q - Instituto Politécnico Nacional

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO DE UNA CÁMARA FRIGORÍFICA
PARA LA PRESERVACIÓN DE CARNE DE RES
EN LA CIUDAD DE PUEBLA, PUEBLA.
TESIS COLECTIVA Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL
PARA OBTENER TÍTULO DE
INGENIERO MECÁNICO
PRESENTAN:
GARCÍA ANDRADE LAURA REBECA
_____________
MEJÍA MERÉ JAIME ABRAHAM
_____________
SILVA MACHADO JESÚS SALVADOR
_____________
ASESORES DEL DESARROLLO PROSPECTIVO DE PROYECTO:
Ing. AGUSTÍN LOPEZ MALDONADO
M. en C. JOSÉ LUIS MORA RODRIGUEZ
MÉXICO, D.F. DICIEMBRE DEL 2008.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
JUSTIFICACIÓN
El siguiente proyecto fue pensado y realizado con el objetivo de obtener una mayor y
mejor preservación de la carne de res bajo condiciones óptimas con el menor costo
posible.
Para ésto utilizamos los materiales más adiabáticos (aislantes) posibles, así como un
buen cálculo matemático que nos harán ver a ciencia cierta los valores aproximados que
se usan en el campo de la Refrigeración para la selección de equipos de nuestro sistema
de refrigeración.
Cabe destacar que no usamos métodos de cálculo rápido como los que se usan en la
práctica industrial, sino que usamos el método clásico-teórico y con el cual corroboramos
que llegaríamos a las mismas soluciones de una u otra manera.
Aunque este no es un proyecto real; ya que no tenemos la experiencia laboral que
quisiéramos; lo señalamos de manera teórica y con catálogos verídicos como si
estuviéramos laborando en la industria, con la finalidad de llevar este esbozo lo más
cercano posible a la realidad laboral.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
1
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
ÍNDICE
CAPÍTULO 1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
1.14
1.15
1.16
1.17
1.18
1.19
1.20
1.21
1.22
1.23
1.24
1.25
1.26
1.27
1.28
1.29
1.30
1.31
1.32
1.33
1.34
1.35
1.36
1.37
1.38
1.39
1.40
1.41
GENERALIDADES
BREVE HISTORIA DE LA REFRIGERACIÓN
CICLO DEL AIRE
EVAPORACIÓN DEL AGUA EN VACÍO
TIPOS DE REFRIGERACIÓN
REFRIGERACIÓN DOMÉSTICA
REFRIGERACIÓN COMERCIAL
REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL
AIRE ACONDICIONADO
REFRIGERACIÓN MARINA
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
ENFRIAMIENTO
REFRIGERACIÓN
CONGELACIÓN
CRIOGENIA
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPORES
CICLO BÁSICO DE REFRIGERACIÓN
FUNCIONAMIENTO DEL CICLO BÁSICO DE REFRIGERACIÓN
DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA (DIAGRAMA DE MOLLIER)
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN DIRECTO
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN INDIRECTO
CONCEPTOS FUNDAMENTALES
TERMODINÁMICA
LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
ENERGÍA
FUERZA
PRESIÓN
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
PRESIÓN ABSOLUTA
PRESIÓN MANOMÉTRICA
ESTADO DE LA MATERIA
PROCESO TERMODINÁMICO
CICLO TERMODINÁMICO
CALOR
CALOR ESPECÍFICO
CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE CALOR
TRANSFERENCIA DE CALOR
CONDUCCIÓN
CONVECCIÓN
RADIACIÓN
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
2
1
2
4
4
6
6
6
6
6
7
7
7
7
7
8
9
9
10
11
14
15
16
16
16
16
17
17
19
20
21
21
21
22
24
25
26
26
27
28
28
28
29
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.42
1.43
1.44
1.45
1.46
1.47
1.48
1.49
1.50
1.51
1.52
1.53
1.54
1.55
1.56
1.57
CALOR SNSIBLE
CALOR LATENTE O CALOR DE CAMBIO DE ESTADO
CALOR TOTAL
CALOR LATENTE DE FUSIÓN
CALOR LATENTE DE EVAPORACIÓN
CALOR DE VAPORIZACIÓN
ENTALPÍA
ENTROPÍA
VOLUMEN
VOLUMEN ESPECÍFICO
TEMPERATURA
PUNTO DE EBULLICIÓN
REFRIGERANTE
SOBRECALENTAMIENTO
SUBENFRIAMIENTO
TONELADA DE REFRIGERACIÓN
CAPÍTULO 2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
BALANCE TÉRMICO
39
40
42
43
45
46
46
50
50
62
SELECCIÓN DE EQUIPO
74
75
75
ANÁLISIS DEL PROBLEMA
CONDICIONES DE DISEÑO
DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL PRODUCTO
CONDICIONES DE ALMACENAMIENTO Y CONSERVACIÓN
VOLUMEN DE ALMACENAMIENTO
DIMENSIONAMIENTO DEL ESPACIO POR REFRIGERAR
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA
CÁLCULO ENERGÉTICO DEL PROYECTO
CAPÍTULO 3
30
30
30
31
31
31
32
33
34
34
35
36
37
37
37
38
REFRIGERANTES
CLASIFICACIÓN SEGÚN ASHRAE
PROPIEDADES DE ALGUNOS REFRIGERANTES Y
CARACTERÍSTICAS DE UN CICLO DE EVAPORACIÓN A -15ºC (5ºF) Y
CONDENSACIÓN A 30ºC (86ºF)
EFECTOS DE LOS DIFERENTES EN LA DESTRUCCIÓN DE LA
3.4
CAPA DE OZONO Y EL CALENTAMIENTO GLOBAL
3.5
TABLA “A” POTENCIAL DE DESTRUCCIÓN DE OZONO (ODP) Y EL
CALENTAMIENTO GLOBAL (GWP) DE ALGUNOS REFRIGERANTES
CON REFERENCIA A CFC-11
PROPIEDADES SEGURAS
3.6
3.7
APLICACIONES DE LOS REFRIGERANTES
3.8
COMPARACIÓN DE LOS REFRIGERANTES
3.9
INFLAMABILIDAD Y TOXICIDAD
3.1
3.2
3.3
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
3
78
78
79
79
80
81
82
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
3.10 SELECCIÓN DE REFRIGERANTE
3.11 DAÑO A LOS PRODUCTOS REFRIGERADOS
3.12 REACCIÓN CON LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
3.13 VIDA ÚTIL DE LOS TUBOS PARA UNA CIERTA CAPACIDAD DE
REFRIGERACIÓN
3.14 APLICACIONES ACTUALES Y VENTAJAS PARA EL AMONIACO
3.15 USOS Y PORQUÉ DEL AMONIACO
3.16 COSTO DE REFRIGERANTE
3.17 CONDICIONES DE TRABAJO (SELECCIÓN DE EQUIPO)
3.18 CARACTERÍSTICAS DEL R-22
CAPÍTULO 4 P R O G R A M A D E M A N T E N I M I E N T O
4.1
4.2
4.3
4.4
PROGRAMA DE MANTENIMIENTO
EVAPORADORES
UNIDADES MOTOCOMPRESORAS (COMPRESORES)
CONDENSADORES
CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
4
82
84
85
85
86
86
87
88
88
100
101
101
102
104
105
106
107
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CAPITULO 1
GENERALIDADES
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
1
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.1
BREVE HISTORIA DE LA REFRIGERACIÓN.
En la antigüedad la variedad de productos conservables era limitada, para ampliar el
surtido disponible se aplicaron procesos como el salado, ahumado y el secado; ya
entonces se conoce también la mejor conservación de los alimentos a temperaturas
bajas: cuevas frías, o al aire libre según el clima.
Hay noticias del almacenamiento de nieve o hielo naturales en "neveros" para poder ser
utilizado fuera de temporada desde 1100 a.C.
En España el empleo de nieve como refrigerante fue introducido por los romanos. EL
filosofo hispano-romano Seneca, en el siglo I, menciona el poder aislante de la paja para
conservarlo.
Los árabes, en el siglo X, eran aficionados a las bebidas frías y los sorbetes que obtenían
en Granada.
A partir del siglo XVII es cuando comienza a practicarse todo un comercio de la nieve en
Madrid y otras ciudades de España.
En 1670 en Roma y Paris, la adición de sales a la nieve permite obtener a escala
comercial helados y bebidas granizadas
En el siglo XVIII en España se instituye un impuesto especial llamado "renta de la nieve".
En 1760, von Braun, en Petersburgo (Rusia) logra congelar mercurio a -40ºC por mezcla
de hielo con cloruro de calcio.
A comienzos del siglo XIX se habían obtenido ya y se utilizaban, temperaturas inferiores a
la de congelación, aunque basadas en disponer de hielo. El hielo se aplica a partir de
1800 para el enfriamiento de pescado, carne, frutas y verduras.
En 1899 en Estados Unidos se llegan a recoger 25 millones de toneladas de hielo en los
ríos del norte y Alaska y se transporta por río a las ciudades del sur, llegando a exportarse
a Inglaterra 200.000 toneladas anuales.
A finales del siglo XIX New York consumía un millón de toneladas de hielo natural.
En Europa también en el siglo XIX, Noruega se convierte en el principal exportador de
hielo.
Hacia 1920 desaparece el hielo natural, substituido por el frío artificial.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
2
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
En 1824 el francés Sadi Carnot, definió el ciclo o serie de transformaciones de un fluido,
en el que se basa el proceso frigorífico.
En 1847 el inglés James Joule define la equivalencia de calor con el trabajo mecánico.
En 1865 el alemán Rudolf Clausius introduce los conceptos que sirven de base a los
principios de la termodinámica.
En 1878 se define la entalpía.
En 1904 el francés Richard Mollier, representa las transformaciones de los gases en sus
"diagramas".
En 1860 comienza de forma industrial la producción de frío; las primeras instalaciones son
fábricas de hielo.
Los sistemas de obtención del frío fundamentales son:
Compresión de gases licuables.
La producción de frío por la compresión de gases licuables consiste en la evaporación,
compresión y condensación sucesivas de un gas en circuito cerrado, aprovechando el
calor absorbido en la evaporación como efecto frigorífico a costa de la energía mecánica
consumida en la compresión.
Amoniaco a partir de 1877 en Alemania por Car von Linde.- Hacia 1950 es substituido por
los refrigerantes halogenados, sin embargo, hoy comienza a extenderse de nuevo su uso.
Anhídrido carbónico a partir de 1887.- Se abandona en a partir de 1940.
Anhídrido sulfuroso y cloruro de metilo.- Suplantados a partir de 1940.
Refrigerantes halogenados.- Denominados inicialmente freones a partir de 1930.
Máquina de absorción.
Se desarrolla a partir de 1860; proceso similar al anterior, pero la diferencia de
condiciones entre evaporación y condensación se consigue por la aportación de energía
calorífica en vez de mecánica para la compresión.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
3
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.1.3 CICLO DE AIRE.
