Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío

Técnico en Montaje y Mantenimiento
de Instalaciones de Frío,
Climatización y Producción de Calor
Unidad
FORMACI‡N PROFESIONAL A DISTANCIA
CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
MÓDULO
Máquinas y Equipos Frigoríficos
Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES DE FRÍO,
CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR
Título del Módulo: MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS
Dirección:
Dirección General de Formación Profesional.
Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente.
Dirección de la obra:
Alfonso Gareaga Herrera
Antonio Reguera García
Arturo García Fernández
Ascensión Solís Fernández
Juan Carlos Quirós Quirós
Luis María Palacio Junquera
Manuel F. Fanjul Antuña
Yolanda Álvarez Granda
Coordinación de contenidos del ciclo formativo:
Javier Cueli Llera
Autor:
Javier Cueli Llera
Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias
Coordinación:
Javier Maestro del Estal
Monserrat Rodríguez Fernández
Equipo Técnico de Redacción:
Alfonso Fernández Mejías
Ramón García Rosino
Laura Fernández Menéndez
Luis Miguel Llorente Balboa de Sandoval
José Manuel Álvarez Soto
Estructuración y desarrollo didáctico:
Isabel Prieto Fernández Miranda
Diseño y maquetación:
Begoña Codina González
Sofía Ardura Gancedo
Alberto Busto Martínez
María Isabel Toral Alonso
Colección:
Materiales didácticos de aula
Serie:
Formación Profesional Específica
Edita:
Consejería de Educación y Ciencia
Dirección General de Formación Profesional
Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente
ISBN: 84-690-1471-4
Depósito Legal: AS-0591-2006
Copyright:
© 2006. Consejería de Educación y Ciencia
Dirección General de Formación Profesional
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de los autores y del Copyright.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
Sumario general
Objetivos ......................................................................................................
4
Conocimientos ..............................................................................................
5
Introducción..................................................................................................
6
Contenidos generales.....................................................................................
6
Conceptos generales de termodinámica .........................................................
7
Intercambio de calor...................................................................................... 25
Cambios de estado en la materia.................................................................... 31
Resumen de contenidos ................................................................................. 44
Autoevaluación ............................................................................................. 46
Respuestas de actividades .............................................................................. 48
Respuestas de autoevaluación........................................................................ 52
3
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
Objetivos
Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
Diferenciar entre presión absoluta, presión relativa y presión diferencial.
4
Analizar los distintos sistemas que se emplean para medir la temperatura.
Comparar las distintas formas de transmisión de calor.
Relacionar y manejar las distintas unidades de medida empleadas en los sistemas
de transmisión de calor.
Distinguir entre calor latente, calor sensible y específico.
Realizar un cálculo sencillo sobre la cantidad de calor que se debe aportar o extra-
er en un cuerpo para modificar su temperatura y/o realizar un cambio de estado.
Describir la influencia de la presión en la evaporación de un gas.
Interpretar el diagrama de saturación o vaporización de distintas sustancias.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
Conocimientos que deberías adquirir
aCONCEPTOSS
• Conceptos generales: calor, frío, temperatura, presión, etc.
• Intercambio de calor: convección, conducción y radiación.
• Escalas de temperatura.
• Cambios de estado: calor sensible y calor latente. Calor específico.
PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS
• Resolución de problemas sencillos sobre cambios de unidades.
• Cálculo de las cantidades de calor necesarias para realizar cambios de estado y/o
variaciones de temperatura.
5
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
Introducción
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
La técnica frigorífica está basada en ciertas propiedades físicas que debemos conocer.
∂Por qué no utilizamos agua para obtener temperaturas de -18 °C? ∂Cómo es posible modificar la temperatura de ebullición de una sustancia?
6
Para el estudio de la refrigeración y climatización, es importante conocer algunos principios fundamentales de la física y la termodinámica, que veremos a lo largo de esta unidad. Date cuenta de que por ejemplo, para reparar una avería, instalar un componente
en una máquina o interpretar un catálogo tendrás que medir y/o interpretar una serie de
parámetros, como la temperatura, la presión, º así como conocer en qué unidades puede expresarse. Asimismo necesitarás saber cómo se transfiere el calor, ya que tu trabajo
está relacionado con hacer funcionar correctamente los aparatos que modifican la temperatura del ambiente.
Contenidos generales
A lo largo de esta unidad aprenderás algunos de los conceptos termodinámicos necesarios para comprender diversos aspectos de tu futuro trabajo, cómo se transfiere el calor, y
cómo calcular ese calor que es necesario transferir. Hemos incluido, para que veas un
sentido práctico de la unidad, distintos procedimientos para medir temperatura.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
Conceptos generales de termodinámica
En este capítulo nos vamos a centrar en describir las nociones básicas termodinámicas necesarias para poder comprender en las próximas unidades,
el funcionamiento de los elementos del ciclo frigorífico. También haremos
hincapié en la importancia de las unidades de medida. Para los que ya están
familiarizados con estos conceptos, les servirá como repaso o material de
referencia.
Presión
La presión es una magnitud física que se define como la fuerza por unidad de superficie.
P (Pa) =
F (N)
S (m2 ) (las unidades corresponden al Sistema Internacional)
El concepto de presión se aplica tanto a sólidos como a líquidos y gases. Ten en cuenta
que en cada uno de estos estados la presión se ejerce de forma diferente debido a que
son distintas las superficies de contacto entre los materiales y sus contenedores o sus
puntos de apoyo.
Observa la figura 1. En ella se representa cómo un bloque de hielo ejerce la presión sobre su base, el agua líquida sobre las paredes del recipiente que la contiene y el vapor en
todas las superficies de su contenedor.
Fig. 1. Presión del agua en estado sólido, líquido y vapor.
Bloque de hielo
Agua
Vapor
Fig. 1: Dirección de la presión ejercida por sólidos, líquidos y gases.
7
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
∂Conoces cuáles son las unidades más utilizadas para medir presiones? Fíjate en la siguiente tabla. En ella se recogen las empleadas con más frecuencia, así como sus equivalencias. Con esta información podrás hacer conversiones de unidades entre distintos
sistemas de medida.
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
SISTEMA
INTERNACIO
NTERNACIONAL
8
SISTEMA
ISTEMA
ANGLOSA
NGLOSAJ‡N
OTROS SISTEMAS
Pas
Pascal
bar
psi
kgf/cm2
atm
mm H2O
mm Hg
1 Pa (N/m2)
1
10-5
0,000145
1,02⋅10-5
9,87⋅10-6
0,102
0,0075
1 bar
2
(daN/cm )
1 psi
105
1
14,5
1,02
0,987
10.200
750
6.890
0,0689
1
0,0703
0,068
703
51,7
1 kgf/cm2
98.100
0,981
14,2
1
0,968
10.000
736
1 atm
101.325
1,01
14,7
1,03
1
10.300
760
1
0,0736
13,6
1
-5
1 mm H2O
0,102
10.200
0,00142
0,0001
9,68⋅10
1 mm Hg
133
0,00133
0,0193
0,0136
0,00132
Tabla 1: Equivalencias entre unidades de presión.
Tal vez no recuerdes cómo se utilizan los factores de conversión de unidades. Aquí tienes un ejemplo.
Imagina que estás trabajando con un aparato de medida inglés y éste indica una presión
de 40 psi. Es posible que te resulte mucho más familiar la presión expresada en bares.
Para realizar la conversión utilizamos las equivalencias recogidas en la tabla anterior.
Observa que 0,0001450 psi equivalen a 10-5 bar. Aplicando pues el correspondiente factor de conversión, obtenemos el resultado buscado.
40 psi⋅
10 −5 bar
= 2,75 bar
0,0001450 psi
Y si ahora queremos conocer el valor en Pascales, ∂cómo lo calculamos?
40 psi⋅
1 Pa
=275.790 Pa
0,0001450 psi
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
o Presión atmosférica, absoluta y relativa
Cuando hablamos de presión, manejamos diferentes términos: presión atmosférica, presión absoluta, presión relativa, presión diferencial... Veamos lo que significa cada uno de
ellos.
