1)
R-744
Anhídrido carbónico
CO2
c
(1)
R-23
Trifluormetano
CHF3
2a
4
5
a,b
R-500
R-502
5a
6
>60* >23
8
501
20
a
30
20
a
30
20
a
30
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
TABLA II: EFECTOS FISIOLÓGICOS DE LOS REFRIGERANTES
Número de
identificación del
refrigerante
Nombre químico
Porcentaje
en volumen de
concentración
en aire
*
** ***
Fórmula
química
Características
Grupo primero: Refrigerantes de alta seguridad
R-123
R-124
R-125
R-134a
R-401A
(53/13/34)
R-401B
(61/11/28)
R-401C
(33/15/52)
R-402A
(60/2/38)
R-402B
(38/2/60)
R-404A
(44/4/52)
R-407C
(23/25/52)
2,2-dicloro-1,1,1-trifluoretano
2 Cloro-1,1,1,2-tetrafluoretano
Pentafluoretano
1,1,1,2-Tetrafluoretano
CHCl2-CF3
CHClF-CF3
CHF2-CF3
CH2F-CF3
CHClF2
Clorodifluormetano (R-22)
(53%)
CH3-CHF2
1,1-Difluoretano (R-152a)
(13%)
2 Cloro-1,1,1,2-tetrafluoretano CHClF-CF3
(R-124)
(34%)
CHClF2
Clorodifluormetano (R-22)
(61%)
CH3-CHF2
1,1-Difluoretano (R-152a)
(11%)
2 Cloro-1,1,1,2-tetrafluoretano CHClF-CF3
1(R-24)
(28%)
CHClF2
Clorodifluormetano (R-22)
(33%)
CH3-CHF2
1,1-Difluoretano (R-152a)
(15%)
2 Cloro-1,1,1,2-tetrafluoretano CHClF-CF3
(R-124)
(52%)
CHF2-CF3
Pentafluoretano (R-125)
(60%)
Propano (R-290)
C3H8 (2%)
CHClF2
Clorodifluormetano (R-22)
(38%)
CHF2-CF3
Pentafluoretano (R-125)
(38%)
Propano (R-290)
C3H8 (2%)
CHClF2
Clorodifluormetano (R-22)
(60%)
CHF2-CF3
Pentafluoretano (R-125)
(44%)
CH2F-CF3
1,1,1,2-tetrafluoretano
(R-134a)
(4%)
H3-CF3
1,1,1-Trifluoroetano (R-143a)
(52%)
CH2F2
Difluormetano (R-32)
(23%)
CHF2-CF3
Pentafluormetano (R-125)
(25%)
CH2F-CF3
1,1,1,2-tetrafluoretano (R-134a) (52%)
502
2*
2,5*
10*
7,5*
0,5
10,4
10
20
0,1
5
5
5
a,b
a,b
a,b
a,b
5*
10
5
a,b
5*
10
5
a,b
2,5* 10
5
a,b
5*
10
5
a,b
5*
10
5
a,b
5*
10
5
a,b
5*
10
5
a,b
Advertencias
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
TABLA II: EFECTOS FISIOLÓGICOS DE LOS REFRIGERANTES
Número de
identificación del
refrigerante
Nombre químico
Fórmula
química
Porcentaje
en volumen de
concentración
en aire
*
** ***
Características
Advertencias
Grupo segundo:
Refrigerantes de media seguridad
5a
5,4
15 a
30
15 a
30
0,5
a1
0,2
a1
R-30
Cloruro de metileno
CH2Cl2
R-40
Cloruro de metilo
CH2Cl
R-160
Cloruro de etilo
CH3CH2Cl
R-717
Amoníaco
NH3
R-764
Anhídrido sulfuroso
SO2
R-1130
1,2-Dicloroetileno
CHCl = CHCl -
2a
2,4
0,2
a
(2)
2a4
0,05 a
0,1
f
(2)
f
(2)
d,e
(3)
d,e
(3)
f
(2)
g
(4)
g
(4)
g
(4)
g
(4)
g
(4)
6 a 10 2 a 4
0,2 a
0,3
0,04 a
0,05
2a
2,5
0,01 a
0,03
0.005 a
0,004
-
Grupo tercero:
Refrigerantes de baja seguridad
R-170
Etano
CH3CH3
-
R-290
Propano
CH3CH2CH3
6,6
R-600
Butano
CH3CH2CH2CH3
-
R-600a
Isobutano
CH(CH3)3
-
R-1150
Etileno
CH2 = CH2
-
503
4,7 a
5,5
4,7 a
5,5
5 a 5,6
4,7 a
5,5
-
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Los significados de cada uno de los símbolos usados en la tabla II son
los siguientes:
•
* Lesión mortal o importante en pocos minutos.
•
** Peligroso de los treinta a los sesenta minutos.
•
*** Inocuo de una a dos horas.
•
(1) Pueden producirse gases de descomposición tóxicos en presencia
de llamas, su olor intenso proporciona un aviso antes de alcanzarse
cocentraciones peligrosas.
•
(2) Gases de descomposición tóxicos e inflamables.
•
(3) Corrosivo.
•
(4) Altamente inflamable.
•
a) A altas concentraciones produce efectos soporíferos.
•
b) A altas concentraciones provoca una disminución de la cantidad
de oxígeno, originando sofoco y peligro de asfixia.
•
c) No posee olor característico, pero posee un margen muy pequeño
entre los efectos no tóxicos y mortales.
•
d) Olor característico, incluso a concentraciones muy bajas.
•
e) Irritante, incluso a concentraciones muy bajas.
•
f) Muy soporífero.
•
g) No produce lesiones mortales o importantes a concentraciones
por debajo de los límites inferiores de exposición; de hecho no es
tóxico.
Otra clasificación interesante es aquélla que se realiza según el origen
o las familias de los refrigerantes. La siguiente tabla recoge dicha
clasificación para los fluidos más utilizados:
504
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
No.
NOMBRE QUÍMICO
FÓRMULA QUÍMICA
Tetraclorometano (tetracloruro de
carbono)
CCl4
Serie Metano
10
11
Tricloromonofluorometano
CCl3F
12
Diclorodifluorometano
CCl2F2
13
Clorotrifluorometano
CClF3
20
Triclorometano (cloroformo)
CHCl3
21
Diclorofluorometano
CHCl2F
22
Clorodifluorometano
CHClF2
23
Trifluorometano
Diclorometano (cloruro de
metileno)
CHF3
40
Clorometano (cloruro de metilo)
CH3Cl
50
Metano
CH4
30
CH2Cl2
Serie Etano
110
Hexacloroetano
CCl3CCl3
113
1,1,2-triclorotrifluoroetano
CCl2FCClF2
115
Cloropentafluoroetano
CClF2CF3
123
2,2-Dicloro - 1,1,1-Trifluoroetano
CHCl2CF3
134a
1,1,1,2-Tetrafluoroetano
CH2FCF3
141b
1,1-Dicloro-1-fluoroetano
CH3CCl2F
150a
1,1-Dicloroetano
CH3CHCl2
152a
1,1-Difluoroetano
CH3CHF2
160
Cloroetano (cloruro de etilo)
CH3CH2Cl
170
Etano
CH3CH3
Hidrocarburos
290
Propano
CH3CH2CH3
600
Butano
CH3CH2CH2CH3
600a
2-Metilpropano (isobutano)
Compuestos Inorgánicos
CH(CH3)3
702
Hidrógeno
H2
704
Helio
He
717
Amoníaco
NH3
718
Agua
H2O
720
Neón
Ne
728
Nitrógeno
N2
732
Oxígeno
O2
744
Bióxido de Carbono
CO2
764
Bióxido de Azufre
SO2
505
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
No.
NOMBRE QUÍMICO
FÓRMULA QUÍMICA
Mezclas Zeotrópicas
400
R-12/114 (60/40)
401A
R-22/152a/124 (53/13/34)
401B
R-22/152a/124 (61/11/28)
402A
R-22/125/290 (38/60/2)
402B
R-22/125/290 (60/38/2)
404A
R-125/143a/134a (44/52/4)
407A
R-32/125/134a (20/40/40)
407B
R-32/125/134A (10/70/20)
407C
R-32/125/134a (23/25/52)
408A
R-125/143a/22 (7/46/47)
409A
R-22/124/142b (60/25/15)
410A
R-32/125 (50/50)
Mezclas Azeotrópicas
500
R-12/152a (73.8/26.2)
502
R22/115 (48.8/51.2)
503
R-223/13 (40.1/59.9)
507
R-125/143a (50/50)
Normativa
Como se ha visto en apartados anteriores, a nivel estatal existe el
Reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones Frigoríficas que
regula el uso de los refrigerantes en función de su seguridad. También
se ha visto en el recorrido histórico de la vida de los refrigerantes cómo
alguno de ellos son nocivos y peligrosos no sólo para el ser humano sino
también para el medio ambiente.
A continuación, va a presentarse la normativa existente a nivel comunitario
e internacional que regula el uso de ciertos refrigerantes (la familia de
los fluorocarbonados) para preservar el medio ambiente, a raíz del
descubrimiento de la rotura de la capa de ozono por parte de alguno de
ellos.
La familia de los fluorocarbonados está formada por todos aquellos
refrigerantes que en su composición cuentan con átomos de Flúor y
Carbono. A pesar de su similar composición, su acción sobre el medio
ambiente ofrece una gran diversidad en función del compuesto completo
del que se trate. Los fluorocarbonados se dividen a su vez según la
siguiente imagen:
506
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Familia de los Fluorocarbonados
La gravedad del hecho de la destrucción de la capa de ozono provocó
las siguientes reuniones, acuerdos y tratados entre mandatarios y
especialistas de todo el mundo:
•
1985: Primeros acuerdos para la eliminación de CFCs: Convenio de
Viena.
•
1987: Acuerdo para la reducción en la producción: Protocolo de
Montreal.
•
1990: Revisión de Londres.
•
1992: Enmienda de Copenhage: Acuerdo de aceleración de las
reducciones.
•
1994: Reglamento (CE) 3093/94 relativo a sustancias agotadoras de
la capa de ozono.
•
1995: Revisión de Viena: Adecuación de la producción de HCFCs.
•
1997: Reducción de la producción de HCFCs en la conferencia de
Montreal.
•
1997: Cumbre de Kyoto sobre reducción para emisión gases de efecto
invernadero.
•
2000: Reglamento (CE) 2037/2000 Parlamento Europeo.
•
2002: Cumbre mundial sobre desarrollo sostenible: Johannesburgo.
El Reglamento Europeo (CE) 2037/2000 del Parlamento Europeo y del
Consejo de 29 de junio de 2000 sobre las sustancias que agotan la capa
de ozono realiza las siguientes indicaciones (texto resumido):
“Artículo 5:
Control de la utilización de hidroclorofluorocarburos:
Salvo lo dispuesto en las siguientes condiciones, queda prohibido el uso
507
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
de hidroclorofluorocarburos:
c) como refrigerantes:
i) en aparatos producidos después del 31 de diciembre de 1995 para
los siguientes usos:
-
en sistemas no confinados de evaporación directa,
-
en refrigeradores y congeladores domésticos,
-
en sistemas de aire acondicionado de vehículos de motor,
tractores, vehículos todo terreno o remolques que funcionen
con cualquier fuente de energía, salvo para usos militares,
en cuyo caso la prohibición entrará en vigor el 31 de diciembre
de 2008,
-
en instalaciones de aire acondicionado de transporte público
por carretera,
ii) en instalaciones de aire acondicionado de transporte ferroviario,
en aparatos fabricados después del 31 de diciembre de 1997,
iii) a partir del 1 de enero de 2000, en aparatos fabricados después
del 31 de diciembre de 1999 para los usos siguientes:
-
en almacenes o depósitos frigoríficos públicos y de
distribución,
-
para aparatos de 150 o más kW de potencia al eje,
iv) a partir del 1 de enero de 2001, en todos los demás aparatos de
aire acondicionado y refrigeración producidos después del 31 de
diciembre de 2000, con excepción de aparatos fijos de aire
acondicionado de una capacidad de enfriamiento inferior a 100
kW, en cuyo caso el uso de hidroclorofluorocarburos se prohibirá
a partir del 1 de julio de 2002 en aparatos producidos después
del 30 de junio de 2002 y de los sistemas reversibles de aire
acondicionado/bomba de calor, en cuyo caso el uso de
hidroclorofluorocarburos quedará prohibido a partir del 1 de
enero de 2004 en todos los aparatos producidos después del 31
de diciembre del año 2003,
v) a partir del 1 de enero de 2010, quedará prohibido el uso de
hidroclorofluorocarburos puros para el mantenimiento y
reparación de los aparatos de refrigeración y aire acondicionado
existentes en dicha fecha; a partir del 1 de enero de 2015 quedarán
prohibidos todos los hidroclorofluorocarburos.
Antes del 31 de diciembre de 2008, la Comisión estudiará la disponibilidad
técnica y económica de alternativas a los hidroclorofluorocarburos
reciclados. El estudio tendrá en cuenta la disponibilidad técnica y
508
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
económica de alternativas viables a los hidroclorofluorocarburos en los
aparatos de refrigeración existentes, con vistas a que se evite el abandono
indebido de aparatos. Las alternativas que se estudien deberían tener
un efecto significativamente menos nocivo para el medio ambiente que
los hidroclorofluorocarburos.”
9.4 Manipulación
A continuación se va a presentar una metodología para el llenado de
refrigerante de una instalación frigorífica.
Tras haberse realizado la prueba de estanquidad en el circuito, debe
vaciarse la misma del fluido que ha servido para dicha prueba, limpiar
el sistema y crear el vacío en su interior.
Antes de crear el vacío se cebe asegurar que el deshidratador está en
buen estado y que realiza correctamente su función comprobando la
ausencia de humedad en la instalación.
La creación de vacío consiste en retirar del circuito el aire y la humedad
existentes. Para crear el vacío es necesario disponer: de una bomba de
vacío (con potencia suficiente para crear la depresión interior que
necesite la instalación), de un manovacuórnetro (manómetro de vacío),
de un puente de manómetros (juego de manómetros para Alta y Baja
Presión, y de un juego de latiguillos perfectamente estancos.
El vacío se suele generar por el mismo orificio que sirve de carga del
circuito, salvo en instalaciones de gran tamaño en las que se hace necesario
diseñar mayor número de tomas para evitar bolsas de aire en puntos
alejados de la bomba de vacío.
De manera general, la depresión a alcanzar en el circuito debe llegar a
ser inferior a la tensión del vapor de agua que corresponde a la temperatura
más baja del circuito.
509
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Cuando se crea el vacío, la instalación se enfría y el agua o vapor de agua
puede llegar a congelarse en alguno de los puntos del sistema y ser
necesario instalar sistemas que calienten dichas zonas.
Una vez finalizada la operación de creación de vacío, se cerrarán las
llaves del puente de manómetros antes de cortar la alimentación de la
bomba de vacío, con el fin de evitar las entradas de aire en el circuito.
Se verificará que la instalación mantiene bien el vacío antes de efectuar
la carga de fluido. El manómetro de vacío debe dar siempre idéntica
indicación tras la parada de la bomba de vacío.
Con el puente de manómetros instalado, la botella de fluido y los medios
de pesaje del mismo (báscula, estación de carga o cilindro de carga) se
puede iniciar la carga del sistema.
Un cilindro de carga es un dispositivo de almacenamiento y medición
de refrigerante para controlar la cantidad de fluido que se introducirá
en el sistema. Previamente al llenado del circuito debe llenarse el cilindro
partiendo de la botella de refrigerante.
Llenado de refrigerante de una instalación
La instalación está bajo vacío. Las dos llaves BP y AP del puente de
manómetros están cerradas. Con la ayuda de un latiguillo, se conecta el
racor central del puente de manómetros con la salida de gas de la botella
de refrigerante (o del cilindro de carga).
Se abre la llave de salida de gas de la botella o del cilindro, luego se
purga de aire el latiguillo desenroscándolo ligeramente; después, roscar
de nuevo (como ya se explicó antes). Se anotará la masa de fluido inicial.
Se pone en funcionamiento ahora el medio de calentamiento de la
botella o del cilindro de carga. El líquido frigorígeno que contiene debe
vaporizarse antes de introducirlo en el circuito, es necesario aportarle
calor. De otro modo, a medida que se produce la carga en fase gaseosa,
la temperatura del líquido contenido en la botella descendería (al mismo
tiempo que su presión); sólo se intercambiaría calor con el ambiente
510
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
para vaporizar el líquido que ella contiene, y la operación de carga sería
muy larga.
La cantidad de calor que hay que aportar a la botella depende de la
cantidad de líquido a vaporizar. Existen anillos eléctricos calentadores
destinados a las botellas de fluido. Los cilindros de carga están igualmente
equipados, en la mayoría de los casos, de una resistencia calefactora.
Después se abre la llave de BP del puente de manómetros a fin de romper
el vacío de la instalación. Se hace subir la presión en el circuito hasta 2
bares efectivos. Se pone en funcionamiento los elementos auxiliares
(ventiladores, bombas), y luego el compresor, tras haber comprobado
que sus llaves de servicio están abiertas.
La llave de BP del puente de manómetros debe dejarse enteramente
abierta hasta que la carga sea correcta.
lnyéctese únicamente la cantidad necesaria diseñada para la instalación
y mostrada por los siguientes criterios:
•
Falta de burbujas en el visor de líquido.
•
Presión de alta estabilizada: la temperatura de condensación no
sobrepasa más que en algunos grados la temperatura del fluido de
enfriamiento del condensador.
•
Subenfriamiento normal del líquido a la salida del condensador.
•
Presión de baja estabilizada: durante la carga de fluido frigorígeno
la presión de vaporización del fluido aumenta de manera regular,
luego se estabiliza; la temperatura de vaporización debe ser inferior
en algunos grados a la del fluido exterior enfriado (en general el
salto está comprendido entre 5 y 15°C).
•
Recalentamiento normal en el evaporador: durante la carga, el
recalentamiento del vapor a la salida del evaporador es muy elevado;
disminuirá y se estabilizará cuando la cantidad de fluido introducido
en el evaporador sea suficiente; el valor medio del recalentamiento
es de 2 a 8°C, aproximadamente.
•
Nivel correcto de líquido en el recipiente de alta presión (si existe).
9.4.1. Recuperación del refrigerante y del aceite
Debido a las leyes que gobiernan la liberación de refrigerantes
clorofluorocarbonados (CFC's) hacia la atmósfera, se han desarrollado
procedimientos para recuperar, reciclar y volver a utilizar los refrigerantes.
511
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
La industria ha adoptado definiciones específicas para estos términos:
•
Recuperación: Remover el refrigerante de un sistema en cualquier
condición que se encuentre, y almacenarlo en un recipiente externo,
sin que sea necesario hacerle pruebas o procesarlo de cualquier
manera.
•
Reciclado: Limpiar el refrigerante para volverlo a utilizar, para lo
cual hay que separarle el aceite y pasarlo una o varias veces a través
de dispositivos, tales como filtros deshidratadores de tipo recargable
de bloques desecantes, lo cual reduce la humedad, la acidez y las
impurezas. Este término, generalmente se aplica a procedimientos
implementados en el sitio de trabajo, o en un taller de servicio local.
•
Reproceso: Reprocesar el refrigerante hasta las especificaciones de
un producto nuevo por medios que pueden incluir la destilación.
Esto requerirá análisis químicos del refrigerante, para determinar
que se cumplan con las especificaciones apropiadas del producto.
Este término, generalmente, se refiere al uso de procesos o
procedimientos, disponibles solamente en instalaciones o plantas
que tienen la facilidad de reprocesar o fabricar refrigerantes. Esto
también abarca talleres de servicio que estén equipados con equipos
altamente técnicos.
Muchas compañías han desarrollado el equipo necesario para los técnicos
de servicio, a fin de evitar la liberación innecesaria de clorofluorocarbonos
a la atmósfera.
Los equipos para recuperación y manejo de refrigerante, pueden dividirse
en tres categorías:
•
Recuperación: Unidad que recupera o remueve el refrigerante.
•
Recuperación / Reciclado (R y R): Unidad que recupera y recicla el
refrigerante.
•
Reproceso: Unidad que reprocesa el refrigerante dentro de las normas
de la Agencia de Protección Ambiental (EPA).
Equipo para Recuperar Refrigerante
Hay máquinas de recuperación disponibles en diferentes diseños. Las
unidades pequeñas básicas, como la que se muestra en la figura están
diseñadas para usarse con R-12, R-22, R-500 y R-502, y para actuar como
estaciones de recuperación, sin ventilación hacia la atmósfera.
El refrigerante es removido en su condición presente y almacenado en
un cilindro desechable o transferible. Esta unidad remueve el aceite del
refrigerante, y puede manejar vapor o líquido en un tiempo muy rápido.
512
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Después, el refrigerante puede reciclarse en el centro de servicio, o ser
enviado a una estación de reproceso para reutilizarlo posteriormente.
Utilizando un dispositivo de recuperación de refrigerante, el técnico es
capaz de remover refrigerante de sistemas pequeños de aire acondicionado,
comerciales, automotrices y residenciales. Durante el proceso de
recuperación, el refrigerante es removido del sistema en forma de vapor,
utilizando la fuerza bombeadora de la máquina recuperadora.
La recuperación es similar a la evacuación de un sistema con una bomba
de vacío. Los procedimientos varían con cada fabricante. Básicamente,
la manguera se conecta a un puerto de acceso en el lado de baja, hacia
la válvula de succión de la unidad recuperadora. Una vez que la manguera
de salida está conectada, el dispositivo de recuperación se arranca y
comienza la recuperación. Algunas unidades tienen una señal para
indicar cuando el proceso de recuperación ha terminado. Esto significa
que el equipo de recuperación no está procesando más vapor. En algunas
ocasiones, el dispositivo de recuperación cierra automáticamente el
sistema de vacío.
Cuando se ha completado la recuperación, se cierra la válvula del lado
de baja. El sistema deberá asentarse por lo menos 5 minutos. Si la presión
se eleva a 10 psi o más,
puede significar que quedaron bolsas de refrigerante líquido frío a través
del sistema, y puede ser necesario reiniciar el proceso de recuperación.
Puesto que es mucho más rápido recuperar el refrigerante en fase líquida
que en fase vapor, el técnico puede preferir una máquina que remueva
el refrigerante líquido. Muchas máquinas son diseñadas para llevar a
cabo este proceso usando cilindros para refrigerante normales. Algunas
unidades de transferencia pequeñas, utilizan cilindros de recuperación
especiales, que permiten al técnico remover refrigerante líquido y vapor.
En este caso la unidad de transferencia bombea el vapor de refrigerante
513
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
de la parte superior del cilindro, y presuriza la unidad de refrigeración.
La diferencia de presión entre el cilindro y la unidad transfiere el
refrigerante líquido hacia el cilindro. Una vez que se ha removido el
líquido, el vapor restante es removido al cambiar las conexiones.
Se recomienda cambiar el aceite del compresor de la unidad de
recuperación, después de la recuperación de un sistema quemado, o
antes de la recuperación de un refrigerante diferente. También se
recomienda que el filtro deshidratador se reemplace, y que las mangueras
se purguen antes de transferir un refrigerante diferente.
El técnico deberá asegurarse que no se sobrellene el cilindro. Lo normal
es llenarlo al 80% de su capacidad. Conforme se va llenando el cilindro,
deberá observarse la presión. Si la unidad de recuperación cuenta con
indicador de líquido y humedad, deberá notarse cualquier cambio que
ocurra.
Si el técnico utiliza un sistema que sólo recupera el refrigerante, la recarga
puede llevarse a cabo de muchas maneras.
Equipo para Reciclar Refrigerante
En el pasado, para hacerle servicio a un sistema, lo típico era descargar
el refrigerante a la atmósfera. Ahora, el refrigerante puede ser recuperado
y reciclado mediante el uso de tecnología moderna. Sin embargo, los
clorofluorocarbonos viejos o dañados, no pueden ser reutilizados
simplemente por el hecho de removerlos de un sistema y comprimirlos.
El vapor, para ser reutilizado, debe estar limpio. Las máquinas de
recuperación /reciclado, como la que aparece en la figura, están diseñadas
para recuperar y limpiar el refrigerante en el sitio de trabajo o en el taller
de servicio. El reciclado, como se realiza por la mayoría de las máquinas
en el mercado actualmente, reduce los contaminantes a través de la
separación del aceite y la filtración. Esto limpia el refrigerante, pero no
necesariamente a las especificaciones de pureza originales del fabricante.
El equipo que se muestra en la figura 9.7, es un sistema capaz de manejar
los refrigerantes R-12, R-22, R-500 y R-502.
Muchas de estas unidades, conocidas como unidades de transferencias
de refrigerante, están diseñadas para evacuar el sistema. Esto proporciona
una máquina recicladora capaz de regresar los refrigerantes reciclados
a un mismo sistema. Algunas unidades tienen equipo para separar el
aceite y el ácido, y para medir la cantidad de aceite en el vapor. El
refrigerante usado puede reciclarse mediante la máquina recicladora,
utilizando filtros deshidratadores recargables de piedras, y otros dispositivos
que reduzcan la humedad, partículas, acidez, etc. La separación de aceite
del refrigerante usado se lleva a cabo circulándolo una o varias veces a
través de la unidad. La máquina recicladora de un solo paso procesa el
refrigerante a través de un filtro deshidratador o mediante el proceso
514
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
de destilación. Lo pasa sólo una vez por el proceso de reciclado a través
de la máquina, para luego transferirlo al cilindro de almacenamiento.
La máquina de pasos múltiples, recircula varias veces el refrigerante a
través del filtro deshidratador. Después de un período de tiempo
determinado, o un cierto número de ciclos, el refrigerante es transferido
hacia el cilindro de almacenamiento.
La unidad que se muestra en la figura, es una unidad portátil.
En la parte del frente, tiene los manómetros de alta y baja presión, así
como los puertos de acceso, válvulas, interruptores, selectores, luces
indicadoras y el indicador de líquido y humedad. En la parte baja tienen
los filtros deshidratadores.
En algunos equipos se puede recuperar refrigerante por ambos lados,
baja y alta, al mismo tiempo. Este procedimiento evita restricciones a
través de la válvula de expansión o tubo capilar. Si el técnico recupera
solamente por uno de los lados, el resultado puede ser un tiempo excesivo
de recuperación o una recuperación incompleta.
Por lo tanto, las mangueras se conectan a los lados de alta y baja del
sistema de recuperación, y luego a través del lado de alta y baja del sistema
de refrigeración. Por ningún motivo deberá removerse líquido del sistema
en forma continua. La unidad está diseñada para recuperar vapor. La
recuperación inicial de refrigerante del lado de alta presión, será de
aproximadamente 200 psig.
Al operar la unidad y llevar a cabo la recuperación de vapor, se alcanzará
un punto cuando se haya completado la recuperación, lo cual será
indicado al encenderse una lámpara.
Procedimiento para el Reproceso del Refrigerante
Como se definió anteriormente, reprocesar un refrigerante es llevarlo
a las especificaciones originales de producción, verificándolo mediante
análisis químicos. Para poder llevar esto a cabo, esta máquina debe
cumplir con las normas SAE y remover 100% la humedad y partículas
de aceite. Muchas máquinas de recuperación / reciclado, no pueden
515
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
garantizar que el refrigerante será restaurado a sus especificaciones
originales.
Una estación de reciclado para el sitio de trabajo deberá ser capaz de
remover el aceite, ácido, humedad, contaminantes sólidos y aire, para
poder limpiar el refrigerante utilizado.
Este tipo de unidades las hay disponibles para usarse con refrigerantes
R-12, R-22, R-500 y R-502, y están diseñadas para el uso continuo que
requiere un procedimiento prolongado de recuperación / reciclado.
Este tipo de sistema puede describirse mejor como sigue:
•
El refrigerante es aceptado en el sistema, ya sea como vapor o líquido.
•
El refrigerante hierve violentamente a una temperatura alta, y bajo
una presión extremadamente alta.
•
El refrigerante entra entonces a una cámara separadora grande única,
donde la velocidad es reducida radicalmente. Esto permite que el
vapor a alta temperatura suba. Durante esta fase, los contaminantes
tales como las partículas de cobre, carbón, aceite, ácido y todos los
demás, caen al fondo del separador para ser removidos durante la
operación de "salida del aceite".
•
El vapor destilado pasa al condensador enfriado por aire, donde es
convertido a líquido.