El ciclo de aire se puso a punto en 1877 por la firma británica Bell-Coleman y por la
inocuidad del gas fue aplicado inmediatamente a buques. El ciclo de aire consiste en la
compresión de aire, y una expansión posterior a través de una turbina con producción de
energía, con lo que se obtiene aire frío; no ocurre licuación ni cambio de estado.
1.1.4 LA EVAPORACIÓN DE AGUA EN VACÍO.
Su realización fue tardía, a partir de 1910. Sistema llamado de Stem-jet requiere de un
generador de vapor de agua, que aplicado a un eyector produce vacío en una cámara en
la que se pulveriza agua, que se enfría por su evaporación a baja presión. Ciclo
convencional en el que el refrigerante es el agua y el compresor se substituye por un
eyector de vapor.
El trabajo de una planta de refrigeración es enfriar artículos o productos y mantenerlos a
una temperatura más baja que la temperatura ambiente. La refrigeración se puede definir
como un proceso que saca y transporta el calor.
Los más viejos y mejores refrigerantes conocidos son el hielo, el agua y el aire. Al
principio, el único propósito de la refrigeración fue conservar alimentos. Los chinos fueron
los primeros en descubrir que el hielo aumentaba la vida y mejoraba el gusto de las
bebidas y durante los siglos los esquimales han conservado alimentos congelándolos.
FIG.1.1 EL HIELO SE USA COMO REFRIGERANTE PARA CONSERVAR ALGUNOS ALIMENTOS
A principios de este siglo fueron conocidos los términos tales como bacterias,
fermentación, enmohecimiento, encimas. También se descubrió que el aumento de
microorganismos es dependiente de la temperatura y que este crecimiento disminuye
cuando la temperatura desciende y que el crecimiento empieza a ser muy bajo a
temperaturas por debajo de +l0ºC.
Como consecuencia de este conocimiento fue entonces posible el use de la refrigeración
para conservar productos alimenticios y el hielo se empezó a usar para este propósito.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
4
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
La electricidad empezó a jugar su papel al principio de este siglo y las plantas mecánicas
de refrigeración empezaron a ser comunes en muchos campos; por ejemplo, cervecerías,
mataderos, pescaderías y fabricación de hielo.
Después de la segunda Guerra Mundial el desarrollo de los pequeños compresores
herméticos adquirió una seria reputación y los refrigeradores y congeladores empezaron a
utilizarse en los hogares.
Hoy día estas aplicaciones son estimadas como necesidades normales de un hogar.
Ahora hay numerosas aplicaciones para plantas de refrigeración; como ejemplos
tenemos:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Conservación de productos alimenticios
Procesos de refrigeración
Plantas de aire acondicionado
Plantas secadoras
Instalación de enfriamiento de agua
Contenedores refrigerados
Bombas de calor
Fábricas de hielo
Liofilización
De hecho es difícil imaginar la vida sin refrigeración y congelación, este impacto en
nuestra existencia es mucho más grande que lo que la gente se imagina.
FIG. 1.2 EJEMPLOS DE REFRIGERACIÓN
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
5
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.2
TIPOS DE REFRIGERACIÓN.
En la actualidad se conocen 5 tipos de aplicación de la refrigeración y estas son:
1. Doméstica
2. Comercial
3. Industrial
4. Aire acondicionado
5. Marina
1.2.1 REFRIGERACIÓN DOMÉSTICA.
Este campo es el que nosotros conocemos como los refrigeradores y congeladores
caseros. Estas unidades son de pequeño tamaño y de capacidades de potencia también
pequeñas.
1.2.2
REFRIGERACIÓN COMERCIAL.
Este tipo de refrigeración se refiere a los equipos que se usan en establecimientos
comerciales, restaurantes, hoteles e instituciones que los usan para el almacenamiento,
exhibición, procesamiento y distribución de artículos de comercio perecederos de muchos
tipos.
1.2.3
REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL.
En este tipo de refrigeración se caracteriza por que son más grandes en tamaño que las
de aplicación comercial, además de que en estos equipos industriales es necesario que
haya una persona para su servicio, y que por lo general es un ingeniero mecánico.
Algunos ejemplos de este tipo de refrigeración son:
•
•
•
•
•
•
1.2.4
Plantas de hielo
Empacadoras de alimentos
Cervecerías
Lecherías
Refinerías de petróleo
Plantas químicas
AIRE ACONDICIONADO.
Esta es la técnica para controlar los factores que afectan las condiciones físicas y
químicas de la atmósfera que hay dentro de un espacio destinado al uso por personas
para su comodidad o para realizar procesos industriales.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
6
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.2.5
REFRIGERACIÓN MARINA.
Esta se refiere a la que se realiza en embarcaciones de transporte y carga, así como
refrigeración de almacenes en la embarcación.
1.3 SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN.
La finalidad de la refrigeración moderna es muy variable, ya que va desde preservar un
producto hasta llegar a un proceso. Estos procesos se clasifican en:
•
•
•
•
1.3.1
Enfriamiento
Refrigeración
Congelación
Proceso criogénico o criogenia
ENFRIAMIENTO.
Todos los sistemas que se conocen de enfriamiento operan en un rango de temperaturas
que van desde 15º C a 2º C (min. 0º C).
En este proceso no se presenta un cambio de estado en la sustancia que se maneja ya
que solamente se elimina el calor sensible de este.
La aplicación es muy amplia y muy conocida ya que es la que usamos para enfriar
bebidas, lácteos y también es usado en sistemas de acondicionamiento de aire.
1.3.2
REFRIGERACIÓN.
Los rangos de temperatura de este proceso van desde los 0º C hasta los -18º C
aproximadamente.
En este proceso si hay un cambio físico ya que ahora hay un abatimiento del calor latente
de la sustancia o producto.
Este proceso es utilizado para la conservación de productos desde 2 semanas hasta 1
mes aproximadamente, por ende es utilizado ampliamente en instalaciones domésticas y
comerciales.
1.3.3
CONGELAMIENTO.
Este proceso opera en un rango de temperatura de los -18º C hasta los -40º C.
En este proceso también hay un cambio de estado en la sustancia por la eliminación del
calor latente.
La principal utilidad es el área comercial e industrial. El periodo de conservación va desde
1 mes hasta un año, todo esto dependiendo del producto y el procedimiento que se
emplee.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
7
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.3.4
CRIOGENIA.
Este es un proceso que va desde los -40º C hasta valores cercanos al cero absoluto.
Esto implica un cambio de estado físico en la sustancia en caso de estar en estado
líquido.
Es muy aplicado en el área industrial y de investigación. Esto es porque trata de la
preservación de los productos alimenticios en condiciones críticas.
FIG. 1.3 REPRESENTACIÓN DE LOS PROCESOS DE REFRIGERACIÓN
En donde en la figura podemos apreciar el retiro de calor ya sea de manera sensible (qs) o
de manera latente (qL) a la libra masa del producto, dada una temperatura inicial (TI) hasta
una temperatura requerida o de diseño (Td).
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
8
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.4 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE
VAPORES.
1.4.1 CICLO BÁSICO DE LA REFRIGERACIÓN.
Por el estudio de las propiedades termodinámicas de las sustancias
se facilitó el
desarrollo de la refrigeración, pues se descubrió que en algunas de éstas, su punto de
ebullición a presión normal es inferior a 0°C (32°F). Aprovechando esta propiedad se
obtiene el primer sistema de refrigeración por compresión de gas refrigerante.
El sistema de refrigeración consiste básicamente en cuatro equipos indispensables para
obtener un ciclo cerrado.
1.
2.
3.
4.
Compresor.
Condensador.
Válvula de expansión.
Evaporador.
FIG.1.4 SISTEMA BÁSICO DE COMPRESIÓN DE VAPORES (DIAGRAMA DE FLUJO).
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
9
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Funcionamiento del ciclo básico de la refrigeración.
El refrigerante es el medio de transporte para extraer la energía en forma de calor desde
el evaporador y en el condensador donde será desechado hacia el medio de
condensación. Un cambio de estado de líquido a vapor y viceversa permite al refrigerante
absorber y descargar grandes cantidades de calor en forma repetitiva, respectivamente.
Existen dos presiones en el sistema mecánico de refrigeración que son la presión de
evaporación (baja presión del sistema) y la presión de condensación (alta presión del
sistema).
El ciclo básico opera como a continuación se explica y se puede apreciar en la fig. 1.4
(figura anterior).
El refrigerante líquido es alimentado a la válvula de expansión a alta presión, en el cual
lleva a cabo un proceso Isotérmico (antes pasa por un recibidor de líquido y un filtro
deshidratador los cuales no son equipos básicos). Esta válvula separa los lados de alta y
baja presión.
La válvula termostática de expansión mediante un proceso Isotérmico provoca una caída
de presión (reducción de presión) por medio de un pequeño orificio, esto provoca a su vez
que el refrigerante, que antes se encontraba en estado líquido reduzca su temperatura
(Correspondiente a la nueva presión) y pase a un estado de vapor no saturado (mezcla
vapor-líquido).
El refrigerante en estas condiciones entra al evaporador donde debido a su nueva
temperatura que es baja, va absorbiendo calor y llega a su estado de vapor saturado, el
cual desarrollo un proceso Isobárico. El calor fluye a través de las tuberías del evaporador
hacía el refrigerante, esta absorción del calor por el refrigerante continúa hasta que al salir
del evaporador, tiene una característica de vapor con cierto grado de sobrecalentamiento.
(Ver fig. 1.5)
Una vez que se ha absorbido calor en el evaporador, el vapor refrigerante viaja a través
de la línea de succión hacia la entrada del compresor. El compresor mediante un proceso
Isoentrópico toma el vapor a baja presión y fo comprime aumentando tanto su presión
como su temperatura hasta superar la del medio de condensación, esto con el fin de que
haya transferencia de calor de él vapor comprimido hacia el medio de condensación. El
vapor caliente y a alta presión es bombeado fuera del compresor a través de la válvula de
descarga hacia el condensador. (Ver fig. 1.5)
El condensador es un intercambiador de calor en el cual se enfría el vapor que viene del
compresor (Proceso Isobarico). Conforme la temperatura del vapor refrigerante alcanza la
temperatura de saturación correspondiente a la alta presión del condensador, el vapor se
condensa (se vuelve líquido) y fluye al recibidor, de donde se alimentará a la válvula de
expansión para comenzar nuevamente el ciclo. (Ver fig. 1.5)
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
10
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
FIG.1.5 CICLO BÁSICO TERMODINÁMICO DE REFRIGERACIÓN (DIAGRAMA DE MOLLIER).
1.4.2 DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA (DIAGRAMA DE MOLLIER).
Estos diagramas sirven como herramienta valiosa para analizar y comprender el
funcionamiento de un sistema de refrigeración.