El concepto de presión atmosférica surge debido a la presión que ejerce la atmósfera
sobre la tierra. Se define como el peso de una columna de aire de sección 1 cm2 y que se
extiende desde la superficie de la tierra a nivel del mar hasta los límites superiores de la
atmósfera. Su valor es de aproximadamente 101.325 Pascales.
Para medir la presión atmosférica de forma experimental, se utiliza el baróme
barómetro.
Las unidades habituales de medida de presión atmosférica en otros sistemas son:
Atmósfera (atm).
Milímetros de mercurio (mm Hg).
La presión absoluta es la que se mide tomando como origen, es decir, como cero de presión, la correspondiente al vacío absoluto. En la escala de presión absoluta la presión
atmosférica tiene un valor de 1,013 bar, o lo que es lo mismo 101.325 Pascales. En la
figura 2 se representa de forma gráfica el fundamento del funcionamiento de un sensor
de presión durante la medida de presiones absolutas.
Fig.2: Medida de la presión absoluta.
La presión relativa o normal mide la presión tomando como origen (como cero de la escala) la presión atmosférica a nivel del mar. En la figura 3 se representa el funcionamiento
de un sensor de presión durante la medida de presiones relativas. Compárala con la figura
anterior.
9
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
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Fig. 3: Medida de la presión relativa.
10
La relación entre los tres tipos de presiones es la siguiente:
P absoluta = P atmosférica + P rela
relativa
Para medir la presión relativa de gases o líquidos contenidos en recipientes cerrados se
utiliza el manómetro.
manómetro Los manómetros indican pues la diferencia entre la presión absoluta en
un sistema y la presión atmosférica que actúa en el exterior del equipo de medida.
En la figura 4, puedes observar un manómetro convencional (4a), y un manómetro de frigorista (4b). Este último incorpora varias escalas de presión, habitualmente en psi y
bar, también una escala de temperatura, muy útil cuando
se está trabajando con refrigerantes, que permite conocer la
temperatura de evaporación o de condensación según la
presión que indique y el refrigerante que se este empleando.
Fig. 4a. Manómetro convencional.
Fig. 4b. Manómetro de frigorista.
REFRIGERANTES
PRESI‡N
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
Otros términos muy utilizados cuando hablamos de presiones son presión manométrica y
presión de vacío.
• Presión manométrica: se aplica cuando la presión del sistema es mayor que la presión local atmosférica.
P manométrica (relativa) = (P absoluta √ P atmosférica) > 0
• Presión de vacío: se utiliza cuando la presión atmosférica es mayor que la del sistema.
1
ctividad
P de vacío (relativa) = (P absoluta √ P atmosférica) < 0
a
El manómetro de la figura 4b no se encuentra conectado a
ningún circuito, como puedes ver. Sin embargo, si te fijas, la
aguja no está en el inicio de la escala. ∂Cómo explicas esto?
Otro parámetro muy utilizado es la presión diferencial o dife
diferencia de presión ∆P, que
mide la diferencia de presión entre dos puntos de una instalación.
∆P = P1 - P2
En ocasiones es muy útil conocer esta diferencia. Aquí tienes un ejemplo: cuando en un
filtro medimos la diferencia de presión y obtenemos un valor alto, quiere decir que el
filtro está ocluido o saturado. En la figura 5 se representa gráficamente el fundamento de
la medida de la presión diferencial.
Fig. 5: Medida de la presión diferencial.
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2
ctividad
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a
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Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
Imagina que dispones de un manómetro conectado a un sistema de refrigeración y que marca 0,5 bar. ∂A qué tipo de presión corresponde esta medida? ∂Cuál es la presión absoluta a
la que se encuentra sometido el sistema?
Energía
La energía es la fuerza vital de la naturaleza, está presente en todos los procesos químicos, físicos, estructurales,
etc., que se dan en nuestro entorno y
que permiten el desarrollo de nuestras
actividades en las diferentes áreas de
trabajo. También se define, como la
capacidad o aptitud para realizar un
trabajo.
trabajo Todos los cuerpos, por el solo
hecho de estar formados de materia,
contienen energía. Además, la pueden
poseer adicionalmente debido a su
movimiento, composición química,
posición, temperatura y a algunas otras
propiedades. Así se habla de energía
cinética, química, potencial, térmica,
mecánica, eléctricaº
Fig. 6: Formas de energía.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
En la refrigeración se deben tener en cuenta 3 formas comunes y relacionadas de energía:
Eléctrica. Fluye hasta un motor eléctrico y lo hace funcionar.
Mecánica. El motor eléctrico transforma la energía eléctrica en mecánica y pone en
movimiento un compresor.
Térmica. Suele producirse habitualmente por una combinación de ambas energías.
El compresor comprime el vapor a una presión y temperatura altas, y transforma la
energía mecánica en térmica.
En la siguiente tabla se recogen las unidades de energía más utilizadas y sus equivalencias.
SISTEMA
MÉTRICO
CONVENCIO
ONVENCIONAL
SISTEMA
INTERNACIO
NTERNACIONAL
NAL
SISTEMA ANGLOSA
NGLOSAJ‡N
SISTEMA TÉCNI
ÉCNICO
1
PiePie-libra
fuerrza (ft⋅
fue
(ft⋅lbf)
0,7376
9,48⋅10-4
Calo
Caloría
(cal)
0,24
0,427
4,186
3,087
0,004
1
1
107,51
1.054
778
1
252
252
kfg⋅
kfg⋅m
Julio (J) = N⋅
N⋅m
0,102
Btu
Frigo
Frigoría
0,24
Tabla 2: Unidades más importantes de energía.
Otra unidad muy utilizada en refrigeración es la frigoría. La frigoría es una unidad del sistema
técnico para medir la absorción de energía térmica. Equivale a una caloría negativa. Se usa
en sistemas frigoríficos y aire acondicionado. También se utiliza la frigo
frigoría/hora que sirve
para expresar la potencia de un sistema de refrigeración.
∂Sabías que los seres vivos, como el ser humano, necesitan energía para poder
sobrevivir? Nos alimentamos para obtener la energía que nos permita desarrollar
las funciones vitales. Por eso hablamos de las calorías que tiene la comida, se
refiere a la cantidad de energía que nos aporta. Una mujer de tipo medio precisa
1.800 calorías al día y un hombre 2.100.
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Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
Potencia
La potencia se define como la cantidad de trabajo realizado en la unidad de tiempo.
EEEE
P (w) =
(J)
(las unidades corresponden al Sistema Internacional)
t (s)
14
SISTEMA MÉTRI
ÉTRICO
CONVENCIO
ONVENCIONAL
SISTEMA
INTERNACIO
NTERNACIONAL
kfg⋅
kfg⋅m/s
kilovatio (kw) = kJ/s
J/s =
N⋅m/s
PiePie-libra fuer
fuerza por
segundo (ft⋅
(ft⋅lbf/s)
Caballo
fuerrza (HP)
fue
Caballo de va
vapor
(CV)
(CV)
102
1
737,6
1,340
1,360
76,07
0,746
550,2
1
1,013
74,868
0,735
541,4
0,986
1
SISTEMA ANGLOSA
NGLOSAJ‡N
SISTEMA TÉCNI
ÉCNICO
Tabla 3: Unidades más importantes de potencia.
Observa que la unidad recogida en la tabla 3 para el SI es el kilovatio, ya que, como suele
haber valores grandes de potencia, el vatio se queda pequeño y es más cómodo utilizar
este múltiplo suyo.
Seguro que cuando hablas de un coche haces referencia a cuántos caballos tiene.
Te estás refiriendo a su potencia, son caballos de vapor.
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ctividad
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Las unidades de medida de potencia más utilizadas y sus equivalencias son las siguientes:
a
Un aparato comercial de aire acondicionado doméstico posee
una capacidad de enfriamiento de 2.500 kilofrigorías/hora.
∂De cuánta potencia estamos hablando en kilovatios?
