Sistemas de refrigeración

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
A TRAVÉS DEL REFRIGERANTE 134
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN PAG
1. OBJETIVOS 5
2. BASE TEÓRICA 6
2.1. Descripción de los elementos 6
3. JUSTIFICACIÓN 13
4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 14
5. MONTAJE Y ESQUEMA 15
6. MATERIALES 16
7. METODOLOGÍA 17
CONCLUSIÓN
BIBLIOGRAFÍA
1. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar y aplicar un proceso termodinámico resaltando su importancia a nivel tecnológico y académico.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Aplicar las leyes y procesos termodinámicos en el enfriamiento del aire.
• Enunciar las leyes y principios termodinámicos que se dan.
• Mejorar la calidad académica y laboral en los estudiantes.
• Comprometer a los estudiantes con las asignaturas básicas de la carrera.
INTRODUCCIÓN
El mundo de las ciencias es un mundo muy amplio, su estudio se abarca de diferentes maneras. Entre las
muchas ciencias tenemos las ciencias naturales, que esta compuesta principal y básicamente por la Biología y
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la Física. En esta ultima la que trataremos en el presente trabajo, enfocando específicamente los conceptos
termodinámicos que presenta su estudio.
Como ya es sabido, la termodinámica es una rama de la física que hoy en día se usan sus aplicaciones, como
la calefacción y la refrigeración entre otras.
Debido a su gran importancia y su desarrollo tecnológico presentaremos en el presente trabajo una aplicación
básica de estos sistemas termodinámicos, resaltando de esta manera su aporte benéfico a la humanidad y
desarrollo industrial.
4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Dentro de la comunidad Universitaria y a través del desempeño teórico−practico de los mismos estudiantes en
la vida social e industrial se ha notado que muchos de ellos carecen de una formación profesional integral para
su excelente comportamiento laboral.
También se ha notado que muchos estudiantes presentan problemas académicos en sus asignaturas de orden
superior, debido a la irregularidad con que se afronta las materias básicas como las matemáticas y la física
entre otros.
Otros de los problemas aunque aparente ser menor es la falta de preparación para realizar trabajos tipo
anteproyecto y proyecto de grado. Este problema se ha identificado en los semestres superiores como de
octavo en adelante.
Estos son problemas que tienen que ser tratados para manejar la calidad estudiantil.
6. MATERIALES
• Compresor o unidad de
HP
• Condensador
• Filtro
• Unidad de expansión de gases o capilar
• Tuberías de enfriamiento o evaporador
• Ventilador
• Liquido refrigerante
• Base
7. METODOLOGÍA
Usaremos un sistema de ensayo−error para rectificar el funcionamiento del sistema diseñado.
Una vez hecha las correcciones respectivas del sistema, se postularan las leyes y principios termodinámicos
aplicados.
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Posteriormente se presentara el sistema y su funcionamiento a la comunidad estudiantil mostrando,
enunciando y aclarando los fenómenos físicos que allí se dan.
Con esto último cumpliremos con los objetivos planteados en el presente trabajo.
BIBLIOGRAFÍA
Nueva Enciclopedia Temática, Tomo I. Editorial Cumbre, S.A. México. Edición 1978.
Física Conceptual. Paul G. Hewitt. Tercera edición. Editorial Pearson.
La Naturaleza de las Cosas. Física volumen I. Susan M. Lea. Jhon Robert Burke. Editorial Thompson.
Biblioteca de Consulta Microsoft ® Encarta ® 2005. © 1993−2004 Microsoft Corporation. Reservados todos
los derechos.
2. BASE TEÓRICA
• Descripción de los Elementos
CONDENSADOR
COMPRESOR DE AIRE
Compresor de aire, también llamado bomba de aire, máquina que disminuye el volumen de una determinada
cantidad de aire y aumenta su presión por procedimientos mecánicos. El aire comprimido posee una gran
energía potencial, ya que si eliminamos la presión exterior, se expandiría rápidamente. El control de esta
fuerza expansiva proporciona la fuerza motriz de muchas máquinas y herramientas, como martillos
neumáticos, taladradoras, limpiadoras de chorro de arena y pistolas de pintura.
En general hay dos tipos de compresores: alternativos y rotatorios. Los compresores alternativos o de
desplazamiento (ver fig. 1), se utilizan para generar presiones altas mediante un cilindro y un pistón. Cuando
el pistón se mueve hacia la derecha, el aire entra al cilindro por la válvula de admisión; cuando se mueve
hacia la izquierda, el aire se comprime y pasa a un depósito por un conducto muy fino.