El diagrama de Mollier (fig.1.6) se debe utilizar para graficar los ciclos de refrigeración,
además nos sirve para detectar problemas prácticos en la operación de un sistema.
El diagrama representa al refrigerante. Es una representación gráfica de los datos
contenidos en las tablas termodinámicas. El diagrama muestra los tres estados físicos
diferentes: líquido, liquido-vapor y vapor; así como se muestra en la figura. Las líneas de
frontera convergen al aumentar la presión y linealmente se juntan en un punto crítico, el
cual representa la condición límite para la existencia de refrigerante líquido. A
temperaturas mayores que la crítica el refrigerante puede existir solamente en forma
solamente en forma gaseosa.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
11
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
FIG.1.6 DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA (DIAGRAMA DE MOLLIER).
En la figura siguiente (1.7) se representa el diagrama Presión-Entalpía, en el cual
aparecen 5 propiedades básicas del refrigerante las cuales son:
Las 5 propiedades básicas del refrigerante son:
1.- PRESIÓN (P): Las líneas de presión constante corren en forma horizontal a través del
diagrama. La escala de presión no esta graduada en intervalos constantes sino que sigue
una escala logarítmica, lo cual permite un amplio rango de cobertura en un diagrama de
tamaño razonable.
2.- ENTALPÍA (H): Las líneas de entalpía constante son verticales. En un proceso de flujo
constante, tal como sucede en un ciclo refrigerante, la entalpía representa el contenido de
energía calorífica por cada libra de refrigerante.
3.- TEMPERATURA (T): Por lo general las líneas de temperatura constante corren en
dirección vertical en las zonas de vapor sobrecalentado y de líquido sub-enfriado. En la
zona de mezcla siguen una dirección horizontal entre las líneas de saturación. El
diagrama, normalmente simplificado incluye líneas de temperatura solamente en la
zona de Sobrecalentamiento. En la zona mixta se muestran los puntos de intersección
con las líneas de saturación.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
12
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
4.- VOLUMEN ESPECÍFICO (‫)ט‬: Las líneas de volumen específico se extienden desde la
Línea de vapor saturado hacia la zona de vapor sobrecalentado y forman un pequeño
ángulo con la horizontal.
5.- ENTROPÍA (S): Las líneas de entropía constante se extienden también desde la línea
de Vapor saturado hacia la zona de vapor sobrecalentado y forman un cierto ángulo con
las líneas de vapor saturado. Estas líneas aparecen solamente en la zona de
sobrecalentamiento por que es donde ordinariamente se requieren los datos de entropía,
la cual esta relacionada con la disponibilidad de energía.
El ciclo completo de refrigeración representa la historia de una libra de refrigerante
fluyendo una vez a través del sistema.
Conociendo simplemente las temperaturas de condensación y de evaporación podemos
representar en el diagrama de Mollier el ciclo de refrigeración completo. En el propio
diagrama se puede leer los valores para cada una de las propiedades del refrigerante en
forma directa. Los cambios de esos valores o magnitudes pueden seguirse a través de
cada proceso.
FIG.1.7 DIAGRAMA PRESIÓN-ENTALPÍA (DIAGRAMA DE MOLLIER).
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
13
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.4.3 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN DIRECTA.
Es aquel sistema en donde la refrigeración útil se realiza directamente en el evaporador.
FIG.1.8 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN DIRECTA.
SERPENTINES DE ENFRIAMIENTO DE EXPANSIÓN DIRECTA.
FIG.1.9 EVAPORADORES UTILIZADOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN DIRECTA.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
14
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.4.4 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN INDIRECTA.
Es aquel en el cual el evaporador va colocado dentro de un tanque perfectamente aislado
térmicamente, el cual a su vez contiene una solución salina llamada salmuera que es la
que circula por el espacio o cuerpo a enfriar.
En estos sistemas indirectos debe considerarse que la temperatura de la salmuera o
refrigerante secundario que circula por un serpentín secundario de enfriamiento o a la
salida del mismo espacio o producto a enfriar debe ser de 5º a 6º F como mínimo debajo
de la temperatura del producto o espacio a enfriar.
La elevación de la temperatura de la salmuera es de la entrada hasta la salida del
serpentín, se calcula generalmente de 10 ºF pudiéndose considerar en grandes plantas
hasta de 15 a 20 ºF.
FIG. 1.10 SISTEMA DE RERIGERACION INDIRECTA.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
15
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.5 CONCEPTOS FUNDAMENTALES.
1.5.1 TERMODINÁMICA.
Rama de la física que se encarga de estudiar todo lo relativo a las transformaciones de la
energía, en sus formas de calor y trabajo, así como de las relaciones entre las diferentes
propiedades físicas de las sustancias en las cuales se llevan a cabo dichas
transformaciones (principalmente de aquellas propiedades que están relacionadas
funcionalmente con la temperatura)
La termodinámica se puede estudiar desde dos enfoques:
MACROSCOPICO (termodinámica clásica).- Cuando se estudian
conglomerado general, sin meterse en cuestiones internas de la materia
sistemas
de
MICROSCOPICO: (Termodinámica estadística).- Basada en la teoría cinética de los
gases. Se ocupa de las moléculas como cuerpos libres aplicándole aspectos de la
mecánica estadística (análisis y estudio del movimiento de millones de partículas).
1.5.2 LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA.
Si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también
tienen que estar en equilibrio entre sí.
Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito situado a una
determinada temperatura, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con
su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste. (El llamado entorno
infinito es una abstracción matemática denominada depósito térmico; en realidad basta
con que el entorno sea grande en relación con el sistema estudiado).
1.5.3 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
Esta basada en el “Principio de la conservación energía”, establece que:
“La energía es una entidad permanente en el universo físico, no se puede crear, ni
destruir, pero se puede transformar de unas formas a otras, en cantidades
equivalentes”.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
16
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Características:
No establece más que las propiedades de la energía.
Resume las principales propiedades de permanencia y transformación de la
energía.
Es un principio rector: rige todos los fenómenos de todo el universo (siempre).
Es una ley inmutable e inviolable, por lo tanto es totalmente confiable.
No ce conoce fenómeno alguno que la viole.
1.5.4 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
Después de un amplio estudio de investigación se puede resumir a las definiciones más
tradicionales que mencionaremos a continuación:
1. “Es posible construir una maquina que trabaje en un ciclo completo y no produzca
otro efecto que el de retirar energía como calor de un solo dispositivo y transferirlo
en so totalidad como trabajo a sus alrededores”. (es decir: Ninguna maquina
puede convertir en trabajo todo el calor en ella introducido).
2. “La energía calorífica fluye espontáneamente desde un objeto más caliente a uno
más frío, pero en sentido inverso”.
3. “Si un sistema experimenta cambios espontáneos, este cambiará en tal forma que
su entropía se incrementará”.
1.5.5 ENERGÍA.
Existen varias definiciones - todas correctas - sobre la energía. Cada una de ellas se
refiere a lo mismo pero con un enfoque diferente. Así, un estudiante de ingeniería nos dirá
que "la energía es la fuerza que nos permite realizar una actividad", mientras que un libro
de física para alumnos de secundaria expresa que "la energía es la capacidad para
cambiar un objeto o su entorno". Otro texto de física para el nivel de licenciatura dice que
"la energía es la capacidad de desarrollar un trabajo", en tanto que los diccionarios
señalan que "la energía es la capacidad para obrar o producir un efecto".
En lenguaje cotidiano, decimos que los niños tienen mucha energía cuando no paran de
saltar, correr y jugar, y nos preocupamos cuando muestran otro comportamiento que no
es el "normal" en ellos. De igual forma, descansamos, dormimos y comemos "para
reponer energías", y sabemos que para llevar algo a buen término necesitamos actuar
"con energía". Los objetos, como las personas, tienen energía, por ejemplo, una piedra
que cae desde una azotea tiene suficiente energía en su caída para dañar el techo de un
automóvil o para herir gravemente a una persona.
Pero en la práctica, más que la definición de la energía como un concepto, lo que
nos interesa es saber qué beneficios nos proporciona. Algunos ejemplos: calor
para cocinar los alimentos o para calentar el agua con que nos bañamos;
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
17
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
iluminación, refrigeración y aire acondicionado para nuestros hogares; transporte y
entretenimiento, entre otros.
Así como hay varias definiciones de energía, también son diversas sus manifestaciones:
calor, movimiento, radiactividad y electricidad. La energía es una de las partes
fundamentales del universo, el cual está básicamente compuesto por materia y energía,
aunque también es cierto que todo lo que constituye el universo existe y se mueve en el
espacio y en el tiempo. Tradicionalmente se dice que hay dos grandes tipos de energía:
•
•
Energía potencial (de la gravedad o almacenada, como resultado de su altura o
posición) y
Energía cinética (en movimiento).
La energía potencial es "estática", no implica movimiento, y se encuentra, por ejemplo,
en los carritos de una montaña rusa cuando éstos alcanzan la parte más alta de la misma
y luego descienden por gravedad. Esta forma de energía es la misma que contiene el
agua de una presa, una liga estirada o la cuerda de un reloj (en los dos últimos casos se
denomina "energía potencial elástica").
La energía cinética es la que tienen los objetos y masas en movimiento, y se manifiesta,
por ejemplo, en los vientos, las olas del mar y las corrientes de agua (arroyos y ríos).
¿La materia y la energía son lo mismo? Existe aún una gran controversia sobre el tema.
La clásica fórmula de Einstein (E=mc2) apunta a que la materia se puede convertir en
energía. Su teoría de la relatividad, que lamentablemente fue llevada por otros científicos
al desarrollo de la bomba atómica, así parece demostrarlo. Sin embargo, se afirma que lo
único que se logra en ese caso es liberar la energía contenida en los enlaces del átomo y
no propiamente que la materia se convierta en energía.
Además, es importante tomar en cuenta un principio básico: “la energía no se crea ni se
destruye, sólo se transforma”. Por ejemplo, el calor, que es una de las formas de la
energía, se puede convertir en movimiento, éste en electricidad y, a su vez, ésta en calor
o movimiento. (Aquí conviene señalar que al transformarse la energía en calor, éste no
puede convertirse nuevamente al 100% en la energía original; hay, pues, una "pérdida" de
energía que se mantiene como calor, y a esto se le denomina la Segunda Ley de la
Termodinámica o bien "Ley de la Entropía", según la cual llegará el momento en que toda
la energía del universo se convertirá en calor no reversible).
•
Calor (energía térmica)
El calor o energía térmica es la forma de energía que interviene en los fenómenos
caloríficos. Se puede decir que casi toda la energía de nuestro planeta tiene su fuente
original en el calor del Sol, que calienta el suelo, el aire de la atmósfera y el agua de los
ríos, lagos y océanos; ésta, al evaporarse, provoca la formación de nubes y al
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
18
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
condensarse en la atmósfera se convierte en lluvia. El intercambio de masas frías y
calientes de aire genera constantes movimientos y cambios atmosféricos, y esto mismo
sucede con las corrientes marinas y las olas del mar.