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
Calor y frío
El calor
calor se define como una forma de energía asociada al movimiento de las partículas que
forman la materia. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (térmica) de un sistema a otro, con la condición de que
estén a diferente temperatura. Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se
equilibra. El calor siempre fluye de la sustancia más caliente a la más fría, puede ser generado por reacciones químicas, nuclearesº y transferido entre objetos por diferentes mecanismos.
A todos los efectos las unidades de calor son las de energía. Las más utilizadas son la
caloría y el Julio junto con sus múltiplos, la kilocaloría y el kilojulio. Vuelve a consultar
la tabla 2 de esta unidad y comprueba cuáles son sus equivalencias.
Otro de los términos utilizados en termodinámica es el de frío. El frío por definición no existe,
simplemente es la ausencia de calor. Es la energía extraída en forma de calor de un sistema,
cuando su temperatura está por debajo de la de su entorno.
Temperatura
La temperatura mide la intensidad o el nivel de calor de una sustancia, es decir, lo caliente o frío
que está.
Las unidades de temperatura son:
Kelvin (K) en el SI.
Celsius o Centígrado (°C) en el sistema métrico.
Fahrenheit (°F) en el sistema anglosajón.
Fíjate en el siguiente cuadro. En él
se recogen las equivalencias entre
los distintos sistemas de unidades
de temperatura. Esta información te
será muy útil para expresar temperaturas en distintas unidades.
°C → °F
°F = (1,8 °C) +32
°F → °C
°C = (°F √ 32)⋅ 0,55
°C → K
K = 273 + °C
K → °C
°C = K - 273
°F → K
K = 255,23 + ( 0,55⋅ °F)
K → °F
°F = 1,8 K √ 459,4
Tabla 4: Equivalencias entre unidades de temperatura.
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4
ctividad
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
a
16
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
En un canal de televisión han dicho que en Nueva York está
nevando y que la temperatura es de 30 grados. ∂Cómo es posible esto?
La temperatura se mide mediante un termómetro. Los termómetros pueden estar graduados en cualquiera de las tres escalas de temperatura que ya hemos visto. Las tres, Celsius,
Kelvin y Fahrenheit, utilizan dos puntos básicos de referencia: cuando el agua empieza a
congelarse y cuando empieza a hervir. En la figura 7 se muestra la relación entre ellas.
Fig. 7: Comparación de escalas termométricas.
Si observas la figura anterior, comprobarás que tanto en el termómetro graduado en Kelvin
como en el Celsius, 100 intervalos de temperatura corresponden a una diferencia de
100 grados, aunque el valor de temperatura que indica cada termómetro es diferente.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
Una diferencia de temperatura de un Kelvin equivale a una diferencia de temperatura de un grado centígrado.
Vamos a comprobar ahora con un ejemplo que los incrementos de temperatura en grados Kelvin y centígrados coinciden. Veamos primero cuál es el incremento de temperatura, ∆T, al
pasar de 30 °C a 250 °C.
∆T =250 °C - 30 °C = 220
Si convertimos ahora las temperaturas inicial y final en grados Kelvin y calculamos de
nuevo el incremento de temperatura comprobaremos que ambos coinciden.
250 °C + 273= 523 K
30 °C + 273 = 303 K
∆T = (523-303) K = 220
Esta relación es muy importante ya que las diferencias de temperatura suelen expresarse
en K y no en °C, puesto que coinciden. Observa como al hablar del diferencial de un
termostato aparece en K y no en °C. Con frecuencia se habla de que el diferencial de un
termostato es de 5K, o de un recalentamiento de 3K en una máquina frigorífica.
TERMOSTATO CON AJUSTE POR LA PARTE SUPERIOR
Escala de Ajuste
Tipo
Punto de Ajuste Superior (°C)
Diferencial ∆T (K)
Termostatos sin conmutador selector
1
-30º +15
1,5º 16
2
-30º +15
Cada 2,5 fijo
3
-10º+35
1,5º16
4
-45º-10
1,5º 16
Contactos de baja temperatura
Observa como en el catálogo aparece el diferencial en K.
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5
ctividad
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
a
18
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
El cero absoluto de temperatura es la temperatura teórica más
baja posible, y se alcanza cuando ya no queda más calor en
una sustancia. El cero absoluto corresponde a 0 grados Kelvin.
¿A cuántos ºC y ºF equivale?
o Tipos de termómetro
Existen distintos tipos de termómetros utilizados a nivel industrial, aparte del tradicional termómetro de mercurio que seguro que has utilizado alguna vez para medir la temperatura corporal. Veamos cuáles son los más habituales.
A. Termómetro de bulbo
Estos medidores se basan en el aumento de presión que experimenta un fluido cuando aumenta la temperatura. Consisten en
un depósito o bulbo conectado mediante un capilar a un tubo en
espiral que se encuentra en el interior del manómetro. Cuando la
temperatura del bulbo aumenta, el gas o líquido que lleva en su
interior intenta expandirse, haciéndose mayor la presión que
ejerce sobre las paredes del tubo. Debido a esta presión, la
espiral se desenrolla y mueve un índice o aguja, que marca
la temperatura.
Se emplean para realizar mediciones a nivel local, poniéndolos en contacto con la superficie a medir.
CAPILAR
BULBO
Fig.8: Termómetro de
bulbo.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
B. Medidores de temperatura de contacto
Estos termómetros determinan la temperatura colocando el aparato sobre la superficie
cuya temperatura se quiere medir. Pueden determinar temperaturas entre -200 y +1.767 °C.
En tu trabajo probablemente utilizarás alguno de los que se describen a continuación:
Termorresistencia. Consiste en un alambre cuya resistencia eléctrica cambia al variar la temperatura. Las de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo, que se
llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba
humedad. La interconexión entre termorresistencias e instrumentos se realiza con
cable común de cobre. La magnitud de la corriente de medición de una termorresistencia es crítica. Si es muy alta, se produce el autocalentamiento, que aparecerá
como un error de medición.
Podríamos realizar distintas clasificaciones de las termorresistencias. Inicialmente
podríamos hablar de:
• PTC: Al aumentar la temperatura, aumenta la resistencia.
• NTC: Al aumentar la temperatura, disminuye la resistencia.
Fig. 9. Ejemplo de NTC.
Otra posible clasificación atendería al material del que están empleadas. Así
tenemos, entre otras:
• Pt 100: Son termorresistencias de platino. Tienen un valor de 100 Ω a 0 °C. Son
las que miden rangos más amplios de temperaturas, las más exactas y estables,
ya que es difícil que se contaminen con el medio en que se encuentran. Además
su relación resistencia-temperatura es más lineal que la de cualquier otro material (con la excepción del cobre).
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Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
En la figura siguiente aparece la curva de una Pt 100.
Fig. 10: Curva de una resistencia Pt 100.
• Ni 500: Termorresistencia de níquel con un valor de 500 Ω a 0°C.
Nuestro problema no es decidir que tipo de termorresistencia debemos utilizar para
cada aplicación, sino seleccionarla correctamente según las características técnicas
del instrumento de medida: numero de hilos, tipo de encapsulado, etc. Observa el
esquema eléctrico de la figura siguiente correspondiente a un programador electrónico en el que aparecen distintas alternativas para la sonda de temperatura.
Fig. 11: Esquema de conexiones de un controlador (Eliwell).
20
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
En la figura 12 puedes ver una Pt con el conversor de señal sin integrar (a) e integrado (b).
La termorresistencia necesita un dispositivo para ≈interpretar∆ a que valor de temperatura
corresponde el valor de dicha termorresistencia. Así mismo, suele ser necesario transmitir
la señal a distancias que pueden ser largas, por lo que es preciso convertir la señal de la
termorresistencia en una señal de voltios o mA. Generalmente se suelen utilizar los valores
0 √ 10 Voltios, 0 √ 20 mA ó 4 √ 20 mA.
Fig. 10.
Fig. 12. Termorresistencias de platino.
En la siguiente fotografía se muestra el aspecto de una Pt 100 sin conectar y su
apariencia una vez conectada.