•
El líquido pasa hacia la cámara de almacenamiento. Dentro de la
cámara, un ensamble de evaporador disminuye la temperatura del
líquido, de aproximadamente 38°C, a una temperatura subenfriada
de entre 3° y 4°C.
•
En este circuito, un filtro deshidratador recargable remueve la
humedad, al mismo tiempo que continúa el proceso de limpieza para
remover los contaminantes microscópicos.
•
Enfriar el refrigerante también facilita transferirlo a cualquier cilindro
externo, aunque esté a la temperatura ambiente.
Muchos fabricantes de refrigerante y otros han dispuesto servicios de
recuperación / reproceso de refrigerante, que ofrece a los técnicos de
recuperación y aire acondicionado una forma de deshacerse del
refrigerante usado y obtener reemplazos puros como los necesiten. El
técnico de servicio debe usar cilindros retornables aprobados, con
etiquetas adecuadas. Los cilindros normales son de una capacidad
aproximada de 45 kg de refrigerante usado y aceite, aunque otros
contenedores andarán en el rango de 18 kg hasta 1 tonelada.
La máquina de aire comprimido de desplazamiento positivo remueve
tanto líquido como vapor. El refrigerante es reprocesado a las
especificaciones de pureza designadas.
516
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
En instalaciones comerciales de gran tamaño, al técnico de servicio se
le proporcionan cilindros muestra que son regresados a un centro de
reproceso. Esto es a fin de obtener análisis de contaminantes de
refrigerante, antes de su evacuación.
Una vez aprobado para reprocesarlo, el refrigerante es removido. Los
técnicos llevan entonces el refrigerante al centro de servicio, donde es
embarcado a la compañía y procesado de conformidad, para regresarlo
para venta futura como refrigerante usado. El reproceso puede utilizarse
para refrigerantes de baja (R-11 y R-113) y de alta presión (R-12, R-22,
R-114, R-500 Y R-502).
Las compañías de reproceso también proporcionan soluciones para el
desecho de refrigerantes no deseados. El desecho de refrigerantes sólo
se puede llevar a cabo por incineración a 650°C.
Normas de Seguridad para la Recuperación / Reciclado / Reproceso de
los CFC's
Comúnmente, diferentes organizaciones ofrecen talleres para lograr un
mejor entendimiento de los requerimientos sobre la recuperación y
reproceso de los CFC's, tal como lo establecen los reglamentos de la EPA.
Los mayores tópicos que se abarcan son el manejo, almacenamiento,
transporte, procedimientos y equipos de recuperación, reglamentaciones
para el almacenamiento y manejo de desechos peligrosos. También, es
esencial que el técnico de servicio tenga un completo entendimiento
sobre la seguridad que involucra el manejo y almacenamiento de los
refrigerantes. También se ofrecen programas de certificación aprobados
por la EPA. Otras áreas que cubren la mayoría de estos cursos de
capacitación son los procedimientos para la remoción, pruebas básicas
en el campo sobre la pureza de refrigerantes, aislamiento de los
componentes del sistema para evitar que se escape el refrigerante,
detección, aislamiento y reparación de fugas.
Es responsabilidad del técnico seguir los procedimientos de las prácticas
de seguridad. Esto incluye el reemplazo de los filtros deshidratadores de
líquido y succión. Si el sistema sólo tiene uno, instale otro en el lado
opuesto. Esto ayudará al proceso de purificación del refrigerante.
Precauciones al Utilizar Equipo de Recuperación y Reciclado
El primer punto que debe reconocerse es que los objetivos son:
•
Remover el refrigerante en el tiempo más corto posible.
•
Usar prácticas de servicio para proteger el sistema de contaminación
potencial.
La contaminación potencial es, con mucho, la parte de la operación más
517
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
crítica y la más descuidada. La gran amenaza es el riesgo potencial de
contaminar el refrigerante de una unidad a otra.
La contaminación cruzada puede ocurrir cada vez que se hace la
recuperación en un sistema, utilizando otro sistema refrigerante y
recargándolo con el mismo gas. Sin embargo, utilizando un poco de
precaución, el problema puede evitarse.
La práctica de instalar filtros en cada sistema que se abra, ayudará a evitar
algo de contaminación. Pero la mejor defensa es reconocer cómo se
puede propagar la contaminación, y cómo detenerla antes que suceda.
En las máquinas de R y R pueden ocurrir dos tipos de contaminación
cruzada.
•
La mezcla de refrigerantes, lo cual puede ocurrir cuando un equipo
de recuperación se usa con dos diferentes refrigerantes, sin una
limpieza o preparación adecuada.
•
La introducción de ácidos u otros contaminantes al sistema. Esto
puede originarse de un sistema diferente, de la misma máquina de
R y R, o de sus tanques que actúan como campos de cultivo.
En ambos casos, el culpable principal en la contaminación cruzada es
el aceite para refrigeración; ya sea el utilizado en la máquina de R y R,
o el que deja en el tanque el refrigerante recuperado.
El problema y la solución yacen en la afinidad del aceite hacia los
refrigerantes. A temperaturas normales, la única manera de separar el
aceite es evaporando el refrigerante, y dejar el aceite y todo lo que pueda
estar acarreando. También el refrigerante es un solvente perfecto que
acarrea el aceite de un lugar a otro.
En el primer tipo de contaminación, la mezcla de refrigerantes, la manera
más fácil de evitar esto es utilizando máquinas designadas (una para cada
refrigerante).
Desafortunadamente, esto no siempre es posible. Si se va a utilizar la
misma máquina sobre diferentes gases, se debe asegurar de que haya
sido cuidadosamente limpiada, antes de usarla con un nuevo gas.
La mejor manera es cambiar el aceite (y filtros) antes de seguir adelante
con otro gas.
Algunos fabricantes dicen que solamente se requiere hacer vacío antes
de recuperar un gas diferente. Pero, si se hace esto, se recomienda que
el vacío sea profundo y prolongado; ya que un vacío rápido, no
necesariamente remueve todo el refrigerante disuelto en el aceite.
El otro tipo de contaminación cruzada, la introducción de contaminantes,
es por mucho la peor de las dos, puesto que los ácidos pueden "crecer"
dentro del sistema. La fuente de contaminantes más obvia, es la misma
518
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
máquina de R y R. El lugar donde con más frecuencia puede ocurrir la
contaminación, es en los tanques de recuperación, los cuales almacenan
el gas mientras se hace la reparación.
519
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
10. MANTENIMIENTO Y REPARACIÓN DE EQUIPOS
10.1. Introducción
El mejor mantenimiento de una instalación se realiza cuando se conocen
a fondo todos y cada uno de los elementos que la componen, y la función
que realizan en ella. De ese modo se prestará mayor atención a los
componentes esenciales y, en caso de aparecer, las averías siempre serán
de menor gravedad.
Es necesario también conocer los parámetros de diseño de la instalación
y el ciclo de frigorífico que atraviesa el refrigerante para proceder a una
rápida localización y reparación de las averías.
El apartado desarrollado a continuación trata de cómo reparar los equipos
y el modo de evitar estas reparaciones a través de un adecuado
mantenimiento de la instalación.
El único modo de comprender los subapartados siguientes es presentarlos
tras haber visto los fundamentos teóricos del ciclo de refrigeración,
conocer los aparatos de medida que permiten concretar el estado de las
magnitudes físicas de los fluidos en distintos puntos del ciclo y aprender
todos los elementos que componen una instalación frigorífica.
El buen funcionamiento de la instalación responde a una serie de criterios
o magnitudes físicas que se mantienen a lo largo del tiempo. Estos
criterios se resumen en la siguiente lista:
•
Temperatura alcanzada y mantenida en el recinto refrigerado.
•
Temperatura de vaporización dentro del rango de diseño.
•
Temperatura de condensación dentro del rango de diseño.
•
Presión de descarga dentro del rango de diseño.
•
Subenfriamiento normal en el condensador.
•
Recalentamiento normal en el evaporador.
•
Diferencias de temperatura normales en los intercambiadores.
•
Potencia absorbida por el compresor dentro de los rangos de diseño.
•
Ningún ruido sospechoso ni vibraciones anormales.
•
Color del aceite y nivel normales.
•
Ninguna traza de grasa en el exterior del circuito.
520
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Los otros criterios de buen funcionamiento son los ajustes correctos
de los órganos de seguridad:
-
Presostato de alta presión.
-
Presostato de baja presión.
-
Presostato de aceite (eventual).
-
Termostato de desescarche.
-
Relé térmico de protección de los motores.
-
Temporizador anti-ciclos cortos.
10.2. Diagnóstico de averías en máquinas y equipos
Equipos auxiliares de diagnóstico.
Las reclamaciones que suelen producirse por un mal funcionamiento
de un sistema de refrigeración se engloban en la relación mostrada a
continuación:
•
El compresor no arranca.
•
El compresor enfría pero con ciclos de funcionamiento muy largos.
•
Funcionamiento en continuo del compresor sin que se enfríe el
ambiente.
•
El compresor realiza ciclos de funcionamiento muy cortos.
•
Temperatura demasiado baja en el recinto refrigerado.
•
Elevado consumo eléctrico en relación con la potencia cedida al
ambiente.
•
Se escarcha la línea de aspiración.
•
La protección contra sobrecorrientes salta con asiduidad.
•
Ruidos.
La mayor parte de las averías que se producen en un sistema frigorífico
afectan a la presión en el lado de baja o de alta y, consecuentemente, a
su temperatura.
Es por ello muy importante el conocimiento en todo momento de las
presiones a las que está trabajando la instalación y su relación con dichas
magnitudes de diseño. La presencia de manómetros en los lados de alta
y baja presión del compresor es más que recomendable.
También es necesario poseer en las instalaciones termómetros que
permitan conocer la temperatura del local o materia refrigerada. Todos
los elementos de medida deben ser de confianza y para ello los aparatos
deben ser calibrados periódicamente.
521
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
La medida de las distintas magnitudes y características físicas fundamentales
de un sistema frigorífico revelan la existencia de problemas y apuntan
a los posibles causantes de los mismos.
En ocasiones, con la experiencia que aporta el trabajo en instalaciones
de refrigeración y en el caso de las averías más frecuentes, es suficiente
con los sentidos para apreciar la presencia de problemas.
Los principales puntos a controlar son:
•
Temperatura del evaporador.
-
•
El evaporador no suele ser accesible, el modo de conocer
aproximadamente la temperatura de evaporación es acercando
un termómetro a su superficie. La temperatura así tomada no
suele diferir más de +5ºC con la temperatura interior.
Presión de aspiración.
-
El compresor suele estar dotado de manómetros o tomas de
presión para poder tener la presión de aspiración en cualquier
momento. Con dicha presión se puede conocer la temperatura
del evaporador (teniendo en cuenta la pérdida de presión que
ocurre en el tramo de tubería que une ambos elementos).
•
Temperatura de la cámara o espacio refrigerado.
•
Presión de alta.
-
•
Al igual que en el caso de la presión de aspiración, la instalación
suele estar dotada de manómetros o tomas de presión en las que
introducir el manómetro portátil, y con los que se puede conocer
la presión a la salida del compresor.
Temperaturas de las líneas de aspiración y líquido.
-
Con la temperatura de la línea de líquido se controla el estado
de dicha sustancia en dicho punto. En condiciones de
funcionamiento normal la temperatura de la línea será un poco
superior a la temperatura del aire o agua de refrigeración. Si la
temperatura es muy superior, la línea presenta más gas del debido
y es señal de falta de refrigerante o algún otro defecto de
funcionamiento. Si, por el contrario, la temperatura es más baja,
es signo de que en su interior el refrigerante está expansionando
debido a la gran pérdida de presión que presenta el tramo (alguna
obstrucción o filtros sucios).
-
En cuanto a la línea de aspiración, su temperatura debe ser un
poco inferior que la del ambiente refrigerado. A medida que
aumenta dicha diferencia de temperaturas significa que hay más
cantidad de refrigerante en el circuito o que está entrando
522
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
refrigerante líquido a través de ella (funcionamiento defectuoso
de la válvula de expansión)
•
Ruido de la válvula de expansión.
-
•
Tiempo de funcionamiento.
-
•
Su funcionamiento suele ser silencioso, sintiéndose ligeramente
el fluir del líquido a su través. Si aparece un silbido está provocado
por el paso de refrigerante en estado gaseoso.
En los sistemas automáticos, ciclos de funcionamiento muy cortos
o muy largos son prueba de mal funcionamiento de alguna de
las partes de la instalación o algún problema en el ambiente
refrigerado (falta de aislamiento, exceso de carga térmica,...), y
es por ello interesante el tomar y conocer los tiempos de
funcionamiento del compresor y compararlos con los de diseño.
Hay que tener en cuenta que depende de gran cantidad de factores
y es inevitable un rango de tiempos de funcionamiento bastante
extenso.
Ruidos.
-
La presencia de ruidos extraños también denota la existencia de
averías. Hay que concretar al máximo el tipo de ruido del que se
trata (golpeteo, vibraciones, silbidos,...) y su procedencia para
averiguar la causa de la avería y proceder a su reparación.
Para desarrollar una buena labor de mantenimiento y conocer el estado
de una instalación frigorífica es indispensable tener siempre a mano la
siguiente lista de herramientas:
•
Llaves de carraca para acceder a las válvulas de aspiración y expulsión
del compresor.
•
Juego de manómetros para alta y baja presión con sus correspondientes
latiguillos de conexión:
-
Suelen ser de tipo “Bourdon” y medir presiones relativas. Deben
tener un tornillo de ajuste que permita antes de su utilización su
calibración aproximada haciendo coincidir la presión atmosférica
con el cero de la escala.
-
Los manómetros de alta y baja presión suelen llevarse de manera
conjunta en lo que se conoce como puente de manómetros. Éstos
trabajan con presiones relativas y, en algunos casos, presentan
escalas que transforman las presiones en temperaturas de
vaporización/condensación para el caso de los refrigerantes más
habituales. De ese modo se están leyendo las temperaturas del
evaporador y del condensador. Si el manómetro no está dotado
de las citadas escalas se deberán comprobar dichas temperaturas
en las tablas del refrigerante con el que trabaje la instalación.
523
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Vacuómetro:
-
•
Higrómetro:
-
•
En caso de necesidad de vaciar la instalación de refrigerante, se
necesita uno o varios vacuómetros para controlar que realmente
se produce dicho vacío y que existe estanqueidad en la instalación.
Los vacuómetros siempre miden presiones absolutas.
Se utiliza para medir la humedad relativa en el interior de recintos
refrigerados y conductos de aire. Se usan los de tipo cabello y los
psicrómetros.
Termómetro electrónico con sonda de contacto y sonda de temperatura
ambiente:
-
Deben conocerse las temperaturas del exterior y del ambiente
refrigerado para verificar el buen funcionamiento de la instalación
en virtud de su diferencia. Con la sonda de contacto pueden
tocarse partes de la instalación y tener una aproximación de la
temperatura del fluido que recorre su interior. Con el termómetro
se pueden evaluar las temperaturas de los fluidos utilizados como
refrigerantes de la instalación (aire o agua). También se emplea
para el ajuste de las válvulas de expansión, en este caso los
termómetros suelen ser de esfera de aguja con bulbo y tubo capilar
con carga de vapor.
Ejemplo: Con una sonda de contacto puede conocerse la temperatura
en un punto intermedio del condensador. Con el juego de manómetros
puede obtenerse la presión de condensación y, en consecuencia, la
temperatura de condensación. En el caso de que exista una diferencia
importante entre ambas temperaturas es muy probable que el
refrigerante esté contaminado con sustancias incondensables y deba
procederse a su reposición.
•
Voltímetro:
-
•
En condiciones de funcionamiento normales en la instalación,
permite revisar el correcto estado de todos los elementos y
conexiones eléctricos mediante medidas de tensión e intensidad
a través de ellos. Si un compresor no se pone en marcha y el
causante es alguno de los elementos del circuito de control, con
el uso del voltímetro se puede conocer cuál es ese elemento.
Medidor de tenazas:
-
Con el medidor de tenazas o de pinzas se mide la intensidad
absorbida por el compresor en cada una de las fases de
alimentación. En caso de diferencias significativas entre ellas
deberá revisarse el compresor y el circuito de alimentación para
524
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
evaluar y subsanar la causa del desequilibrio de carga, antes de
que de ella se derive una avería grave de la instalación. En caso
de que la medida sea similar en las tres fases, podrá obtenerse la
potencia absorbida por la instalación y compararla con los valores
de diseño.
•
Kit de medida de acidez:
-
•
Con el kit de medida se analizan muestras de aceite. En una
instalación frigorífica el lubricante es su mayor fuente de ácidos.
Los ácidos surgen: en un lubricante poco refinado debido a las
extremas condiciones a los que están expuestos; o por
contaminantes que han penetrado en el sistema (humedad). La
acidez ataca seriamente los elementos metálicos y aquellos
realizados a base de goma o elastómeros. Medidas periódicas de
la acidez del aceite impiden el crecimiento de los ácidos y muestran
la necesidad de realizar los cambios de aceite.
Anemómetro (en el caso de instalaciones que trabajen con aire):
-
Con el anemómetro se conoce la velocidad de salida o de entrada
de aire para refrigeración del condensador o de distribución hacia
el recinto refrigerado. Con esta medida y conociendo la superficie
útil de la entrada o salida de aire se tiene el caudal de aire
circulante en la instalación. Comparándose este valor con el valor
nominal del equipo se observa la necesidad de limpieza de los
filtros y baterías de intercambio, o la existencia de problemas en
los equipos de ventilación.
10.3. Herramientas y utillaje
En el apartado anterior se han presentado los útiles que permiten realizar
el reconocimiento y mantenimiento de una instalación. En caso de que
en dicho reconocimiento se descubra alguna avería o defecto que pueda
desembocar en avería, será necesario realizar la reparación oportuna.
Para ello, y para el montaje de las instalaciones, deberán emplearse
algunas herramientas más que las presentadas hasta ahora, y que todo
instalador-mantenedor debe poseer para poder realizar correctamente
sus funciones:
•
Herramientas para soldar.
•
Herramientas para trabajo con tuberías.
•
Herramientas para crear vacío.
•
Herramientas de carga de refrigerante.
•
Herramientas de vaciado de las instalaciones.
525
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Herramientas para soldar:
•
Equipo de soldadura eléctrica: se compone de un generador eléctrico
con dos terminales conectados al generador por cables eléctricos.
Uno de los terminales se conecta a las piezas a unir y el otro se conecta
a un electrodo. Cuando se pone en contacto el electrodo y el material
se cierra el circuito eléctrico y una gran corriente atraviesa el electrodo
aumentando su temperatura lo suficiente como para que se funda.
El electrodo debe entonces separarse del material formando un arco
eléctrico entre electrodo y material que permite que se mantenga la
corriente eléctrica y, por tanto, la temperatura elevada, permitiendo
depositar el material fundido sobre las piezas a unir.
•
Varillas de aportación: se trata de las varillas metálicas que forman
el electrodo, compuestas por el material fundente que unirá las piezas
metálicas. En el caso de tuberías de cobre se utilizan varillas de plata.
•
Equipo de soldadura oxiacetilénica: es un tipo de soldadura autógena
(en presencia de gas). La soldadura oxiacetilénica consiste en aumentar
la temperatura de los metales a unir hasta su punto de fusión y en
dicho momento se aplica una presión sobre las superficies a soldar
para que se unan. El aumento de temperatura se consigue por medio
de la llama producida por la combustión de acetileno en presencia
de oxígeno. El equipo se compone de una botella de oxígeno a
presión, otra de acetileno, los manorreductores, el soplete, las válvulas
antirretorno y las mangueras. El equipo de soldadura oxiacetilénica
se puede utilizar también para cortar metales (oxicorte).
•
Botellas de nitrógeno con manorreductores: se utilizan para crear
atmósferas inertes durante la soldadura gracias al chorro de gas que
engloba la totalidad del metal fundido, evitando que sea atacado por
otro gas presente en la atmósfera (especialmente el oxígeno).
•
Gafas de protección.
Herramientas para trabajo con tuberías:
•
Abocardador a 45º: se utiliza para generar un cono a 45º en el extremo
libre de una tubería para permitir la unión entre tubería y accesorios,
de manera que se facilita la estanquidad de la unión.
526
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Ensanchador de tubos: Se trata de una herramienta para facilitar la
unión de dos tuberías de igual diámetro. Para ello, ensancha el
extremo libre de una de ellas y le genera un cono a 45º. El diámetro
interior del extremo es igual al diámetro exterior del tubo inicial de
modo que una tubería de igual diámetro que la inicial puede
introducirse en su interior. La estanquidad se consigue mediante
soldadura por capilaridad con plata.
•
Escariador: Útil que sirve para suavizar los bordes de una tubería a
la que se le ha realizado un corte.
•
Doblatubos: Se usa para curvar las tuberías un determinado ángulo
y con radio de curvatura acorde al diámetro de aquéllas, sin que se
produzcan abolladuras en sus paredes.
•
Cortatubos: Se utiliza para realizar cortes limpios en las tuberías.
•
Sellador de tubos: Se trata de una gran variedad de compuestos
químicos tipo resinas que se adhieren a las superficies de las tuberías
y accesorios a unir, rellenando todos los huecos y aumentando la
estanquidad de las uniones.
527
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Llaves de carraca o de chicharra multipresa: son llaves que permiten
apretar y soltar tuercas sin necesidad de sacar la herramienta en cada
golpe de muñeca, facilitando así su uso. Existen muchos modelos en
el mercado, los más habituales presentan juegos de cabezales
intercambiables para distintos tamaños de cabeza de tuerca, siendo
la conexión cuadrada para los diámetros más pequeños y hexagonal
para los superiores.
•
Alicate de pinzas: usada para plegar tuberías sobre sí mismas y para
sujetarlas mientras se realiza otra operación.
•
Peine para enderezar aletas: se trata de una herramienta que sirve
para arreglar las aletas de los intercambiadores de calor cuando han
sufrido algún golpe o se han torcido por efecto de los cambios de
temperatura.
•
Válvulas de intervención, autoperforantes: se trata de dispositivos
para perforar tuberías y realizar derivaciones en tuberías ya instaladas
en las que resulta problemática la inserción de piezas en “ T ” o en
“ Y “.
Herramientas para crear vacíos:
•
Bomba de vacío: La bomba de vacío se utiliza para extraer todo el
aire de las tuberías y elementos que componen los circuitos (en caso
de instalaciones nuevas) y para vaciar las mismas de refrigerante
gaseoso (en caso de averías o cambio de refrigerante). Las bombas
de vacío se definen por su capacidad de extraer gas (generalmente
en l/min) y la presión de vacío máxima que pueden crear (en
instalaciones de refrigeración convencionales se suelen exigir vacíos
desde 2 mbar hasta 0,02 mbar dependiendo de la aplicación).
•
Vacuómetro o Manovacuómetro: Es el aparato que se utiliza para
medir el vacío generado en una instalación.
•
Latiguillos de conexión y válvulas de cierre: Los latiguillos son los
conductos flexibles que permiten conectar la instalación con la bomba
de vacío y ésta con el recipiente donde se almacenará el gas (en caso
de extracción de refrigerante), y las llaves o válvulas de cierre permiten
desconectar la instalación y el recipiente de la bomba, de modo que
circuito y almacenamiento queden estancos en cuanto se desconecte
la unidad de vaciado.
Herramientas de carga de refrigerante:
•
Cilindro de carga: se trata de un envase de volumen muy determinado
usado para llenar instalaciones con la cantidad justa de fluido
refrigerante. Para grandes instalaciones los cilindros vienen dotados
con algún tipo de accesorio calefactor que impide que la botella se
528
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
congele debido a la expansión del gas en su interior. Se acompañan
con un manómetro para controlar la presión del refrigerante durante
la carga.
•
Puente de manómetros o analizador, con juego de latiguillos de
conexión flexible: es un conjunto de dos manómetros, un colector
de unión y varias válvulas de corte que permiten de un modo sencillo
realizar las operaciones de carga y vaciado de refrigerante, y control
de presiones de funcionamiento. Un manómetro controla la presión
de alta mientras que el otro hace lo mismo con la de baja. Con las
llaves de seccionamiento se puede cambiar la configuración del
puente de modo que el mismo elemento se usa para todas las funciones
descritas.
•
Báscula de precisión: En el caso de que la carga se haga directamente
desde botella, el control de la cantidad de refrigerante se realiza por
peso. Dado que el rendimiento de una instalación es muy sensible
a la cantidad de fluido que la recorre, es muy importante la exactitud
en la carga de la misma y, por ello, se usan básculas de precisión.
Herramientas de vaciado de las instalaciones:
•
Equipos de recuperación o reciclado de aceite: equipos que permiten
extraer el aceite de la instalación y envasarlo en recipientes adecuados
para transportarlos a lugares donde se realice su eliminación controlada
o su reproceso para volver a ser utilizados (en el caso de los
recuperadores); o tratar el aceite en la misma instalación, filtrándolo,
deshidratándolo y eliminando sus impurezas, para volver a introducirlo
en la instalación (en el caso de equipos de reciclaje).
•
Recipientes de recuperación estancos que permiten el traslado desde
la instalación hasta los lugares de eliminación o reproceso, de un
modo seguro, sin que el refrigerante o lubricante contamine el medio
ambiente, ni que éste altere las propiedades de los fluidos.
•
Juegos de latiguillos de conexión flexible y llaves de seccionamiento
que permitan la conexión estanca entre todos los elementos.
10.4. Tablas de averías. Identificación de causas
Relación efecto-causa
La siguiente tabla recoge un amplio resumen de las averías más comunes
en las instalaciones frigoríficas, los síntomas a través de los que se
manifiestan y las soluciones que deben aplicarse. El modo de ejecutar
la solución no aparece detallada, en un apartado posterior se describe
el modo de actuar en los casos más comunes.
529
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
Presión de condensación excesiva Aire o gases no condensables en
en condensadores enfriados por la instalación.
aire y agua
SOLUCIÓN
Purgar el condensador, arrancar y
dejar funcionar hasta alcanzar la
Tª de funcionamiento y purgar de
nuevo si es necesario.
Superficie del condensador
demasiado pequeña.
Sustituir el condensador por uno
más grande.
Exceso de refrigerante en el
sistema (acumulación de
refrigerante en el condensador).
Quitar refrigerante hasta que la
presión de condensación sea
normal, el visor de líquido tiene
que estar siempre lleno.
Regulación de condensación
Ajustar a la presión correcta.
ajustada a una presión demasiado
alta.
Temperatura de admisión del aire Verificar el circuito de
o del agua en el condensador
enfriamiento, comprobar el
demasiado elevada.
enfriamiento en la torre de
refrigeración de agua y su nivel de
agua (en caso de existencia).
El ventilador o la bomba del
condensador están averiados.
Reparar.
Caudal de aire o de agua
insuficiente en el evaporador.
Revisar los circuitos de aire o agua.
El circuito de líquido anterior o Limpiar el circuito.
después de la válvula de expansión
se encuentra obstruido
(impurezas).
Presión de evaporación demasiado <<Ver presión de aspiración
demasiado baja>>
baja
Presión de condensación excesiva Suciedad en la superficie del
Limpiar el condensador.
en condensadores enfriados por condensador
aire
Cambiar motor o aspas del
Motor o aspas de ventilador
defectuosas o demasiado pequeñas ventilador.
530
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
Flujo de aire al condensador
demasiado restringido
SOLUCIÓN
Quitar obstáculos al acceso de aire
o cambiar el condensador de lugar.
Temperatura ambiente demasiado Proporcionar entrada de aire
alta
fresco o cambiar el condensador
de lugar.
Dirección contraria al aire a través Cambiar sentido de giro de
del condensador
rotación del motor.
Cortocircuito entre el lado de
Montar un conducto adecuado
presión y aspiración del ventilador hacia el exterior.
al condensador
Presión de condensación excesiva
en condensadores enfriados por
agua
Temperatura del agua de
enfriamiento excesiva
Bajar la Tª del agua.
Caudal de agua demasiado
pequeño
Aumentar el caudal de agua.
Sedimentos de suciedad en el
interior de las tuberías de agua
Limpiar las tuberías de agua del
condensador.
Bombas de agua de enfriamiento Reparar o cambiar bomba de agua
defectuoso o fuera de servicio
Presión de condensación
demasiado baja en condensadores
enfriados por aire y agua.