Nosotros utilizamos el calor para muchos fines: lo usamos al planchar la ropa en casa,
para calentar nuestros hogares y los alimentos, pero también para generar vapor y, con
éste, electricidad en las plantas termoeléctricas, en grandes calderas para los procesos
industriales o, incluso, altos hornos en la industria siderúrgica para la fundición de los
metales.
1.5.6 FUERZA.
Se denomina fuerza a cualquier acción o influencia capaz de modificar el estado de
movimiento o de reposo de un cuerpo, es decir, de imprimirle una aceleración modificando
su velocidad.
Su modelo matemático:
Donde:
F- fuerza a calcular.
m- masa del cuerpo con el se va trabajar.
a- aceleración ya sea del cuerpo o la de gravedad dependiendo como se
este utilizando.
•
•
•
•
•
•
El concepto de fuerza fue descrito por primera vez por Arquímedes
Galileo Galilei realizó experimentos con esferas rodando por un plano inclinado
para falsar la teoría del movimiento de Aristóteles (1602 - 1607).
Isaac Newton se considera el primero que formuló matemáticamente el moderno
concepto de fuerza, aunque también usó el término latino vis 'fuerza' para otros
conceptos diferentes además de la fuerza. Además Isaac Newton postuló que las
fuerzas gravitatorias variaban según la ley de la inversa del cuadrado.
Charles Coulomb se considera que fue el primero que comprobó que la interacción
entre cargas eléctricas puntuales variaba también según la ley de la inversa del
cuadrado (1784).
Henry Cavendish fue el primero que logró medir experimental en 1798 la fuerza de
la gravedad entre dos masas pequeñas, usando una balanza de torsión, gracias a
lo cual pudo encontrarse el valor de la constante de la gravitación universal y
por tanto pudo haber calculado la masa de la Tierra.
Con el desarrollo de la electrodinámica cuántica a mediados del siglo XX se
constató que "fuerza" era una magnitud puramente macroscópica, surgida de la
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
19
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
conservación del momento para partículas elementales. Por esa razón las
llamadas "fuerzas fundamentales" suelen denominarse "Interacciones
fundamentales".
Aristóteles y otros creyeron que el "estado natural" de los objetos materiales de la esfera
terrestre era el reposo y que los cuerpos tendían por sí mismos hacia ese estado si no se
actuaba sobre ellos de ningún modo. De acuerdo con Aristóteles la perseverancia del
movimiento requería siempre una causa eficiente (algo que parece concordar con la
experiencia cotidiana, donde las fuerzas de fricción nos pasan desapercibidas). De hecho
la primera ley de Newton, que contradice la tesis de Aristóteles y según la cual un objeto
sobre el que no actúa ninguna fuerza permanece en movimiento inalterado, no resulta
obvia para la mayoría de personas que la oyen por primera vez.
1.5.7 PRESIÓN.
La presión se define como la relación entre la fuerza ejercida y el tamaño del área. Esto
se mide en diferentes unidades dependiendo del propósito de la medida. De estas
unidades el Kg. /cm2 es en el sistema métrico la más común. Esta unidad es a menudo
abreviada en "at" que define una atmósfera técnica.
Su modelo matemático:
Donde:
P- presión a calcular.
F- es la fuerza ejercida.
A- el tamaño del área con la cual se va a trabajar.
Normalmente la presión de aire es de 1,033 Kg. /cm2 y se le llama atmósfera física, el
término abreviado es "atm". Diferentes denominaciones de presión se obtendrán
dependiendo del punto cero que se escoja.
Si se usa el cero absoluto entonces la denominación será "ata" de donde la "a" indica
absoluta. Esta unidad es la que más frecuentemente se utiliza en refrigeración, sin
embargo a menudo puede verse "ato" en los manómetros. "Ato" es válido para sobre
presiones referidas a la atmósfera física. Entonces el punto cero corresponde a 1 atm. y
1,033 ata.
Otra unidad de medida de presión que frecuentemente podemos encontrar es la de mm.
columna de mercurio. La presión de aire corresponde a 760 mm. Hg. a lo que
corresponde también 1 atmósfera y 1,033 ata.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
20
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Finalmente en relación con las bombas de circulación de agua se encuentra la
denominación "metro columna de agua". La abreviación es m.c.a. y 10 m.c.a.
corresponden a 1 ata, 10,33 m. c. a. a 1 atm.
La unidad de presión en el sistema (S.I.) es el Newton/m2, también llamado Pascal (Pa).
De aquí que ésta unidad representa un valor muy pequeño referido a presión, por
ejemplo, en refrigeración, la unidad 1 bar. = 105 Pa se usa en vez del Pascal.
Afortunadamente,
1 atm = 0,9807 bar. ≈ 1 bar., esto hace que en la práctica es a
menudo posible utilizar las mismas unidades de presión tanto en el sistema (S.I.) ó en el
sistema métrico.
1.5.8 PRESIÓN ATMOSFÉRICA.
La presión atmosférica es la presión del aire sobre la superficie terrestre. Además es un
factor abiótico. La atmósfera tiene una presión media de 1013 milibares (o hectopascales)
al nivel del mar. La medida de presión atmosférica del Sistema Internacional de Unidades
(S.I.) es el newton por metro cuadrado (N/m2) o Pascal (Pa). La presión atmosférica a
nivel del mar en unidades internacionales es 101325 N/m2 o Pa.
Una manera de medir la presión atmosférica es con un barómetro de mercurio, su valor se
expresa en términos de la altura de la columna de mercurio de sección transversal unitaria
y 760 mm de alto. Con base en esto decimos que una atmósfera (atm) estándar es igual a
760 mm Hg. (milímetros de mercurio). Utilizaremos por conveniencia la unidad Torricelli
(torr.) como medida de presión; 1 torr. = 1 mm Hg, por lo que 1 atm = 760 torr. ; por lo
tanto 1 torr. = 1/760 de una atmósfera estándar, o sea 1 torr. =1.136 x 10-3 atm (1 x 10-3 es
igual a 0.001 o igual a un milésimo).
1.5.9 PRESIÓN ABSOLUTA.
Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La
presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que
indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidad molecular es muy
pequeña. Este termino se creo debido a que la presión atmosférica varia con la altitud y
muchas veces los diseños se hacen en otros países a diferentes altitudes sobre el nivel
del mar por lo que un termino absoluto unifica criterios.
1.5.10 PRESIÓN MANOMÉTRICA.
Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un
elemento que se define la diferencia entre la presión que es desconocida y la presión
atmosférica que existe, si el valor absoluto de la presión es constante y la presión
atmosférica aumenta, la presión manométrica disminuye; esta diferencia generalmente es
pequeña mientras que en las mediciones de presiones superiores, dicha diferencia es
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
21
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
insignificante, es evidente que el valor absoluto de la presión puede abstenerse
adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro.
La presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la
lectura del manómetro.
Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.
Para ejemplificar cada tipo de presión observemos la siguiente imagen:
FIG 1.11 REPRESENTACION GRAFICA DE LAS PRESIONES.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
22
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.5.11 ESTADO DE LA MATERIA.
En física y química se observa que, para cualquier cuerpo o agregado material
considerado, modificando las condiciones de temperatura, presión o volumen se pueden
obtener distintos estados de agregación, denominados estados de agregación de la
materia, con características peculiares:
o
SÓLIDO.
Manteniendo constante la presión, a baja temperatura los cuerpos se presentan en forma
sólida tal que los átomos se encuentran entrelazados formando generalmente estructuras
cristalinas, lo que confiere al cuerpo la capacidad de soportar fuerzas sin deformación
aparente. Son, por tanto, agregados generalmente rígidos, duros y resistentes. El estado
sólido presenta las siguientes características:
•
•
•
•
•
•
•
Fuerza de cohesión (atracción).
Vibración.
Tiene forma propia.
Los sólidos no se pueden comprimir.
Resistentes a fragmentarse.
Volumen definido.
Puede ser orgánico o inorgánico.
o
LÍQUIDO.
Incrementando la temperatura el sólido se va "descomponiendo" hasta desaparecer la
estructura cristalina alcanzándose el estado líquido, cuya característica principal es la
capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, aún
existe una cierta ligazón entre los átomos del cuerpo, aunque de mucha menor intensidad
que en el caso de los sólidos. El estado líquido presenta las siguientes características:
•
•
•
•
•
•
•
Fuerza de cohesión menor (regular)
Movimiento-energía cinética.
Sin forma definida.
Toma el volumen del envase que lo contiene.
En frío se comprime.
Posee fluidez.
Puede presentar fenómeno de difusión.
o
GASEOSO.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
23
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Por último, incrementando aún más la temperatura se alcanza el estado gaseoso. Los
átomos o moléculas del gas se encuentran virtualmente libres de modo que son capaces
de ocupar todo el espacio del recipiente que lo contiene, aunque con mayor propiedad
debería decirse que se distribuye o reparte por todo el espacio disponible.
El estado gaseoso presenta las siguientes características:
•
•
•
•
•
•
Fuerza de cohesión casi nula.
Sin forma definida.
Sin volumen definido.
Se puede comprimir fácilmente.
Ejerce presión sobre las paredes del recipiente que los contiene.
Los gases se mueven con libertad.
Aquí podemos observar el llamado punto triple donde se hace el cambio de estado:
FIG. 1.12 IMAGEN DEL PUNTO TRIPLE DEL AGUA.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
24
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.5.12 PROCESO TERMODINÁMICO.
Es la evolución de un sistema termodinámico desde un estado de equilibrio inicial B1,
hasta un estado de equilibrio final B2.
Cuando a un sistema se le varían sus variables termodinámicas: presión, temperatura,
volumen, etc., se dice que se lo somete a un proceso termodinámico.
Los distintos procesos termodinámicos pueden estudiarse mediante trayectorias en un
diagrama Presión-Volumen (P-V). Estas trayectorias son características de cada tipo de
proceso, los cuales mencionamos a continuación:
•
•
•
•
•
Isotérmico
Isocórico
Isobárico
Adiabático
Politrópico
1.5.13 CICLO TERMODINÁMICO.
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 aportación de trabajo.
Un ciclo termodinámico inverso busca lo contrario al ciclo termodinámico de obtención de
trabajo. 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
naturalmente. Esta disposición se emplea en las máquinas de aire acondicionado y en
refrigeración.
FIG. 1.13 REPRESENTACIÓN DE LAS AREAS DE TRABAJO (W) Y DEL CALOR (Q) DE UN CICLO TERMODINÁMICO.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
25
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.5.14 CALOR.
Como ya se había mencionado en el concepto de energía el calor es energía térmica.