Fig. 13. Termorresistencia Pt 100 instalada.
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Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
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Las señales de 4 √ 20 mA no sólo se emplean con las sondas de temperatura sino que
también son muy utilizadas con los transmisores de presión, como veremos posteriormente. En la figura aparece la señal procedente de un transmisor de presión con un rango
comprendido entre 0 y 30 bar.
22
Fig. 14: Señal correspondiente a un transmisor de presión.
Termopar. Es un dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la
fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos. No mide temperaturas absolutas, sino la diferencia entre el extremo caliente
y el frío. Los termopares son muy usados como sensores de temperatura. Son baratos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio
rango de temperaturas.
Los termopares se designan mediante letras (T, E, J, K, R, N, B) que indican los materiales que contienen. El más utilizado en el mundo de la refrigeración es el termopar tipo T (Cu-Constantan).
Fig. 15. Fundamento del funcionamiento de un termopar.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
Observa ahora la gráfica 16 y la tabla que
está a continuación y compara los rangos de
aplicación y las condiciones generales de
uso de termorresistencias y termopares.
Fig. 16: Rango de temperaturas de uso
de termorresistencias-termopares.
UTILIZACI‡N DEº
Pt100
Termopar
Cuando se requiere alta precisión
Cuando el lugar de medida requiere un termómetro
muy pequeño o delgado (<1mm)
Cuando la temperatura está por debajo de
400 °C
Cuando la temperatura excede de 400 °C
Cuando no se requiere un tiempo rápido de
respuesta
Cuando se requiere un tiempo de respuesta rápido
Cuando no se esperan choques ni
vibraciones
Cuando se esperan choques o vibraciones
Cuando se quieren evitar los problemas
eléctricos
Cuando se necesita una longitud específica
de inmersión
Tabla 5: Aplicaciones de termorresistencias y termopares.
23
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
C. Medidores de temperatura sin contacto
24
Son muy útiles en aplicaciones eléctricas, electrónicas, de calefacción, ventilación y aire acondicionado, y resultan muy seguros en
trabajos con carga eléctrica, movimientos rotativos, en posiciones
difíciles de alcanzar o con temperaturas extremadamente altas.
Generalmente poseen un rayo de luz piloto para indicar el centro
del punto de medida. En superficies brillantes o pulidas, sólo se
podrán utilizar para determinadas tendencias de temperatura. No
es posible en estos casos realizar mediciones absolutas. Son muy
cómodos de utilizar, pero más caros que los de contacto.
6
ctividad
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
Un medidor de este tipo es el termómetro por infrarrojos. Su funcionamiento se basa en la medición de la radicación infrarroja
emitida por un cuerpo para determinar su temperatura.
a
Fig. 17: Termómetro
por infrarrojos.
∂Existe alguna temperatura en la que marquen lo mismo un
termómetro graduado en la escala Celsius y otro graduado en
la escala Fahrenheit?
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
Intercambio de calor
En el capítulo anterior hemos visto algunas de las principales propiedades termodinámicas de la materia, como el calor. Vamos a estudiar ahora cómo se
transfiere el calor entre diferentes sustancias, algo que nos es familiar, ya que
por ejemplo, echamos leche fría en el café caliente para enfriarlo, o en invierno
nos abrigamos para no pasar frío. Estos son algunos ejemplos cotidianos de
transferencias de calor, un fenómeno muy presente en el mundo de las climatizaciones.
La transferencia de calor
La transferencia de calor es un proceso de intercambio de energía entre distintos cuerpos,
o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.
Existen tres formas de transmisión de calor:
Convección.
Radiación.
Conducción.
Aunque estos tres mecanismos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que
uno de ellos predomine sobre los otros dos.
Ejemplos
El calor se transmite a través de la pared de una casa
fundamentalmente por conducción.
El agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se
calienta en gran medida por convección.
La Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por
radiación.
25
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
Vamos a ver a continuación en qué consiste cada uno de los mecanismos de transmisión
de calor.
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
o Convección
26
Cuando existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi
seguro que se producirá un movimiento de las propias partículas del fluido, transfiriéndose calor desde las zonas calientes a las frías, por un proceso llamado convección. El fenómeno de convección requiere de un movimiento de materia, por lo que es característico de líquidos y gases.
El movimiento del fluido puede ser:
Natural. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad suele disminuir. Si el fluido
se encuentra en el campo gravitatorio, el más caliente y menos denso asciende,
mientras que el más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido
exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural.
Supón que calentamos una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se
calienta por el calor que se ha transmitido a través de la cacerola. Al expandirse, su
densidad disminuye y como resultado de ello, el agua caliente asciende y parte del
fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación
en el seno del líquido. El líquido más frío situado abajo vuelve a calentarse e inicia su
ascensión, mientras que el líquido más caliente, situado arriba, pierde parte de su calor
cediéndolo al aire situado por encima, enfriándose y volviendo a descender. Y así continuamente.
Este fenómeno también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes y las corrientes oceánicas.
En instalaciones frigoríficas o de producción de calor tenemos el caso de convección natural en las neveras clásicas que no llevan ventilador en su interior o en los
radiadores de la calefacción por gas natural que muchos de nosotros tenemos en
casa.
Forzado
Forzado. En este tipo de circulación el flujo de fluido se provoca artificialmente. El mo-
vimiento del fluido se origina mediante el uso de algún medio mecánico, como una
bomba o un ventilador.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
Por ejemplo, si revolvemos el agua que se está calentando al fuego, provocamos
convección forzada. En este caso, el calentamiento se produce más rápidamente.
Un ejemplo de convección forzada se produce en los sistemas de calefacción que
incorporan un ventilador, como ocurre en los clásicos calefactores que se sitúan en
espacios reducidos, como puede ser en un baño.
La transferencia de calor por estos dos procedimientos da lugar a que aparezcan en
la industria del frío, por ejemplo, evaporadores de convección natural y de convección forzada, tal como se indica en la figura adjunta.
7
ctividad
Fig. 18: Evaporadores de convección forzada y de convección natural.
a
∂Cómo crees que afectan las corrientes naturales de convección en
una habitación calefactada mediante un radiador al calentamiento
de la estancia? ∂Qué ocurre si colocamos un ventilador frente al
radiador? ∂Y si situamos el termostato muy cerca del techo o del
suelo?
27
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
∂Sabías que debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los
radiadores deben colocarse cerca del suelo, y los aparatos de aire acondicionado
cerca del techo para que la eficiencia sea máxima?
28
o Conducción
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es
la conducción, que es un mecanismo de transferencia de
energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto
directo de sus partículas, que tienden a igualar su temperatura o estado de excitación térmica. Si se calienta un
extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su
temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más
frío por conducción.
Fig. 19. A través de los
sólidos el calor se transmite por conducción.
La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de
conducir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en cuerpos continuos, y baja
en los gases, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio,
que se denominan por eso aislantes térmicos. Por ejemplo, una manta es un mal conductor de calor, no lo transmite sino que nos protege de perderlo. Por eso no deja escapar el
calor que tenemos en nuestro cuerpo, y nos aísla de las corrientes de convección que nos
lo pudieran robar.
o Radiación
Todos los cuerpos, por el hecho de estar a una cierta temperatura superior al cero absoluto, emiten una determinada cantidad de radiación, con lo que pierden energía enfriándose y calentando otros cuerpos. También los cuerpos son capaces de absorber radiación
de un cuerpo que esté a temperatura mayor, calentándose. Cuando se alcanza el equilibrio térmico, las velocidades de emisión y absorción son iguales.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no necesita un medio de transmisión y puede ocurrir en el vacío. La transferencia de calor por radiación es la más rápida.
Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la luz y toda la energía que incide sobre
él. Ninguna parte de la radiación que llega hasta él es reflejada o pasa a su través. Como
estos cuerpos no reflejan la luz, se ven negros, de ahí su nombre. ∂Nunca has oído decir
que en verano hay que ponerse ropa blanca porque es mucho más fresca? Es debido a
que la ropa oscura absorbe toda la radiación, mientras que la blanca la refleja.