Superficie de condensación
demasiado grande
Establecer la regulación de presión
de condensación o cambiar el
condensador.
Baja carga en el evaporador
Establecer regulación de presión
de condensación.
Presión de aspiración demasiado Localizar posible avería en tramo
baja.
entre condensador y válvula
termostática.
<<Ver falta de líquido>>
Las válvulas de aspiración o de
descarga, o el émbolo del
compresor pueden tener fugas.
531
Reemplazar válvulas y platos de las
válvulas, y rascadores de los
cilindros.
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
ÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
El regulador de presión de
Ajustar el regulador de presión de
condensación está ajustado a una condensación a su presión
presión demasiado baja.
correcta.
Recipiente no aislado, situado en Cambiar el recipiente de lugar o
un lugar demasiado frío en
proveerlo de un aislante adecuado.
relación al condensador.
Taponamiento del circuito de
<<Ver presión de vaporización o
líquido (impurezas, tapones de
de aspiración demasiado baja>>
hielo, hidratos), el volumen de la
botella de líquido es suficiente y
la baja presión es demasiado baja.
La válvula de inversión se atasca
en posición media.
Reponer estado correcto, lubricar
y/o cambiar el elemento.
Presión de condensación
Temperatura demasiado baja.
demasiado baja en condensadores
enfriados por aire
Caudal de aire excesivo hacia el
condensador
Establecer regulación de presión
de condensación
Cambiar el ventilador por uno más
pequeño o establecer regulación
de velocidad al motor
Caudal de agua excesivo
Montar válvula de regulación de
Presión de condensación
caudal.
demasiado baja en condensadores
enfriados por agua
Temperatura del agua demasiado Reducir el caudal de agua
baja
Presión de condensación inestable. El presostato de arranque/parada Ajustar el diferencial a un valor
del ventilador tiene un diferencial más bajo, o utilizar un variador de
grande. Podría producir vapor en frecuencia.
la línea de líquido después del
arranque, debido a una
acumulación de refrigerante en el
condensador
La válvula termostática es inestable. Ajustar la válvula a más
recalentamiento o cambiar el
orificio a un tamaño menor.
Cambiar las válvulas a unas más
pequeñas.
532
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
Presión de aspiración excesiva.
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Se ha producido un presión de
aspiración inestable
<<Ver presión de aspiración
inestable>>
Compresor demasiado pequeño.
Cambio de compresor
Platos de válvulas con fugas.
Cambio de platos de válvulas.
Regulación de capacidad
defectuosa o mal ajustada.
Revisar regulación de capacidad.
Carga térmica de la instalación
excesiva.
Revisar carga en la cámara o local.
Fuga en el sistema de desescarche. Comprobar estanquidad.
Temperatura de condensación
muy elevada.
<<Ver temperatura de
condensación muy elevada>>
Demasiado fluido.
Vaciar refrigerante.
Émbolo no estanco del cilindro.
Sustituir émbolo o segmentos.
La válvula de expansión está
demasiado abierta.
Ajustar. Comprobar si la aguja está
desgastada.
La válvula de inversión de ciclo se Comprobar estado y reparar o
ha atascado en una posición
cambiar.
intermedia.
Fluido de entrada (aire o agua) en Esperar a que el funcionamiento
se estabilice, reducir el caudal en
el evaporador a demasiada
caso necesario.
temperatura.
Ajustar el recalentamiento de la <<Ver válvulas de expansión
Presión de aspiración excesiva y
termostática>>
temperatura del gas de aspiración válvula de expansión.
demasiado baja.
Orificio de la válvula de expansión Cambiar orificio.
demasiado grande.
Cambiar intercambiador de calor.
Fugas en el intercambiador de
calor entre las líneas de líquido y
aspiración.
533
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Presión de aspiración demasiado
baja, funcionamiento constante.
Presostato de baja presión mal
ajustado o defectuoso.
Presión de aspiración demasiado
baja, funcionamiento normal o
irregular
Carga térmica baja de la instalación Establecer regulación de capacidad
o aumentar el diferencial del
presostato de baja presión.
Falta de líquido refrigerante en el
evaporador: falta de refrigerante
en el recipiente, línea de líquido
demasiado larga, pequeña, o con
excesiva pérdida de carga, filtros
obstruidos, falta de
subenfriamiento de líquido, avería
en la válvula de expansión.
Ajuste/cambio del presostato
<<Ver nivel del líquido en el
recipiente demasiado bajo>>,
<<Ver burbujas de vapor en el
visor>>, <<Ver válvulas de
expansión termostática>>
Evaporador demasiado pequeño. Cambiar el evaporador.
Ventilador del compresor
defectuoso
Revisar funcionamiento del
ventilador.
Demasiada caída de presión en el Modificación del circuito
evaporador o línea de aspiración. hidráulico en el tramo evaporadorlínea de aspiración.
Necesidad de desescarche.
Revisar sistema de desescarche.
Congelación en el enfriador de la Aumentar concentración de
salmuera.
salmuera.
Falta de aire o salmuera a través
del enfriador.
Revisar estanquidad del sistema.
Acumulación de aceite en el
evaporador
<<Ver nivel de aceite en el cárter
demasiado bajo>>
Caudal de aire o de agua del
evaporador muy reducido.
Revisar circuito de aire y de agua.
Compresor demasiado potente.
Instalar un compresor más
pequeño, cambiar el fluido
refrigerante.
534
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
Temperatura de condensación
muy baja.
Presión de aspiración inestable.
Funcionamiento con válvula de
expansión termostática.
SOLUCIÓN
<<Ver temperatura de
condensación muy baja>>
Recalentamiento de la válvula de <<Ver válvulas de expansión
expansión termostática demasiado termostática>>
bajo.
Orificio de la válvula de expansión
demasiado grande.
Temperatura de la línea de
descarga demasiado alta
Nivel de líquido en el recipiente
demasiado bajo.
Fallo de regulación de capacidad:
regulador de capacidad demasiado
grande o presostato para
regulación por etapas mal ajustado.
Cambio del tipo de regulador de
capacidad, ajustar mayor
diferencial de presión de
arranque/paro de etapas.
Presión de aspiración demasiado
baja (falta líquido en el
evaporador, carga del evaporador
demasiado baja, fugas en el plato
de válvulas del compresor,
recalentamiento excesivo en el
intercambiador de calor)
Localizar avería en el tramo desde
recipiente hasta la línea de
aspiración. Cambiar el plato de
válvulas en el compresor.
Seleccionar intercambiador más
pequeño.
<<Ver presión de aspiración
demasiado baja>>
Presión de condensación
demasiado alta
<<Ver presión de condensación
demasiado alta>>
Falta líquido refrigerante en la
instalación
Averiguar causa, subsanar avería y
recargar instalación
Fugas en la instalación
Detectar y reparar
Sobrecarga en el evaporador (poca <<Ver válvulas de expansión
carga conlleva acumulación de
termostática>>
líquido en el evaporador, avería
en la válvula termostática).
Acumulación de líquido en el
Situar el recipiente junto al
condensador porque la presión de condensador
condensación es más baja que la
presión del recipiente
535
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Nivel de líquido en el recipiente
excesivo y rendimiento de
enfriamiento normal.
Demasiada carga de refrigerante
líquido en la instalación.
Nivel de líquido en el recipiente
excesivo y rendimiento de
enfriamiento demasiado bajo.
Obstrucción parcial de algún
Localizar y limpiar.
componente de la línea de líquido.
Vaciar la cantidad adecuada de
refrigerante, de modo que la
presión de condensación siga
siendo normal y el indicador de
líquido del visor esté sin vapor.
Avería en la válvula termostática <<Ver válvulas de expansión
(recalentamiento excesivo, orificio termostática>>
demasiado pequeño, pérdida de
la carga,…)
Filtro secador frío, con posibles
gotas de rocío o escarcha.
Obstrucción parcial del filtro de
suciedad del filtro secador
Averiguar si hay impurezas en la
instalación, limpiar donde sea
necesario y cambiar el filtro
secador
Filtro secador saturado con agua
o ácidos
Averiguar si hay humedad o ácidos
en la instalación, limpiar y cambiar
el filtro secador varias veces. En
caso de fuerte contaminación de
ácidos: cambiar el refrigerante y
la carga de aceite y montar un
filtro secador con núcleo sólido
intercambiable en la línea de
aspiración.
Visor de líquido descolorido:
Amarillo
Humedad en la instalación
Averiguar si hay fugas y reparar si
es necesario. Comprobar si hay
ácidos en la instalación. Cambiar
el filtro secador varias veces si es
necesario. Puede ser necesario
cambiar el refrigerante y el aceite.
Visor de líquido descolorido:
Marrón o negro
Impurezas en forma de pequeñas Limpiar la instalación. Cambiar el
partículas en la instalación.
filtro secador.
536
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
Burbujas de vapor en el visor de
líquido delante de la válvula de
expansión termostática.
Falta de subenfriamiento, debido
a una caída de presión excesiva en
la línea de líquido (extrema
longitud de la línea de líquido,
diámetro de la línea de líquido
pequeño o excesiva pérdida de
carga, avería en la válvula
solenoide,…).
SOLUCIÓN
Cambiar la línea de líquido por
otra de diámetro adecuado,
eliminar codos y cambios de
dirección innecesarios, limpiar
filtros,…
Falta de subenfriamiento líquido Aumentar aislamiento de la línea
por penetración de calor en la
de líquido.
línea de líquido.
Condensadores enfriados por
Cambiar a la configuración de
agua: falta de subenfriamiento
caudales a contracorriente en el
debido a una dirección contraria intercambiador.
del caudal de agua de
enfriamiento.
Presión de condensación
demasiado baja
<<Ver presión de condensación
demasiado baja>>
Válvula de cierre del recipiente
demasiado pequeña.
Cambiar la válvula
Regulación de presión de
condensación defectuosa o mal
ajustada causando una
acumulación de líquido en el
condensador
Ajuste de la regulación o cambio
del tipo de regulación de
condensación del sistema
Si se regula la presión de
condensación por arranque/paro
del ventilador del condensador,
puede haber vapor en la línea de
líquido durante algún tiempo
después de la puesta en marcha
del ventilador.
Falta de líquido en la instalación. Recarga de la instalación.
Enfriadores de aire. Evaporador
bloqueado por escarcha.
No se ha realizado el
procedimiento de desescarche.
537
Revisar sistema de desescarche y
realizar desescarche.
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Humedad del aire excesiva en la
cámara frigorífica.
Revisar estanquidad de la cámara
frigorífica y humedad introducida
por los productos a enfriar
Enfriadores de aire. Evaporador Falta de afluencia de refrigerante <<Ver válvulas de expansión
escarchado sólo en el tramo
hacia el evaporador: avería en la termostática>>
cercano a la válvula de expansión. válvula de expansión o <<Ver
burbujas de vapor en el visor de
líquido >>
Enfriadores de aire. Evaporador
dañado.
Aletas o láminas deformadas.
Excesiva humedad del aire en la
cámara frigorífica, temperatura
ambiente normal
Excesiva superficie de evaporador, Cambiar tamaño de evaporador.
que provoca evaporación excesiva
y periodos de funcionamiento
cortos.
Baja carga térmica
Humedad del aire en la cámara o Cámara mal aislada
local demasiado baja
Elevado consumo interno de
energía (alumbrado,
ventiladores,…)
Reponer forma inicial.
Instalar regulación de humedad
en la cámara.
Mejorar aislamiento.
Reducir consumos superfluos.
Superficie del evaporador
Cambio de evaporador.
demasiado pequeña, causando
largos periodos de funcionamiento
a una temperatura de evaporación
baja.
Excesiva temperatura en la cámara Avería en el termostato ambiente <<Ver Termostatos>>
o local.
de la cámara.
Capacidad del compresor
demasiado pequeña.
<<Ver Compresores>>
Carga térmica excesiva.
Revisar carga en la cámara o local
a refrigerar, focos de calor,
aislamiento.
538
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Evaporador demasiado pequeño. Revisar tamaño del evaporador.
Afluencia de líquido refrigerante <<Ver burbujas de vapor en el visor
hacia el evaporador muy pequeña. de líquido >> y <<Ver válvulas de
expansión termostática>>
Regulador de presión de
evaporación ajustado a una
presión de corte demasiado alta.
Ajustar el regulador de presión.
Presostato de baja presión ajustado Ajustar el presostato con uso de
a una presión de corte demasiado manómetros.
alta.
La válvula reguladora de capacidad Ajustar válvula reguladora.
abre a una presión de evaporación
demasiado alta.
El regulador de presión de
aspiración está ajustado a una
presión de apertura demasiado
baja.
Ajustar válvula reguladora.
Temperatura demasiado baja en la Avería en el termostato ambiente. <<Ver Termostatos>>
cámara o local.
Temperatura ambiente baja.
Revisar sistema regulación interno.
Existencia de hielo, cera o
Limpiar válvula, instalar filtro
suciedad en el punzón de la válvula secador o emplear aceite de menor
de expansión.
viscosidad.
Válvula de expansión desajustada. Reajustar válvula.
El elemento sensor de la válvula Ajustar contacto.
de expansión no realiza un buen
contacto con la línea de aspiración.
539
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
Temperatura de gas de aspiración Alimentación insuficiente de
demasiado alta.
refrigerante hacia el evaporador:
Poca carga de refrigerante en la
instalación, avería en la línea de
líquido o en alguno de sus
componentes, válvula de
expansión ajustada a un
recalentamiento excesivo o
pérdida parcial de la carga del
bulbo.
Compresor. Funcionamiento
irregular (desconexión por
presostato de baja presión).
SOLUCIÓN
Cargar la instalación de
refrigerante, <<Ver nivel del líquido
en el recipiente demasiado
bajo>>,<<Ver filtro secador frío>>,
<<Ver burbujas de aire en el
visor>>, <<Ver presión de
aspiración demasiado baja>>, y
<<Ver válvulas de expansión
termostática>>
Capacidad del compresor
Revisar tamaño del compresor.
demasiado grande en relación con
la carga térmica de la instalación.
Regulador de presión de
Ajuste de la regulación de la
evaporación ajustado a una presión presión de evaporación con ayuda
de evaporación demasiado alta
de manómetro.
Compresor. Funcionamiento
irregular (desconexión por
presostato de alta presión).
Presión de condensación excesiva. <<Ver Presión de condensación
demasiado alta>>
Avería en el presostato de alta
presión.
Revisar estado del presostato
Presostato de alta presión ajustado Ajustar el presostato con ayuda de
a una presión de corte demasiado manómetro. Evitar funcionamiento
baja.
irregular con el uso de un
presostato de alta presión con
rearme manual.
Compresor. El compresor arranca Diferencial del control (presiones Reajustar diferencial de control o
y para a intervalos de tiempo muy o temperaturas) muy pequeño.
cambiar controlador en caso de
cortos.
que el diferencial sea el adecuado.
Pérdida en las válvulas de
aspiración o descarga del
compresor.
540
Comprobar estanquidad y reparar
en caso necesario.
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
La válvula de expansión
Limpiar, reestudiar tamaño,
termostática falla debido a:
reajustar elemento sensor, reubicar
existencia de hielo, cera o suciedad elemento.
en su interior o en el filtro previo;
orificio insuficiente; desajuste;
elemento sensor descargado;
ubicación de la válvula en lugar
incorrecto (demasiado frío).
Si se dispara el dispositivo de
sobrecarga del motor puede ser
debido a: correas muy tensadas,
baja tensión de alimentación, poca
capacidad del motor, cojinetes del
motor con falta de lubricación o
limpieza, cortocircutio en el
bobinado del motor.
Reajustar correas, revisar tensión
de alimentación real al motor
(aumentar sección de línea de
alimentación en caso necesario),
cambiar motor, lubricar y limpiar
cojinetes, reparar o cambiar
bobinado.
Disparo del presostato de alta
presión o el dispositivo de
sobrecarga del motor por alta
presión.
Revisar apartados anteriores (alta
presión).
Obstrucción en la línea de líquido Revisar tamaños de líneas, estado
o de aspiración: líneas demasiado de filtros, líneas y válvulas, reponer
refrigerante y buscar fugas.
pequeñas para los caudales
circulantes, filtros obstruidos,
aplastamientos en la línea, válvulas
semicerradas, falta de refrigerante.
La presión de aspiración es baja
debido a pequeño tamaño de
aspiración.
Aumentar superficie de
evaporación.
Falta de salmuera.
Comprobar nivel del tanque de
acumulación y existencia de fugas.
Avería de origen eléctrico, mal
contacto.
Localizar avería y reparar, revisar
conexiones y apretar contactos.
Potencia frigorífica demasiado
elevada.
Revisar asignación de potencia y
reducir tamaño del equipo,
cambiar el fluido refrigerante,
instalar regulación de potencia.
541
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
Compresor. Temperatura de la
Temperatura de la línea de
línea de descarga demasiado alta. descarga demasiado alta.
SOLUCIÓN
Comprobar estado del plato de
válvulas
Compresor. Compresor demasiado Paso de líquido refrigerante desde Ajustar la válvula de expansión a
frío.
el evaporador hacia la línea de
un menor recalentamiento.
aspiración y posiblemente hacia el
compresor, debido a un ajuste de
la válvula de expansión incorrecto.
Compresor. Compresor demasiado Compresor y posiblemente motor Reducir la carga del evaporador o
caliente.
sobredimensionados, debido a la sustituir por un compresor de
carga del evaporador como
mayor tamaño.
consecuencia de una presión de
aspiración demasiado alta.
Compresor. Sonido de golpeteo
constantemente o durante el
arranque.
Compresor. Nivel de aceite en el
cárter demasiado alto. Con carga
o sin ella. Durante la parada o el
arranque.
Enfriamiento de motor y cilindro
insuficiente debido a: poco líquido
en el evaporador, carga de
evaporador baja, válvulas de
aspiración y descarga no
herméticas, recalentamiento
importante en el intercambiador
o en el acumulador de aspiración.
Localizar avería entre el
condensador y la válvula de
expansión termostática, <<Ver
presión de evaporación demasiado
baja>>, revisar plato de válvulas.
Presión de condensación
demasiado alta.
Sustituir el intercambiador por uno
de menor tamaño, <<Ver presión
de condensación demasiado alta>>
Golpes de líquido en el cilindro Ajustar la válvula de expansión a
debido a entrada de líquido en el un recalentamiento inferior.
compresor.
Ebullición de refrigerante en el
cárter.
Montar elementos de calor en el
compresor o debajo del cárter.
Desgaste en partes móviles del
compresor.
Reparar el compresor.
Demasiada cantidad de aceite
Comprobar que no es debido a la
presencia de refrigerante en el
aceite.
Vaciar aceite hasta nivel correcto.
542
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Absorción de líquido refrigerante Montar elementos de calor en el
en el aceite del cárter a causa de compresor o debajo del cárter del
una temperatura ambiente
mismo.
demasiado baja.
Compresor. Nivel de aceite en el
cárter demasiado bajo.
Cantidad de aceite demasiado
pequeña.
Carga de aceite hasta nivel
correcto.
Mal retorno del aceite del
Revisar circuito de refrigerante.
evaporador a causa de: Líneas
verticales de aspiración muy
grandes, falta separador de aceite,
falta de inclinación en la línea
horizontal de aspiración.
Desgaste del pistón, aros y cilindro. Revisar estado de componentes del
compresor.
Compresor. Aceite en ebullición
al arrancar.
Si hay varios compresores
conectados en paralelo: con tubo
de regulación de aceite, los
compresores no están a la misma
altura; con regulación del nivel de
aceite, válvula de flotador atascada.
El último compresor en arrancar
(según etapas de arranque) es el
que mayor probabilidad de falta
de aceite presenta. Igualar alturas
de instalación, aumentar el
diámetro de la línea de igualación
de nivel de aceite, revisar válvulas
de flotador.
Retorno de aceite del separador
de aceite atascado.
Limpiar circuito de lubricante
Gran absorción de líquido
refrigerante en el aceite del cárter
a causa de una temperatura
ambiente demasiado baja.
Montar elementos de
calentamiento debajo del cárter
del compresor o una resistencia de
cárter en el compresor.
Instalaciones con separador de
aceite: demasiada absorción de
líquido refrigerante en el
separador durante el arranque.
Separador de aceite demasiado frío
durante la parada. Montar
elemento calefactor controlado por
termostato o una válvula solenoide
con retardo en la línea de retorno
del aceite. Colocar una válvula de
retorno en la línea de descarga
después del separador de aceite.
543
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
Compresor. Aceite en ebullición
durante funcionamiento.
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Paso de líquido refrigerante desde Ajustar la válvula de expansión al
el evaporador hacia el cárter del máximo recalentamiento.
compresor.
Sistemas con separador de aceite: Cambiar la válvula de flotador o
la válvula no cierra
todo el separador de aceite.
completamente.
Compresor. Aceite descolorido.
Instalación contaminada. Limpieza Cambiar aceite, el filtro secador y
insuficiente durante el montaje o limpiar el sistema de refrigerante.
tras una modificación importante
En caso de elevada temperatura
del circuito o sistema.
<<Ver elevada temperatura en la
Instalación contaminada.
línea de descarga>>
Descomposición del aceite a causa
de humedad en la instalación
Instalación contaminada.
Descomposición del aceite a causa
de temperatura demasiado alta en
la línea de descarga.
Instalación contaminada.
Partículas de desgaste de
componentes móviles.
Compresor. No arranca.
Comprobar tensión en acometida
Falta de tensión o tensión
insuficiente en la alimentación del y en caso necesario hablar con
compañía suministradora de
mismo.
energía eléctrica.
Fusibles quemados.
Fusible fundido en circuito de
control.
Buscar y reparar fallo eléctrico en
el sistema de potencia o en el de
potencia.
Interruptor general en posición
abierta.
Comprobar el paso de corriente El contactor no actúa debido a:
(cambiando bobina o contactor), bobina quemada, dispositivo de
examinar causa de disparo.
máxima disparado.
544
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
El motor no arranca debido a:
defecto en el arranque, el motor
está quemado o cortocircuitado
Revisar sistema de arranque,
cambiar el bobinado del motor y
revisar el nivel de aislamiento de
todas las partes.
Contactos de arranque del motor
quemados a causa de: corriente
de arranque excesiva, contactor
demasiado pequeño.
Buscar cortocircuito, corriente
admisible por los contactos,
compararla con la de arranque del
equipo y cambiar los contactos.
Protectores de devanados del
motor abiertos a causa de
consumo excesivo de energía.
Buscar causante elevado consumo
eléctrico, revisar potencia
absorbida por el sistema en
condiciones normales.
Correas rotas.
Revisar y cambiar.
Protección termostática del motor
cortada o defectuosa por: presión
de aspiración excesiva, presión de
condensación excesiva, suciedad
o revestimiento de cobre en
cojinete, tensión de alimentación
demasiado baja, fallo de una fase,
devanados del motor en
cortocircuito.
<<Ver Presión de aspiración
demasiado alta>>, <<presión de
condensación demasiado alta>>,
limpiar circuito, revisar circuito
eléctrico.
Otro equipo de seguridad cortado,
mal ajustado o defectuoso:
Presostato diferencial de aceite,
presostato de baja presión,
presostato de alta presión,
interruptor de flujo, termostato
de protección a congelación.
<<Ver nivel de aceite demasiado
bajo>>, <<ver aceite en
ebullición>>, <<Ver presión de
condensación demasiado alta>>,
<<Ver presión de aspiración
demasiado baja>>, buscar causa de
caudal reducido (válvulas
semicerradas,…) y de bajas
temperaturas.
Equipo de regulación cortado, mal <<Ver presión de aspiración>>,
ajustado o defectuoso: presostato <<Ver termostatos>>, localizar
de baja presión, termostato de la avería y reparar.
cámara.
545
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Compresor abierto: sobrecarga del
compresor y del motor, motor
demasiado pequeño.
Compresor hermético o
semihermético: sobrecarga del
compresor y del motor, formación
de ácidos en el sistema de
refrigeración.
Revisar causa de sobrecarga,
aumenta potencia del motor si es
preciso, averiguar y reparar causa
de aparición de ácidos.
Obturación en la circulación de
refrigerante debido a: Válvula de
líquido o aspiración cerrada,
tubería aplastada, filtros obturados,
válvula de solenoide atascada, hielo
cera o partículas taponando la
válvula de expansión, fuga de
refrigerante.
Revisar el circuito hidráulico y los
elementos lo gobiernan
comprobando la apertura y
limpieza de todos ellos.
Evaporador inundado: elemento Revisar estos elementos.
térmico de la válvula de expansión
descargado, válvula de expansión
desajustada, fuga en el flotador.
Agarrotamiento en los
rodamientos y cilindros debido a:
Partículas de suciedad en el sistema
de refrigeración, Revestimiento de
cobre en partes lisas y formación
de ácidos, insuficiencia o falta de
lubricación (fallo en la bomba de
aceite, aceite en ebullición en el
cárter, baja cantidad de aceite,
acumulación de aceite en el
evaporador, mala igualación de
aceites entre compresores).
Limpiar el sistema, cambiar el filtro
secador, revisar y subsanar
formación de ácidos, <<Ver Nivel
de aceite en el cárter demasiado
bajo>>
Compresor en marcha
constantemente, presión de
aspiración demasiado baja.
Regular el sistema de control.
Presostato de ajustado a una
presión de corte demasiado baja, <<Ver Presión de aspiración
demasiado baja>>
o defectuoso.
Compresor en marcha
constantemente, presión de
aspiración demasiado alta.
Plato de válvulas de
aspiración/descarga con fugas.
546
Cambiar el plato de válvulas.
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
Capacidad del compresor
demasiado pequeña en relación
con la carga de la instalación en
cualquier momento dado.
El compresor enfría, pero no para El refrigerante no circula
o funciona demasiado tiempo.
adecuadamente, válvula de líquido
cerrada parcialmente, filtros
obturados, válvula de solenoide
obturada, línea de líquido o
aspiración obturada, falta de
refrigerante, válvula de expansión
demasiado abierta o cerrada,
sensor de la válvula de expansión
descargado, válvula de expansión
colocada en un lugar demasiado
frío.
SOLUCIÓN
Bajar carga térmica de la instalación
o aumentar compresor.
Revisar limpieza de todos los
elementos, revisar si los diámetros
de los elementos son adecuados a
los caudales requeridos, obturar las
fugas, revisar carga de refrigerante,
revisar/cambiar elemento sensor
de la válvula de expansión, revisar
ubicación de la válvula de
expansión.
Compresor no apropiado: pérdida Ajustar la holgura entre discos y
en las válvulas de aspiración,
platos de válvulas, cambiar el
equipo de baja capacidad.
compresor.
Falta de rendimiento por ser
Revisar causa de alta presión.
demasiado elevada la presión alta
del sistema.
Sobrecarga en el equipo: elevada Revisar recinto refrigerado nivel
carga térmica instantánea en la
de aislamiento, pérdidas por
atmósfera refrigerada, fuga térmica aberturas y nivel de carga.
en el recinto, compresor y
evaporador pequeños.
El compresor no para y no enfría. Las correas de compresor resbalan. Tensar o cambiar.
Potencia frigorífica insuficiente.
547
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
El compresor no para y no enfría. El refrigerante no circula en la
Potencia frigorífica insuficiente. cantidad suficiente: válvulas
semicerradas o pequeñas, filtros
obstruidos, válvula de solenoide
de poco paso, aplastamiento o
pequeño diámetro de las líneas de
líquido o aspiración, falta de
refrigerante, válvula de expansión
parcialmente cerrada u obstruida,
válvula de expansión cerrada por
fallo mecánico, válvula de
expansión desajustada, sensor de
la válvula de expansión
desajustado, válvula de expansión
colocada en lugar demasiado frío,
excesiva presión de alta en el
flotador.
SOLUCIÓN
Revisar elementos de corte del
circuito, limpiar circuito, válvulas
y filtros, revisar válvula de
solenoide, revisar diámetros de los
elementos, carga de refrigerante y
revisión de fugas, revisar sección
de paso y actuador de la válvula de
expansión, cambiar la ubicación
de la válvula de expansión,
averiguar causa de presión excesiva.
Repararla o cambiarla.
La válvula de expansión queda
abierta y entra tanto refrigerante
que no puede evaporarse a una
presión baja para dar una
temperatura baja.
Compresor ineficaz por: válvulas
que pierden, fugas por los
segmentos, baja capacidad.
Reparar fugas, aumentar la
velocidad de régimen del
compresor (si lo permite) o
cambiarlo.