En física, el calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos,
moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por
reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de
los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación
electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica
(fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual
dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre.
El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que
cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los
procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o
menor grado.
El calor en sí no es una forma de energía puesto que no es una función de estado. El
calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de
transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los
cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de
dicha energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, con la condición de que
estén a diferente temperatura.
1.5.15 CALOR ESPECÍFICO.
Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una
sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se
expresa en J/Kg. ºK.; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado
centígrado. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es
decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en
un grado centígrado.
De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dulong y Alexis
Thérèse Petit, para la mayoría de los elementos sólidos, el producto de su calor específico
por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante. Si se expande un gas
mientras se le suministra calor, hacen falta más calorías para aumentar su temperatura en
un grado, porque parte de la energía suministrada se consume en el trabajo de
expansión. Por eso, el calor específico a presión constante es mayor que el calor
específico a volumen constante.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
26
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.5.16 CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE CALOR.
Cuando un sistema de masa grande se pone en contacto con un sistema de masa
pequeña que está a diferente temperatura, la temperatura de equilibrio resultante está
próxima a la del sistema grande.
Decimos que una cantidad de calor DQ se transfiere desde el sistema de mayor
temperatura al sistema de menor temperatura.
•
•
La cantidad de calor transferida es proporcional al cambio de temperatura DT.
La constante de proporcionalidad C se denomina capacidad calorífica del sistema.
DQ=C·DT
Si los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema aislado, el cuerpo que está a
mayor temperatura transfiere calor al cuerpo que está a menos temperatura hasta que
ambas se igualan (ley cero de la termodinámica).
Si TA>TB
•
•
El cuerpo A cede calor:
El cuerpo B recibe calor:
DQA=CA·(T-TA),
DQB=CB·(T-TB),
entonces
entonces
DQA<0
DQB>0
Como DQA+DQB = 0
La temperatura de equilibrio, se obtiene mediante la media ponderada
La capacidad calorífica de la unidad de masa se denomina calor específico c. C=mc
La fórmula para la transferencia de calor entre los cuerpos se expresa en términos de la
masa m, del calor específico c y del cambio de temperatura.
Q=m·Cp· (Tf -Ti)
Donde:
Q = Calor
Cp = Calor específico
m = Masa
Ti = Es la temperatura inicial
Tf = Es la temperatura final
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
27
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de una
sustancia para que eleve en un grado centígrado su temperatura.
Joule demostró la equivalencia entre calor y trabajo 1cal=4.186 J. Por razones históricas
la unidad de calor no es la misma que la de trabajo, el calor se suele expresar en calorías.
El calor específico del agua es c=1 cal/ (g ºC). Hay que suministrar una caloría para que
un gramo de agua eleve su temperatura en un grado centígrado.
1.5.17 TRANSFERENCIA DE CALOR.
En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos
cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.
El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres
procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos
predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, 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, y la Tierra recibe calor del
Sol casi exclusivamente por radiación.
1.5.18 CONDUCCCIÓN.
Es la forma de transmitir el calor en cuerpos sólidos; se calienta un cuerpo, las moléculas
que reciben directamente el calor aumentan su vibración y chocan con las que las rodean;
estas a su vez hacen lo mismo con sus vecinas hasta que todas las moléculas del cuerpo
se agitan, por esta razón, si el extremo de una varilla metálica se calienta una flama,
transcurre cierto tiempo para el calor llegue a otro extremo. El calor no se transmite con la
misma facilidad por todos los cuerpos. Existen los denominados "buenos conductores del
calor", que son aquellos materiales que permiten el paso del calor a través de ellos. Los
"malos conductores o aislantes" son los que oponen mucha resistencia al paso del calor,
aprovechando esta propiedad muchas vasijas para calentar líquidos, que se hacen
aluminio. Fig.1.14 (a)
1.5.19 CONVECCIÓN.
Es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque ésta se
produce a través del desplazamiento de materia entre regiones con diferentes
temperaturas. La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la
mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido.
Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido. En la
transferencia de calor por convección forzada se provoca el flujo de un fluido sobre una
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
28
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
superficie sólida por medio de una fuerza externa como lo es una Bomba, un ventilador u
otro dispositivo mecánico. Fig.1.14 (b)
1.5.20 RADIACIÓN.
Es un modo de propagación de la energía (en nuestro estudio especialmente la calorífica)
a través del vacío, de forma análoga a la luz. En sentido estricto refiere a la energía
transportada por ondas electromagnéticas, llamada radiación electromagnética. No
obstante, se utiliza también para referirse al movimiento de partículas a gran velocidad en
el medio, con apreciable transporte de energía, que recibe el nombre de radiación
corpuscular. Fig. 1.14 (c)
FIG. 1.14 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LOS PROCESOS DE TRANSMISIÓN DE CALOR
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
29
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.5.21 CALOR SENSIBLE.
Es aquel que aplicado a una sustancia hace subir su temperatura, pero sin producir un
cambio de estado.
qs = m Cp ∆T
[BTU]
Donde:
qS – calor sensible aplicado a una sustancia
m – cantidad de producto expresado en unidades de peso.
Cp – es el calor específico a presión constante.
∆T – es el incremento de temperatura en un proceso
1.5.22 CALOR LATENTE O CALOR DE CAMBIO DE ESTADO.
Es la energía absorbida por las sustancias al cambiar de estado, de sólido a líquido (calor
latente de fusión) o de líquido a gaseoso (calor latente de vaporización). Al cambiar de
gaseoso a líquido y de líquido a sólido se devuelve la misma cantidad de energía.
qL= m HL
[BTU]
Donde:
qL – calor latente suministrado a una sustancia para que cambie de estado.
m – cantidad de producto expresado en unidades de peso.
HL – calor latente de solidificación o de congelación.
1.5.23 CALOR TOTAL.
Es la suma de los calores sensible y latente. Este determina el total de calor introducido o
retirado a una sustancia.
Q T = qs + qL
[BTU]
Donde:
QT – calor total (suma de calores sensibles y latentes).
qs – calor sensible suministrado a una sustancia.
qL – calor latente suministrado a una sustancia.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
30
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.5.24 CALOR LATENTE DE FUSIÓN.
El cambio de fase de sólido a líquido se llama fusión y la temperatura a la cual este
cambio ocurre se le llama punto de fusión.
La cantidad de calor necesario para fundir una unidad de masa de una sustancia a la
temperatura de fusión se llama calor latente de fusión.
1.5. 25 CALOR LATENTE DE EVAPORACIÓN.
Si colocamos un líquido dentro de un recipiente abierto y comenzamos a suministrarle
calor, la temperatura del líquido comenzará a elevarse de manera continua. Esta
elevación de temperatura se mantendrá, hasta que el líquido entre el ebullición, a partir de
ese momento, la temperatura permanecerá constante mientras exista líquido en el
recipiente, y toda la energía suministrada de ahí en adelante, se utilizará para cambiar el
estado de líquido a gas. Durante ese proceso de temperatura invariable, en el recipiente
coexistirán
las
dos
fases.
Esa cantidad de energía absorbida durante el proceso de evaporación de un líquido en
ebullición
se
conoce
como
calor
latente
de
evaporación.
Podemos entonces definir: “el calor latente de evaporación como la cantidad de calor
absorbido por una unidad de masa de un líquido para pasar del estado líquido al
gaseoso”.
1.5.26 CALOR DE VAPORIZACIÓN.
Cambio de una sustancia del estado sólido al vapor sin pasar por el estado líquido.
Algunas de las moléculas de un sólido pueden vibrar muy rápidamente, vencer las fuerzas
de cohesión y escapar como moléculas gaseosas al espacio libre: el sólido se sublima.
Inversamente, al chocar estas moléculas gaseosas contra la superficie del sólido, pueden
quedar retenidas, condensándose el 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.
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.
El proceso de sublimación va acompañado necesariamente de una absorción de energía
térmica. La cantidad de energía térmica que se necesita para sublimar a temperatura
constante un kilogramo de sustancia en estado sólido se conoce como energía o calor
latente de sublimación. El calor latente de sublimación de una sustancia es igual a la
suma del calor latente de fusión más el calor latente de vaporización.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
31
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.5.27 ENTALPÍA.
La entalpía (simbolizada generalmente como "H", también llamada contenido de calor, y
medida en la unidad "Btu/lb",y KJ/kg en el sistema internacional), es una variable de
estado, (que sólo depende de los estados inicial y final) que se define como la suma de la
energía interna de un sistema termodinámico y el producto de su volumen multiplicado por
la presión. La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente, al igual que
la energía interna, en cambio, la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida
experimentalmente. El cambio de la entalpía del sistema causado por un proceso llevado
a cabo a presión constante, es igual al calor absorbido por el sistema durante dicho
proceso.
La entalpía se define mediante la siguiente ecuación:
Donde:
U es la energía interna.
P es la presión del sistema.
V es el volumen del sistema.
La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente; la variación de
entalpía de un sistema sí que puede ser medida en cambio. La variación de entalpía se
define mediante la siguiente ecuación:
∆H es la variación de entalpía.
Hfinal es la entalpía final del sistema. En una reacción química,
Hfinal es la entalpía de los productos.
Hinicial es la entalpía inicial del sistema. En una reacción química,
Hinicial es la entalpía de los reactivos.
La mayor utilidad de la entalpía se obtiene para analizar reacciones que
incrementan el volumen del sistema cuando la presión se mantiene constante por
contacto con el entorno, provocando que se realice un trabajo mecánico sobre el entorno
y una pérdida de energía. E inversamente en reacciones que causan una reducción en el
volumen debido a que el entorno realiza un trabajo sobre el sistema y se produce un
incremento en la energía interna del sistema.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
32
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.5.28 ENTROPÍA.
“Es una magnitud artificial creada por el hombre para explicar la unidireccionalidad de los
fenómenos espontáneos que ocurren en la naturaleza”.
Mide:
•
•
•
•
El grado de desorden en que está la energía
La falta de capacidad que tiene la energía para fluir
El calor que ya no se puede convertir en trabajo
El avance de los fenómenos naturales a producir estados de mayor probabilidad
Como la entropía mide el grado de desorden, esta siempre aumenta espontáneamente,
por lo tanto:
“LA ENTROPÍA NO SE CONSERVA, SE INCREMENTA”
Matemáticamente: “La variación de entropía entre dos estados infinitamente próximos se
define como la variación del calor respecto a la temperatura”.
Donde:
∆S – es la variación de entropía.
∆Q – es la variación de calor.
T – es la temperatura a la cual se va a realizar el proceso.
Y depende de las condiciones termodinámicas del sistema.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
33
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.5.29 VOLUMEN.
El volumen es la cantidad de espacio que ocupa un cuerpo.
En matemáticas el volumen es una medida que se define como los demás conceptos
métricos a partir de una distancia o tensor métrico.