∂Sabías que a temperaturas ordinarias los cuerpos se ven por la luz que reflejan, no por la que emiten? Eso es lo que ocurre con la Luna, que la vemos gracias al reflejo de la luz del Sol. Sin embargo a temperaturas altas, los cuerpos
son autoluminosos y es posible verlos brillar en cuartos oscuros.
Ejemplo
Cuando la radiación solar llega a la superficie de la
Tierra, le aporta energía que eleva su temperatura. La
energía absorbida es emitida luego como radiación
infrarroja. Sin embargo, no toda esta radiación vuelve al espacio, ya que alrededor de un 90% es absorbida por la atmósfera, provocando un fenómeno
similar al que mantiene la temperatura cálida en el
interior de un invernadero. De este modo, el equilibrio térmico se establece a una temperatura superior
a la que se obtendría sin este efecto.
29
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
30
8
ctividad
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
∂Sabías que la importancia de los efectos de absorción y emisión de radiación
en la atmósfera son fundamentales para el desarrollo de la vida tal y como se
conoce? De hecho, si no existiera este efecto la temperatura media de la Tierra
sería entre 30 y 40 °C más baja, situándose a casi 20 °C bajo cero.
a
El cuerpo humano dispone de mecanismos de generación de
calor y, a su vez, está sometido a un intercambio térmico con
el ambiente que le rodea, con el fin de mantener la temperatura corporal dentro de unos límites.
∂Cuáles crees que son los mecanismos de intercambio para
lograrlo?
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
Cambios de estado en la materia
Seguro que ya sabes que la materia puede ser sólida, líquida o gaseosa. Si
no, piensa en el agua, el hielo y el vapor de agua, es la misma sustancia que
se presenta de forma diferente en función de la temperatura. Para poder
modificar la temperatura y conseguir cambios de estado, hemos de transferir
calor por alguno de los métodos expuestos en el capítulo anterior. Ahora
veremos cómo ocurre.
Las sustancias existen en tres estados, en función de su temperatura, presión y contenido
térmico:
Sólido: cualquier sustancia física que conserva su forma incluso aunque no esté
dentro de un contenedor. Consta de miles de millones de moléculas, todas exactamente con el mismo tamaño, masa y forma. Están en la misma posición relativa
unas de otras, pero aún así, pueden vibrar. Esta velocidad de vibración dependerá
proporcionalmente de la temperatura, a mayor temperatura, mayor vibración, y viceversa. Las moléculas se atraen fuertemente entre sí y es necesaria mucha fuerza
para poder separarlas. Son propiedades características de un sólido su rigidez, su
dureza y su resistencia.
Líquido: es cualquier fluido cuyo volumen se mantiene constante en condiciones
de temperatura y presión también constantes. Su forma está definida por su contenedor. Un líquido ejerce presión en el contenedor con igual magnitud hacia todos
los lados. Las moléculas se atraen entre sí con una fuerza menor que en los sólidos.
El número de partículas por unidad de volumen es muy alto, por ello son muy frecuentes las colisiones y fricciones entre ellas. Así se explica que los líquidos no
tengan forma fija y adopten la forma del recipiente que los contiene.
¿Sabías que el vidrio a temperaturas normales no es un sólido sino un líquido
supercongelado?
31
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
Gas: es un fluido que no tiene forma ni volumen fijo. Las fuerzas que mantienen
unidas las partículas son muy pequeñas, así como el número de partículas por
unidad de volumen. Las partículas se mueven libremente de forma desordenada,
con choques entre ellas y con las paredes del recipiente que lo contiene, de modo
que ocupan todo el espacio disponible. Al aumentar la temperatura las partículas
se mueven más deprisa y chocan con más energía contra las paredes del recipiente, por lo que aumenta la presión.
32
9
ctividad
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
El agua a presión atmosférica estándar y temperaturas bajo cero es un sólido (hielo). Entre
0 °C y 100 °C es un líquido (agua), y a partir de 100 °C es un gas (vapor).
a
Clasifica las siguientes características según se correspondan a sólidos, líquidos o gases:
a. Volumen constante.
b. Volumen variable.
c. Dureza.
d. Forma fija.
e. Forma variable.
f. Partículas ordenadas en posiciones fijas.
g. Partículas próximas con movimiento libre.
h. Partículas distantes con movimiento libre.
i. Expansibles.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
La mayoría de las sustancias cambian de estado físico cuando absorben o eliminan calor:
Absorber calor provoca:
•
Que los sólidos se conviertan en líquidos: fusión.
•
Que los sólidos se conviertan gases, sin pasar por líquido: sublimación.
•
Que los líquidos se conviertan en gases: vaporiza
vaporización.
Eliminar calor provoca:
provoca:
•
Que los gases se conviertan en líquidos: condensa
condensación.
•
Que los líquidos se conviertan en sólidos: solidifica
solidificación.
•
Que lo gases se conviertan en sólidos, sin pasar por líquido: sublimación in
inversa.
Aunque el paso de gas a líquido depende, entre otros factores, de la presión y de la temperatura, generalmente se llama condensación al tránsito que se produce a presiones
cercanas a la ambiental. Cuando se usa una sobrepresión elevada para forzar esta transición, el proceso se denomina licue
licuefacción.
Fig. 20. Cambios de estado de la materia.
Estos cambios de estado se producen con las mismas combinaciones de temperatura y
presión para cualquier sustancia dada. Puedes ver en la figura siguiente cómo el agua
pasa de sólido a vapor, y cómo se representan en un gráfico Temperatura-Calor estos
cambios.
33
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
34
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Frigoríficos
Fig. 21. Cambios de estado del agua.
Las temperaturas a las que se producen estos cambios tienen un nombre concreto y se
denominan:
Temperatura de fusión. Es la temperatura a la que un sólido cambia al estado lí-
quido. También se llama punto de fusión.
Temperatura de ebullición. Es la temperatura a la que un líquido cambia al estado vapor.
También se llama punto de ebullición, temperatura de vaporización o de saturación.
Temperatura de condensación. Es la temperatura a la que un vapor cambia al estado
líquido. También se llama temperatura de saturación.
Temperatura de solidificación. Es la temperatura a la que un líquido cambia al es-
tado sólido.
Recuerda
a presión constante:
T fusión =que
T solidificaci
ón
T ebullición = T condensación
T fusión = T solidificación
T ebullición = T condensación
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
El diagrama de saturación o de vaporización
La temperatura de saturación de las sustancias varía de unas a otras, y a su vez en función de la presión.
El agua no siempre hierve a 100 °C. Ésta es la temperatura de saturación a nivel del mar,
es decir, a la presión atmosférica. Al disminuir la presión disminuye la temperatura de
saturación o de vaporización.
¿Sabías que a la altura del nivel del mar la presión atmosférica es de 1 atmósfera
y la temperatura de ebullición del agua en un recipiente abierto es de 100 °C?
PDADES. DEL AGUA
PTO. DE EBULLI
EBULLICI‡N
P VAPOR
A nivel del mar
100 °C
1.013 mbar
(1 atm)
A 3.000 m
89 °C
675 mbar
(0,666 atm)
Sin embargo, a mayor altitud la presión
atmosférica es menor y la temperatura a
la que hierve el agua disminuye. Por ello,
si nos pusiéramos a cocer alimentos en
un recipiente abierto a 3.000 m de altura,
podríamos tardar incluso días, ya que el
agua comenzaría a hervir a una temperatura mucho menor de 100 °C, se convertiría en vapor y no alcanzaríamos la temperatura suficiente para lograr una cocción relativamente rápida.
35
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
Para mostrar la información relativa a presiones y temperaturas se utiliza el diagrama de
saturación de cada sustancia. A modo de ejemplo, en la figura siguiente se muestra el
correspondiente al refrigerante R-22.
36
Fig. 22: Diagrama de saturación del R-22.