Ver apartados anteriores.
Presión de alta elevada lo que
reduce la capacidad del compresor.
Compresor sobrecargado por:
excesiva carga térmica, fugas de
frío/calor (fugas o puertas
abiertas), compresor y evaporador
pequeños, mal reparto de aire
interior.
Revisar zona refrigerada,
aislamiento del recinto, revisar
capacidades de los elementos y
sistemas de distribución de aire.
Compresor trabaja a baja
velocidad.
Comprobar tensión de
alimentación, revisar variador de
frecuencia (si existe).
548
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
El evaporador trabaja de forma
Proceder al desescarche, revisar
ineficiente por: exceso de
serpentín.
escarcha, serpentín taponado por
presencia de aceite.
Potencia frigorífica insuficiente
Necesidades frigoríficas
demasiado grandes.
Verifíquese el aislamiento del
recinto refrigerado, comprobar la
carga térmica y los aportes,
aumentar potencia del grupo
(cambiarlo).
Avería en la regulación.
Revisar sistema de control.
Caudales de agua o aire demasiado Cuantificar caudales y comparar
pequeños en el evaporador y
con valores de diseño, averiguar
condensador.
causas en caso de falta de caudales.
Evaporador escarchado
continuamente.
Ciclos de desescarche insuficientes,
ventilación anormal en el
evaporador.
Filtros atascados.
Limpiar circuitos.
Válvula de expansión desajustada Revisar ajuste y comprobar relación
o demasiado pequeña.
tamaño-caudal.
Falta de fluido.
Revisar nivel, encontrar fugas y
reponer cantidad necesaria.
Arrastre de líquido en la
aspiración.
<<ver golpe de líquido en el
compresor>>
Exceso de fluido.
Revisar nivel.
Válvulas del compresor en mal
estado.
Revisar estanquidad y sustituir en
caso necesario.
Válvula de inversión de ciclo
agarrotada.
Comprobar bobina y actuador.
Ciclos de desescarche demasiado Ajustar temporización.
largos.
549
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Red de distribución mal aislada.
Revestir adecuadamente.
Mangas no estancas.
Aislar.
Temperaturas de entrada del agua Verificar circuito de refrigeración.
o del aire de refrigeración
demasiado elevadas.
Superficies de intercambio de
Limpiar superficies y aumentar
evaporador y condensador sucias potencia de intercambio de los
o reducidas.
elementos.
Presiones anormales en el lado de Ver apartados posteriores.
alta o de baja presión.
Golpe de líquido en el compresor Demasiado líquido.
Purgar.
Separador de partículas antigolpe Instalar dicho elemento o revisarlo
de líquido inexistente o
en caso de existir.
estropeado.
Resistencia del cárter del
Asegurar su existencia y correcto
compresor sin funcionar, quemada funcionamiento, revisar correcto
o inexistente.
calentamiento del cárter antes de
reiniciar la instalación.
La válvula de expansión está
Revisar su grado de apertura acorde
demasiado abierta, es demasiado al valor de consigna, su tamaño
grande o está desgastada.
respecto a los caudales circulantes
y su correcto estado.
Inundación del evaporador en el Instalar válvula de solenoide en la
momento de la parada.
línea de líquido y temporizar su
apertura.
El compresor se encuentra en un Aislar térmicamente o cambiar su
lugar demasiado frío.
ubicación.
550
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
Elevado consumo de potencia.
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
El compresor funciona demasiado Ver apartados anteriores.
tiempo. Temperatura de
condensación muy elevada. Falta
de aceite. Demasiado fluido
(condensador inundado). Émbolo
y otros órganos del compresor
agarrotados. Temperatura de
vaporización muy elevada. Válvula
de expansión demasiado abierta.
Presencia de aire en el circuito
Motor defectuoso
Examinar (amperímetro)
consumo de corriente y comparar
potencia absorbida con potencia
generada (rendimiento) reparar
o cambiar motor en caso de
relación anormal.
Reducido consumo de potencia.
Ver apartados anteriores.
Falta de fluido. Presión de
condensación muy baja. Presión
de vaporización muy baja. Presión
de condensación muy baja y
presión de vaporización muy
elevada
La protección de máxima
intensidad se dispara.
Defecto en la parte eléctrica: baja
tensión, motor pequeño, cojinetes
del motor con falta de lubricación
o limpieza, dispositivo de máxima
intensidad defectuoso, sobrecarga
en el motor o falta de
refrigeración, mala selección de
la bobina de máxima intensidad,
masa o cortocircuito en el
bobinado del motor, dispositivo
de arranque del motor defectuoso,
contactos defectuosos, correas
muy tensadas.
551
Comprobar tensiones y revisar
caída de tensión en la acometida,
aumentar potencia del diseño,
lubricar y revisar cojinetes, revisar
interruptor automático,
comprobar alta presión de alta y
agarrotamiento del motor,
comparar intensidad del motor y
del elemento de protección,
reparar bobinado, sistema de
arranque, contactos o reajustar
correas.
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
Ruidos
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Alta presión en el sistema a causa
de: válvula de servicio de descarga
parcialmente cerrada, parte
exterior de condensador sucio u
obstruido, temperatura ambiente
o del agua de refrigeración muy
alta, circulación de aire o agua en
el condensador deficiente,
irrigadores taponados
(condensadores evaporativos),
bomba de circulación de agua de
refrigeración o ventiladores que
no funcionan, aire en el sistema,
excesiva carga de refrigerante,
condensador pequeño.
Comprobar válvula de servicio,
limpiar parte exterior del
condensador (tuberías de agua,
aletas de intercambio,
serpentines,...), reubicar
condensador en busca de
temperaturas de medios de
refrigeración inferiores, mejorar
sistema de aportación de aire o
agua de refrigeración del
condensador, limpiar irrigadores,
revisar estado de sistema de aporte
de agua o aire de refrigeración del
condensador, purgar aire, revisar
carga de refrigerante, aumentar
potencia de condensador.
El compresor no descansa de
Revisar reparto de pesos en los
modo adecuado sobre sus soportes soportes, características y estado
antivibratorios, éstos no están
de los mismos.
seleccionados de un modo acorde
al peso y frecuencia del compresor
o no se les ha liberado de su
elemento de compresión para
embalaje.
El compresor bombea aceite.
Comprobar nivel de aceite.
Cojinetes defectuosos.
Reconstruirlos (taller).
Bielas gastadas.
Desmontar y reparar (taller).
Silbido.
Ajustar tensión o proceder al
cambio de las correas. Comprobar
nivel de aceite y revisar
prensaestopas.
Alta presión demasiado elevada
en la unidad condensadora.
Descargar exceso de refrigerante
o purgar aire existente.
Alta presión por mala ventilación Limpiar condensador.
o condensador sucio.
552
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Polea o volante del motor flojos o Ajustar apriete y verificar alineación
mal alineados entre sí.
de elementos.
Válvulas de descarga o aspiración Reajustar posición, lubricar o
desajustadas o con falta de lubricar. cambiar.
Vibraciones metálicas.
Comprobar sujeción de las líneas
y existencia de antivibradores.
Válvula de expansión termostática. Caída de presión excesiva a través Sustituir la válvula de expansión
por una válvula con igualación de
del evaporador.
La temperatura de la cámara es
presión externa. Ajustar el
demasiado elevada.
recalentamiento de la válvula, en
caso necesario.
Falta de subenfriamiento delante Controlar el subenfriamiento del
de la válvula de expansión.
refrigerante delante de la válvula
de expansión. Crear un mayor
subenfriamiento.
La caída de presión a través de la
válvula de expansión es menor que
la caída de presión para la cual la
válvula está dimensionada.
Controlar la caída de presión a
través de la válvula. Reemplazar,
en caso necesario, el conjunto de
orificio y/o la válvula. Ajustar, en
caso necesario, el recalentamiento
de la válvula de expansión.
Bulbo instalado inmediatamente Examinar la ubicación del bulbo.
detrás de un intercambiador de Situar el mismo lejos de válvulas
calor o demasiado cerca de válvulas grandes, bridas, etc.
grandes, bridas, etc.
La válvula de expansión está
obstruida por hielo, cera u otras
impurezas.
553
Limpiar la válvula de hielo, cera u
otras impurezas. Controlar el color
en el visor de líquido (color verde
indica demasiada humedad).
Cambiar el filtro secador, si
estuviera montado Controlar el
aceite en la instalación frigorífica.
¿Se ha cambiado o añadido aceite?
¿Se ha cambiado el compresor?
Limpiar el filtro de impurezas
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
La válvula de expansión es
demasiado pequeña
SOLUCIÓN
Comprobar que la capacidad de la
válvula es la adecuada para el
evaporador. Cambiar la válvula u
orificio por un tamaño mayor.
Ajustar el recalentamiento en la
válvula de expansión.
La válvula de expansión ha perdido Controlar si la válvula de expansión
su carga.
ha perdido su carga. Cambiar la
válvula de expansión Ajustar el
recalentamiento en la válvula de
expansión.
Ha habido una migración de carga Comprobar que la carga de la
en la válvula de expansión.
válvula de expansión es la
adecuada. Identificar y subsanar la
causa de la migración de la carga.
Ajustar, en caso necesario, el
recalentamiento en la válvula.
Válvula de expansión termostática. El bulbo de la válvula de expansión Asegurar que el bulbo esté bien
Temperatura de la cámara
no tiene un buen contacto con la sujeto a la tubería de aspiración.
demasiado alta
tubería de aspiración.
Aislar el bulbo en caso necesario.
El evaporador está total o
parcialmente escarchado.
Válvula de expansión termostática. El recalentamiento de la válvula
La instalación frigorífica tiene un de expansión está ajustado a un
valor demasiado pequeño.
funcionamiento inestable.
Desescarchar el evaporador, en caso
necesario.
Ajustar el recalentamiento en la
válvula de expansión
La válvula de expansión tiene una Cambiar la válvula de expansión o
capacidad demasiado grande
el orificio por un tamaño menor.
Ajustar, en caso necesario, el
recalentamiento en la válvula de
expansión
Válvula de expansión termostática.
La instalación tiene un
funcionamiento inestable a una
temperatura demasiado alta.
El bulbo de la válvula de expansión
está instalado en un lugar
inadecuado, como p.ej. en el
colector de aspiración, tubo
vertical después de una trampa de
aceite o cerca de válvulas grandes,
bridas o lugares parecidos.
554
Controlar la ubicación del bulbo.
Situar el bulbo de manera que
pueda recibir una buena señal.
Asegurar que el bulbo esté bien
sujeto a la tubería de aspiración.
Ajustar, en caso necesario, el
recalentamiento en la válvula de
expansión.
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
Válvula de expansión termostática. Paso de líquido: Válvula de
La presión de aspiración es
expansión demasiado grande,
demasiado alta
Ajuste defectuoso de la válvula de
expansión.
SOLUCIÓN
Comprobar que la capacidad de la
válvula es la adecuada para el
evaporador. Cambiar la válvula o
el orificio por un tamaño menor.
Ajustar, en caso necesario, el
recalentamiento en la válvula de
expansión.
Válvula de expansión termostática. La caída de presión a través del
Cambiar la válvula de expansión
La presión de aspiración es
evaporador es demasiado grande por una con igualación de presión
demasiado baja
externa. Ajustar, en caso necesario,
el recalentamiento en la válvula de
expansión.
Falta de subenfriamiento delante Verificar el subenfriamiento del
de la válvula de expansión.
refrigerante delante de la válvula
de expansión. Establecer un mayor
subenfriamiento.
El recalentamiento del evaporador Controlar el recalentamiento.
es demasiado grande
Ajustar el recalentamiento en la
válvula de expansión.
La caída de presión a través de la
válvula es más pequeña que la
caída de presión para la cual la
válvula está dimensionada.
Verificar la caída de presión a través
de la válvula de expansión. Cambiar
el conjunto de orificio y/o la
válvula por un tamaño mayor.
El bulbo está situado en un lugar
demasiado frío, como p.ej., en una
corriente de aire frío o cerca de
válvulas grandes, bridas o similares
Comprobar la ubicación del bulbo.
Aislar el bulbo en caso necesario.
Situar el bulbo lejos de válvulas
grandes, bridas, etc.
La válvula de expansión es
demasiado pequeña.
Comprobar que la capacidad de la
válvula es la adecuada para el
evaporador. Cambiar la válvula o
el orificio por un tamaño mayor.
Ajustar el recalentamiento en la
válvula de expansión.
555
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
La válvula de expansión está
obstruida por hielo, cera u otras
impurezas.
Limpiar la válvula de hielo, cera u
otras impurezas. Comprobar el
color en el visor de líquido (color
amarillo indica demasiada
humedad). Cambiar el filtro
secador, si hay. Controlar el aceite
en la instalación frigorífica ¿Se ha
cambiado o añadido aceite? ¿Se ha
cambiado el compresor? Limpiar
el filtro de impurezas.
La válvula de expansión ha perdido Comprobar la válvula de expansión
su carga.
por una posible pérdida en su
carga. Cambiar la válvula de
expansión. Ajustar el
recalentamiento en la válvula de
expansión.
Se ha producido una migración
de carga en la válvula de
expansión.
Comprobar la carga de la válvula
de expansión. Ajustar, en caso
necesario, el recalentamiento en
la válvula de expansión
El evaporador está total o
parcialmente escarchado.
Desescarchar el evaporador, en
caso necesario
Válvula de expansión termostática. La válvula de expansión tiene una Cambiar la válvula o el orificio por
Golpes de líquido en el compresor. capacidad demasiado grande.
un tamaño menor. Ajustar, en caso
necesario, el recalentamiento de
la válvula de expansión.
El recalentamiento de la válvula
de expansión está ajustado a un
valor demasiado pequeño.
Aumentar el recalentamiento en
la válvula de expansión.
El bulbo de la válvula de expansión Comprobar la sujeción del bulbo
no tiene un buen contacto con la a la tubería de aspiración. Aislar el
tubería de aspiración.
bulbo, en caso necesario.
El bulbo está situado en un lugar
demasiado caliente o cerca de
válvulas grandes, bridas, o
similares.
556
Controlar la ubicación del bulbo
en la tubería de aspiración.
Cambiar el bulbo a una mejor
posición.
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Filtros secadores. El indicador del Demasiada humedad en el sistema. Cambiar el filtro secador
visor de líquido muestra amarillo.
Filtros secadores. Capacidad del
evaporador insuficiente
Caída de presión excesiva a través Comparar el tamaño del filtro con
del filtro.
la capacidad del sistema. Cambiar
el filtro secador
Filtro obstruido
Cambiar el filtro secador
Capacidad del filtro inferior a la
necesaria.
Comparar el tamaño del filtro con
la capacidad del sistema. Cambiar
el filtro secador
Filtros secadores. Burbujas en el Caída de presión excesiva a través Comparar el tamaño del filtro con
la capacidad del sistema. Cambiar
visor de líquido después del filtro. del filtro.
el filtro secador
Filtro obstruído.
Cambiar el filtro secador
Capacidad del filtro inferior a la
necesaria.
Comparar el tamaño del filtro con
la capacidad del sistema. Cambiar
el filtro secador
Subenfriamiento insuficiente.
Comprobar la causa del
subenfriamiento insuficiente. No
añada refrigerante simplemente
porque haya burbujas en el visor.
Refrigerante insuficiente.
Cargar el refrigerante necesario.
Filtros secadores. La salida del filtro Caída de presión excesiva a través Comparar el tamaño del filtro con
la capacidad del sistema. Cambiar
del filtro.
más fría que la entrada (puede
el filtro secador.
haber hielo).
Filtro obstruido.
Cambiar el filtro secador.
Capacidad del filtro inferior a la
necesaria.
Comparar el tamaño del filtro con
la capacidad del sistema. Cambiar
el filtro secador.
557
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
Reguladores de presión.
El regulador de presión de
Temperatura ambiente demasiado evaporación está ajustado a un
alta.
nivel demasiado alto.
SOLUCIÓN
Ajustar el regulador de presión de
evaporación a una presión más
baja. El ajuste debería ser aprox.
de 8 a 10 K más bajo que la
temperatura ambiente deseada.
Recuerde apretar la cubierta
protectora después del ajuste.
Fuga en el fuelle del regulador de Aflojar la cubierta protectora
presión de evaporación.
lentamente. Si hay presión o
huellas de líquido refrigerante
debajo de la cubierta protectora,
significa que el fuelle tiene fugas.
Reguladores de presión.
El regulador de presión de
Temperatura ambiente demasiado evaporación está ajustado a un
baja.
nivel demasiado bajo.
Reguladores de presión. Presión
de aspiración inestable.
Ajustar el regulador de presión de
evaporación a una presión más alta.
El ajuste debería ser aprox. de 8 a
10 K más bajo que la temperatura
ambiente deseada. Recuerde
apretar la cubierta protectora.
El regulador de presión de
Cambiar el regulador de presión
evaporación es demasiado grande. de evaporación por uno más
pequeño. Recuerde apretar la
cubierta protectora después del
ajuste.
El regulador de capacidad es
demasiado grande.
Cambiar el regulador de capacidad
por uno más pequeño. Recuerde
apretar la cubierta protectora
después del ajuste.
Reguladores de presión. Presión
de aspiración demasiado alta.
El regulador de capacidad es
defectuoso o ajustado a un nivel
demasiado alto.
Cambiar el regulador de capacidad.
Ajustar el regulador de capacidad
a una presión más baja. Recuerde
apretar la cubierta protectora
después del ajuste.
Reguladores de presión. Presión
de cond. demasiado alta en el
condensador enfriado por aire.
El regulador de presión de
Ajustar el regulador de presión de
condensación está ajustado a una condensación a la presión correcta.
presión demasiado alta.
Recuerde apretar la cubierta
protectora después del ajuste.
558
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
Reguladores de presión. Presión
de cond. demasiado alta en el
condensador enfriado por agua.
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
El fuelle del regulador de presión Aflojar la cubierta protectora
de condensación puede tener
lentamente. Si hay presión o
fugas.
huellas de líquido refrigerante
debajo de la cubierta protectora,
significa que el fuelle tiene fugas.
Reguladores de presión. El
El fuelle del regulador de presión Aflojar la cubierta protectora
regulador de presión de aspiración de aspiración tiene fugas.
lentamente. Si hay presión o
está fuera de ajuste.
huellas de líquido refrigerante
debajo de la cubierta protectora,
significa que el fuelle tiene fugas.
Cambiar la válvula
Reguladores de presión. La línea
de descarga del compresor está
demasiado caliente.
Reguladores de presión. La
temperatura en el recipiente es
demasiado alta. No hay
subenfriamiento del líquido.
Posibilidad de fugas en el fuelle
del regulador de capacidad.
Aflojar la cubierta protectora
lentamente. Si hay presión o
huellas de líquido refrigerante
debajo de la cubierta protectora,
significa que el fuelle tiene fugas.
Cambiar la válvula.
La cantidad de gas caliente es
demasiado grande.
Si es necesario, ajustar el regulador
de capacidad a una presión más
baja. Se puede montar una válvula
de inyección en la línea de
aspiración.
El regulador de presión de
recipiente está ajustado a una
presión demasiado baja.
Ajustar el regulador de presión de
recipiente a una presión más alta.
También puede ser necesario
ajustar el regulador de presión de
condensación a una presión más
alta.
El fuelle del regulador de presión Aflojar la cubierta protectora
de recipiente puede tener fugas. lentamente. Si hay presión o
huellas de líquido refrigerante
debajo de la cubierta protectora,
significa que el fuelle tiene fugas.
Cambiar la válvula
559
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
Válvulas de solenoide. La válvula
de solenoide no se abre.
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Falta de tensión de la bobina.
Controlar si la válvula está abierta
o cerrada: utilizar un detector
magnético; levantar la bobina y
controlar si hay resistencia (nunca
se debe desmontar la bobina si hay
tensión, ya que esto puede
quemarla). Revisar el diagrama y
las instalaciones eléctricas, los
contactos del relé, las conexiones
de cables y fusibles
Tensión/frecuencia incorrectas.
Comparar los datos de la bobina
con los de la instalación. Medir la
tensión de la bobina. – Variación
de tensión permisible: Un 10%
superior a la tensión nominal. Un
15% inferior a la tensión nominal.
Cambiar y montar una bobina
correcta.
Presión diferencial demasiado alta. Revisar datos técnicos y diferencia
de presión. Sustituir la válvula.
Reducir la presión diferencial p.e.
la presión a la entrada.
Presión diferencial demasiado
baja.
Revisar datos técnicos y diferencia
de presión. Sustituir la válvula.
Revisar la membrana y/o los aros
del émbolo, y cambiar las diferentes
empaquetaduras.
Armadura dañada y curvada.
Cambiar los componentes
defectuosos. Cambiar las diferentes
empaquetaduras.
Impurezas en la membrana / el
émbolo.
Cambiar los componentes
defectuosos. Cambiar las diferentes
empaquetaduras.
Impurezas en el asiento de la
Limpiar la válvula. Cambiar las
válvula. Impurezas en la armadura partes defectuosas. Cambiar las
/ tubo de la armadura.
diferentes empaquetaduras.
560
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
Corrosión/cavidades.
SOLUCIÓN
Cambiar las partes defectuosas.
Cambiar las diferentes
empaquetaduras.
Falta de componentes después de Montar los componentes que
desmontar la válvula.
falten. Cambiar las diferentes
empaquetaduras.
Válvulas de solenoide. La válvula Presión diferencial demasiado
de solenoide se abre parcialmente. baja.
Válvulas de solenoide. Válvula
solenoide no se abre/ se abre
parcialmente.
Revisar los datos técnicos y la
presión diferencial de la válvula.
Sustituir por una válvula adecuada.
Revisar la membrana y/o los aros
del émbolo, y cambiar las
empaquetaduras.
Armadura dañada o curvada.
Cambiar los componentes
defectuosos. Cambiar las diferentes
empaquetaduras.
Impurezas en el asiento de la
válvula.
Limpiar la válvula. Cambiar las
partes defectuosas. Cambiar las
diferentes empaquetaduras.
Impurezas en el asiento de la
válvula. Impurezas en la
armadura/tubo de armadura.
Limpiar la válvula. Cambiar las
partes defectuosas. Cambiar las
diferentes empaquetaduras.
Corrosión/cavidades.
Cambiar las partes defectuosas.
Cambiar las diferentes
empaquetaduras.
Todavía hay tensión en la bobina Levantar la bobina y controlar si
hay resistencia (nunca se debe
desmontar la bobina si hay tensión,
ya que esto puede quemarla).
Revisar el diagrama y la
instalaciones eléctricas, relés,
conexiones de los cables.
El husillo de apertura manual no Revisar la posición del husillo.
funciona.
561
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Pulsaciones en la línea de descarga.
Presión diferencial demasiado alta
en posición abierta. La presión de
salida es a veces superior a la
presión de entrada.
Revisar datos técnicos de la válvula.
Revisar presiones y condiciones de
flujo. Sustituir por válvula
adecuada. Revisar la instalación en
general.
Tubo de la armadura dañado o
curvado.
Cambiar las partes defectuosas.
Cambiar las diferentes
empaquetaduras.
Placa de válvula, membrana o
asiento de válvula defectuoso.
Revisar presión y flujo. Cambiar las
partes defectuosas. Cambiar las
diferentes empaquetaduras.
Montaje de la membrana o de la
placa de soporte incorrecto.
Revisar el montaje de la válvula.
Cambiar las diferentes
empaquetaduras.
Impurezas en la placa de la válvula, Limpiar la válvula. Cambiar las
en la tobera de piloto o en el tubo diferentes empaquetaduras.
de la armadura.
Válvulas de solenoide. Válvula de
solenoide no se abre/se abre
parcialmente
Corrosión en el orificio o línea
piloto.
Cambiar las partes defectuosas.
Cambiar las diferentes
empaquetaduras.
Falta de componentes después de Cambiar las partes defectuosas.
desmontar la válvula.
Cambiar las diferentes
empaquetaduras.
Válvulas de solenoide. La válvula
solenoide emite ruidos.
Ruido de frecuencia (zumbido)
La válvula solenoide no es la causa.
Presión diferencial demasiado alta Revisar conexionado eléctrico.
y/o pulsaciones en la línea de
Revisar datos técnicos. Revisar
descarga.
presión y condiciones de flujo.
Sustituir por una válvula adecuada.
Revisar instalación.
562
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
Válvulas de solenoide. Bobina
Tensión/frecuencia incorrectas.
quemada (bobina fría con tensión)
SOLUCIÓN
Revisar los datos de la bobina.
Cambiar por una bobina correcta.
Revisar instalaciones eléctricas.
Revisar la variación máxima de
tensión. - Variación de tensión
permisible: Un 10% superior a la
tensión nominal. Un 15% inferior
a la tensión nominal.
Cortocircuito en la bobina (puede Revisar las demás instalaciones para
ser causado por humedades).
cortocircuitos y las conexiones de
cable. Una vez reparado cambiar
la bobina (con el voltaje correcto).
Revisar juntas en el tubo de
armadura.
La armadura no se desplaza dentro Cambiar las partes defectuosas.
del tubo: Tubo de armadura
Limpiar impurezas. Cambiar las
dañado o curvado; Armadura
diferentes empaquetaduras.
dañada; Impurezas en el tubo de
armadura
Temperatura del medio demasiado Comparar los datos de la válvula y
alta
del intercambiador con los de la
instalación. Reemplazar la válvula
por otra adecuada.
Temperatura ambiente demasiado Cambiar la válvula de ubicación.
alta
Incremente la ventilación de la
válvula y el intercambiador.
Pistón o aro del pistón dañado.
Cambiar las partes defectuosas.
Cambiar las diferentes
empaquetaduras.
Válvulas de agua. Presión de cond. La válvula de está ajustada a una Aumentar el caudal de agua
demasiado alta – condensadores presión demasiado alta. (el caudal ajustando la válvula de agua a una
enfriados por agua.
de agua es demasiado pequeño). presión más baja.
El filtro de suciedad delante de la Limpiar el filtro y seguidamente
válvula de agua está atascado.
lavar la válvula de agua abriéndola
para un mayor paso de agua (véase
las instrucciones).
563
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
El fuelle de la válvula de agua tiene Averiguar si el fuelle tiene fugas
fugas.
con un detector de fugas. Cambiar
el elemento del fuelle. No debe
haber presión en el elemento de
fuelle durante montaje /
desmontaje.
La conexión del tubo capilar y la
válvula de agua y el condensador
está atascada o deformada.
Averiguar si el tubo capilar está
atascado o deformado. Cambiar el
tubo capilar.
La válvula de agua está cerrada a
causa de un defecto en la
membrana superior.
Comprobar si la membrana está
agrietada. Cambiar la membrana.
No debe haber presión en el
elemento de fuelle durante
montaje/desmontaje.
Válvulas de agua. Presión de cond. El caudal de agua es demasiado
demasiado baja - condensadores grande.
enfriados por agua.
Válvulas de agua. Presión de
condensación oscila
(funcionamiento inestable)
Ajustar la válvula de agua a un
caudal de agua más pequeño, es
decir a una presión más alta.
La válvula de agua está abierta a
causa de un defecto en la
membrana inferior.
Comprobar si la membrana está
agrietada. Cambiar la membrana.
No debe haber presión en el
elemento de fuelle durante
montaje/desmontaje.
La válvula de agua no cierra
debido a suciedad en el asiento de
la válvula. El cono de la válvula se
agarrota a causa de la suciedad.
Comprobar si hay suciedad en la
válvula de agua. Cambiar los
componentes necesarios. No debe
haber presión en el elemento de
fuelle durante
montaje/desmontaje. Montar un
filtro de suciedad delante de la
válvula de agua.
La válvula de agua es demasiado
grande.
Cambiar la válvula de agua por una
más pequeña.
564
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Presostatos. Presostato de alta
desconectado. Atención: No
arrancar el sistema hasta que se
haya detectado y rectificado la
anomalía.
Presión de condensación
Corregir los fallos mencionados.
demasiado elevada debido a:
superficies del condensador sucias
u obstruidas, ventiladores
parados/fallo suministro de agua
Fase/fusible, motor de ventilador
defectuosos. Demasiada carga de
refrigerante en el sistema. Aire en
el sistema.
Presostatos. El presostato de baja
no para el compresor.
Ajuste de diferencial demasiado Incrementar el ajuste del rango o
elevado, el compresor no alcanza reducir el diferencial
la presión de parada.