En física, el volumen es una magnitud física extensiva asociada a la propiedad de los
cuerpos físicos de ser extensos, que a su vez se debe al principio de exclusión de Pauli.
La unidad de medida de volumen en el Sistema Métrico Decimal es el metro cúbico,
aunque el SI, también acepta (temporalmente) el litro y el mililitro que se utilizan
comúnmente en la vida práctica.
FIG. 1.15 REPRESENTACION DE UN VOLUMEN.
1.5.30 VOLUMEN ESPECÍFICO.
El volumen específico (v) es el volumen ocupado por unidad de masa de un material. Es
la inversa de la densidad.
υ =
V
1
=
m ρ
Donde,
V = Es el volumen, m = Es la masa y ρ = Es la densidad del material.
Unidades
En el sistema internacional:
m3
kg
En el sistema ingles:
ft 3
lb
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
34
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.5.31 TEMPERATURA.
Es la propiedad más importante de la termodinámica:
“Estado térmico de un cuerpo considerado con referencia a su poder de comunicar calor a
otros cuerpos”.
“Medida de la energía interna almacenada en un cuerpo o sistema”.
o
Escalas de Temperatura:
Una de las primeras escalas de temperatura, todavía empleada en los países
anglosajones, fue diseñada por el físico alemán Gabriel Daniel Fahrenheit. Según esta
escala, a la presión atmosférica normal, el punto de solidificación del agua (y de fusión del
hielo) es de 32 °F, y su punto de ebullición es de 212 °F.
La escala centígrada o Celsius, ideada por el astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada
en casi todo el mundo, asigna un valor de 0 °C al punto de congelación del agua y de 100
°C a su punto de ebullición.
En ciencia, la escala más empleada es la escala absoluta o Kelvin, inventada por el
matemático y físico británico William Thomson , lord Kelvin. En esta escala, el cero
absoluto, que está situado en -273,15 °C, corresponde a 0 K, y una diferencia de un kelvin
equivale a una diferencia de un grado en la escala centígrada.
Otra escala que emplea el cero absoluto como punto más bajo es la escala Rankine, en la
que cada grado de temperatura equivale a un grado en la escala Fahrenheit. En la escala
Rankine, el punto de congelación del agua equivale a 492 °R y su punto de ebullición a
672 °R.
FIG. 1.16 REPRESENTACION DE LAS ESCALAS DE TEMPERATURA MÁS USADAS.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
35
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.5.32 PUNTO DE EBULLICIÓN.
El punto de ebullición de un compuesto químico es la temperatura que debe alcanzar
este para pasar del estado líquido al estado gaseoso; para el proceso inverso se
denomina punto de condensación.
La temperatura de una sustancia o cuerpo es una medida de la energía cinética de las
moléculas. A temperaturas inferiores al punto de ebullición, sólo una pequeña fracción de
las moléculas en la superficie tiene energía suficiente para romper la tensión superficial y
escapar.
Al llegar al punto de ebullición la mayoría de las moléculas es capaz de escapar desde
todas partes del cuerpo, no solo la superficie. Sin embargo, para la creación de burbujas
en todo el volumen del líquido se necesitan imperfecciones o movimiento, precisamente
por el fenómeno de la tensión superficial.
La temperatura se mantiene constante durante todo el proceso de ebullición, y el aporte
de más energía sólo produce que aumente el número de moléculas que escapan del
líquido. Este hecho se aprovecha en la definición de la escala de temperatura en grados
centígrados.
Un líquido puede calentarse pasado su punto de ebullición. En ese caso se dice que es un
líquido sobrecalentado. En un líquido súpercalentado, una pequeña perturbación
provocará una ebullición explosiva. Esto puede ocurrir, por ejemplo, al calentar agua en
un recipiente liso (por ejemplo Pyrex) en un microondas. Al echar azúcar en esta agua
sobrecalentada, el contenido completo puede ebullir en la cara del usuario, causando
quemaduras.
FIG. 1.17 REPRESENTACIÓN DEL AGUA EN DIFERENTES TEMPERATURAS.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
36
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.5.33 REFRIGERANTE.
Fluido utilizado en la transmisión de calor que, en un sistema frigorífico, absorbe calor a
bajas temperaturas y presión, cediéndolo a temperatura y presión mas elevadas. Este
proceso tiene lugar, generalmente, con cambios de estado del fluido.
Los refrigerantes se denominarán o expresarán por su fórmula o por su 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.
1.5.34 SOBRECALENTAMIENTO.
Este fenómeno se presenta en al succión y generalmente se manifiesta como un
incremento de la temperatura del refrigerante a partir de la curva de saturación de vapor,
es decir estamos adicionando calor sensible en la zona de recalentamiento, el vapor
máximo recomendado por los fabricantes de compresores es de 41°F.
VENTAJAS: La ventaja principal más importante consiste en reducir el riesgo de enviar
líquido a al succión del compresor, protegiendo la vida del mismo.
DESVENTAJAS: La desventaja más importante se presenta cuando se excede el valor
recomendado por el fabricante del compresor, ya que genera problemas por una excesiva
temperatura de descarga, por lo tanto los requerimientos de condensación son mayores y
si no se tienen disponibles se presentan altas temperaturas de evaporación.
1.5.35 SUBENFRIAMIENTO.
Este fenómeno se presenta después de la condensación y generalmente se manifiesta
como un decremento en la temperatura de condensación a presión constante, es decir
tenemos que quitar calor sensible a partir de la curva de líquido saturado.
El valor recomendado es de 41°F., la forma más conocida para lograr este efecto es
mediante un incremento del área de transferencia de calor.
VENTAJAS: La ventaja más importante consiste en aumentar el efecto refrigerante, que
trae una ventaja termodinámica en la producción de frío.
DESVENTAJAS: La desventaja más representativa es el costo del área de transferencia
de calor requerida para lograr este efecto.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
37
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.5.36 TONELADA DE REFRIGERACIÓN.
Toneladas de refrigeración, es una unidad americana basada en el efecto frigorífico de la
fusión del hielo. La tonelada de refrigeración puede definirse como la cantidad de calor
absorbida por la fusión de una tonelada de hielo sólido puro en 24 horas. Puesto que el
calor latente de fusión de una libra de hielo es de 144 BTU, el calor latente de una
tonelada americana (2000 libras) de hielo será:
Para obtener el calor por hora es necesario dividir entre las 24 horas:
lo cual da una cantidad de 12.000 BTU/HORA, que recibe el nombre de "TONELADA DE
REFRIGERACION".
Para obtener el calor por minuto solo se tendrá que dividir entre 60:
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
38
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CAPÍTULO 2
BALANCE TÉRMICO
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
39
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
2.1
ANÁLISIS DEL PROBLEMA.
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO.
Tomaremos en cuenta el diseño y cálculo de una cámara frigorífica para
almacenamiento de carne de res en canal.
Este proyecto se basa en cuatro capítulos, primeramente tomaremos en cuenta
algunos conceptos relacionado a la cámara frigorífica.
CÁMARAS FRIGORÍFICAS.
Definición.
Se entiende por cámara frigorífica, el local construido con material aislante térmico,
destinado a la conservación por medio del frío, de productos perecederos. Válido para
todos los tipos de establecimientos
Las condiciones reglamentarias especificadas en este capítulo, son válidas para
todas las cámaras frigoríficas de cualquier tipo de establecimiento bajo contralor del
Servicio Nacional de Sanidad Animal (SENASA).
Capacidad.
La capacidad de las cámaras frigoríficas en cuanto a volumen se refiere, será
fijada por el Servicio Nacional de Sanidad Animal (SENASA), según el producto a
almacenar, enfriar o congelar y de acuerdo a las condiciones de temperatura que se deba
obtener para cada producto. Requisitos de construcción e higiénico-sanitarios.
Pisos.
El piso estará construido con material impermeable antideslizante y no atacable
por los ácidos grasos. Los ángulos de encuentro con paredes y columnas serán
redondeados y el piso se hallará al mismo nivel o superior de los pisos exteriores.
Paredes de cámaras.
Las paredes de las cámaras frigoríficas en su cara interior estarán recubiertas con
materiales de fácil limpieza, lisos, impermeables, resistentes a la corrosión y de colores
claros; todos los ángulos serán redondeados y las juntas de materiales impermeables.
Todos los materiales deben contar con la aprobación del SENASA.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
40
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Techo.
El techo debe ser de construcción similar al de las paredes. El cielo raso deberá
ser de material impermeable e incombustible y de fácil limpieza.
Material aislante.
Cualquier material aislante térmico que se utilice, deberá ser colocado en forma
tal, que permita el cumplimiento de lo especificado para paredes y techos y no tener
contacto con el ambiente interno o externo de la cámara frigorífica.
Puertas.
Las puertas serán de hoja llena, provistas de material aislante térmico. Se admite
en su construcción la madera revestida en su totalidad por material metálico no corrosivo
y no oxidable u otro elemento siempre que sea inodoro, poco higroscópico e
impermeabilizado debidamente autorizado por el Servicio Nacional de Sanidad Animal
(SENASA).
La altura de las puertas y su ancho en las cámaras y antecámaras estarán en
concordancia con los fines a que se destine el local. Las puertas deberán permitir su
apertura también desde el interior de las cámaras.
Columnas.
Las columnas deberán reunir los mismos requisitos exigidos para las paredes.
Iluminación.
Todas las cámaras deberán estar provistas de iluminación artificial, con llave de
encendido dentro y fuera de las cámaras. Su capacidad lumínica será de cuarenta (40) a
sesenta (60) unidades Lux, 1= Watt/pie2
Estanterías.
Cuando se utilicen estanterías, éstas deberán ser metálicas o de material
impermeable de fácil lavado y responder a las especificaciones que en cada caso se
determinan en este Reglamento.
Ventilación.
La ventilación de las cámaras frigoríficas y la renovación del aire, será tal que evite
la alteración de la mercadería almacenada.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
41
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Rieles para
comercialización.
reses
vacunas
de
las
condiciones
de
almacenamiento
y
Los rieles destinados a reses de la especie vacuna estarán a una distancia mínima
entre sí de ochenta (80) centímetros y se hallarán a no menos de sesenta (60)
centímetros de las paredes, equipo de enfriamiento o cualquier otro elemento constructivo
o funcional que haya dentro de las cámaras. Los rieles se colocarán a no menos de treinta
(30) centímetros del techo.
En el primer capitulo se muestra básicamente una reseña histórica acerca de la
refrigeración así como alguna aplicaciones industriales. Se exponen algunos conceptos
termodinámicos empleados en esta aplicación.
Así como la ubicación donde será instalada la cámara frigorífica. Tanto la capacidad,
tiempo de almacenamiento y la temperatura de conservación.
Segundo capitulo se mencionara las condiciones de diseño y la realización del
calculo de la carga térmica, así como las factores que intervienen en el calculo de la
cámara frigorífica.