Estos diagramas permiten obtener mucha información (consulta las figuras 22 y 23 a medida que vayas leyendo el texto):
Conocer el estado físico de una sustancia. Supón unos valores concretos de tempe-
ratura y presión:
• Si la intersección de las líneas de temperatura y presión está a la izquierda de la
curva de saturación, se dice que la sustancia está subenfriada (punto 1 en la figura
22 y punto A en la figura 23a).
• Si la intersección está a la derecha, la sustancia está sobrecalentada (punto 2 en
la figura 22 y punto C en la figura 23a).
• Si la intersección está exactamente sobre la curva, se dice que la sustancia está
saturada (punto 3 en la figura 22 y punto B en la figura 23a).
Obtener la temperatura de saturación correspondiente a una presión concreta. Esta
temperatura es la correspondiente al punto donde se cruzan la línea de presión y
la curva de saturación (T1 en la figura 23b).
Obtener la presión de saturación a una temperatura concreta. Esta presión es la co-
rrespondiente al punto donde se cruzan la línea de temperatura y la curva de saturación (P2 en la figura 23b).
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
La presión a la que, para cada temperatura dada, las fases líquida y vapor se encuentran
en equilibrio se denomina presión de vapor o más comúnmente presión de saturación.
saturación
Su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan
ambos. En el diagrama de saturación es la presión correspondiente a cada punto de la
curva (por ejemplo el punto 3 en la figura 22).
Fig. 23: Obtención de valores en el diagrama de saturación.
En función de la presión y temperatura de una sustancia, ésta tiene su punto representativo en el diagrama. Su posición respecto a la línea de saturación indica su estado, que
puede ser alguno de los siguientes:
Líquido saturado. Surge cuando se aplica calor adicional a un líquido, provocando
la vaporización de una parte de él. El punto representativo se encontrará sobre la
cur
curva de saturación.
Vapor saturado. Se forma cuando la temperatura de un vapor disminuye a la
temperatura de saturación. El enfriamiento del vapor provoca la condensación
de una parte de él. El punto representativo se encuentra también sobre la curva de
saturación.
Vapor sobrecalentado. Se obtiene cuando la temperatura de un vapor aumenta por
encima de la temperatura de saturación. Para sobrecalentar un vapor, es necesario
separar el vapor del líquido, estará saturado. El punto correspondiente en el diagrama
de saturación estaría situado por debajo de la curva (punto 2 en la figura 22).
Líquido subenfriado. Aparece si tras la condensación se enfría un líquido de modo
que la temperatura baja por debajo de la temperatura de saturación. En el diagrama
estaríamos situados por encima de la curva (punto 1 en la figura 22).
37
10
ctividad
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a
38
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
a) Con ayuda de la gráfica de la figura 22 determina cuál es la
temperatura de saturación correspondiente a la presión de
10 bar.
b) Para 0 °C y 20 bar, ∂en qué estado físico se encuentra la sustancia?
Tipos de calor
El calor que recibe o que cede un cuerpo puede dar lugar a un cambio de temperatura o
a un cambio de estado. La energía térmica relacionada con cada uno de estos fenómenos
tiene un nombre específico, y así hablamos de calor latente y calor sensible. A continuación se explica cómo se define y se calcula cada uno de ellos.
o Calor latente
Cuando un cuerpo absorbe calor bajo ésta forma (o se le suministra) su temperatura permane
permanece
constante produciéndose un cam
cambio de estado físico.
Así, por ejemplo, mientras el agua está hirviendo la temperatura permanece constante (100 °C
a nivel del mar) mientras exista una mezcla de líquido y agua que se vaporiza.
Latente en latín quiere decir escondido. El calor latente se llama así porque no se manifiesta
explícitamente, la temperatura no varía durante el cambio de estado.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
El calor latente necesario para provocar un cambio de estado varía con cada sustancia.
Fíjate en los ejemplos recogidos en la tabla siguiente:
CALOR LATENTE
Agua
539 kcal/kg - 2.257 kJ/kg
Amoníaco
327 kcal/kg - 1.369 kJ/kg
R-22
52 kcal/kg - 217 kJ/kg
Tabla 6: Calor latente de vaporización (Lv) de algunas sustancias.
∂Sabías que el proceso que ocurre en un botijo es una refrigeración mediante
evaporación?
Es muy simple, cuando el agua se evapora necesita energía para que se produzca el cambio de estado de líquido a gas. Esa energía puede tomarla del ambiente, pero también del propio sistema, en este caso del agua. Así cuando se evapora una parte de agua, a través de los poros del botijo, extrae energía del sistema y por tanto en el agua remanente disminuye la temperatura.
A. ∂Cómo se calcula el calor necesario para lograr un cambio de estado?
La cantidad de calor que se debe añadir o eliminar de una masa de material dada para
provocar su cambio de estado se puede calcular mediante la siguiente ecuación:
QL = m ⋅ L
Siendo:
QL = cantidad de calor absorbida o eliminada por la materia.
m = masa de la sustancia.
L = calor latente de la sustancia.
Vamos a aplicar esta fórmula para calcular la cantidad de calor, en kilocalorías, necesaria para vaporizar 10 kilogramos de agua que se encuentran a 100 °C.
QL= m ⋅ Lv = 10 kg ⋅ 539 kcal/kg = 5.390 kcal
39
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
El calor latente depende de la transformación que se vaya a producir en la materia de la
que este formado el cuerpo. Así podemos hablar de:
• Calor latente de solidificación: cantidad de calor que se debe extraer a 1 kg de un
cuerpo para hacerlo pasar del estado líquido al estado sólido sin reducir su temperatura.
• Calor latente de fusión:
fusión: cantidad de calor que se debe suministrar a 1 kg de un cuerpo
para hacerlo pasar del estado sólido al estado líquido sin aumentar su temperatura.
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
• Calor latente de vaporización: cantidad de calor que se debe suministrar a 1 kg de un
cuerpo para hacerlo pasar del estado líquido al estado gaseoso sin aumentar su temperatura.
40
o Calor sensible
Se llama sensible al calor evidente al tacto, el que sentimos y medimos con un termómetro. Este calor provoca, tanto si se añade como si se retira, un cambio en la tempera
temperatura
de la sustancia. En este caso no existe cambio de estado de la sustancia. La cantidad de
calor intercambiada depende de la variación de temperatura y del calor específico del
cuerpo.
Se define el calor específico de un cuerpo como la cantidad de calor que debe suministrarse a un cuerpo para elevar 1 °C su temperatura, sin modificar su estado físico.
Sus unidades son J/kg K en el Sistema Internacional, aunque es muy frecuente emplear la
cal/g °C.
El calor específico del agua es 1 cal/g °C, es decir, hay que suministrar una caloría a un
gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. Cada sustancia tiene
su propio calor especifico; en la tabla 7 tienes algunos ejemplos.
CALOR ESPEC‹FICO
Agua
4,187 kJ/kg K
-
1 cal/g °C
Hielo
2,110 kJ/kg K
-
0,504 cal/g °C
Madera
1,369 kJ/kg K
-
0,327 cal/g °C
Hierro
0,54 kJ/kg K
-
0,129 cal/g °C
Cobre
0,398 kJ/kg K
-
0,095 cal/g °C
Tabla 7: Calor específico de distintas sustancias.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
A. ∂Cómo calcular el calor necesario para lograr un aumento determinado
de temperatura en una sustancia?
Para calcular la cantidad de calor que se debe añadir o eliminar para provocar un cambio específico en la temperatura de una materia, se utiliza la siguiente fórmula:
QS = m ⋅ c⋅ (t2-t1)
Siendo:
QS = cantidad de calor ya sea absorbida o eliminada por la sustancia.
m= masa de la sustancia.
c = calor específico de la sustancia.
t2 = temperatura final.
t1 = temperatura inicial.
Analiza el siguiente ejemplo. Vamos a calcular la cantidad de calor, en kilocalorías, que
debe añadirse para calentar un bloque de cobre de 20 kilogramos desde 30 °C a 250 °C.