Presostatos. Tiempo de
funcionamiento del compresor
demasiado corto.
Ajuste del diferencial en el
presostato de baja demasiado bajo.
Ajuste del presostato de alta
demasiado bajo, es decir,
demasiado próximo a la presión
normal de funcionamiento.
Presión de condensación
demasiado elevada debido a:
Superficies del condens. sucias u
obstruidas. Ventiladores
parados/fallo sum. de agua.
Fase/fusible, motor de ventilador
defect. Demasiado refrigerante en
el sistema Aire en el sistema.
Presostatos. La presión de parada
del presostato, en el lado de alta,
no coincide con el valor de la
escala.
El sistema a prueba de fallos en el Cambiar el presostato.
elemento de los fuelles se activa si
las desviaciones hayan sido
superiores a 3 bar.
Incrementar el ajuste del
diferencial. Comprobar el ajuste
del presostato de alta.
Increméntelo si lo permiten los
datos del sistema. Corregir los fallos
mencionados.
Sustituir el presostato y evitar
Presostatos. El eje del diferencial Fallo en el funcionam. del
actualizar comprobaciones
de la unidad simple se ha doblado mecanismo de volteo, debido a
y la unidad no funciona.
que se ha intentado comprobar el manuales.
cableado manualmente desde la
parte derecha de la unidad.
565
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
SOLUCIÓN
Vibraciones en el presostato de alta Los fuelles llenos de líquido hacen
presión.
que el orificio de amortiguación
de la conexión de entrada no
actúe.
Montar el presostato de modo que
el líquido no pueda acumularse en
el elemento de los fuelles. Eliminar
el flujo de aire frío alrededor del
presostato. El aire frío crea
condensación en el elemento de
los fuelles. Montar un orificio de
amortiguación en el extremo de la
conexión de control que se
encuentra más alejada del
presostato.
Termostatos. Tiempo de
funcionamiento del compresor
demasiado corto y temperatura de
la cámara demasiado alta. El
sistema funciona con un
diferencial de temperatura
demasiado elevado.
El tubo capilar del termostato que
contiene la carga de vapor está en
contacto con el evaporador, o el
tubo de aspiración está más frío
que el sensor: Insuficiente
circulación de aire alrededor del
sensor del termostato. La
temperatura del sistema cambia
tan rápidamente que el termostato
no puede acusar los cambios. El
termostato está montado sobre
una pared fría en el interior de la
cámara.
Colocar el tubo capilar de modo
que el sensor siempre sea la parte
más fría. Buscar una mejor
ubicación para el sensor, donde el
aire circule a mayor velocidad o
donde el contacto con el
evaporador sea mejor. Utilizar un
termostato dotado de un sensor de
menor tamaño. Reducir el
diferencial. Asegurarse de que el
sensor haga mejor contacto. Aislar
el termostato de la pared fría.
Termostatos. El termostato no
arranca el compresor, aún cuando
la temp del sensor sea superior al
valor fijado. El termostato no
reacciona cuando se calienta el
sensor con la mano.
Pérdida total o parcial de la carga
debido a la rotura del tubo capilar.
Parte del tubo capilar de un
termostato dotado de carga de
vapor está más frío que el sensor.
Sustituir el termostato y montar el
sensor/tubo capilar correctamente.
Encontrar un lugar más apropiado
para el termostato, de modo que
el sensor esté siempre en la parte
más fría. Utilizar un termostato
que incorpore carga de absorción.
Termostatos. El compresor
continúa funcionando aún cuando
el sensor está a una temp. inferior
al valor fijado.
Se ha ajustado un termostato con Con el ajuste de rango bajo, el
carga de vapor sin tener en cuenta diferencial del termostato es mayor
las curvas del gráfico mostradas en al indicado en la escala.
la hoja de instrucciones.
566
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
SÍNTOMA
CAUSA POSIBLE
Termostatos. Funcionamiento
Las grandes variaciones en la
inestable del termostato dotado de temperatura ambiente dan lugar
carga de absorción.
a una sensibilidad del grado de
protección.
SOLUCIÓN
Evitar las variaciones de
temperatura ambiente cerca del
termostato. Si es posible, utilizar
un termostato dotado de carga de
vapor (insensible a las variaciones
de la temperatura ambiente).
Sustituir el termostato por otro
dotado de un sensor de mayor
tamaño.
Termostatos. El eje del diferencial Fallo en el funcionamiento del
Sustituir el termostato y evitar
de la unidad simple está doblado mecanismo de volteo debido a que realizar comprobaciones manuales.
y la unidad no funciona.
se ha intentado comprobar el
cableado manualmente desde la
parte derecha del termostato.
567
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
10.5. Procedimientos en caso de averías
Una vez se ha verificado cuál es concretamente el elemento causante de
la avería, debe procederse a su reparación o recambio. Para ello será
necesario abrir el circuito frigorífico. Vistos ya los problemas que la
humedad puede causar en las instalaciones frigoríficas, debe prestarse
la máxima atención para evitar la absorción de agua por parte del
refrigerante.
Conexión del puente de manómetros:
El puente de manómetros es un instrumento necesario en la mayoría de
las reparaciones ya que indica el estado del sistema y del gas en su interior,
por lo que antes de efectuar cualquier acción debe conectarse en sus
puntos de toma correspondientes, teniendo el cuidado de esperar tras
apagar el compresor un período de tiempo hasta que el lado de baja
presente cierta presión que evite la absorción de aire exterior en el
momento de conectar el manómetro.
Recogida de refrigerante en el depósito:
Antes de desmontar cualquier componente de la instalación debe
recogerse el fluido refrigerante en el depósito de líquido. Ello se consigue
cerrando la llave de paso a la salida de dicho depósito y esperando a que
el manómetro de baja marque presión nula. En dicho momento se cierra
la llave de aspiración del compresor y se para el compresor. Antes de
iniciar el desmontaje deberá observarse que la presión nula en el lado
de baja se mantiene sin variaciones. En caso de aumentar se repetirá el
proceso hasta lograr mantener constante la presión nula.
Fugas:
La presencia de fugas en una instalación frigorífica debe evitarse por
todos los medios y si se da el caso de la existencia de alguna, debe
repararse de modo inmediato. A través de una fuga:
•
Si se presenta en el lado de alta, puede perderse parte del refrigerante,
con la importancia que presenta para la instalación la carga justa de
este fluido.
•
Si la fuga se presenta en el lado de baja, puede aspirarse aire y
humedad, con todos los problemas que ello acarrea al refrigerante
y al lubricante.
Las fugas suelen presentarse en las uniones entre tuberías y accesorios.
Las uniones soldadas son mucho menos sensibles a las vibraciones y, por
ello, se prefieren frente a otro tipo de uniones roscadas. El modo de
reparar una fuga suele ser desmontar el elemento en el que se ha
568
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
originado la fuga y sustituirlo por uno nuevo, volviendo a soldar las partes
pertinentes.
El circuito se debe haber vaciado de refrigerante e independizado del
compresor a través de sus tomas de alta y baja presión, con la ayuda de
un puente de manómetros. Para realizar la soldadura en tuberías de
cobre se hace pasar por el interior del circuito un gas inerte (generalmente
nitrógeno) que reemplaza al aire y evita la formación de óxidos en el
interior de las tuberías mientras dura el proceso de soldadura y las altas
temperaturas que ello conlleva.
Tras la soldadura se pinta o barniza la zona afectada para evitar futuras
corrosiones y se comprueba la estanquidad de la solución.
Una fuga en el prensaestopas del compresor (de tipo abierto) da lugar
a pérdida de refrigerante y, además, de lubricante, con el aumento de
las fricciones y las temperaturas que ello conlleva, pudiendo llegar a la
rotura de los sistemas mecánicos de la instalación. Este tipo de fugas se
presenta cuando existe falta de lubricante.
La falta de lubricante provoca el rozamiento entre el cigüeñal y el asiento
del prensaestopas y se deriva en el rayado de alguna de las dos partes.
La fuga no puede repararse “in situ” y deben llevarse ambas piezas a
taller para que sean rectificadas y acoplen perfectamente de nuevo,
evitando la salida de los fluidos internos de la instalación.
Las válvulas de servicio del compresor son otro punto común de fugas.
Su control, sin embargo, es mucho más sencillo y se reduce a montar
cuidadosamente la arandela metálica que hace de junta entre la válvula
y el tapón, apretar con fuerza el tapón tras las revisiones y comprobar
el prensaestopas que hace de cierre entre el vástago de la válvula y el
cuerpo de la misma.
Válvulas de aspiración o descarga no estancas:
La falta de estanqueidad de las válvulas de aspiración o descarga de un
compresor se detectan realizando pruebas de rendimiento al compresor.
Éstas se realizarán cuando se observe que la potencia frigorífica del
sistema ha disminuido, manteniéndose la potencia consumida por la
instalación y que el resto de parámetros de la instalación son correctos
(niveles de aceite y de refrigerante, ajustes de los termostatos y
presostatos,...).
Una prueba de rendimiento se realiza instalando un puente de
manómetros en las válvulas de servicio de alta y de baja del compresor.
Se separa la tubería del evaporador abriendo la válvula de aspiración y
se pone en marcha momentáneamente el compresor: la presión de
aspiración se reducirá de modo notable. Se para el compresor y se observa
si la presión de alta se mantiene constante o si, por el contrario, comienza
569
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
a descender. En caso de que descienda la presión de alta y la presión de
baja aumenta de cero, es señal de la pérdida que presentan las válvulas
de descarga y las de succión.
Si sólo desciende la alta presión sólo hay fuga en el lado de descarga, y
si no se puede obtener el vacío pero la alta presión permanece constante
tras la parada del compresor, la fuga se encuentra en el lado de aspiración.
Identificadas válvulas con fugas debe procederse a su reparación.
Desmontando la culata del motor y el plato de válvulas se accede a las
válvulas de aspiración y descarga. La superficie de las válvulas muestra
información sobre la causa de su rotura:
•
Si no presenta aceite, es la falta de lubricación la que ha provocado
el desgaste del elemento.
•
La presencia de humedad se denota por la existencia de una sustancia
gomosa negra.
•
Si aparece carbonilla ha habido un sobrecalentamiento de alguna
parte del compresor y el lubricante se ha quemado.
Las válvulas se reparan mejorando las superficies de contacto entre ellas
y el cuerpo del compresor de modo que no quede oquedad a través de
la cual se filtre el refrigerante. Un pulido especial de ambas superficies
suele ser suficiente para asegurar de nuevo la estanqueidad.
Averías en las válvulas de expansión:
Válvulas de expansión automáticas.
La presencia de partículas extrañas entre orificio y actuador del elemento
es la causa más común de fallo de este tipo de válvulas.
Para tratar de eliminar estos elementos del asiento de la válvula puede
someterse al elemento a una corriente extra de refrigerante que trate
de arrastrarlos. Para ello se cierra la válvula de salida del recipiente de
líquido, se abre la válvula de expansión al máximo y se abre la válvula
del recipiente, con la intención de que el colapso de la corriente de
fluido con las partículas las elimine de su ubicación.
Si tras la actuación se repone el funcionamiento normal de la instalación
se habrá eliminado el problema y habrá que limpiar el filtro de la válvula
de expansión o cambiarlo por otro más eficaz.
Otra causa común de mal funcionamiento de una válvula de expansión
automática es la presencia de humedad en el refrigerante que se congela
entre actuador y orificio taponando la sección de paso, total o parcialmente.
Para averiguar si es la presencia de hielo lo que causa la avería del
elemento, se para el compresor esperando a que aumente la temperatura
de la válvula de modo que se deshiele el agua. Se pone de nuevo en
570
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
funcionamiento el compresor y durante un periodo de tiempo (hasta
que se vuelva a formar el hielo sobre la válvula) el funcionamiento de
la instalación será normal, para volver a presentar problemas cuando la
humedad vuelve a solidificar.
Para capturar la humedad deberá vaciarse la instalación de refrigerante,
cambiarlo o someterlo a un proceso de deshumidificación, o instalar un
filtro deshidratador en el sistema.
Si no se soluciona el problema habrá que desmontar la válvula y examinarla
detenidamente para averiguar la causa de su mal funcionamiento.
Válvulas de expansión termostáticas.
Este tipo de válvulas presentan los mismos problemas que las vistas en
el apartado anterior. Además, debe tenerse en cuenta que el
funcionamiento incorrecto del elemento puede deberse a una mala
ubicación del bulbo sensor que sirve de comando a la actuación de la
válvula.
La ubicación del bulbo debe realizarse en un punto significativo del
recinto refrigerado, donde no pueda verse afectado por fenómenos
puntuales que alteren las condiciones internas, ni por la cercanía del
evaporador.
Humedad en el sistema:
Los métodos para eliminar la humedad en las instalaciones frigoríficas
se reducen a la instalación de filtros secadores y al vaciado de las mismas
de sus fluidos refrigerante y lubricante para limpiar tanto estos fluidos
como la instalación en sí, sometiéndola a barridos con aire caliente, gases
inertes y formación de vacío en su interior.
Del párrafo anterior se deduce la dificultad y el coste que puede acarrear
extraer la humedad de un sistema. Hay que evitar la entrada de humedad
en la instalación y su absorción por parte de los fluidos internos
Aire en el sistema:
El aire (aparte de que aporta humedad) es un gas incondensable y causa
aumento de presión en la instalación y debe purgarse cuando se detecta
su presencia. Para purgar el aire de una instalación frigorífica se instala
un latiguillo de conexión flexible en la válvula de servicio de alta, se pone
en funcionamiento el compresor y se abre dicha válvula.
El latiguillo debe haberse conducido a un espacio abierto (de modo que
la pequeña cantidad de refrigerante que pueda escaparse no cree una
atmósfera perjudicial en la instalación (no proceder de este modo si el
refrigerante perjudica la capa de ozono)). Debe controlarse la temperatura
del recipiente de líquido, cuando comience a descender implica que el
571
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
refrigerante en su interior se está vaporizando y que el aire ha sido
expulsado del sistema, pudiendo cerrar ya la válvula de descarga del
compresor.
Problema mecánico en el compresor:
En muy pocas ocasiones, un problema mecánico en el compresor no
puede ser arreglado en la instalación, sino que precisa que sea llevado
al taller o enviado al fabricante para que proceda a su reparación.
En primer lugar, debe anularse la alimentación eléctrica al equipo,
abriendo su interruptor de alimentación. A continuación, se comprueba
que efectivamente sus bornas de alimentación están libres de tensión y
se procede a su desconexión eléctrica. Se cierran las llaves de servicio
del compresor y se vacía el refrigerante y aceite que pueda contener en
su interior. El compresor ya está listo para ser transportado.
Una vez arreglado, el compresor se ubica de nuevo en su lugar
correspondiente, se conecta al circuito, se crea el vacío en su interior,
se llena de lubricante, se conecta eléctricamente a su línea de alimentación,
se cierra su interruptor y se abren de nuevo las válvulas de servicio,
recargando la cantidad necesaria de refrigerante.
Compresor quemado:
Además de las operaciones anteriores y teniendo en cuenta que en este
caso el compresor suele resultar irreparable, por lo que habrá que instalar
un nuevo compresor, además se debe proceder a la limpieza de la
instalación, del refrigerante y del aceite.
Hay que limpiar tuberías y accesorios, incluyendo los filtros de todos los
elementos. La quema de un compresor suele acarrear producción de
ácidos por las altas temperaturas generadas en presencia de aceite. El
aceite y el refrigerante pueden tratar de recuperarse si la contaminación
no ha resultado muy elevada, o puede optarse por su eliminación si los
análisis a los que se someten así lo indican.
Limpieza de un circuito:
Muchas de las reparaciones de una instalación conllevan una limpieza
general del circuito. Antes de proceder a la limpieza propiamente dicha,
deberá conocerse la naturaleza de los contaminantes a eliminar.
La limpieza de instalaciones frigoríficas se realiza por disolución del
contaminante en otro líquido que somos capaces de eliminar. Se utilizará
uno u otro disolvente en función de lo que se desea eliminar: agua,
humedad o hidratos, aceites y ácidos.
572
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
La limpieza se efectúa por tramos. Con el circuito vacío de refrigerante
se procede a:
•
Desconectar el compresor.
•
Desconectar las válvulas de expansión y regulación.
•
Desconectar el filtro deshidratador.
•
Desconectar elementos como el evaporador y el condensador para
sectorizar la limpieza.
•
Limpiar los elementos singulares con disolvente y dejar secar.
•
Los tramos de circuito se someten sucesivamente a un barrido de
disolvente presurizado con un gas inerte (generalmente nitrógeno):
•
-
Por una parte, se conecta la botella con el nitrógeno a presión y
el disolvente y por el otro extremo se conecta a un depósito o
recipiente de recogida de los residuos.
-
Se abre la descarga de disolvente hasta que en el recipiente se
recoja disolvente limpio.
-
Se cierra la descarga y se realiza un segundo barrido únicamente
con nitrógeno, para eliminar el resto de disolvente.
Cuando se ha realizado la limpieza de todos los elementos, se vuelven
a conectar, se realiza el vacío, se carga de refrigerante y se pone de
nuevo en funcionamiento.
10.6. Puesta en marcha de una instalación frigorífica
Una vez terminado el montaje de la instalación, se revisará la correcta
conexión y ubicación de todos los elementos, y se procederá a realizar
las pruebas de puesta en marcha, en el siguiente orden:
•
Prueba de fugas.
•
Purga.
•
Creación de vacío.
•
Llenado del sistema de refrigerante y lubricante.
Prueba de fugas:
La detección de fugas se realiza tanto cuando se pone en marcha la
instalación por vez primera como en las controles de mantenimiento
rutinario. Se realiza con la instalación a presión y cargada.
Como primera comprobación de estanqueidad debe hacerse una carga
con nitrógeno y comprobar la permanencia de la carga en la instalación
a la máxima presión de trabajo durante el tiempo estipulado. Si se
573
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
produce un descenso en la presión es síntoma de que existe alguna fuga
y para detectarla se utiliza agua jabonosa.
Tras revisar la instalación con nitrógeno se procede a realizar la prueba
con el fluido refrigerante que se usará en el funcionamiento normal. La
prueba se llevará a cabo con una pequeña cantidad de refrigerante:
•
Se cierra la válvula de salida del recipiente de líquido.
•
Se comprueba que la válvula de aspiración del compresor está cerrada,
se quita su tapón de seguridad y se conecta el puente de manómetros
en posición de carga. Se conecta la botella al puente y se purga el
aire contenido en el latiguillo a través de la conexión del manómetro.
•
Se abre la botella de carga y se abre la válvula de aspiración de modo
que se cierre el paso de gas hacia el evaporador pero se permite su
paso hacia el compresor.
•
Se enciende el compresor procurando, con la abertura de la botella
de carga, que la presión no descienda por debajo de la presión
atmosférica y se carga una pequeña cantidad de gas.
•
Se cierra la válvula de alimentación de la botella, se desconecta el
puente de manómetros, se para el compresor y se pone la válvula de
servicio de aspiración en posición de funcionamiento normal.
•
Se hace la comprobación de fugas en el lado de alta (compresor,
condensador y depósito de líquido).
•
Se abre momentáneamente la válvula de salida del depósito para
dejar pasar una pequeña cantidad de fluido y se comprueba la
existencia de fugas en el lado de baja (línea de líquido, válvula de
expansión, condensador y línea de aspiración).
Cuando se trabaja con clorofluorocarbonados, la detección se realiza
mediante agua jabonosa, lámpara halógena, detectores electrónicos,
colorante, o aditivo fluorescente y lámpara de rayos ultravioleta.
En el caso de fluorocarbonados, se usa agua jabonosa, detectores
electrónicos específicos para el fluido utilizado o aditivo fluorescente y
lámpara de rayos ultravioleta.
Para el amoníaco, dado su fuerte e inconfundible olor, el olfato sirve de
primer detector ante fugas. Una mecha azufrada, agua jabonosa o detector
electrónico son usados también para detectar pequeñas fugas.
La búsqueda de fugas consiste en recorrer toda la longitud de la instalación
con el detector, haciéndolo pasar por todo el perímetro exterior de los
elementos.
•
Lámpara halógena: se acompaña de una pequeña botella de butano
que produce una llama y calienta una lámina de cobre hasta que se
574
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
torna roja. La llama es de color azul y se vuelve verde en presencia
de fluido halogenado. La capacidad de detección de este sistema es
bastante limitada.
•
Agua jabonosa: con la ayuda de un pincel se unta la superficie de los
elementos y se observa si aparecen burbujas. Sólo detecta grandes
fugas.
•
Colorantes y aditivos fluorescentes: algunos refrigerantes se suministran
con un aditivo colorante que permite la detección de fugas cuando
se producen, dejando trazos de colores fácilmente visibles. Los
colorantes, sin embargo, suelen ser capturados por los filtros
deshidratadores, no siendo recomendables si existe este elemento
en la instalación. Los aditivos fluorescentes son mezclas de aceite y
elementos de origen orgánico que tienen la propiedad de la
fluorescencia cuando son alumbrados con luz de este tipo.
•
Detectores electrónicos: existen de muy variados tipos y su capacidad
de detección llega hasta fugas de 0,1g de refrigerante por año. Hay
versiones de taller, portátiles y para instalar de modo fijo en la
instalación frigorífica.
Purga:
Si durante la prueba de fugas ha entrado refrigerante líquido en la zona
de baja presión debe purgarse, abriendo al exterior la válvula de aspiración
del compresor de modo que salga el aire retenido y el refrigerante en
forma líquida.
Creación de vacío:
Se crea el vacío en la instalación para extraer todo el aire y humedad
que pueda contener. Para ello se conecta un puente de manómetros en
las válvulas de servicio del compresor. En la tercera salida del puente se
conecta una bomba de vacío con un vacuómetro que controle la depresión
alcanzada en el interior del circuito.
La presión a alcanzar debe ser inferior a la tensión del vapor de agua
correspondiente a la temperatura más baja del sistema.
El tiempo de vaciado dependerá del tamaño de la instalación y de la
capacidad de la bomba de vacío.
Durante la operación puede ser necesario calentar ciertas partes del
sistema para evitar que el vapor de agua se transforme directamente en
hielo e imposibilite su eliminación.
La instalación debe ser capaz de mantener el vacío antes de proceder a
la carga de refrigerante, mostrando así la inexistencia de fugas.
575
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Carga de refrigerante:
Esta operación se realiza en la puesta en marcha de la instalación (si el
compresor no viene cargado) o cuando ha descendido el nivel de fluido.
•
Se conecta el puente de manómetros.
•
Se cierra la válvula de salida de líquido del recipiente de
almacenamiento.
•
Se conecta la botella o cilindro de carga al puente y se purgan de
aire los latiguillos de conexión. Se llena la cantidad necesaria de
refrigerante según el procedimiento descrito en el apartado de
detección de fugas. La cantidad necesaria vendrá marcada por:
•
-
La capacidad del cilindro de carga.
-
Por el peso necesario a introducir según las características de la
instalación y que será controlado a través de una báscula de
precisión durante la carga.
Finalizada la carga, se cierra la llave de la botella o cilindro de carga,
se para el compresor y se desconecta el puente de manómetros. A
continuación se sitúan las válvulas de aspiración y de descarga en
posición de servicio y la instalación está lista para entrar en
funcionamiento.
Carga de lubricante:
Los compresores suelen suministrarse con la carga necesaria de aceite.
Periódicamente será necesario proceder a su recarga.
Existen compresores dotados de tapón de carga de aceite. En este caso
la operación de carga consiste en cerrar la válvula de aspiración y mantener
la parte de baja a presión atmosférica mientras se quita el citado tapón
y se introduce la cantidad de necesaria de lubricante.
Otros compresores no incorporan tapón de carga de aceite. En ese caso
se conecta un puente de manómetros, se cierran las válvulas de aspiración
y de descarga del compresor y la de salida del recipiente de líquido. Se
pone en marcha el compresor y se genera cierta cantidad de vacío (en
función de la cantidad de aceite a introducir). En el lado de aspiración
se conecta un latiguillo introducido en un recipiente cerrado con mayor
cantidad de aceite que la que necesita la instalación. Abriendo la llave
del latiguillo, la depresión causará que la instalación absorba el aceite
del recipiente. Cuando se alcance el nivel óptimo de aceite, se cierra la
llave del latiguillo, se desconecta el puente de manómetros y se dejan
todas las válvulas en posición de servicio.
En instalaciones nuevas, la puesta en funcionamiento supone un consumo
de lubricante superior a lo normal ya que se lubrican por vez primera
576
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
muchos de los componentes de la instalación. Es normal que el nivel de
aceite se reduzca de modo considerable y es muy importante reponerlo
cuidadosamente durante las primeras semanas de funcionamiento.
10.7. Mantenimiento
Como se comentó al inicio del capítulo, no hay más modos de evitar las
averías que con un minucioso plan de mantenimiento preventivo que
sea capaz de anticiparse a la aparición de los problemas, conservando
las instalaciones en perfecto estado de funcionamiento.
Las tablas de averías presentadas en el punto 1.5.10.4 mencionan las
causas posibles de aparición de cada una de las averías. Un mantenimiento
preventivo debe actuar sobre la instalación para que no aparezcan estas
causas.
Para comprobar el correcto funcionamiento de la instalación habrá que
repasar la siguiente lista de puntos:
•
Presión de parada y puesta en marcha del compresor.
•
Presión de alta funcionando el compresor.
•
Temperatura de parada y puesta en marcha del compresor.
•
Presión media de funcionamiento.
•
Desescarche total del evaporador en una operación de desescarche.
•
Correcto estado de las válvulas de aspiración y descarga.
•
Comprobar la tensión de las correas y su estado.
•
Correcta alineación de la polea del motor en el volante.
•
Correcto estado de los cojinetes.
•
Nivel de refrigerante.
•
Nivel de aceite.
•
Limpieza del condensador de aire.
•
Correcto estado de la válvula de expansión.
•
Repasar y limpiar los contactos eléctricos en las unidades abiertas, o
el sistema eléctrico en las unidades herméticas o semiherméticas.
•
Comprobar estado de los interruptores automáticos, diferenciales o
fusibles.
Un plan de mantenimiento más detallado se desarrolla a continuación:
Mantenimiento eléctrico:
•
Medidas a efectuar:
577
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
-
Aislamiento respecto a tierra.
-
Tensión entre fases.
-
Intensidad por fase.
Controles en los cuadros eléctricos:
-
Comprobación de la protección general.
-
Intensidad de derivación a tierra que hace actuar a la protección
diferencial.
-
Ajuste de relés térmicos.
-
Revisión de relojes, programadores y temporizadores.
-
Revisión de alarmas y pilotos indicadores.
-
Revisión de la correcta transmisión de fallos.
-
Revisión del adecuado apriete de todas las conexiones y terminales.
Mantenimiento frigorífico:
•
•
•
Tuberías:
-
Revisar la correcta sujeción de todos los tramos, quedando
accesibles y sin posibilidad de vibraciones.
-
Revisar aislamiento térmico.
-
Mantenimiento de las pendientes necesarias que posibilitan el
retorno del aceite al compresor.
-
Revisar el estado del recipiente de líquido.
-
Control de la velocidad del fluido en varios puntos para verificar
que no se están produciendo deposiciones en el interior de las
tuberías que reduzcan la sección de paso.
-
En caso de aparición de corrosiones, averiguar causa, cepillar las
zonas afectadas y pintarlas tras descartar la presencia de fugas.
-
Revisar el correcto estado de todas las válvulas y elementos de
corte, y que siguen siendo operativos.
-
Control de fugas.
Conductos de evacuación de condensados:
-
Revisar estado de sifones: presencia de agua, ausencia de
deposiciones,...
-
Revisar que las conducciones mantienen sus pendientes necesarias.
Compresores:
-
Control de arranque en condiciones normales de funcionamiento.
578
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
-
Medida del nivel y de la acidez del aceite.
-
Control de estanquidad en válvulas de servicio y prensaestopas.
-
Control de presiones de aceite y del presostato diferencial de
aceite.
-
Resistencia de calentamiento del cárter.
-
Ausencia de ruidos y vibraciones.
-
Control de temperatura de la culata.
-
Control y ajuste de la regulación de potencia.
-
Mantenimiento de la presión de condensación.
-
Presiones y temperaturas de aspiración y de descarga.
-
Revisar el correcto ajuste de los presostatos de alta y baja.
-
Medición de los tiempos de funcionamiento y números de
arranque.