Tercer capitulo basándose con la carga térmica calculada en el capitulo dos y
apoyándose en catálogos de fabricantes se seleccionara el equipo, el cual se basara en
las condiciones del diseño y en funcionalidad de acuerdo al diseño del fabricante.
Cuarto capitulo se establecerá un programa de mantenimiento para la adecuada
operación del sistema.
2.2
CONDICIONES DE DISEÑO.
CONDICIONES CLIMATOLÓGICAS DEL LUGAR.
Lugar:
Altitud:
Humedad relativa:
Temperatura de bulbo húmedo:
Temperatura de bulbo seco:
Temperatura máxima exterior:
Temperatura interior de diseño:
Velocidad exterior del aire:
Velocidad interior del aire:
Calor especifico arriba del punto de congelación:
Calor Específico abajo del punto de congelación:
Calor latente de fusión:
Puebla, Puebla
2150 m snm
30%
63° F
84° F
87.8º F
32° F
18.64 mph
3mph
0.75 BTU/lb º F
0.40 BTU/lb º F
54 BTU/lb º F
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
42
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
2.3
DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICA DEL PRODUCTO
FIG. 2.18 REPRESENTATIVA DEL CANAL
Todos los canales pesan aproximadamente 120 Kg.
El canal es el cuerpo de la res al cual se le ha retirado, durante su sacrificio, la piel,
las manos, las patas y las vísceras.
Luego de realizados todos los procesos higiénicamente a la res, el canal se divide
en dos partes iguales, llamadas medios canales, cortando longitudinalmente, con una
sierra, la columna vertebral desde la cadera hasta el cuello.
Esta división tiene por objeto facilitar su manipulación.
Por ultimo el canal se corta en cuartos delanteros y traseros haciendo el corte
cerca de la 12a vértebra, conocido como corte tradicional y el corte a la 5a costilla,
conocida como corte americano.
El canal se comercializa:
A) Fresca: El canal pasa por un proceso de oreo en un salón acondicionando para tal fin.
Su vida es corta, aproximadamente 20 horas después del sacrificio, cuando el consumidor
final la compra, debe consumirla en corto tiempo o conservarla refrigerada.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
43
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
La distribución se realiza en vehículos técnicamente acondicionados para el efecto.
B) En frío: La canal es sometida a un proceso de oreo y refrigeración, lo cual
garantiza la calidad de la misma y evita su exposición a agentes externos contaminantes.
Este proceso reviste especial importancia pues es a través de él, donde la carne adquiere
mayor terneza y un excelente color.
La distribución se hace en vehículos acondicionados y con sistema de refrigeración.
Por lo tanto el producto tendrá una temperatura de entrada de 10°C. De forma
simplificada, las fases de sacrificio y preparación son:
• Apuntillado.
• Elevación mediante polipasto y transferencia a la vía de sangrado.
• Corte de cuernos y patas delanteras.
• Corte de patas traseras e inicio del despellejado por las patas traseras y
transferencia de la línea de sangrado a la línea de faenado.
• Corte de cabeza y preparación de la misma.
• Preparación para el despellejado automático.
• Preparación de las patas delanteras para el despellejado automático.
• Despellejado automático.
• Corte ventral para evisceración.
• Evisceración.
• Corte en canal (manual o mecanizado).
• Inspección y ducha.
El bastidor de la máquina está hecho de acero galvanizado. Después del faenado
visto en la figura, las canales son lavadas superficialmente y se envían a una sala de
refrigeración, donde la temperatura se baja rápidamente durante las seis primeras horas
para evitar el desarrollo bacteriano. En las siguientes diez-doce horas se continúa el
descenso térmico hasta llegar a unos 4° C.
En la carne de vacuno, la maduración de la misma se consigue en 14-17 días a la
temperatura de 0 a -1,5° C es decir de 29.3 a 32 º F.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
44
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
2.4
CONDICIONES DE ALMACENAMIENTO Y CONSERVACIÓN.
Temperatura de entrada
Temperatura de almacenamiento
Tiempo de almacenaje
Calor específico arriba del punto de congelación
Calor específico abajo del punto de congelación
Calor latente de fusión
Punto de congelación
Capacidad de almacenaje
Flujo diario del producto
Tiempo de trabajo para abatir la carga térmica
Humedad relativa en la cámara
50º F
32º F
14 días
CeA = 0.75 BTU/lb º F
CeB = 0.40 BTU/lb º F
CL = 98 BTU/lb
Tc = 29.3 º F
64800kg (142560 lb)
16200kg (35640 lb)
24 hr
90%
TEMPERATURA DE ENTRADA.
(MENOR TEMPERATURA, MAYOR DURACIÓN DE LA CARNE).
Las temperaturas frías (en o debajo del punto de congelación) son beneficiosas
porque retardan el crecimiento bacteriano y aminoran la acción de las enzimas
musculares de la carne. El almacenamiento a largo plazo se hace mediante la
congelación, que podría representar una disminución paulatina en aceptabilidad de sabor
y olor. Además, la rapidez y el método de congelación puede influir en la calidad de la
carne.
TEMPERATURA CORRECTA AL ALMACENAR LA CARNE DE RES.
La humedad relativa debe ser del 85 al 90%. Muchas veces, la humedad es
demasiado baja, lo cual puede causar un secado y una pérdida excesiva de los productos
cárnicos.
Duración de la carne congelada.
Típicamente, la carne fresca correctamente almacenada durará de 4 a 6 semanas
a partir de la fecha de su empacado. La carne fresca congelada a -18°C puede guardarse
almacenada por 6 meses, y la carne fresca congelada a -23°C por un año, sin perder
calidad notable.
MANEJO DE TEMPERATURA DE CONSERVACIÓN.
Tomaremos una temperatura de congelación de 29.3 ° F, el tiempo para abatir la
carga térmica será de 24 hr.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
45
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO.
La capacidad de almacenamiento de este proyecto es de 64800 kg. (142859.4 lb)
y el flujo diario del producto es de 16200 kg. (35714.84 lb)
TIEMPO DE ALMACENAMIENTO.
El tiempo de almacenamiento será de 2 semanas.
2.5
VOLUMEN DE ALMACENAMIENTO.
El volumen total de la cámara frigorífica de este estudio será de:
.
.
V ESP = L × A × H
2.6
V ESP = 47.586 pies × 80.404 pies × 15.945 pies = 61007.240 pies 3
DIMENSIONAMIENTO DEL ESPACIO POR REFRIGERAR.
Dadas las medidas obtenidas por el punto numero 1 del balance térmico:
Exteriores
Largo 49.212 pies
Ancho 82.020 pies
Altura 16.404 pies
Interiores
47.596 pies
80.404 pies
15.945 pies
FIG. 2.19 CROQUIS DEL ESPACIO POR REFRIGERAR
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
46
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
47
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
48
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
49
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
2.7
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN.
Los materiales con los que estará construida nuestra cámara frigorífica se
mencionan en la siguiente tabla:
MATERIAL
Ladrillo común
Piso de concreto
Loza de concreto
Poliuretano
Poliestireno
Lámina Cold Roll
2.8
e (pulg.)
5.5
4
5.5
4.39
7.32
0.04
k (BTU plug / pie2 ºF hr)
5
0.17
5
0.17
0.24
12
CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA. (TEORÍA)
BALANCE TÉRMICO.
Para poder determinar la capacidad del equipo que se necesita se debe realizar un
balance térmico que se refiere al desarrollo de los cálculos con el objetivo de conocer la
cantidad de calor que se debe absorber o transferir en el evaporador, para que un
producto, sustancia o espacio descienda su temperatura en ciertas condiciones.
En general se puede decir que se tiene las siguientes cargas parciales:
•
•
•
•
•
•
Carga térmica generada por el producto
Carga térmica generada por transmisión a través de paredes
Carga térmica generada por alumbrado y equipo
Carga térmica generada por infiltración
Carga térmica generada por ocupantes
Carga térmica generada por efecto solar
CARGA TÉRMICA GENERADA POR PRODUCTO.
Al producto es a quien se le debe retirar calor principalmente para que un
determinado fluido o espacio se mantenga dentro de ciertas condiciones de temperatura y
humedad.
Las frutas, vegetales o cualquier otro producto despiden determinadas cantidades
de calor durante su vida, además de introducirlas a un espacio refrigerado, se toma en
cuenta que estas se encuentran a una temperatura ambiente o un poco mas alta que
esta, la cual da como resultado realizar el abatimiento de su temperatura, hasta llegar a
un rango de temperatura para su conservación.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
50
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
El producto puede ser, no solamente la sustancia que hay que conservar, si no
también algunos otros materiales que complementan la función de contener y manejar el
producto.
Para poder calcular la cantidad de calor es necesario conocer la temperatura a la
que se requiere mantener el producto o espacio.
Para poder determinar la carga por producto se considera lo siguiente:
Tipo de proceso a realizar (enfriamiento, refrigeración, congelación o criogenia).
Tipo de calor a eliminar (calor sensible, calor latente o ambos).
•
•
CARGA TÉRMICA GENERADA POR TRANSMISIÓN A TRAVÉS DE PEREDES.
Este concepto se calcula por la expresión general:
Q = A ⋅ U ⋅ ∆T (BTU/hr)
Donde:
Q= calor total de transmisión a través de paredes
A= área de exposición
U=coeficiente global de transferencia de calor
∆T=diferencia de temperatura (exterior menos interior)
En el caso particular de la refrigeración, las paredes deberán llevar una capa de
aislante térmico de 2 o pulgadas.
Todo elemento que separa a las masas de fluidos a diferentes temperaturas esta
sujeto a un paso de calor que va desde el caliente hacia el frío, y si el cuerpo que los
separa es de material homogéneo, la temperatura va descendiendo en el interior de dicho
elemento según una recta.
FIG. 2.20 FIGURA DE LAS DIMENCIONES DE LAS PAREDES.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
51
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
T1
T2
q
CONDUCCIÓN
T1>T2
FIG. 2.19 FIGURA REPRESENTATIVA DE LA TRANSMISION DE CALOR POR UNA PARED.
La cantidad de calor fluye a través de una pared de espesor “e”, se calcula de la siguiente
manera.
q=
En donde:
A
(T1 − T2 )k (BTU/hr)
e
q = Cantidad de calor transmitido. (BTU/hr).
A = Área de transmisión. (ft2).
k = Coeficiente especifico de conductividad térmica. (BTU pulg/hr ft2 °F).
e = Espesor de la pared. (pulg).
T1 = Temperatura de entrada (°F).
T2 = Temperatura de salida (°F).
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
52
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
En el mismo caso del cálculo para el suelo, la temperatura exterior no será la misma, por
lo tanto se deberá calcular de la siguiente forma:
Tsubsuelo =
Donde:
Text + Tint
2
[ºF]
Tsubsuelo = Temperatura del suelo dentro del espacio.