Los rotativos (ver fig. 2), producen presiones medias y bajas. Están compuestos por una rueda con palas que
gira en el interior de un recinto circular cerrado. El aire se introduce por el centro de la rueda y es acelerado
por la fuerza centrífuga que produce el giro de las palas. La energía del aire en movimiento se transforma en
un aumento de presión en el difusor y el aire comprimido pasa al depósito por un conducto fino.
El aire, al comprimirlo, también se calienta. Las moléculas de aire chocan con más frecuencia unas con otras
si están más apretadas, y la energía producida por estas colisiones se manifiesta en forma de calor. Para evitar
este calentamiento hay que enfriar el aire con agua o aire frío antes de llevarlo al depósito. La producción de
aire comprimido a alta presión sigue varias etapas de compresión; en cada cilindro se va comprimiendo más el
aire y se enfría entre etapa y etapa.
REFRIGERANTES
Para cada refrigerante existe una temperatura específica de vaporización asociada con cada presión, por lo que
basta controlar la presión del evaporador para obtener la temperatura deseada. En el condensador existe una
relación similar entre la presión y la temperatura. Durante muchos años, uno de los refrigerantes más
utilizados fue el diclorodifluorometano, conocido como refrigerante−12. Este compuesto
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clorofluorocarbonado (CFC) sintético se transformaba en vapor a −6,7 °C a una presión de 246,2 kPa
(kilopascales), y después de comprimirse a 909,2 kPa se condensaba a 37,8 °C.
En los refrigeradores pequeños empleados en las viviendas para almacenar comida, el calor del condensador
se disipa a la habitación donde se sitúa. En los acondicionadores de aire, el calor del condensador debe
disiparse al exterior o directamente al agua de refrigeración.
En un sistema doméstico de refrigeración, el evaporador siempre se sitúa en un espacio aislado térmicamente.
A veces, este espacio constituye todo el refrigerador. El compresor suele tener una capacidad excesiva, de
forma que si funcionara continuamente produciría temperaturas más bajas de las deseadas. Para mantener el
refrigerador a la temperatura adecuada, el motor que impulsa el compresor está controlado por un termostato o
regulador.
Los congeladores para alimentos ultracongelados son similares a los anteriores, sólo que su compresor y
motor tienen que tener la potencia y tamaño suficientes para manejar un mayor volumen de refrigerante con
una presión menor en el evaporador. Por ejemplo, para mantener una temperatura de −23,3 °C con
refrigerante−12 se necesitaría una presión de 132,3 kPa en el evaporador.
El refrigerante−12 y otros dos CFC, el refrigerante−11 y el refrigerante−22, eran los principales compuestos
empleados en los sistemas de enfriamiento y aislamiento de los refrigeradores domésticos. Sin embargo, se ha
descubierto que los CFC suponen una grave amenaza para el medio ambiente del planeta por su papel en la
destrucción de la capa de ozono. Según el Protocolo de Montreal (véase Contaminación atmosférica: Medidas
gubernamentales), la fabricación de CFC debía finalizar al final de 1995. Los hidroclorofluorocarbonos,
HCFC, y el metilbromuro no dañan la capa de ozono pero producen gases de efecto invernadero. Los HCFC
se retirarán en el 2015 y el consumo de metilbromuro se limitará progresivamente. La industria de la
refrigeración debería adoptar rápidamente otros compuestos alternativos no perjudiciales, como el
metilcloroformo.
VENTILADOR
Instrumento empleado para mover el aire próximo y aliviar la sensación de calor.
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un
movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado
convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su
densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo
gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido 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. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de
presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
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Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al
fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción 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. El líquido más frío vuelve a calentarse por
conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede
al aire situado por encima.
Figura 1 Flujo en una tetera debido a la transferencia de calor por convección.
EVAPORADOR
El evaporador es el lugar de la instalación donde se produce el intercambio térmico entre el refrigerante y el
medio a enfriar.
En los evaporadores inundados la transmisión de calor es uniforme, en los secos es una mezcla de gas y
líquido pulverizado.
La cantidad de calor que absorbe el evaporador depende de la superficie, la diferencia de temperatura (entre el
exterior y la temperatura de evaporación) y el coeficiente de transmisión de calor (K) que es el material que
empleamos.
S= Superficie (m²)
D t= Diferencia de temperatura
K= Coeficiente de transmisión de calor (Kcal/m²/Cº; W/m²/Cº)
Q= Cantidad de calor (W, Kcal)
La superficie es siempre constante, puede variar el D t (ventiladores) o la K (hielo en el evaporador, exceso de
aceite, etc.).
Cuando el líquido entra en el evaporador a través del elemento de expansión una parte se evapora (30%) para
enfriarse a si mismo, el resto va robando calor al exterior y va evaporándose a medida que atraviesa el
evaporador.