-
Limpieza y revisión del separador de aceite a la salida del compresor.
Condensadores:
-
Asegurar ausencia de incondensables en la instalación.
-
Control del subenfriamiento.
-
Control de la temperatura de entrada y de salida del fluido de
enfriamiento.
-
Medición del caudal de aire o agua.
-
Condensadores enfriados por aire.
-
-
Limpieza y enderezamiento de las aletas. Para la limpieza se
emplean chorros de aire comprimido o nitrógeno a presión
en las unidades exteriores, y agua a presión también en las
exteriores y en las interiores dotadas de desagüe.
-
Entrada y salida de aire.
-
Ventiladores.
-
Funcionamiento de las compuertas de regulación.
-
Nivel de ruidos.
-
Corrosiones.
Condensadores enfriados por agua perdida.
-
Estado de incrustaciones.
-
Verificación y ajuste de las válvulas de agua presostáticas.
579
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
-
•
Condensador enfriado por agua con torre de recuperación:
-
Estado de incrustaciones del condensador.
-
La limpieza de estos condensadores consiste en la
desincrustación de todos los materiales adheridos a las paredes
de las tuberías.
-
La desincrustación se realiza con agentes químicos como el
ácido clorhídrico, aunque el agente concreto dependerá de
la naturaleza de las incrustaciones y del material componente
del condensador.
-
Se realizará un enjuague total del elemento con agua tras la
aplicación del desincrustante.
-
Para evitar las incrustaciones se debe usar agua de
refrigeración tratada químicamente.
-
Estado de la bomba de recirculación.
-
Control del drenaje de desconcentración.
-
Medida del título hidrométrico.
-
Control de los depósitos de algas en la balsa de la torre.
-
Estado del separador de partículas de agua.
-
Estado de la plataforma de distribución de agua
-
Ventilador.
-
Batería anti-hielo.
-
Nivel de ruidos y penachos de vapor.
-
Tratamiento de agua.
-
Corrosiones.
Evaporadores:
-
Control del recalentamiento.
-
Control del distribuidor.
-
Temperatura de entrada y salida del fluido enfriado.
-
Revisión de la válvula de presión constante.
-
Evaporador enfriador de aire:
-
Estado de incrustaciones.
-
Entrada y salida de aire.
-
Ventiladores.
-
Control del desescarche y ajuste.
580
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
-
•
•
•
-
Circulación de condensados.
-
Nivel de nidos.
-
Control de los cordones calefactores de las puertas.
-
Corrosiones.
-
Caudal de aire.
Evaporadores enfriadores de agua:
-
Estado de ensuciamiento y de incrustaciones.
-
Bomba.
-
Termostato anti-hielo.
-
Caudal de agua.
Línea de líquido:
-
Comprobación de la ausencia de humedad en el fluido.
-
Control de la temperatura de la línea de líquido, para disminuir
la formación de hielo instantáneo por expansión.
-
Revisar ausencia de burbujas en el visor de líquido.
-
Válvula solenoide.
-
Corrosiones.
Motores eléctricos y sus acoplamientos:
-
Fijación de los motores.
-
Cojinetes, rodamientos.
-
Arranque, órganos anexos.
-
Fijación de las poleas.
-
Alineación de los acoplamientos.
-
Tensión y uso de las correas.
-
Temperatura de la carcasa.
Locales técnicos:
-
Accesos sin obstáculos.
-
Ventilación.
-
Alumbrado de emergencia.
-
Extintor.
-
Etiquetado de todos los elementos.
-
Estado de limpieza tanto del local como de las partes exteriores
de los componentes de la instalación.
581
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
Filtros de aire: Existen filtros de aire de tipo lavable y de tipo desechable,
según corresponda deberá
-
Limpieza.
-
Recambio.
10.8. Documentación relacionada
Para poder realizar el adecuado mantenimiento de una instalación
frigorífica es imprescindible tener documentada todas las características
técnicas de la misma.
Del ciclo frigorífico hay que conocer todos sus parámetros de diseño:
•
Presiones y temperaturas de alta y de baja.
•
Sobrecalentamiento y subenfriamiento que debe sufrir el refrigerante.
•
Presiones y temperaturas de arranque y paro de la instalación.
Del compresor se debe conocer:
•
Tipo y capacidad.
•
Tensiones e intensidades de funcionamiento en las condiciones de
diseño.
•
Potencia eléctrica consumida en las condiciones de diseño.
•
Curvas de rendimiento y de potencia ante distintos regímenes de
carga.
•
Presiones máximas y mínimas de funcionamiento.
•
Lubricantes que pueden ser usados.
En cuanto al refrigerante y al lubricante:
•
Denominaciones y composiciones.
•
Compatibilidad con los distintos tipos de lubricantes/refrigerantes.
•
Grados de toxicidad e inflamabilidad.
•
Precauciones de manutención y almacenamiento.
•
Modo de carga y descarga de la instalación.
•
Posibilidades de reciclaje, reutilización, recuperación y modo de
eliminación de acuerdo a normativa vigente.
Del evaporador y del condensador:
•
Tipo y capacidad de intercambio.
•
Necesidades de mantenimiento y modos de limpieza.
582
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
De los elementos de control y regulación:
•
Tipo.
•
Ajustes de diseño.
•
Necesidades de mantenimiento.
Hojas de mantenimiento:
Las hojas de mantenimiento componen, a parte de las herramientas y
utillaje, el material de trabajo de todo mantenedor frigorista. En ellas se
encuentran todas las medidas y controles que debe realizar el técnico al
visitar la instalación.
Contienen una serie de huecos donde el mantenedor debe ir anotando
las medidas de las diferentes magnitudes que va tomando “in situ”:
presiones y temperaturas del refrigerante en distintas partes del ciclo,
temperatura en el interior del recinto refrigerado, caudales y temperaturas
del agua y/o aire de refrigeración,...
Contienen además una relación con las comprobaciones que deben
realizarse sin que de su ejecución se derive anotación numérica alguna,
como son: revisar ausencia de fugas o corrosiones en puntos críticos,
adecuada lubricación de las partes móviles visibles, adecuados niveles de
refrigerante y de lubricante,...
Las hojas de mantenimiento, aunque poseen una base común para todas
las instalaciones, se concretan para cada instalación ubicando y ordenando
todos los datos de modo que el orden en el que aparecen en las hojas
es el orden en el que se debe realizar la revisión, teniendo en cuenta
para ello la ubicación de los elementos a controlar.
10.9. Medidas de seguridad
En el mantenimiento de instalaciones frigoríficas se debe prestar especial
atención por la presencia de:
•
Riesgos eléctricos.
•
Riesgos originados por la existencia de refrigerantes tóxicos o
inflamables.
•
Riesgos originados en la ejecución de soldaduras.
•
Riesgos originados por la presencia de depósitos y elementos a presión.
•
Riesgos originados por la presencia de elementos a altas y bajas
temperaturas.
Riesgos Eléctricos:
En una instalación frigorífica existen muchos elementos alimentados
583
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
con energía eléctrica a diferentes tensiones y, sobre todo el compresor,
con gran capacidad de absorción de energía.
Los elementos de protección frente a contactos indirectos deben ser
testeados periódicamente para evitar que partes de la instalación que no
deban estar en tensión, lo estén por la presencia de alguna avería eléctrica
en el sistema y produzcan una descarga peligrosa a quien manipule dicho
elemento.
Cuando se revisa el interior de los elementos de la instalación con
alimentación eléctrica, se debe desconectar su interruptor de alimentación
y comprobar, con el empleo de voltímetros, que la tensión se ha eliminado
efectivamente.
Riesgos originados por la existencia de refrigerantes tóxicos o inflamables:
Según la clasificación del refrigerante, el local donde se ubica la instalación
frigorífica puede tener la clasificación de local de atmósfera especial o
atmósfera explosiva. En estos casos, la instalación eléctrica asociada al
sistema frigorífico debe reunir las características de antideflagrante.
En su interior habrá que tener la precaución de no producir ni introducir
materiales o elementos que puedan producir chispas.
En las cercanías de los accesos deben estar disponibles máscaras antigás
que permitan su utilización en caso de fugas.
Riesgos originados en la ejecución de soldaduras:
Durante los procesos de soldadura deben protegerse la vista (ante la
emisión de radiaciones lumínicas de gran intensidad), las vías respiratorias
(por la generación de gases contaminantes) y todas las partes del cuerpo
que puedan entrar en contacto con las piezas calientes.
En función del tipo de soldadura que se vaya a realizar, la protección
visual tendrá unas u otras características.
En cuanto a la producción de gases contaminantes, la soldadura deberá
realizarse en lugares bien ventilados o dotar la zona de una extracción
localizada que asegure que los vapores producidos no queden libres en
la atmósfera interior.
En algunos tipos de soldadura se utilizan gases altamente inflamables,
almacenados a presión en el interior de botellas portátiles. La salida de
los conductos de alimentación al soplete debe estar convenientemente
protegida con dispositivos antirretorno de llama, que impidan la
deflagración instantánea de su contenido ante un mal funcionamiento
del soplete. Estos dispositivos se deben revisar periódicamente.
Si la soldadura es eléctrica deberá testearse el sistema de protección
frente a contactos y frente a sobretensiones del equipo, y eliminar la
584
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
posibilidad de que se transmitan tensiones a personas o componentes
de la instalación cuando se conecten los electrodos.
Las zonas de soldadura deben rodearse adecuadamente con pantallas
ignífugas que sirvan de barrera a las chispas que puedan producirse.
Riesgos originados por la presencia de depósitos y elementos a presión:
Tanto en la instalación en sí como en la manipulación de refrigerantes,
lubricantes, gases inertes, gases de soldadura,... se trabaja con recipientes
a presión. Deben tomarse todas las medidas oportunas para que no se
produzcan sobrepresiones en su interior que podrían desembocar en
explosiones.
En la instalación es preceptiva la colocación de presostatos de seguridad
en todos los elementos del lado de alta, que actúen cortando la
alimentación al compresor para que éste no continúe impulsando gas.
En cuanto a los recipientes, deben ser almacenados en lugares frescos
y no dejarlos expuestos al sol largos periodos de tiempo. Deben estar
timbrados a presiones superiores a las de los elementos que contienen
y debe evitarse la posibilidad de que reciban cualquier golpe.
Riesgos originados por la presencia de elementos a altas y bajas
temperaturas:
En las instalaciones frigoríficas existen partes a muy altas y muy bajas
temperaturas. Todos los elementos no intercambiadores de calor o que
precisen una disipación de calor, deben estar convenientemente aislados
térmicamente para evitar quemaduras producidas por el contacto
frío/calor y para evitar la pérdida energética que supone las pérdidas de
frío/calor a través de esas superficies.
Los elementos intercambiadores, y aquéllos que precisen disipar calor,
deben instalarse de modo que se dificulte el acceso accidental a sus partes
frías o calientes.
585
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
RESUMEN
Los principales equipos y materiales descritos en la unidad didáctica son:
•
Compresores :
-
Definición: El compresor funciona como una bomba que hace
circular el refrigerante en el circuito de refrigeración. El compresor
aspira los vapores producidos por la evaporación del fluido
frigorígeno en el evaporador a una presión débil, correspondiente
a las condiciones de funcionamiento, y descarga en el condensador
a una presión suficientemente alta para que el fluido condense
a la temperatura de las fuentes naturales (aire, agua).
-
Tipos:
Compresores alternativos ordinarios.
Funcionamiento de un compresor alternativo ordinario.
Compresores alternativos especiales.
Compresores rotativos.
Compresores de desplazamiento positivo.
Compresores centrífugos.
•
•
Evaporadores :
-
Definición: El evaporador es el elemento productor de frío de la
instalación frigorífica.
-
Tipos:
-
Tipos de evaporadores según el método de alimentación del
refrigerante.
-
Tipo de evaporadores según el tipo de construcción.
-
Tipos de evaporadores según el procedimiento de circulación
del aire.
-
Tipos de evaporadores según su aplicación.
Condensadores :
-
Definición: El condensador es el componente del equipo frigorífico
encargado de licuar los vapores de refrigerante, a alta presión
procedente del compresor, su fin esencial consiste en el traspaso
del flujo calorífico del fluido frigorígeno, al medio ambiente.
-
Tipos:
-
Condensadores enfriados por agua.
587
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
•
-
Condensadores evaporativos.
-
Condensadores enfriados por aire.
Los distintos dispositivos de seguridad y regulación
-
Dispositivos de regulación y control.
-
Dispositivos de seguridad.
-
Dispositivos eléctricos y electrónicos de seguridad y control.
Torres de Refrigeración
-
Funcionamiento: En las torres de refrigeración se consigue
disminuir la temperatura del agua caliente mediante transferencia
de calor y de materia al aire que circula por el interior de la torre.
El agua es pulverizada a través de una corriente de aire y parte
de esta agua, si la humedad relativa del aire circulante es reducida
y la temperatura del agua bastante elevada, se evapora. Para
evaporarse el líquido necesita cierta cantidad de calor que roba
en parte del aire circulante y, mayoritariamente, de las gotas de
agua que tiene a su alrededor. Las gotas no evaporadas van
enfriándose a medida que cierta parte del agua continúa
evaporando. Finalmente las gotas no evaporadas se recogen en
el fondo de la torre desde donde comienzan de nuevo el ciclo de
enfriamiento al ser impulsadas al condensador.
-
Tipos:
-
Torres de circulación natural
Torres atmosféricas.
Torres de tiro natural.
-
Torres de tiro mecánico
Torres de tiro natural asistido.
Torres de tiro mecánico.
-
Otras clasificaciones:
Según el flujo relativo aire y agua: torres con flujo cruzado
o en contracorriente.
Según la forma en que el agua es distribuida: relleno laminar
o de goteo.
•
Elementos auxiliares de los sistemas frigoríficos y sus funciones:
-
Silenciadores, amortiguar ruidos.
-
Receptor de líquido: almacena el refrigerante en estado líquido
con el fin de asegurar la compensación de las variaciones de
volumen de fluido del circuito.
588
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
-
Acumulador de succión: evita la entrada de refrigerante en estado
líquido al compresor y/o aceite líquido.
-
Separadores de aspiración: separador de aceite que lleva
incorporado un serpentín donde se intercambia calor entre el
líquido caliente y la aspiración fría.
-
Separadores de aceite: su función es separar el aceite lubricante
del compresor del refrigerante antes de que entre a otros
componentes del sistema.
-
Sistemas de retorno de aceite a los compresores. En la parte alta
del separador de aceite y conectada al tubo de aspiración se instala
una válvula tarada que mantiene la diferencia de presión entre
el depósito de aceite y el cárter del compresor y garantiza la vuelta
del aceite al cárter.
-
Filtro deshidratador: el refrigerante y el aceite deben mantenerse
libres de contaminantes y humedad a lo largo de todo el ciclo,
durante el funcionamiento y para asegurar el funcionamiento
óptimo se debe recoger y almacenar suciedad y humedad mediante
filtros.
-
Pre-enfriador, Para enfriar el gas de descarga del compresor y
volver a enviarlo a éste como medida de protección contra
sobrecalentamientos del motor y para reducir el consumo de
energía se emplean tubos de cobre en forma de U o parte de la
tubería de refrigeración del condensador.
-
Indicadores de líquido humedad: el indicador de líquido y
humedad es un dispositivo que revela la presencia de exceso de
humedad y permite comprobar la circulación de refrigerante
líquido a través del visor.
-
Intercambiadores de calor: permiten la transmisión de calor entre
la tubería de líquido (fluido caliente) y la tubería de aspiración
(fluido frío).
-
Purgadores: los circuitos de fluido frigorígeno y especialmente
las instalaciones que trabajan a presiones inferiores a la atmosférica,
contienen en servicio gases no condensables (aire, compuestos
gaseosos liberados por aceites…), que originan un aumento en
la presión de descarga.
-
Drenaje: las tuberías y bandejas de drenaje se instalan con el fin
de conducir y evacuar los condensados y goteos del evaporador.
-
Cilindro de carga: para el llenado de refrigerante a los compresores
herméticos y semiherméticos se emplean cilindros de carga; se
trata de un dispositivo graduable para cada tipo de refrigerante
589
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
que dispone de un manómetro, válvula de seguridad y válvula de
carga.
•
•
-
Equipos de vaciado y de carga.
-
Suministro de energía y cableado de enlace.
Los materiales empleados en las instalaciones frigoríficas son:
-
Tuberías de cobre en rollos, rígidas y capilares.
-
Tuberías de acero, con y sin soldadura.
-
Uniones, manguitos, conexiones y elementos de fijación.
-
Soldadura para cobre/cobre.
-
Aislantes térmicos.
-
Aislantes acústicos.
-
Antivribatorios.
Lubricantes
-
Definición: Se denomina lubricante al fluido con la capacidad de
disminuir el rozamiento entre dos materiales en contacto,
facilitando el movimiento relativo de uno respecto al otro, evitando
el excesivo aumento de temperatura entre ellos y reduciendo su
desgaste. Los lubricantes, además, tienen la capacidad de actuar
como cierre hidráulico o tapón a las fugas del fluido comprimido,
dada su mayor densidad relativa y la imposibilidad que presenta
aquél para desplazarlo de los espacios reservados para el
desplazamiento de los elementos mecánicos.
-
Características: Un buen aceite para refrigeración debe reunir las
cualidades que a continuación se listan:
-
Mantener su viscosidad a altas temperaturas.
-
Mantener buena fluidez a bajas temperaturas.
-
Ser miscible con los refrigerantes a las temperaturas de
trabajo.
-
Tener buena (alta) capacidad dieléctrica.
-
No tener materia en suspensión.
-
No debe contener ácidos corrosivos o compuestos de azufre.
-
No formar depósitos de cera (flóculos) a las bajas temperaturas
del sistema.
-
No dejar depósitos de carbón al entrar en contacto con
superficies calientes dentro del sistema.
-
No contener humedad.
590
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
•
•
-
No formar espuma.
-
Ser química y térmicamente estable en presencia de
refrigerantes, metales, aislamientos, empaques, oxígeno,
humedad y otros contaminantes.
Refrigerantes:
-
Refrigerante es el fluido encargado de absorber el calor del local
a refrigerar y cederlo al ambiente exterior.
-
El trasvase se puede hacer en forma de calor sensible (el
refrigerante únicamente sufre cambios de temperatura,
denominándose entonces fluido frigorífero) o en forma de calor
latente (el refrigerante, en este caso fluido frigorígeno, sufre
además cambios de estado, de líquido a vapor y de vapor a líquido,
a través del ciclo de refrigeración).
-
Las distintas aplicaciones de la industria frigorífica precisan
refrigerantes distintos. Las propiedades físicas, químicas,
termodinámicas y de seguridad que los distinguen son:
-
Presión de vapor, presión de condensación y calor latente
de vaporización.
-
Comportamiento frente a la humedad, comportamiento
frente a los lubricantes y estabilidad.
-
Producción frigorífica específica o volumétrica, y potencia
frigorífica.
-
Toxicidad, inflamabilidad, y facilidad de detección en caso
de fugas.
-
Los refrigerantes se denominan según su fórmula o denominación
química, o bien por su denominación simbólica numérica.
-
Estamos en una época de transición de los refrigerantes
clorofluorocarbonados (los más ampliamente utilizados hasta que
se verificó su efecto destructor de la capa de ozono) hacia otro
tipo de refrigerantes. Es importante conocer los refrigerantes
prohibidos, los que están en fase de eliminación y el modo
eliminarlos, y los refrigerantes sustitutos.
Operaciones principales puntos a evaluar en las labores de
mantenimiento:
-
Temperatura alcanzada y mantenida en el recinto refrigerado.
-
Temperatura de vaporización dentro del rango de diseño.
-
Temperatura de condensación dentro del rango de diseño.
-
Presión de descarga dentro del rango de diseño.
591
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
-
Subenfriamiento normal en el condensador.
-
Recalentamiento normal en el evaporador.
-
Diferencias de temperaturas normales en los intercambiadores.
-
Potencia absorbida por el compresor dentro de los rangos de
diseño.
-
Ningún ruido sospechoso ni vibraciones anormales.
-
Color del aceite y nivel normales.
-
Ninguna traza de grasa en el exterior del circuito.
-
Los otros criterios de buen funcionamiento son los ajustes correctos
de los órganos de seguridad:
-
Presostato de alta presión.
-
Presostato de baja presión.
-
Presostato de aceite (eventual).
-
Termostato de desescarche.
-
Relé térmico de protección de los motores.
-
Temporizador anti-ciclos cortos.
592
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
GLOSARIO
Abocardado: Agrandamiento (abocinado) que se hace en el extremo de
un tubo flexible, por medio del cual, el tubo se une a una conexión o
a otro tubo. Este agrandamiento se hace a un ángulo de aproximadamente
45°. Las conexiones lo oprimen firmemente, para hacer la unión fuerte
y a prueba de fugas.
Aceite para refrigeración: Aceite especialmente preparado para usarse
en el mecanismo de los sistemas de refrigeración.
Acondicionador de aire: Dispositivo utilizado para controlar la temperatura,
humedad, limpieza y movimiento del aire en el espacio acondicionado,
ya sea para confort humano o proceso industrial.
Actuador: La parte de una válvula reguladora que convierte el fluido
mecánico, la energía térmica o la energía eléctrica, en movimiento
mecánico para abrir o cerrar la válvula.
Acumulador: Tanque de almacenamiento que recibe refrigerante líquido
del evaporador, evitando que fluya hacia la línea de succión antes de
evaporarse.
Adiabática, compresión: Compresión de gas refrigerante, sin quitarle ni
agregarle calor.
Aire acondicionado: Control de la temperatura, humedad, limpieza y
movimiento de aire en un espacio confinado, según se requiera, para
confort humano o proceso industrial. Control de temperatura significa
calentar cuando el aire está frío, y enfriar cuando la temperatura es muy
caliente.
Aire seco: Aire en el cual no hay vapor de agua (humedad).
Aislamiento (eléctrico): Sustancia que casi no tiene electrones libres; lo
anterior hace que sea pobre en la conducción de la corriente eléctrica.
Aislamiento (térmico): Material que es pobre conductor de calor, por lo
que se usa para retardar o disminuir el flujo de calor. Algunos materiales
aislantes son corcho, fibra de vidrio, elásticos espumados (poliuretano
y poliestireno), etc.
Aleta: Superficie metálica unida a un tubo para proporcionar mayor
superficie de contacto, a fin de mejorar el enfriamiento. Las aletas pueden
ser circulares, enrolladas en forma de espiral individualmente en cada
tubo, o rectangulares en forma de placa, para un grupo de tubos. Se
usan extensivamente en condensadores enfriados por aire y evaporadores.
Alternativo: Movimiento hacia adelante y hacia atrás en línea recta.
Ambiente: Condiciones circundantes.
593
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Amoniaco: Combinación química de nitrógeno e hidrógeno (NH3).
También se usa como refrigerante y se identifica como R-717.
Asiento: Parte del mecanismo de una válvula, contra la cual presiona la
válvula para cerrar.
Aspiración: Movimiento producido en un fluido por succión.
Azeotrópica, mezcla: Mezcla de dos o más líquidos de diferente volatilidad,
que al combinarse, se comportan como si fueran un solo componente.
El punto de ebullición de la mezcla es menor que los de los componentes
individuales. Su composición no cambia al evaporarse ni al condensarse.
Un ejemplo de mezcla azeotrópica es el refrigerante 502, que está
compuesto de 48.8 % de R-22 y 51.2 % de R-115.
Azeótropo: Que tiene puntos de ebullición máximos y mínimos constantes.
Baño: Solución líquida usada para limpiar, recubrir o mantener una
temperatura especificada.
Bar: Unidad de presión absoluta. Un bar equivale a 100 kPa (0.9869
atmósferas).
Barómetro: Instrumento para medir la presión atmosférica. Puede estar
calibrado en mm o pulgadas de mercurio en una columna; o en Kg/cm2
o en lb/pulg2.
Bióxido de carbono: Compuesto de carbono y oxígeno (CO2), el cual
algunas veces se usa como refrigerante, R-744. Cuando se solidifica,
comprimiéndolo en bloques sólidos, se le conoce como "Hielo Seco".
Su temperatura es de -78.3° C.
Bomba: Cualquiera de las diferentes máquinas que impulsan un gas o
un líquido o lo atraen de algo, por succión o por presión.
Bomba centrífuga: Bomba que produce velocidad al fluido, convirtiéndola
en carga de presión.
Bomba de calor: Sistema del ciclo de compresión, utilizado para abastecer
calor a un espacio de temperatura controlada. El mismo sistema, puede
también extraer calor del mismo espacio.
Bomba de condensado: Dispositivo para eliminar el condensado de agua,
que se acumula debajo de un evaporador.
Bomba de desplazamiento fijo: Bomba en la que el desplazamiento por
ciclo, no puede ser variado.
Bomba de tornillo: Bomba que tiene dos tornillos entrelazados, rotando
dentro de una envolvente.
Bomba de vacío: Dispositivo especial de alta eficiencia, utilizado para
crear alto vacío para fines de deshidratación o de pruebas.
594
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Bomba alternativa (un pistón): Bomba de un solo pistón alternativo (que
se mueve hacia delante y atrás, o hacia arriba y abajo).
Bulbo húmedo, termómetro: Instrumento utilizado en la medición de
la humedad relativa. La evaporación de la humedad disminuye la
temperatura de bulbo húmedo, comparada con la temperatura de bulbo
seco de la misma muestra de aire.
Bulbo seco, termómetro: Instrumento con un elemento sensible para
medir la temperatura ambiente del aire.
Bulbo sensor: Parte de un dispositivo con un fluido sellado, que reacciona
a los cambios de temperatura. Se usa para medir temperaturas o para
controlar mecanismos.
Bulbo sensor de temperatura: Bulbo que contiene un fluido volátil y
fuelle o diafragma. El aumento de temperatura en el bulbo, causa que
el fuelle o diafragma se expanda.
Butano: Hidrocarburo líquido (C4H10), comúnmente usado como
combustible o para fines de calentamiento.
Cabezal: Longitud de tubería o recipiente, al cual se le unen dos o más
tuberías, que transportan un fluido de una fuente común, a diferentes
puntos de uso.
Caída de presión: Diferencia de presión en dos extremos de un circuito
o parte de un circuito. Cualquier pérdida de presión en la línea debido
a la fricción del fluido, o a una restricción en la línea.
Caja de conexiones: Caja o contenedor que cubre un grupo de terminales
eléctricas.
Calor: Forma de energía que actúa sobre las sustancias para elevar su
temperatura; energía asociada con el movimiento al azar de las moléculas.
Calor de compresión: Efecto de calefacción que se lleva a cabo cuando
se comprime un gas. Energía mecánica de la presión, convertida a energía
calorífica.
Calor de fusión: Calor requerido por una sustancia, para cambiar del
estado sólido al estado líquido, a una temperatura constante. Por ejemplo:
hielo a agua a 0 ºC. El calor de fusión del hielo es 335 kJ/kg.
Calor específico: Relación de la cantidad de calor requerido, para
aumentar o disminuir la temperatura de una sustancia en 1 ºC, comparado
con la que se requiere para aumentar o disminuir la temperatura de una
masa igual de agua en 1 ºC. Se expresa como una fracción decimal.
Calor latente: Cantidad de energía calorífica requerida para efectuar un
cambio de estado (fusión, evaporación, solidificación) de una sustancia,
sin cambio en la temperatura o presión.
595
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Calor latente de condensación: Cantidad de calor liberada por un kg de
una sustancia para cambiar su estado de vapor a líquido.
Calor latente de evaporación: Cantidad de calor requerido por un kg de
sustancia, para cambiar su estado de líquido a vapor.
Calor sensible: Calor que causa un cambio de temperatura en una
sustancia, sin que cambie de estado.
Calor total: Suma del calor sensible y del calor latente.
Caloría: Unidad para medir el calor en el sistema métrico. Equivale a la
cantidad de calor que se requiere, para elevar la temperatura de un
gramo de agua en un grado centígrado. 1000 calorías = 1 kcal.
Cámara de refrigeración: Espacio refrigerado comercial, que se mantiene
a temperaturas abajo de la ambiental.
Cambio de estado: Condición en la cual, una sustancia cambia de sólido
a líquido o de líquido a gas, debido a la aplicación de calor. O a la inversa,
cuando una sustancia cambia de gas a líquido o de líquido a sólido,
debido a la eliminación de calor.