Necesitamos conocer el calor específico del cobre. Si consultamos la tabla 7, comprobamos que:
Ccobre = 0,095 kcal/kg ⋅ °C
Aplicamos directamente la fórmula Qs = m⋅c⋅(t2 - t1)
Qs= 20 kg ⋅ 0,095 kcal/kg⋅ °C⋅(250-30) °C = 418 kcal
Para el caso de los alimentos existen tablas donde aparecen los datos necesarios para
calcular la cantidad de calor que es necesario extraer de los mismos para modificar su
temperatura y/o lograr un cambio de estado.
En la tabla 8 tienes un ejemplo de presentación para algunos alimentos:
Fíjate como aparecen los datos de calor latente, calor específico, calor de respiración,
humedad relativa, º Todos estos datos resultan de interés a la hora de proyectar una
instalación para el almacenamiento de alimentos. Si por ejemplo se trata de almacenar carne fresca, la humedad relativa de la cámara es muy baja, la carne pierde agua
y, por tanto,peso, resultando una pérdida económica importante para el propietario
de la instalación.
41
42
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
Tabla 8: Datos relativos a algunos alimentos.
11
ctividad
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
aa
1
Calcula el calor necesario que se debe extraer para conservar 250 kg de uvas durante 24 horas, sabiendo que entraron
en la cámara a una temperatura de 14 ≥C.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
o Gráficos Temperatura -Calor
Los cambios de temperatura y
de estado pueden representarse
en gráficas similares a la ilustrada en la figura 24. En ella se
representa la temperatura frente
al calor. Puedes comprobar que
cuando sube la temperatura no
hay cambio de estado y que
cuando hay cambio de estado,
la
temperatura
permanece
constante. También se indica
gráficamente cuál es el calor
sensible y cuál el latente.
12
ctividad
Fig. 24: Gráfico temperatura-calor.
a
a
Disponemos de 10 kilogramos de pescado a una temperatura
de 20 ≥C y queremos congelarlo y llevarlo a una temperatura
de √18 °C.
∂Qué cantidad de calor debemos extraer para lograrlo?
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Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
Resumen
44
Presión
Es la fuerza dividida por la superficie de contacto sobre
la que se aplica. Suele expresarse en Pascales y se mide
mediante un manómetro. La presión atmosférica, es la
presión que ejerce el aire sobre la tierra y se toma como
referencia para los cálculos. Se mide con un barómetro.
Energía y Poten
Potencia
Es la capacidad para realizar un trabajo, todos los cuerpos tienen energía por ser materia Se mide en Julios. La
potencia es la cantidad de trabajo que se realiza en un
tiempo. Se mide habitualmente en kilovatios.
Calor y Frío
El calor es una forma de energía asociada al movimiento de las
partículas, debido a una diferencia de temperatura. Tiene unidades de energía, pero la que se suele utilizar es la caloría, y en
las refrigeraciones, frigorías. El frío es la ausencia de calor.
Temperatura
Representa la cantidad de calor de un cuerpo. Sus unidades son grados Celsius, Fahrenheit o Kelvin. Se mide
habitualmente mediante un termómetro. En aplicaciones
industriales, se utilizan termorresistencias y un termopares, todos ellos medidores por contacto. También existen
aparatos de medida sin contacto, que funcionan
mediante infrarrojos.
Transferencia de ca
calor
Se produce mediante el intercambio de energía debido a
una diferencia de temperatura Ocurre a través de tres
mecanismos: convección, conducción y radiación.
Convección
Intercambio de calor que se produce por diferencia de
temperatura en el seno de un fluido. Puede ser natural o
forzada.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
Radiación
Todos los cuerpos por tener una temperatura superior al
cero absoluto emiten energía, enfriando y calentando los
cuerpos que están a su alrededor. No es necesario un medio para transmitir calor por radiación. Los cuerpos negros
absorben toda la radiación que llega hasta ellos y no reflejan nada, al contrario que los cuerpos blancos.
Conducción
Transmisión de calor por contacto directo de las partículas
de los cuerpos implicados. Cada cuerpo tiene definida su
conductividad térmica, que determina la capacidad de conducir el calor a través de él.
Cambios de estado
estado
Los tres estados de la materia son sólido, líquido y gas. Al
añadir o eliminar calor, las sustancias cambian de estado,
cada una a unos valores propios de temperatura y presión..
Durante el cambio de estado no aumenta la temperatura.
Calor latente
Es el calor absorbido o eliminado por un cuerpo o sustancia para que se produzca su cambio de estado, sin cambio
de temperatura.
Calor sensible
Es el calor absorbido o eliminado por un cuerpo o sustancia para producir un cambio en su temperatura.
Calor específico
Es el necesario para aumentar 1 ≥C la temperatura de 1
kilogramo de sustancia.
Diagrama de satura
saturación
Es un diagrama Presión-Temperatura en el que la curva
representa el paso de líquido a vapor. Sobre la curva nos
encontramos en situación de saturación, a la presión de
vapor. Por encima de la curva tenemos líquido subenfriado y por debajo vapor sobrecalentado.
45
Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
Autoevaluación
1. ∂A qué magnitud corresponden las siguientes unidades?
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UNIDAD
CV
psi
Fahrenheit
46
MAGNITUD
daN/cm2
kJ
Frigoría
2. ∂Cómo se transmite el calor en una olla, un atizador de fuego y una hoguera?
3. Señala si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:
V
F
a. El agua se congela a 273 K.
b. Esta nevera tiene 5.000 calorías de potencia.
c. Los sistemas de climatización pueden expresar su potencia en frigorías/hora.
d. En Los Ÿngeles hace mucho calor hoy, hay 50 °F.
e. El calor se transfiere de la zona fría a la caliente
f.
Un radiador transmite energía por conducción.
g. En el Everest el agua hierve a una temperatura inferior que a nivel del mar.
h. El calor latente de una sustancia es el necesario para
que se produzca un cambio de estado.
i.
Si el manómetro nos da una presión negativa es porque hemos medido mal.
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
4. Determina la cantidad de calor que hay que suministrar para convertir 1 gramo de
hielo a -20 °C en vapor a 100 °C. Representa en una gráfica Temperatura-Calor,
los cambios que se van produciendo a medida que aumenta la temperatura.
Los datos son los siguientes:
Calor específico del hielo ch = 2.090 J/(kg⋅K)
Calor de fusión del hielo Lf = 334”103 J/kg
Calor específico del agua c = 4.180 J/(kg⋅K)
Calor de vaporización del agua Lv = 2.260”103 J/kg
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Frigoríficos
Respuestas Actividades
1. Los manómetros miden la presión relativa, marcando 0 a la presión atmosférica a
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nivel del mar. Que la aguja no esté situada en el cero, significa que el sistema en el
que está integrado el manómetro no está ubicado a nivel del mar, y éste está midiendo la diferencia entre la presión del ambiente en el que se encuentra, y la presión atmosférica.
48
2. El valor de 0,5 bar corresponde a la presión relativa.
La presión absoluta sobre el sistema la calculamos sabiendo:
P absoluta = P atmosférica + P relativa = 1 + 0,5 = 1,5 bar
3. 1 kilovatio equivale a 1 kilojulio por segundo. Vamos a convertir las kilofrigorías a
kilojulios, y las horas en segundos hasta obtener el resultado en las unidades
buscadas.
2.500
kfrig 1.000 frig 4,18 kJ 1 hora
= 2.902,78 kJ/s= 2.902,
⋅
⋅
⋅
902,78 kw
h
1 kfrig
1 frig 3.600 s
4. Los 30 grados son Fahrenheit, por eso es posible que esté nevando, ya que se corresponden aproximadamente con -1 °C.
(30 °F √ 32) ⋅ 0,55 = -1,1 °C
5. El cero absoluto expresado en °C y °F tiene los siguientes valores:
°C = K - 273 = 0 - 273 = -273 °C
°F= 1,8 ⋅ K - 459,4 = 1,8 ⋅ 0 – 459,4 = -459,4 °F
6. Para comprobarlo, hemos de utilizar las ecuaciones de conversión de Celsius a
Fahrenheit y viceversa:
°F = (1,8⋅ °C) + 32
°C = (°F √ 32)⋅ 0,55
Resolviendo °F = °C en cualquiera de las expresiones:
°C= (1,8 ⋅ °C) + 32
-0,8 ⋅ °C = 32 → °C = -40 = °F
Unidad
1
Conceptos Básicos
de Termodinámica
7. Las corrientes naturales de convección hacen que el aire caliente suba hacia el
techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador.