La presión y la temperatura se mantienen constantes siempre que por el evaporador circule líquido, en el
momento que se halla evaporado todo, si el refrigerante sigue robando calor del exterior obtendremos gas
recalentado o recalentamiento.
Lo ideal sería que el recalentamiento empezara en la llave de aspiración del compresor, de esta manera
disminuimos la temperatura de descarga del gas e incrementamos capacidad frigorífica, pero resulta
complicado ya que corremos el riesgo de que nos llegue líquido al compresor.
Una vez el refrigerante sale del evaporador se aísla la tubería de aspiración para evitar más recalentamiento.
La cantidad de calor que puede absorber el evaporador viene expresado en Kcal/h o W/h.
Los evaporadores pueden ser estáticos o de tiro forzado, según el D t que quedamos conseguir.
El aire al tocar el tubo del evaporador enfría el aire y lo pone a 5ºC, al pasar por el segundo tubo lo enfriamos
más y lo ponemos a 0ºC.
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El segundo tubo roba menos calor ya que hay menos D t.
Si pusiéramos una sola fila de tubos para conseguir la misma temperatura necesitaríamos más espacio, pero
obtendríamos mejor rendimiento.
En evaporadores estáticos no es recomendable poner más de dos filas de tubos, para ello necesitaremos un
ventilador para que el aire circule por todos los tubos. (a más tubos mayor velocidad de aire debemos
conseguir).
La presión en el evaporador no se mantiene constante a causa de las pérdidas de carga. Para evitar estas
pérdidas de carga en evaporadores grandes se divide en secciones.
Cada parte del evaporador ha de ser de igual longitud y van a parar a un colector.
La humedad afecta negativamente en el rendimiento del evaporador, al enfriar el aire de 2ºC (70% de
humedad relativa) a −30ºC la humedad pasa a ser del 100% y pasamos de 10 gr de agua por m³ de aire a 3
gr/m³. Los 7 gr/m³ restantes se quedan en el evaporador en forma de escarcha.
Al tocar el aire con el producto robamos calor al producto, como al aire le falta agua también robamos
humedad del producto. La humedad relativa necesaria depende del producto que tenemos que almacenar para
no deshidratar el producto. Para evitar la deshidratación del producto, se debe envasar o acortar el D t. A
mayor velocidad de aire mayor D t conseguimos y enfriamos más rápido, para conservar alimentos sin
envasar necesitamos poco D t para no deshidratarlo (utilizando evap estáticos P.E.).
JUSTIFICACIÓN
Buscando mejorar la calidad académica en los estudiantes de la C.U.C. y su desempeño laboral,
presentaremos un proyecto teórico−práctico que ayude a afianzar nuestros conocimientos, así como resaltar y
comprometernos un poco más con las materiales básicas como la Física.
Mostraremos un proyecto desde el punto de vista termodinámico, tratando los principios básicos del
enfriamiento del áire, y como este proceso puede darse en un sistema adecuado y con la ayuda de un gas
refrigerante (gas ecológico 134).
Igualmente se busca familiarizar a los estudiantes con la forma y manejo de proyectos para que así, estos se
puedan desempeñar mejor en los siguientes semestres de acuerdo a sus áreas académicas.
CONCLUSIÓN
Con la presentación del anterior proyecto se mostró de manera sencilla el funcionamiento de un sistema
refrigerante, el cual, debido a un gas refrigerante (134), éste puede transformar o cambiar la temperatura de un
lugar o instrumentos. Igualmente este proyecto nos ayudó a afianzar nuestros conocimientos respecto a la
termodinámica, y como esta área de la física está relacionada de manera directa a nuestra vida diaria.
Su optimo funcionamiento depende de nosotros, así como el desarrollo de cualquier proyecto. Con lo anterior
está en nuestras manos conocer el montaje y funcionamiento de este principio de enfriamiento, ya que éste es
la base para muchos instrumentos de la vida diaria, tales como aires acondicionados, neveras, enfriadores, etc.
Es importante este desarrollo académico, ya que es fundamental que como personas que llegaremos a ser
profesionales en nuestra área, debemos saber y conocer un poco más o de manera más profunda los procesos o
efectos que se producen en nuestro entorno, es decir, la naturaleza misma del mundo.
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Gracias a esta cátedra, y la posible realización de este proyecto podemos reflejar nuestros conocimientos
adquiridos hasta esta parte de la carrera.
MONTAJE Y ESQUEMA
Compresor o Unidad
1/4 HP
Condensador
Filtro
Unidad de expansión de gas (Capilar)
Evaporizador
Tuberías de enfriamiento
Fem
110V
3.
5.
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