Capacidad: Sistema de clasificación en refrigeración. Medido generalmente
en kcal/h o en watios.
Carbón activado: Carbón especialmente procesado, utilizado en filtros
deshidratadores. También se utiliza para limpiar aire.
Carga: Ver Carga de Refrigerante.
Carga de refrigerante: Cantidad de refrigerante colocada en un sistema
de refrigeración.
Centígrada, escala: Escala de temperatura usada en el sistema métrico.
El punto de congelación del agua es de 0 ºC, el punto de ebullición es
de 100 ºC.
Cera: Ingrediente en muchos aceites lubricantes, el cual se puede separar
del aceite si se enfría lo suficiente.
Cero absoluto (temperatura): Temperatura a la cual cesa todo movimiento
molecular. (-273 ºC y -460 ºF).
Ciclo: Serie de eventos u operaciones, que tienen una tendencia a
repetirse en el mismo orden.
Ciclo de paro: Segmento del ciclo de refrigeración cuando el sistema no
está operando.
Ciclo intermitente: Ciclo que se repite a intervalos variables de tiempo
Cilindro: Dispositivo que convierte fuerza de un fluido, en fuerza y
movimiento mecánico lineal. Consta, usualmente, de elementos móviles
tales como un pistón, biela y émbolo, operando dentro de un cilindro.
596
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Cilindro para refrigerante: Cilindro en el que se almacena y distribuye
el refrigerante. El código de colores pintado en el cilindro indica la clase
de refrigerante (ver código de colores, capítulo Refrigerantes).
Cilidro portátil: Recipiente utilizado para almacenar refrigerante. Hay
dos tipos comunes: recargablesy desechables.
Circuito: Instalación de tubería o de cable eléctrico que permite el flujo
desde y hacia la fuente de energía.
Cobrizado: Condición anormal que se desarrolla en algunas unidades,
en las que el cobre es depositado electrolíticamente sobre algunas
superficies del compresor.
Coeficiente de expansión: Incremento en longitud, área o volumen de
la unidad, por un grado de aumento en la temperatura.
Coeficiente de rendimiento: Relación del trabajo realizado o completado,
en comparación con la energía utilizada.
Cojinete: Dispositivo de baja fricción para soportar y alinear una parte
móvil.
Compresión: Término utilizado para denotar el proceso de incrementar
la presión, sobre un volumen dado de gas, usando energía mecánica. Al
hacer esto, se reduce el volumen y se incrementa la presión del gas.
Compresor: Máquina en sistemas de refrigeración, hecha para succionar
vapor del lado de baja presión en el ciclo de refrigeración, y comprimirlo
y descargarlo hacia el lado de alta presión del ciclo.
Compresor abierto: Compresor en el que el cigüeñal se extiende a través
del cárter, hacia afuera del compresor, movido por un motor externo.
Comúnmente se le llama compresor de movimiento externo.
Compresor centrífugo: Máquina para comprimir grandes volúmenes de
vapor, a una velocidad relativamente alta, usando relaciones de compresión
pequeñas. La compresión está basada en una fuerza centrífuga de ruedas
giratorias, con hojas tipo turbina.
Compresor compuesto: Compresor de cilindros múltiples, en el que uno
o más cilindros succionan el vapor del evaporador, y lo descargan,
generalmente, a través de un interenfriador y hacia los demás cilindros,
donde se comprime hasta la presión de condensación.
Compresor de aletas rotatorias: Mecanismo para bombear fluidos por
medio de aletas giratorias, dentro de un cárter cilíndrico.
Compresor alternativo: Compresor que funciona con un mecanismo de
pistones y cilindros, para proporcionar una acción bombeante. Los
pistones se mueven hacia adelante y hacia atrás dentro del cilindro, para
comprimir el refrigerante.
597
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Compresor de etapas múltiples: Compresor que tiene dos o más etapas
de compresión. La descarga de cada etapa es la presión de succión en
la siguiente de la serie.
Compresor de una etapa: Compresor de una sola etapa de compresión,
entre las presiones del lado de baja y del lado de alta.
Compresor hermético: Unidad motocompresora en la que el motor
eléctrico y el compresor, están montados en una flecha común, dentro
de un casco de acero soldado. El motor eléctrico opera en la atmósfera
de refrigerante.
Compresor rotativo: Compresor con un cilindro y un rotor excéntrico
interior, el cual gira dentro del cilindro. Las aletas deslizables, dentro
del rotor, son las que comprimen el vapor durante la rotación.
Compresor semihermético: Unidad motocompresora que opera igual
que un compresor hermético, con la excepción de que no está totalmente
sellado, sino que se pueden quitar las tapas de los extremos para darle
servicio.
Conexión para manómetro: Abertura o puerto, dispuesto para que el
técnico de servicio instale un manómetro.
Condensación: Proceso de cambiar de estado un vapor o un gas a líquido,
al enfriarse por debajo de su temperatura de saturación o punto de rocío.
Condensado: Líquido que se forma cuando se condensa un vapor.
Condensador: Componente del mecanismo de refrigeración, el cual
recibe del compresor vapor caliente a alta presión, enfriándolo y
regresándolo luego a su estado líquido. El enfriamiento puede ser con
aire o con agua.
Condensador atmosférico: Antiguo tipo de condensador, en el cual el
vapor de refrigerante de la descarga fluye dentro de una serie de tubos.
El agua fluye por gravedad, sobre el exterior de los tubos, para absorber
el calor del refrigerante y condensarlo. Los tubos están expuestos a la
atmósfera.
Condensador de casco y tubos: Recipiente cilíndrico de acero con tubos
de cobre en el interior. El agua circula por los tubos, condensando los
vapores dentro del casco. El fondo del casco sirve como recibidor de
líquido.
Condensador de casco y serpentín: Este condensador es muy parecido
al de casco y tubos, pero en lugar de tubos rectos, tiene un serpentín por
el que circula el agua.
Condensador enfriado por agua: Intercambiador de calor, diseñado para
transferir calor desde el refrigerante gaseoso al agua. Existen tres tipos:
de casco y tubos, de casco y serpentín y de tubos concéntricos.
598
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Condensador enfriado por aire: Intercambiador de calor, el cual transfiere
calor al aire circundante. En estos condensadores, el vapor caliente de
la descarga del compresor entra en los tubos, y el aire atmosférico circula
por fuera de los tubos, los cuales, generalmente, son del tipo aleteado.
Condensador evaporativo: Condensador que combina un condensador
atmosférico, con una torre de enfriamiento de tiro forzado. El haz de
tubos se encuentra dentro de la torre. El agua es rociada sobre los tubos,
y el aire forzado enfría el agua y los tubos. Parte del agua se evapora y
enfría el resto del agua, reduciendo el consumo de ésta.
Condensar: Acción de cambiar un gas o vapor a líquido.
Conducción: Flujo de calor entre sustancias, por medio de vibración de
las moléculas.
Conductividad: Habilidad de una sustancia para conducir o transmitir
calor y/o electricidad.
Conductividad, coeficiente de: Medición de la proporción relativa, a la
cual diferentes materiales conducen el calor. El cobre es un buen
conductor del calor, por lo tanto, tiene un coeficiente de conductividad
alto.
Conductor: Sustancia o cuerpo capaz de transmitir electricidad o calor.
Congelación: Cambio de estado de líquido a sólido.
Congelador sin escarcha: Gabinete refrigerado que opera con un deshielo
automático durante cada ciclo.
Contaminante: Sustancia, humedad o cualquier materia extraña al
refrigerante o al aceite en un sistema.
Control: Dispositivo manual o automático, utilizado para detener, arrancar
y/o regular el flujo de gas, líquido y/o electricidad.
Control automático: Acción de una válvula, lograda a través de medios
automáticos que no requieren de ajuste manual.
Control de baja presión: Dispositivo utilizado para evitar que la presión
de evaporación del lado de baja caiga por debajo de cierta presión.
Control de desescarche: Dispositivo para operar un sistema de
refrigeración, de tal manera, que proporcione una forma de derretir el
hielo y la escarcha formados en el evaporador. Hay tres tipos: manual,
automático y semiautomático.
Control de escarcha: Ver control de desescarche.
Control de presión de aceite: Dispositivo de protección que verifica la
presión del aceite en el compresor. Se conecta en serie con el compresor,
y lo apaga durante los períodos de baja presión de aceite.
599
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Control de refrigerante: Dispositivo que mide el flujo de refrigerante,
entre dos áreas del sistema de refrigeración. También mantiene una
diferencia de presión entre los lados de alta y baja presión del sistema,
mientras la unidad está trabajando.
Control de seguridad: Dispositivo para detener la unidad de refrigeración,
si se llega a una condición insegura y/o peligrosa, de presiones o
temperaturas.
Control de temperatura: Dispositivo termostático operado por temperatura,
que abre o cierra un circuito automáticamente.
Convección: Transferencia de calor por medio del movimiento o flujo
de un fluido.
Convección forzada: Transferencia de calor que resulta del movimiento
forzado de un líquido o un gas, por medio de una bomba o un ventilador.
Convección natural: Circulación de un gas o un líquido, debido a la
diferencia en densidad resultante de la diferencia de temperaturas.
Corrosión: Deterioro de materiales por acción química.
Cortocircuito: Condición eléctrica, donde una parte del circuito toca
otra parte del mismo, provocando que la corriente o parte de la misma,
tome un trayecto equivocado.
Cuarto de máquinas: Área donde se instala la maquinaria de refrigeración
industrial y comercial, excepto los evaporadores
Decibel (dB): Unidad utilizada para medir la intensidad de los sonidos.
Un decibel, es igual a la diferencia aproximada de la intensidad detectable
por el oído humano, cuyo rango es aprox. 130 dB, en una escala que
empieza con uno para los sonidos débilmente audibles.
Deflector: Placa utilizada para dirigir o controlar el movimiento de un
fluido, dentro de un área confinada.
Densidad: Estrechez de la textura o consistencia de partículas, dentro
de una sustancia. Se expresa como peso por unidad de volumen.
Depósito de líquido: Cilindro o contenedor conectado a la salida del
condensador, para almacenar refrigerante líquido en un sistema.
Desecante: Sustancia utilizada para colectar y retener humedad, en un
sistema de refrigeración. Los desecantes comunes son la sílica gel, la
alúmina activada y el tamiz molecular.
Desengrasante: Solvente o solución que se usa para remover aceite o
grasa, de las partes de un refrigerador.
Desescarche: Proceso de eliminar la acumulación de hielo o escarcha de
los evaporadores.
600
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Desescarche automático: Sistema para eliminar hielo o escarcha de los
evaporadores, de manera automática.
Desescarche con aire: Proceso de eliminar el hielo o la escarcha acumulada
en el serpentín del evaporador, utilizando los abanicos del mismo
evaporador, deteniendo previamente el paso de refrigerante líquido. El
aire circulado, debe tener una temperatura por encima de la de
congelación.
Desescarche con agua: Uso de agua para derretir el hielo y la escarcha
de los evaporadores durante el ciclo de paro.
Desescarche eléctrico: Uso de resistencia eléctrica, para fundir el hielo
y la escarcha de los evaporadores, durante el ciclo de deshielo.
Desescarche por ciclo reversible: Método de calentar el evaporador para
deshielo. Por medio de válvulas, se mueve el gas caliente del compresor
hacia el evaporador.
Desescarche por gas caliente: Sistema de deshielo, en el cual el gas
refrigerante caliente del lado de alta es dirigido a través del evaporador
por cortos períodos de tiempo, y a intervalos predeterminados, para
poder eliminar la escarcha del evaporador.
Desescarche, ciclo de: Ciclo de refrigeración en el cual, la acumulación
de hielo y escarcha es derretida en el evaporador.
Deshidratador: Sustancia o dispositivo que se utiliza para remover la
humedad, en un sistema de refrigeración.
Deshumidificador: Dispositivo usado para eliminar la humedad del aire.
Desplazamiento de compresor: Volumen en m3, representado por el área
de la cabeza del pistón o pistones, multiplicada por la longitud de la
carrera. Éste es el desplazamiento real, no el teórico.
Desplazamiento del pistón: Volumen desplazado por el pistón, al viajar
la longitud de su carrera.
Desvío (By pass): Pasadizo en un lado o alrededor de un pasaje regular.
Desvío (By Pass) de gas caliente: Arreglo de tubería en la unidad de
refrigeración, la cual conduce gas refrigerante caliente del condensador
al lado de baja presión.
Detector de fugas: Dispositivo o instrumento que se utiliza para detectar
fugas, tal como lámpara de haluro, sensor electrónico o jabón.
Detector de fugas de espuma: Sistema de líquido espumante especial,
que se aplica con una brocha sobre uniones y conexiones, para localizar
fugas de manera similar a la espuma de jabón.
Detector de fugas electrónico: Instrumento electrónico que mide el flujo
601
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
electrónico a través de una rejilla de gas. Los cambios en el flujo electrónico
indican la presencia de moléculas de gas refrigerante.
Diagrama de Molliere: Gráfica de las propiedades de un refrigerante,
tales como: presión, temperatura, calor, etc.
Diclorodifluorometano: Refrigerante comúnmente conocido como R12.
Difusor de aire: Rejilla o salida de distribución de aire, diseñada para
dirigir el flujo de aire hacia los objetivos deseados.
Efecto refrigerante: Cantidad de calor absorbida en el evaporador del
espacio a refrigerar.
Eficiencia: Capacidad de un dispositivo, sistema o actividad, dividida
entre la potencia absorbida necesaria para crear esa capacidad. En un
compresor, la eficiencia sería la capacidad de trabajo, medida por un
cambio de presión, dividida entre la energía eléctrica consumida.
Eficiencia volumétrica: Término utilizado para expresar la relación, entre
el funcionamiento real de un compresor o de una bomba de vacío, y el
funcionamiento calculado en base a ese desplazamiento.
Energía: Habilidad real o potencial de efectuar trabajo.
Energía, conservación de la: Proceso de instituir cambios que resultarán
en ahorros de energía, sobre la revisión de los cálculos para determinar
las cargas principales.
Enfriador: Intercambiador de calor que remueve calor de las sustancias.
Enfriador de agua: Sistema de aire acondicionado, el cual circula agua
fría a varios serpentines de enfriamiento, en una instalación.
Enfriador de aire: Mecanismo diseñado para bajar la temperatura del
aire que pasa a través de él.
Entalpía: La cantidad de calor en un kilogramo de sustancia, calculada
de una base de temperatura aceptada. La temperatura de 0 ºC, es una
base aceptada para los cálculos del vapor de agua. Para cálculos de
refrigeración, la base aceptada es de -40 ºC.
Entropía: Factor matemático usado en cálculos de ingeniería. La energía
en un sistema.
Escala centígrada: Escala de temperaturas usada en el sistema métrico.
El punto de congelación de agua a la presión atmosférica normal, es de
0 ºC, y el punto de ebullición, es de 100 ºC.
Escala Fahrenheit: En un termómetro Fahrenheit, bajo la presión
atmosférica normal, el punto de ebullición del agua es de 212 ºF, y el
punto de congelación es de 32 ºF por encima de cero.
602
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Escala Kelvin (K): Escala de temperatura, en la cual, la unidad de medición
es igual al grado centígrado, y de acuerdo a la cual, el cero absoluto es
0 ºK, equivalentes a -273.16 ºC. En esta escala el agua se congela a 273.16
ºK y ebulle a 373.16 ºK.
Escala Rankine (R): Nombre dado a la escala de temperaturas absolutas,
cuyas unidades son similares a los grados Fahrenheit. El cero (0 ºR) en
esta escala equivale a -460 ºF.
Espacio muerto: Pequeño espacio en un cilindro, del cual no ha sido
expulsado completamente el gas comprimido. Para una operación
efectiva, los compresores se diseñan para tener un espacio muerto tan
pequeño como sea posible.
Estratificación del aire: Condición en la que hay poco o ningún
movimiento de aire en un cuarto. El aire permanece en capas de
temperaturas.
Etano (R-170): Fluido refrigerante de muy poco uso. En la actualidad,
se agrega a otros refrigerantes para mejorar la circulación de aceite.
Eutéctico: Cierta mezcla de dos sustancias, que proporciona la temperatura
de fusión más baja de todas las mezclas, de esas dos sustancias.
Eutéctico, punto: Temperatura de congelación para soluciones eutécticas.
Evaporación: Término aplicado al cambio de estado de líquido a vapor.
En este proceso se absorbe calor.
Evaporador: Componente del mecanismo de un sistema de refrigeración,
en el cual el refrigerante se evapora y absorbe calor.
Evaporador de casco y tubos: Evaporador del tipo inundado, utilizado
principalmente para enfriar líquidos. Generalmente, el líquido circula
por los tubos que están dentro del casco cilíndrico, o viceversa.
Evaporador de expansión directa: Evaporador que utiliza como dispositivo
de control de líquido, una válvula de expansión automática, o una de
termo expansión.
Evaporador inundado: Evaporador que todo el tiempo contiene
refrigerante líquido.
Evaporador seco: Evaporador en el que el refrigerante está en forma de
gotas.
Excéntrico: Círculo o disco montado fuera de centro en una flecha.
Filtro: Dispositivo para remover partículas extrañas de un fluido.
Filtro de carbón: Filtro de aire, que utiliza carbón activado como agente
limpiador.
603
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Filtro electrostático: Para limpiar aire, tipo de filtro que da a las partículas
una carga eléctrica. Esto causa que las partículas sean atraídas a una
placa para que sean removidas del aire.
Filtro-deshidratador: Dispositivo empleado para la limpieza del refrigerante
y del aceite, en los sistemas de refrigeración. Remueve toda clase de
contaminantes, tales como: suciedad, rebabas, ceras, humedad, ácidos,
óxidos, etc.
Flotador del lado de alta: Mecanismo para control de refrigerante, que
controla el nivel de refrigerante líquido, en el lado de alta presión del
sistema.
Flotador del lado de baja: Válvula de control de refrigerante, operada
por el nivel del refrigerante líquido, en el lado de baja presión del sistema.
Fluido: Sustancia que puede estar en estado líquido o gaseoso. Sustancia
que contiene partículas que se mueven y cambian de posición sin
separación de la masa.
Freón: Nombre comercial para una familia de refrigerantes químicos
sintéticos, fabricados por E.I. DuPont de Nemours & Company Inc.
Frío: La ausencia de calor. Temperatura considerablemente por debajo
de la normal.
Fuelle: Contenedor cilíndrico corrugado, el cual se mueve al cambiar la
presión, o proporciona un sello durante el movimiento de partes.
Fuerza: La fuerza es una presión acumulada, se expresa en Newtons (N)
en el Sistema Internacional, o en libras (Lb), en el Sistema Inglés.
Gas: Fase o estado de vapor de una sustancia. Un gas es un vapor
sobrecalentado, muy lejos de su temperatura de saturación.
Gas inerte: Gas que no cambia de estado, ni químicamente, cuando está
dentro de un sistema, aunque se exponga a otros gases.
Gas licuado: Gas por debajo de cierta temperatura y por encima de cierta
presión, que se vuelve líquido.
Gas no condensable: Gas que no se convierte en líquido a las temperaturas
y presiones de operación.
Golpe de líquido: Condición que se presenta cuando en un sistema de
expansión directa, el exceso de refrigerante líquido sale del evaporador
y entra al compresor, dañándolo.
Halógenos: Grupo de elementos a los que pertenecen el yodo, el bromo,
el cloro y el flúor.
Hidráulica: Rama de la física, que tiene que ver con las propiedades
mecánicas del agua y otros líquidos en movimiento; el flujo del refrigerante
604
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
líquido también contiene un elemento sensible a la humedad, cuyo color
indica el contenido de humedad.
Indicador de líquido y humedad: dispositivo que revela la presencia de
exceso de humedad y permite comprobar la circulación de refrigerante
líquido a través del visor.
Infiltración: Paso del aire exterior hacia el edificio, a través de ventanas,
puertas, grietas, etc.
Inhibidor: Sustancia que evita una reacción química como la oxidación
o la corrosión.
Instrumento: Dispositivo que tiene habilidades para registrar, indicar,
medir y/o controlar.
Intercambio de calor: Dispositivo utilizado para transferir calor de una
superficie caliente a una superficie menos caliente (los evaporadores y
condensadores son intercambiadores de calor).
Interruptor de presión: Interruptor operado por una disminución o por
un aumento de presión.
Interruptor de presión alta: Interruptor de control eléctrico, operado
por la presión del lado de alta, que automáticamente abre un circuito
eléctrico, si se alcanza una presión demasiado alta. Se conecta en serie
con el motor para detenerlo por alta presión.
Interruptor de presión baja: Dispositivo para proteger el motor, que
detecta la presión del lado de baja. El interruptor se conecta en serie
con el motor y lo detendrá cuando haya una presión excesivamente baja.
Interruptor de presión de aceite: Dispositivo para proteger al compresor
y el motor, en caso de una falla en la presión del aceite. Se conecta en
serie con el motor y lo detendrá, durante los períodos de baja presión
de aceite.
Hidrocarburos: Compuestos orgánicos que contienen solamente
hidrógeno y carbono, en varias combinaciones.
Higrómetro: Instrumento utilizado para medir el grado de humedad en
la atmósfera.
Higroscópico: Habilidad de una sustancia para absorber y soltar humedad,
y cambiar sus dimensiones físicas, conforme cambia su contenido de
humedad.
Humedad: Vapor de agua presente en el aire atmosférico.
Humedad absoluta: Cantidad de humedad (vapor de agua) en el aire,
indicada en g/m3 de aire seco.
Humedad relativa (hr): La cantidad de humedad en una muestra de aire,
605
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría, estando
totalmente saturado y a la misma temperatura.
Indicador de líquido electrónico: Dispositivo que envía una señal audible,
cuando al sistema le hace falta refrigerante.
Indicador de líquido y humedad: Accesorio que se instala en la línea de
líquido, que proporciona una ventana de vidrio, a través de la cual se
puede observar el nivel de líquido o la presencia de humedad en el
circuito.
Isoterma: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que en una
gráfica; representa un cambio a temperatura constante.
Isotérmica (expansión o contracción): Acción que se lleva a cabo sin un
cambio de temperatura.
Isotérmico: Cambio de volumen o presión bajo condiciones de
temperatura constante.
Joule (J): Unidad de energía del Sistema Internacional (SI). Un Joule
equivale al trabajo realizado por la fuerza de un Newton, cuando el punto
de aplicación se desplaza una distancia de un metro, en dirección de la
fuerza.
Junta de expansión: Dispositivo que se instala en la tubería, diseñado
para permitir el movimiento de la tubería a causa de expansiones y
contracciones, ocasionadas por los cambios de temperatura.
Kelvin: (Ver Escala Kelvin).
Kilocaloría: Unidad de energía y trabajo, equivalente a mil calorías. Ver
caloría.
Kilopascal (kPa): Unidad de presión absoluta equivalente a mil Pascales.
Ver Pascal.
Kilowatt (kW): Unidad de potencia equivalente a mil Watios. Ver Watio.
Lado de alta: Partes de un sistema de refrigeración que se encuentran
bajo la presión de condensación o alta presión.
Lado de baja: Partes de un sistema de refrigeración que se encuentran
por debajo de la presión de evaporación o baja presión.
Lado de succión: Lado de baja presión del sistema, que se extiende desde
el control de refrigerante, pasando por el evaporador, la línea de succión,
hasta la válvula de servicio de entrada al compresor.
Lámpara de haluro: Tipo de antorcha o soplete, para detectar fugas de
refrigerantes halogenados, de manera segura en un sistema.
Línea de descarga: En un sistema de refrigeración, es la tubería que
acarrea el gas refrigerante desde el compresor hasta el condensador.
606
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Línea de líquido: Tubería que acarrea refrigerante líquido desde el
condensador o recibidor hasta el mecanismo de control de refrigerante.
Línea de succión: Tubería que acarrea refrigerante gaseoso desde el
evaporador hasta el compresor.
Líquido: Sustancia cuyas moléculas se mueven libremente entre sí, pero
que no tienden a separarse como las de un gas.
Líquidos inflamables: Líquidos que tienen un punto de encendido abajo
de 60º C (140º F), y una presión de vapor que no excede los 276 kPa (40
psi) a 38º C (100º F).
Manómetro: Instrumento para medir presiones de gases y vapores. Es
un tubo de vidrio (o plástico) en forma de "U", con una cantidad de
líquido (agua o mercurio) y los extremos abiertos.
Manómetro compuesto: Instrumento para medir presiones por arriba y
abajo de la presión atmosférica.
Manómetro de alta presión: Instrumento para medir presiones hasta 30
bar.
Manómetro de baja presión: Instrumento para medir presiones hasta 12
bar.
Manómetro de Bourdon: Instrumento para medir presión de gases y
vapores, basado en el tubo de Bourdon. Es circular y consta de carátula
y aguja para indicar la presión.
Manómetro de compresión: Instrumento usado para medir presiones
positivas (por encima de la presión atmosférica) solamente. La carátula
de estos manómetros, normalmente va de 0 a 300 psig (101.3 a 2,170
kPa).
Manovacuómetro: Ver Vacuómetro.
Medidor de flujo: Instrumento utilizado para medir la velocidad o el
volumen de un fluido en movimiento.
Miscibilidad: La capacidad que tienen las sustancias para mezclarse.
Monoclorodifluorometano: Refrigerante mejor conocido como R-22. Su
fórmula química es CHClF2. El código de color del cilindro donde se
envasa es verde.
Monóxido de carbono (CO): Gas incoloro, inodoro y venenoso. Se
produce cuando se quema carbón o combustibles carbonosos con muy
poco aire.
Motor: Máquina rotatoria que transforma energía eléctrica en movimiento
mecánico.
607
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Motor hermético: Motor que mueve al compresor, sellado, dentro del
mismo casco que contiene al compresor.
Neopreno: Hule sintético, resistente al aceite y gas hidrocarburo.
Newton: Unidad de fuerza del Sistema Internacional (SI), equivalente
a la fuerza ejercida sobre un objeto que tiene una masa de un kilogramo,
y una aceleración gravitacional de 1 m/seg2.
Orgánico: Perteneciente a/o derivado de organismos vivos.
Orificio: Abertura de tamaño exacto para controlar el flujo de fluidos.
Ozono: Una forma de oxígeno, O3, que tiene tres átomos en su molécula;
generalmente es producido por descargas eléctricas a través del aire. La
capa de ozono, es la capa externa de la atmósfera de la tierra, que absorbe
la luz ultravioleta del sol, y protege a las capas más bajas y a la tierra de
los dañinos rayos. En esta capa de ozono se han producido agujeros
causados por el cloro. Los clorofluorocarbonos (CFC's) contienen cloro,
y cuando se liberan a la atmósfera, deterioran la capa de ozono.
Pascal (Pa): Unidad de presión absoluta en el sistema internacional (SI);
es igual a la fuerza de un Newton ejercida sobre una superficie de un
m2; Pa = N/m2. Para algunos fines científicos o prácticos, el Pascal puede
resultar una unidad muy pequeña, por lo que entonces se utiliza el
kiloPascal (kPa) o el BAR. 1 kPa = 1,000 Pa y 1 BAR = 100 kPa.
Pascal, Ley de: Esta ley establece que la presión aplicada a un fluido, se
transmite igualmente en todas direcciones. Para honrar a Pascal, el
sistema internacional de unidades (SI) utiliza el término Pascal como
unidad de presión.
Peine para condensador: Dispositivo en forma de peine, de metal o
plástico, usado para enderezar las aletas de metal en los condensadores.
pH: Medición de la concentración de iones de hidrógeno libres en una
solución acuosa. El rango del pH va de 1 (acidez) hasta 14 (alcalinidad).
Un pH de 7 es neutro.
Piezoeléctrico: Propiedad del cristal de cuarzo que le causa vibración,
cuando se le aplica un voltaje de alta frecuencia (500 kHz o más alto).
Placa de identificación: Placa comúnmente montada sobre el casco de
los compresores y motores, que proporciona información relativa sobre
el fabricante, número de parte y especificaciones.
Plato de válvulas: Parte del compresor ubicada entre la parte alta del
cuerpo del compresor y la cabeza. Contiene las válvulas y los puertos del
compresor.
Polea: Volante plano con ranuras en forma de "V". Cuando se instala en
el motor y en el compresor, proporciona medios para darle movimiento.
608
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
PPM (Partes Por Millón): Unidad para medir la concentración de un
elemento en otro.