Si ponemos un ventilador, debido al efecto de la convección forzada, se calentará
mucho más deprisa el ambiente. Es similar al ejemplo que hemos visto de agitar el
agua que se calienta al fuego.
Tanto si colocamos el termostato muy cerca del techo como muy cerca del suelo,
su lectura no se corresponderá con la temperatura general de la habitación ya que,
en las proximidades del techo el aire está más caliente y cerca del suelo está más
frío.
8. El cuerpo humano elimina el calor por radiación en una tasa proporcional a la
diferencia de temperatura entre el cuerpo y el medio ambiente. La radiación es responsable del 50% de la pérdida total del calor del cuerpo y la mayor parte de ese
calor se pierde por la cabeza.
También el ser humano pierde calor por conducción cuando entra en contacto con
un objeto que está a menor temperatura que su cuerpo. Ocurre por ejemplo al dormir sobre un suelo frío o al utilizar zapatos de suela fina sobre la nieve.
Además el cuerpo intercambia calor a través de su piel con el aire que le rodea . El
intercambio térmico entre la piel y el aire se produce por convección. Este intercambio dependerá de la diferencia de temperaturas y de la velocidad del aire.
9.
S‡LIDOS
L‹QUIDOS
GASES
Volumen constante
Volumen constante
Volumen variable
Forma fija
Forma variable
Forma variable
Partículas ordenadas en
posiciones fijas
Partículas próximas con
movimiento libre
Partículas distantes con
movimiento libre
Dureza
Expansibles
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Módulo: Máquinas y Equipos
Frigoríficos
10. a) Utilizando el diagrama de la figura 22 trazamos una línea recta horizontal a la
altura de 10 bar hasta cortar con la línea de saturación. La temperatura correspondiente al punto de corte es la temperatura de saturación a esa presión: 20
°C (punto 1).
b) El punto correspondiente a una temperatura de 0 °C y a una presión de 20 bar
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
es el punto 2. Dado que se encuentra por encima de la curva de saturación, la
sustancia estará como líquido subenfriado.
50
11.
11. Si consultas la tabla 8 y compruebas los datos correspondientes a las uvas, verás
que su temperatura de conservación para periodos de almacenaje corto es de 2 °C.
Aplicando la fórmula correspondiente para calcular la cantidad de calor que es
necesario extraer:
Q=m ⋅ c (t2-t1)= 250 kg ⋅ 0,86 kcal/kg °C (2 °C √ 14 °C) = - 2.580 kcal
El signo √ significa que el calor ha de ser eliminado.
12. La primera etapa del enfriamiento es la correspondiente a la bajada de temperatura desde 20 °C hasta el punto de congelación, en este caso √2 °C. Para calcular el
calor perdido por el pescado en este tramo aplicamos la fórmula:
Q= m⋅c⋅ (t2-t1)
siendo
m= 10 kg
c= 3,18 kJ/kg °C
t1 = 20 ≥C
t2= -2 ≥C
Q1=10 kg ⋅ 3,18 kJ/kg °C⋅ [(-2)-20] °C= - 699,6 kJ (el signo menos indica que es
calor cedido por el pescado).
Unidad
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Conceptos Básicos
de Termodinámica
Una segunda fase es la correspondiente al cambio de fase propiamente dicho, en
el que se congelan todos los fluidos del pescado pasando de líquido a sólido. Para
calcular el calor implicado en ese paso aplicamos la fórmula:
Q= m ⋅ L
m= 10 kg
L= 276 kJ/kg
siendo
Q2=10 kg ⋅276 kJ/kg = 2.760 kJ
Aún tenemos que calcular el calor cedido durante la última etapa de enfriamiento,
hasta que se alcanzan los √18 °C. Para ello aplicamos de nuevo la primera fórmula, siendo en este caso:
m= 10 kg
c= 1,67 kJ/kg °C
t1 = -2 ≥C
t2= -18 ≥C
Q3=10 kg ⋅ 1,67 kJ/kg °C⋅ [(-18)-(-2)] °C = 267,2 kJ
El calor total cedido es la suma de los tres calculados:
Q = 699,6 + 2.760 + 267,2 = 3.726,8 kJ
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Respuestas Autoevaluación
Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor
1. La respuesta correcta es:
52
UNIDAD
CV
psi
Fahrenheit
MAGNITUD
Potencia
Presión
Temperatura
daN/cm2
kJ
Frigoría
Presión
Energía
Energía
2. La respuesta correcta es:
En una olla se produce conducción por el calor que se propaga de la parte de
debajo de la olla donde incide el fuego, al resto de las partes, y también aparece este fenómeno cuando estamos cocinando algo sólido, por ejemplo, un pollo, el calor se transmite desde la superficie de la olla al pollo.
La convección surge cuando, por ejemplo, estamos calentando agua, y se iguala
la temperatura de todo el fluido.
En un atizador de fuego se produce claramente conducción. Se calienta el ex-
tremo con el que se remueven las brasas, y el calor se propaga a través de él
hasta que tú lo sientes en la mano.
En una hoguera se produce radiación, se transmite calor sin necesidad de materia
como medio de transmisión.
3. Las afirmaciones son:
a. Verdadera.
b. Falsa. La caloría es una unidad de energía, no de potencia.
c. Verda
Verdadera.
d. Falsa. 50 ≥F equivale a 10 ≥C, con lo cual, no hace mucho calor.
e. Falsa. Siempre se transmite de la zona caliente a la fría..
f. Falsa. Se transmite el calor mediante radiación
g. Verda
Verdadera.
h. Verdadera.
i. Falsa. También mide presiones negativas, cuando la presión medida está por
debajo de la atmosférica.
Unidad
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Conceptos Básicos
de Termodinámica
4.. Vamos a calcularlo paso a paso:
Se eleva la temperatura de 1 gramo de hielo de -20 ºC a 0 ºC. Calculamos el
calor sensible correspondiente a este paso, ya que no hay cambio de fase, sólo
de temperatura:
Q1= m⋅c⋅(t2 - t1) = 0,001 kg ⋅ 2.090 J/kg K ⋅(0-(-20)) K= 41,8 J
Date cuenta que el intervalo de temperatura es igual en Kelvin y en Celsius, por
eso ponemos en las unidades K, para obtener al final las unidades deseadas sin
tener que hacer el cambio de ºC a Kelvin. Si no fuera una diferencia de temperatura, sí tendríamos que hacer el cambio de unidades.
A continuación se funde el hielo, hay cambio de fase, pero no de temperatura. Lo
calculamos mediante el calor latente de fusión, porque pasamos de sólido a líquido:
Q2= m⋅Lf =0,001 kg⋅334⋅103 J/kg = 334 J
Después se eleva la temperatura del agua de 0≥ C a 100 ≥C. Utilizando el calor espe-
cífico del agua, obtenemos el calor necesario para realizar ese aumento de
temperatura:
Q3= m⋅c⋅(t2-t1) = 0,001 kg ⋅ 4.180 J/kg K ⋅(100-0) K=418 J
Por último se convierte 1 gramo de agua a 100 º C en vapor a la misma
temperatura:
Q4= m⋅Lv =0,001 kg ⋅2.260⋅103 J/kg = 2.260 J
Sumamos todas las cantidades de calor que hemos calculado para obtener el calor
total necesario:
QT=Q1+Q2+Q3+Q4=3
3.053,
053,8 J
La gráfica T-Q que representa los cambios durante este proceso es la siguiente:
T (C)
0
100
50
Agua + vapor
Vapor
Agua
0
Hielo + agua
Q (J)
-20
Hielo
41,8
375,8
793,8
3.053,8
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