Presión: Energía impactada sobre una unidad de área. Fuerza o empuje
sobre una superficie.
Presión absoluta: Es la suma de la presión manométrica más la presión
atmosférica.
Presión atmosférica: Presión que ejerce el aire atmosférico sobre la tierra.
Se mide en kPa, mm de Hg, kg/cm2, etc. Al nivel del mar, tiene un valor
de 101.325 kPa.
Presión crítica: Condición comprimida del refrigerante, en la cual el
líquido y el gas tienen las mismas propiedades.
Presión de alta: Término empleado para referirse a la presión a la que
se lleva a cabo la condensación, en un sistema de refrigeración.
Presión de baja: Presión del lado de baja del ciclo de refrigeración, a la
que se lleva a cabo la evaporación.
Presión de condensación: Presión dentro de un condensador, a la que
el vapor de refrigerante cede su calor latente de evaporación y se vuelve
líquido. Varía con la temperatura.
Presión de descarga: En un sistema de refrigeración, se llama así a la
presión contra la que descarga el compresor. Comúnmente, es la presión
que existe en el lado del condensador, y se mide en la descarga del
compresor.
Presión de diseño: La más alta o más severa presión esperada durante
la operación. Algunas veces, se usa como la presión de operación calculada,
más una tolerancia por seguridad.
Presión de operación: Presión real a la cual trabaja el sistema, bajo
condiciones normales. Puede ser positiva o negativa (vacío).
Presión de succión: En un sistema de refrigeración, se llama así a la
presión a la entrada del compresor.
Presión de vapor: Presión ejercida por un vapor o un gas.
Presión de vaporización: Presión dentro de un evaporador, a la que el
líquido de refrigerante absorbe su calor latente de evaporación y se vuelve
vapor. Varía con la temperatura.
Presión estática: Presión de un fluido, expresada en términos de la altura
de columna de un fluido, tal como el agua o el mercurio.
Presiones parciales: Condición donde dos o más gases ocupan un espacio,
cada uno ejerciendo parte de la presión total.
Presostato de presión alta: Ver interruptor de presión alta.
609
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Presostato de presión baja: Ver interruptor de presión baja.
Presostato de presión de aceite: Ver interruptor de presión de aceite.
Pre-enfriador: Dispositivo que se utiliza para enfriar el refrigerante, antes
de que entre al condensador principal.
Proceso: Cambio de estado termodinámico de un sistema.
Propano: Hidrocarburo volátil, utilizado como combustible o refrigerante.
Protector de sobrecarga: Dispositivo operado ya sea por temperatura,
corriente o presión, que detiene la operación de la unidad, si surgen
condiciones peligrosas.
Protector (eléctrico): Dispositivo eléctrico que abrirá un circuito eléctrico,
si ocurren condiciones eléctricas excesivas.
Punto de congelación: Temperatura a la cual se solidifica un líquido al
extraerle calor. La temperatura (o punto) de congelación del agua es de
0 ºC (32 ºF), a la presión normal o atmosférica.
Punto de congelación, depresión del: Temperatura a la cual se forma
hielo, en una solución de agua con sal.
Punto de ebullición: Temperatura a la que un líquido hierve, bajo la
presión atmosférica de 101.3 kPa. El punto de ebullición del agua pura
es de 100 ºC a nivel del mar.
Punto de escurrimiento: La temperatura más baja a la cual un líquido
escurrirá o fluirá.
Punto de fusión: Temperatura a la cual se derrite o se funde una sustancia
a la presión atmosférica.
Punto de ignición: En los líquidos, es la temperatura a la cual arden, y
continúan quemándose, por lo menos durante 5 segundos.
Punto de inflamación: En los líquidos, es la temperatura más baja, en la
cual el vapor que existe sobre la superficie se inflama cuando se expone
a una flama, pero que se apaga inmediatamente.
Purgar: Liberar gas comprimido hacia la atmósfera, a través de una o
varias partes, con el propósito de eliminar contaminantes.
Quemadura de motocompresor: Condición en la cual el aislamiento del
motor eléctrico se deteriora, debido a un sobrecalentamiento.
Radiación: Transmisión de calor por rayos térmicos u ondas
electromagnéticas.
Recalentamiento: 1- Temperatura del vapor arriba de su temperatura de
ebullición (saturación) a la misma presión. 2- La diferencia entre la
temperatura a la salida del evaporador, y la temperatura más baja del
refrigerante, que se está evaporando en el evaporador
610
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Recipiente de líquido: Cilindro o contenedor conectado a la salida del
condensador, para almacenar refrigerante líquido en un sistema.
Reciclado de refrigerante: Limpiar el refrigerante para volverlo a usar,
reduciendo su humedad, acidez y materia en suspensión. Generalmente,
se aplica a procedimientos en el sitio de trabajo, o en talleres de servicio
locales.
Recuperación de refrigerante: Recoger refrigerante y colocarlo en un
cilindro, sin necesariamente efectuarle pruebas.
Refrigeración: proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura
de un espacio o materia por debajo de la temperatura del entorno.
Refrigerador libre de escarcha: Gabinete de refrigeración que opera con
deshielo automático durante cada ciclo.
Refrigerante: Sustancia utilizada en los mecanismos de refrigeración.
Absorbe calor en el evaporador, cambiando de estado de líquido a vapor,
liberando su calor en un condensador, al regresar de nuevo del estado
gaseoso al estado líquido.
Refrigerantes halogenados: Grupo de refrigerantes sintéticos, que en su
estructura química contienen uno o varios átomos de elementos
halogenados, tales como flúor, cloro o bromo.
Relación de compresión: Relación de volumen del espacio muerto con
el volumen total del cilindro. En refrigeración, también se utiliza como
la relación de la presión absoluta del lado de alta, entre la presión absoluta
del lado de baja.
Resistencia: Oposición al flujo o movimiento. Coeficiente de fricción.
Rocío: Humedad atmosférica condensada, depositada en forma de
pequeñas gotas sobre las superficies frías.
Rocío, punto de: Temperatura a la cual el vapor de agua del aire (a 100%
de humedad relativa) comienza a condensarse y depositarse como líquido.
Rosca hembra: Cuerda interior de las conexiones, válvulas, cuerpos de
máquina y similares.
Rosca macho: Cuerda exterior sobre la tubería, conexiones, válvulas, etc.
Rotor: Parte giratoria o rotatoria de un mecanismo.
R-11, Tricloromonofluorometano: Refrigerante químico, sintético, de
baja presión, que también se utilizaba como fluido limpiador. Actualmente
está descontinuado.
R-12, Diclorodifluorometano: Refrigerante químico, sintético
popularmente conocido como freón 12. Actualmente está regulada su
producción.
611
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
R-160, Cloruro de etilo: Refrigerante tóxico raramente utilizado.
R-170, Etano: Refrigerante para aplicación en baja temperatura.
R-22, Monoclorodifluorometano: Refrigerante para baja temperatura.
Su punto de ebullición es de -40.5° C a la presión atmosférica.
R-290, Propano: Refrigerante para aplicación en bajas temperaturas.
R-500: Refrigerante que es una mezcla azeotrópica de R-12 y R-152a.
R-502: Refrigerante que es una mezcla azeotrópica de R-22 y R-115.
R-600, Butano: Refrigerante para aplicación en bajas temperaturas.
También se utiliza como combustible.
R-717, Amoniaco: Refrigerante popular para sistemas de refrigeración
industrial; también es un refrigerante común en sistemas de absorción.
Salmuera: Agua saturada con un compuesto químico que puede ser una
sal.
Sangrar: Reducir lentamente la presión de un gas o de un líquido en un
sistema o cilindro, abriendo lentamente una válvula. Este término se
aplica también a la acción de drenar constantemente una pequeña
cantidad de agua de un condensador evaporativo o de una torre de
enfriamiento. El agua nueva que reemplaza al agua "sangrada" diluye las
impurezas que forman el sarro.
Saturación: Condición existente cuando una sustancia contiene la mayor
cantidad que pueda retener de otra sustancia, a esa presión y temperatura.
Sello de fuelle: Método de sellar el vástago de la válvula. Los extremos
del material sellante se aseguran al bonete y al vástago. El sello se expande
y se contrae con el nivel del vástago.
Sello del cigüeñal: Unión a prueba de fugas entre el cigüeñal y el cuerpo
del compresor.
Sello del compresor: Sello a prueba de fugas entre el cigüeñal y el cuerpo
del compresor, en un compresor de tipo abierto.
Semiconductor: Clase de sólidos cuya habilidad para conducir electricidad
está entre la de un conductor y la de un aislante.
Sensor: Material o dispositivo que sufre cambio en sus características
físicas o electrónicas al cambiar las condiciones circundantes.
Separador de aceite: Dispositivo utilizado para eliminar aceite del gas
refrigerante.
Sistema de control: Todos los componentes que se requieren para el
control automático de la variable de un proceso.
Sistema de refrigerante secundario: Sistema de refrigeración en el que
612
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
el condensador es enfriado por el evaporador de otro sistema de
refrigeración (primario).
Sistema hermético: Sistema de refrigeración que tiene un compresor
impulsado por un motor, y ambos están contenidos en la misma carcasa.
Sistema inundado: Tipo de sistema de refrigeración en el cual el
refrigerante líquido llena todo el evaporador.
Sistema remoto: Sistema de refrigeración en el que la unidad de
condensación está alejada del espacio enfriado.
Sistema seco: Sistema de refrigeración que tiene el refrigerante líquido
en el evaporador, principalmente en una condición atomizada o en
forma de gotas.
Sistema tipo abierto: Sistema de refrigeración con compresor movido
por bandas, o directamente acoplado.
Sobrecarga: Carga mayor a aquella para la cual fue diseñado el sistema
o mecanismo.
Soldadura con plata: Proceso de soldadura en el que la aleación contiene
algo de plata.
Soldar: Unión de dos metales con material de aporte no ferroso, cuyo
punto de fusión es menor al del metal base.
Solenoide: Bobina enrollada alrededor de un material no magnético
(papel o plástico). Comúnmente, lleva un núcleo de hierro móvil, el cual
es atraído por el campo magnético al energizarse la bobina.
Solución: Líquido mezclado con otro líquido o sólido completamente
disuelto. Una solución acuosa de bromuro de litio (comúnmente usada
en sistemas de absorción) es agua con una cantidad de bromuro de litio
disuelta. Las soluciones "fuertes" o "débiles" son aquellas con
concentraciones altas o bajas, respectivamente, de otro líquido o sólido.
Subenfriamiento: Enfriamiento de refrigerante líquido por debajo de su
temperatura de condensación.
Sustancia: Cualquier forma de materia o material.
Tanque de hielo: Tanque que contiene serpentines de refrigeración u
otras superficies donde se pueda acumular hielo durante los períodos
de poca o ninguna demanda de agua helada. Cuando ocurre la demanda
el hielo acumulado se derrite para abastecer agua helada.
Tapón de seguridad: Dispositivo que libera el contenido de un recipiente,
antes de alcanzar las presiones de ruptura.
Temperatura: 1- Intensidad de calor o frío, tal como se mide con un
termómetro. 2- Medición de la velocidad del movimiento de las moléculas.
613
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Temperatura absoluta: Temperatura medida desde el cero absoluto.
Temperatura ambiente: Temperatura de un fluido (generalmente el aire)
que rodea un objeto por todos lados.
Temperatura crítica: Temperatura a la cual el vapor y el líquido tienen
las mismas propiedades.
Temperatura de bulbo húmedo: Medición del grado de humedad. Es la
temperatura de evaporación de una muestra de aire.
Temperatura de bulbo seco: Temperatura del aire, medida con un
termómetro ordinario.
Temperatura de condensación: Temperatura dentro de un condensador,
en el que el vapor de refrigerante cede su calor latente de evaporación
y vuelve líquido. Varía con la presión.
Temperatura de ebullición: Temperatura a la cual un líquido cambia a
gas.
Temperatura efectiva: Efecto global de la temperatura sobre un humano,
humedad y movimiento del aire.
Temperatura de vaporización: Temperatura dentro de un evaporador,
en el que el liquido de refrigerante absorbe su calor latente de evaporación
y vuelve vapor. Varía con la presión.
Termodinámica: Rama de las ciencias; trata con las relaciones entre el
calor y la acción mecánica.
Termómetro: Instrumento para medir temperaturas.
Termostato: Dispositivo que detecta las condiciones de la temperatura
ambiente, y a su vez, acciona para controlar un circuito.
Tonelada de refrigeración: Efecto refrigerante, equivalente a la cantidad
de calor que se requiere para congelar una tonelada corta (2,000 lb) de
agua a hielo, en 24 horas. Esto puede expresarse como sigue: 1 TR=
12,000 btu/h = 3,024 kcal/h.
Torre de enfriamiento: Dispositivo que enfría por evaporación del agua
en el aire. El agua es enfriada hasta la temperatura de bulbo húmedo
del aire.
Transmisión de calor: Movimiento de calor desde un cuerpo o sustancia
a otro. El calor puede transmitirse por radiación, conducción, convección
o combinación de las tres anteriores.
Tubo de Bourdon: Tubo de metal elástico, aplanado, de paredes delgadas
y doblado en forma circular, que tiende a enderezarse al aumentar la
presión dentro del mismo. Se utiliza en manómetros.
Tubo capilar: Tubo de diámetro interior pequeño, que se utiliza para
614
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
controlar el flujo de refrigerante hacia el evaporador. Se utiliza,
generalmente, en sistemas de refrigeración pequeños, tales como
refrigeradores domésticos, unidades de aire acondicionado de ventana,
etc.
Tubo de Pitot: Tubo utilizado para medir velocidades del aire.
Unidad de condensación: Parte de un mecanismo de refrigeración que
succiona vapor de refrigerante del evaporador, lo comprime, lo licúa en
el condensador y lo regresa al control de refrigerante.
Unión: Punto de conexión (como entre dos tubos).
Unión caliente: La parte de un circuito termoeléctrico que libera calor.
Unión fría: Parte de un sistema termoeléctrico que absorbe calor conforme
opera el sistema.
Vacío: Presión menor que la atmosférica.
Vacuómetro: Instrumento para medir vacío muy cercano al vacío perfecto.
Válvula: Accesorio utilizado para controlar el paso de un fluido.
Válvula de aguja: Tipo de válvula que tiene el asiento del vástago en
forma de aguja, y un orificio pequeño en el asiento del cuerpo; sirve
para medir flujos bajos con mucha precisión.
Válvula de alivio: Válvula de seguridad en sistemas sellados. Abre para
liberar fluidos, antes de que alcancen presiones peligrosas.
Válvula de control: Válvula que regula el flujo o presión de un medio,
el cual afecta a un proceso controlado. Las válvulas de control son
operadas por señales remotas de dispositivos independientes, que utilizan
cualquier cantidad de medios de control, tales como neumáticos, eléctricos
o electrohidráulicos.
Válvula de descarga: Válvula dentro del compresor de refrigeración, que
permite que salga del cilindro el gas refrigerante comprimido hacia la
línea de descarga, evitando que se devuelva.
Válvula de dos vías: Válvula con un puerto de entrada y uno de salida.
Válvula de expansión: Tipo de control de refrigerante, que mantiene
presión constante en el lado de baja del sistema de refrigeración. La
válvula es operada por la presión en el lado de baja o de succión. Con
frecuencia, se le conoce como válvula de expansión automática
Válvula de flotador: Tipo de válvula que opera con un flotador sobre la
superficie del líquido, controlando su nivel.
Válvula de gas: Dispositivo en la tubería para arrancar, parar o regular
el flujo de un gas.
615
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
Válvula de líquido-vapor: Válvula manual doble que se utiliza comúnmente
en los cilindros de refrigerante, con la cual se puede obtener refrigerante,
ya sea en forma líquida o vapor, del cilindro.
Válvula de presión de agua: Dispositivo utilizado para controlar el flujo
de agua. Es responsable de crear la presión piezométrica del sistema de
refrigeración.
Válvula de retención: Válvula de globo que acciona automáticamente,
y que sólo permite el flujo en un solo sentido.
Válvula de servicio: Dispositivo utilizado en cualquier parte del sistema
donde se desea verificar presiones, cargar refrigerante o hacer vacío o
dar servicio.
Válvula de servicio de descarga: Válvula de dos vías operada manualmente,
ubicada en la entrada del compresor. Controla el flujo de gas de la
descarga; se usa para dar servicio a la unidad.
Válvula de servicio de succión: Válvula de dos vías operada manualmente,
ubicada en la entrada del compresor. Controla el flujo de gas de la
succión; se usa para dar servicio a la unidad.
Válvula de succión: Válvula dentro del compresor de refrigeración que
permite el ingreso del vapor de refrigerante, proveniente de la línea de
succión, al cilindro, evitando que se devuelva.
Válvula de termo expansión: Válvula de control operada por la temperatura
y presión dentro del evaporador. Controla el flujo de refrigerante hacia
el evaporador. El bulbo sensor se instala a la salida del evaporador.
Válvula de tres vías: Válvula de control de flujo con tres puertos, para el
flujo de fluidos.
Válvula reguladora de presión: Dispositivo instalado en la línea de succión,
que mantiene una presión constante en el evaporador, durante una parte
de trabajo del ciclo.
Válvula reversible: Válvula utilizada en bombas de calor para invertir el
sentido del flujo, dependiendo de si se desea refrigeración o calefacción.
Válvula solenoide: Válvula diseñada para funcionar por acción magnética,
a través de una bobina energizada eléctricamente. Esta bobina acciona
un núcleo móvil, el cual abre o cierra la válvula.
Válvula termostática: Válvula controlada por elementos que responden
a cambios de temperatura.
Vapor: Estado o fase de una sustancia que está en su temperatura de
saturación, o muy cercano a ella.
Vapor saturado: Vapor que se encuentra a las mismas condiciones de
616
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
temperatura y presión que el líquido del cual se está evaporando. Es
decir, si este vapor se enfría, se condensa.
Vaporización: Cambio del estado líquido al gaseoso.
Velocímetro: Instrumento que mide velocidades del aire, utilizando una
escala que indica directamente la velocidad del aire.
Ventilación: Flujo de aire forzado, por diseño, entre un área y otra.
Ventilador: Dispositivo de flujo radial o axial, usado para mover o producir
flujo de gases.
Ventilador centrífugo: Algunas veces llamado ventilador de jaula de
ardilla. El ventilador o rotor va dentro de una cámara involuta de metal,
para dirigir el aire. El ventilador "bombea" el aire por medio de una
fuerza centrífuga, generada por las aspas del rotor al girar. Este tipo de
ventilador se utiliza cuando se necesita vencer una resistencia externa
para circular el aire.
Ventilador del condensador: Dispositivo utilizado para mover aire a través
del condensador enfriado por aire.
Ventilador del evaporador: Ventilador que incrementa el flujo de aire
sobre la superficie de intercambio de calor de los evaporadores.
Volumen específico: Volumen por unidad de masa de una sustancia
(m3/kg).
Watio (W): Unidad de potencia, equivale a la potencia producida al
realizar un trabajo de 1 Joule por segundo (1 Watio = 1 J/s).
Zeotrópica, mezcla: Mezcla de dos o más líquidos de diferente volatilidad.
Cuando se usa como refrigerante, al hervir en el evaporador, se evapora
un mayor porcentaje del componente más volátil, y cambia el punto de
ebullición del líquido remanente.
Zona de confort: Área sobre una carta psicrométrica, que muestra las
condiciones de temperatura, humedad, y algunas veces, el movimiento
del aire, en que la mayoría de la gente se siente confortable.
617
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN
1. ¿Cuál es la misión del compresor?
2. Los compresores alternativos, de tornillo y rotativos ¿Qué clase de
compresores son y por qué?
3. ¿Qué diferencia existe entre un compresor abierto y un compresor
hermético?
4. Calcular el punto de apertura ‘Se’ de la válvula de aspiración sin
tener en cuenta la inercia de la misma, siendo el espacio muerto ‘e’
de un compresor 0,7 mm y la carrera ‘S’ de 70 mm. La presión de
descarga es de 6,1 bares y la presión de aspiración es de 1,95 bares.
5. ¿Qué parte de un compresor alternativo transforma el movimiento
rotativo del eje en movimiento alternativo?
6. Indica cómo varia el rendimiento volumétrico real de un compresor
al aumentar los siguientes parámetros del compresor:
a) Espacio muerto.
b) Relación de compresión.
c) Velocidad del refrigerante.
7. ¿Interesa más que el compresor trabaje en régimen húmedo o en
régimen seco? ¿Por qué?
8. Un compresor monocilindrico de amoniaco de simple efecto y una
sola etapa debe producir una potencia de 125.000 frig/h (potencia
real) entre las temperaturas de evaporación Te=-10ºC y condensación
Tc=+25ºC.
Calcular el diametro del pistón sabiendo
n=Velocidad de giro: 800 r.p.m
ve= Volumen específico: 0,42 m3/kg
=Densidad= 1/ve = 2,38 kg/m3
L= Carrera del pistón: 55 cm
= rendimiento volumétrico real= 0.81
Entalpía a la entrada del evaporador: 117 Kcal/h
Entalpía a la salida del evaporador: 398 Kcal/h
9. ¿Para que sirve un evaporador?
10. Entre un evaporador de expansión seca y un evaporador inundado,
¿cuál tiene mayor coeficiente de transmisión térmica, y por tanto
mayor rendimiento y por qué?
619
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
11. En instalaciones que funcionan por debajo de -1ºC y con problemas
de escarcha, ¿qué tipo de evaporador elegirías entre el evaporador
de tubos lisos, de placas, o con aletas? ¿Por qué?
12. ¿De qué factores depende la elección de la velocidad de circulación
del aire, y cómo influye sobre la humedad del espacio a refrigerar?
13. Define sistema de expansión directa.
14. Enumera 4 sustancias que sean utilizadas como refrigerante secundario.
15. Define capacidad frigorífica del evaporador.
16. ¿De que parámetros depende la capacidad frigorífica de un
evaporador?
17. Define diferencia de temperatura en el evaporador e indica cómo
influye sobre la humedad del espacio a refrigerar.
18. ¿De qué manera se puede aumentar la superficie de intercambio
térmico en un evaporador?
19. ¿Cuáles son las consecuencias de la formación de escarcha?
20. Diferencia entre los métodos de desescarche de tipo externo y de
tipo interno.
21. ¿Qué limitación tienen la mayoría de los sistemas de desescarche de
tipo externo?
22. ¿Qué métodos de desescarche de tipo interno existen?
23. ¿Qué tipo de condensador seleccionarías si se dispusiera de agua en
cantidades suficientes y sin limitaciones, y si el agua fuera un elemento
condicionante?
24. Define coeficiente global práctico de transmisión térmica.
25. Enumera de mayor a menor coeficiente global de transmisión térmica
los siguientes tipos de condensadores:
Condensador enfriado por agua de doble tubo a contracorriente.
Condensador evaporativo.
Condensador enfriado por aire de circulación forzada.
Condensador multitubular vertical.
Condensador enfriado por aire de circulación natural.
26. Indica qué incremento de temperatura del medio condensante se
admite en un evaporador enfriado por agua y en otro enfriado por
aire, y qué temperatura de condensación se admite respecto a la
temperatura de salida del medio condensante.
620
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
27. Enumerar las válvulas que actúan como dispositivos de control de
flujo de efrigerante.
28. Describir la función de la válvula de expansión termostática y las
variables a las que responde.
29. ¿Cuáles son las principales aplicaciones de las válvulas manuales?
30. ¿Cómo funciona una válvula de cuatro vías en una bomba de calor?
31. ¿Qué dispositivo s emplea para la reducción de la capacidad del
compresor y cómo actúa?
32. ¿Qué dispositivo actúa cuando la presión de impulsión adquiere un
valor por encima del determinado?
33. ¿Qué dispositivo actúa sobre el compresor cuando la presión de
aspiración es demasiado baja?
34. ¿Describir los dispositivos que actúan como órganos de seguridad
para la descarga de refrigerante cuando existe sobrepresión en el
sistema?
35. ¿Cuáles son las ventajas de emplear un sistema de control por
microprocesador respecto a un sistema convencional?
36. Describir la función de las torres de refrigeración dentro de una
instalación frigorífica y los procesos de enfriamiento del agua en su
interior.
37. Describir brevemente los distintos tipos de torres de refrigeración.
38. Citar y describir las partes componentes de una torre de refrigeración.
39. Desarrollar los términos ecuación característica, salto térmico,
acercamiento y eficiencia aplicados a una torre de refrigeración.
40. Calcular el caudal de aire que es necesario aportar a una torre de
refrigeración de la que se sabe que en las condiciones de diseño
enfría un caudal de agua de 3 l/seg, al que le proporciona un salto
térmico de 8 ºC y que las entalpías del aire a la entrada y a la salida
son, respectivamente de 50 y 70 KJ/Kg. Calcular la potencia de
refrigeración que está disipando la torre.
41. Citar las operaciones de mantenimiento a realizar en una torre de
refrigeración.
42. ¿Cuál es la función del receptor de líquido?
43. ¿Cuáles son las principales causas de entrada de refrigerante líquido
al compresor?
44. ¿Cuál es el dispositivo que evita la entrada de líquido al compresor
y dónde se sitúa?
621
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
45. ¿Cómo se obtiene la separación de aceite del fluido frigorígeno en
un separador de aceite?
46. Describir el proceso por el que actúa la válvula de retorno de aceite.
47. ¿Por qué debe depurarse el aceite de retorno a los compresores?
48. ¿Cuáles son los efectos de los contaminantes sólidos en el circuito
frigorífico y qué medidas deben adoptarse para evitar la entrada de
contaminantes en el sistema?
49. ¿Cómo se detecta la presencia de humedad en el circuito?
50. ¿Puede emplearse el cobre con el amoniaco?
51. ¿Cuándo se prohíben las soldaduras blandas?
52. ¿Cuáles son las principales características del cobre?
53. ¿Por qué es necesario taparlos tubos de cobre durante la ejecución
de la instalación frigorífica?
54. ¿Por qué es necesario aislar la instalación?
55. ¿Qué propiedades deben cumplir los materiales aislantes?
56. ¿Citar algunos de los materiales utilizados como aislante térmicos?
57. Describir las distintas funciones que cumplen los lubricantes dentro
de una instalación frigorífica.
58. Citar los distintos tipos de lubricante en función de su origen y
describir su aplicabilidad en refrigeración.
59. Enumerar las características que debe poseer un aceite de refrigeración.
60. Definir brevemente las siguientes propiedades de un lubricante:
Viscosidad, puntos de escurrimiento y floculación, número de
neutralización y carbonización.
61. Enumerar las propiedades de los lubricantes que suelen mejorarse
con la incorporación de aditivos.
62. Describir la función de los refrigerantes en la instalación frigorífica.
Diferencias entre los fluidos frigorígenos y fluidos frigoríferos.
63. Respecto a la siguiente lista de características físicas de un refrigerante,
hacer una evaluación cualitativa y justificada sobre su valor deseable
en una instalación frigorífica: presión de vapor, presión de
condensación y calor latente de vaporización.
64. Describir la problemática de la humedad en las instalaciones
frigoríficas.
65. Describir la problemática referente a la solubilidad entre lubricantes
y refrigerantes.
622
MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
U.D. 5 EQUIPOS Y MATERIALES
66. Hacer un breve repaso de la historia de los refrigerantes, nombrando
los hitos clave que han permitido llegar al estado actual en cuanto
a refrigeración.
67. Describir el proceso de carga de refrigerante de una instalación de
refrigeración.
68. Definir los términos recuperación, reciclado y reproceso de un
refrigerante.
69. Nombrar los criterios que permiten distinguir una instalación en
buen estado de otra averiada.
70. Enumerar los principales puntos a controlar de una instalación
frigorífica para conocer si su estado de funcionamiento es correcto
o no.
71. Citar las herramientas necesarias para efectuar las labores habituales
de mantenimiento.
72. Definir la función de las siguientes herramientas: abocardador,
escariador, vacuómetro, cilindro de carga, puente de manómetros.
73. Citar posibles causas para los siguientes problemas: alta presión de
condensación en el caso de condensadores enfriados por agua; y el
compresor enfría, pero no para o funciona demasiado tiempo.
74. Describir los métodos para: recoger el refrigerante en el depósito,
eliminar la humedad en una instalación frigorífica y limpiar un
circuito de refrigerantes.
75. ¿Qué son las hojas de mantenimiento?
76. Documentación del compresor que es conveniente posee