Text = Temperatura exterior de la cámara frigorífica.
Tint = Temperatura interior de la cámara frigorífica.
El coeficiente específico de conductividad térmica (k) es numéricamente igual a la
cantidad de calor que se pasa por una placa de material considerado de 1 ft2 sección por1
pulg. de espesor cuando existe 1° F de diferencia entre sus 2 caras en 1 hr.
Con este conocimiento se podrá calcular la cantidad de calor que se transmite o fluye a
través de las paredes compuestas de un solo material.
CONDUCTANCIA DE LA CAPA SUPERFICIAL DEL AIRE (PELÍCULA DE AIRE).
Resulta bastante aproximado para la mayoría de los cálculos tomar el valor de
1.65 para f2 para paredes interiores casi sin movimiento de aire, y f1 = 6 para paredes
exteriores expuestas a vientos hasta 24 Km. /hr (15 millas/hr) o en su defecto calcular
dichos valores mediante las siguientes expresiones.
f = 1.6 + 0.3v (para paredes lisas)
f = 2.0 + 0.4v (para paredes medianamente rugosas)
f = 2.1 + 0.5v (para paredes muy rugosas)
En donde:
V = Velocidad del aire en millas/hr.
f = Factor de la película de aire.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
53
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA.
La siguiente expresión permite el cálculo de la cantidad de calor que se transmite a
través de una pared compuesta por dos o más materiales que se paran a dos fluidos que
se encuentran a diferente temperatura.
Q = A(T1 − T2 )U ( BTU / hr )
U=
1
1 e1 e2 e3 1
+ + + +
f1 k1 k2 k3 f 2
En donde:
Q = Calor transferido. (BTU/hr ó Kcal. /hr)
A = Área expuesta al flujo de calor. (ft2 ó m2)
U = Coeficiente de conductividad térmica total. (BTU/hr °F ft2 ó Kcal/hr m2 °C)
∆T = Diferencia de temperaturas entre el lado exterior y el interior (°C o °F)
CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA POR ALUMBRADO Y EQUIPO.
En los sistemas de refrigeración existen equipos eléctricos de alumbrado que ceden
energía al medio en el momento de operar. La cantidad de calor que esto cede se obtiene
directamente de la potencia eléctrica con la potencia térmica, esto es
1 watt = 3.415 BTU/hr
Todos los sistemas de iluminación, ya se a incandescentes o fluorescentes
básicamente, transforman la energía eléctrica que reciben para su operación, en calor; el
cual desprende en su totalidad y se disipa en el interior del espacio que se desea
refrigerar, por lo tanto el siguiente modelo matemático nos permite calcular la ganancia de
calor generado por alumbrado.
Qalumbrado = (No. De lámparas) (watts de cada lámpara) (3.415) = (BTU/hr)
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
54
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Donde:
Qalumbrado = Calor desprendido por el alumbrado dentro del espacio
No. De lámparas = Cantidad de lámparas dentro del espacio
Watts de cada lámpara = La cantidad de watt con la que alumbra cada lámpara
3.415 = Factor de conversión de Watts a BTU/hr
Como sabemos todas las maquinas son accionadas por motores eléctricos que
emplean parte de su energía consumida en vencer rozamientos que a su vez se
transforman en calor.
El calor cedido al espacio por los mores y sus máquinas conducidas afectan a dicho
medio en tres maneras:
1. Si el motor y la maquina se encuentran en el interior del espacio frío, el calor
cedido será igual al de la siguiente expresión:
Q=
N
η
(746)(3.415) = BTU / hr
Donde:
Q = Calor desprendido por equipo-paquete
N = La potencia del motor en HP
η = Rendimiento mecánico del motor
746 = Factor de conversión de Hp a Watts
3.415 = Factor de conversión de Watts a BTU/hr
2. Si el motor esta fuera del espacio y la máquina en el interior del espacio, el calor
desarrollado esta dado por:
Q = N (746)(3.415) = BTU / hr
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
55
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Donde:
Q = Calor desprendido por equipo-paquete
N = Potencia del motor en HP
746 = Factor de conversión de Hp a Watts
3.415 = Factor de conversión de Watts a BTU/hr
3. Si el motor esta dentro del espacio y la maquina fuera, el calor emitido será:
N
Q& = ( − N )(746)(3.415) = BTU / hr
η
Donde:
N = Potencia del motor eléctrico (HP).
η = Rendimiento del motor eléctrico (%).
746 = Factor de conversión de HP a Watts.
3.415 = Factor de conversión de watts a BTU/hr.
Para:
QAyE = QA + QE ( BTU / hr )
Donde:
QAyE = Calor total desprendido por alumbrad y equipo
QA = Calor desprendido por alumbrado
QE = Calor desprendido por equipo
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
56
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA GENERADA POR INFILTRACIÓN.
El concepto de infiltración representa una transmisión de calor originado por la
entrada de aire exterior (a la temperatura del medio ambiente) al interior del espacio
refrigerado. Esta carga térmica es ocasionada en el momento de la apertura de las
puertas, ventanas u otro medio que influya en la comunicación con el exterior.
El procedimiento de calculo para este punto se basa en considerar que el aire del
espacio se cambiara un determinado numero de veces por hora, a esto se le llama
“numero de intercambios de aire” (CA) y se maneja en un intervalo de una hora. El
numero de cambios esta en función directa del volumen total del espacio refrigerado por
lo tanto distinguiremos 2 grupos:
•
•
Espacios con volúmenes altos (más de 200 ft3).
Espacios con volúmenes bajos (menos de 200 ft3)
Cuando se trata de volúmenes bajos, la cantidad de calor por este concepto se
determina de la siguiente manera:
MÉTODO POR APERTURA DE PUERTAS (PARA REFRIGERACIÓN).
•
•
Para congeladores ó diseños mas bajos a esta condición se consideran 2.1 CA.
Para refrigeradores o instalaciones equivalentes con temperaturas iguales ó
superiores de refrigeración, se consideran 4.2 CA
MÉTODO POR INFILTRACIÓN (PARA AIRE ACONDICIONADO).
•
•
•
•
Si tiene un lado expuesto al medio ambiente se considera 1 CA
Si tiene dos lados expuestos al medio ambiente 1.5 CA
Si tiene tres lados expuestos al medio ambiente 2.0 CA
Si tiene cuatro lados expuestos al medio ambiente 2.5 CA
Si se tienen instalaciones de uso pesado se deben multiplicar por el valor de los
cambios de aire por 2. Para el caso de almacenamiento con uso prolongado el calor de
cambio de aire se multiplica por 0.6.
El calor a eliminar en el aire se obtendrá (para el caso del método de apertura de
puertas) a partir de la carta psicometrica, de aquí se toman valores de entalpía total del
aire exterior correspondiente al valor de su volumen especifico y del mismo modo para el
aire interior, la ecuación que define la cantidad de calor del aire en función de la magnitud
será:
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
57
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
QAIRE INTERIOR =
VINFILTRADO
_
HT
INTERIOR
( BTU / hr )
V INTERIOR
Donde:
QIAIRE INTERIOR = Calor del interior de la cámara
VINFILTRADO = Volumen de aire que se infiltra en la cámara
VINTERIOR = Volumen específico en el interior de la cámara
HT INTERIOR = Entalpía en el interior de la cámara
QAIRE EXTERIOR =
VINFILTRADO
_
HT
EXTERIOR
( BTU / hr )
V EXTERIOR
Donde:
QAIRE IEXTERIOR = Calor del exterior de la cámara
VINFILTRADO = Volumen de aire que se infiltra en la cámara
VEXTERIOR = Volumen específico en el exterior de la cámara
HT INTERIOR = Entalpía en el interior de la cámara
Entonces el calor infiltrado es:
QINFILTRADO = QEXT . − QINT . ( BTU / hr )
Donde:
QINFILTRADO = Calor total que se infiltra en la cámara
QEXTERIOR = Calor total en el exterior de la cámara
QINTERIOR = Calor total en el inferior de la cámara
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
58
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA GENERADA POR OCUPANTES.
El cuerpo humano al desarrollar cualquier actividad esta desprendiendo calor, aun
cuando no realice actividad física, el simple hecho de que su organismo trabaje para
mantenerlo vivo es suficiente para que se libere calor. La energía calorífica cedida por lo
ocupantes esta en función directa de la actividad que desarrolle en el interior del espacio.
Existen valores determinados, para ciertas actividades que se pueden desarrollar en
el área a tratar, los cuales se localizan para su uso practico en tablas. Los valores que se
muestran en estas tablas como el equivalente del calor por persona (ECPP) es la suma
del calor sensible mas su correspondiente calor latente.
Para calcular la carga térmica cedida por los ocupantes basta con identificar el
equivalente de calor por persona en la tabla (ver anexo), de acuerdo con la temperatura
del espacio, y multiplicado por el número de ocupantes:
Qocupantes = No. De ocupantes x Hs (BTU/hr).
Qocupantes = Calor que se desprende por ocupantes en la cámara.
No. De ocupantes = Total de personas que trabajan dentro de la cámara.
Hs = Calor disipado en BTU/hr.
CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA GENERADA POR EL EFECTO SOLAR.
Este calculo se debe a la incidencia de lo rayos solares y se calcula
exclusivamente para la s paredes o superficies afectadas en la hora critica y únicamente
en verano. Los rayos solares al incidir sobre la superficie de un espacio refrigerado
originan el calentamiento de estos, lo cual implica el paso del calor al interior del espacio.
El efecto solar esta relacionado con las siguientes características:
•
•
•
Rugosidad de la superficie en que incide.
Al ángulo de incidencia e intensidad de los rayos solares.
La constante proporcional del color de la superficie.
Las características anteriores afectan la refracción de la radiación solar, lo cual
puede ocasionar un aumento en la ganancia de calor en el interior del espacio por este
concepto. Para el cálculo de la radiación solar, la cual varía con la situación geográfica y
la altura sobre el nivel del mar, se puede calcular suponiendo que el medio ambiente
exterior tiene una temperatura superior a la real y se puede obtener mediante la expresión
matemática general de la transmisión de calor:
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
59
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Q = A U ∆T’ (BTU/hr)
∆T’ = Texterna corregida – Tinterna de diseño (°F)
Texterna corregida = Texterior + ∆Tablas
(°F)
Donde:
Q = Calor total por efecto solar
A = Área de transferencia de calor por efecto solar
∆T´ = Diferencia de temperaturas corregida por efecto solar
TEXTERNA CORREGIDA = Temperatura que se corrige para calculo del calor por efecto solar
TINTERNA DE DISEÑO = temperatura de diseño (carne de res)
∆Ttablas se obtiene considerando el color y orientación de la superficie afectada. Véase el
anexo.
CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA TOTAL.
Después de realizar los cálculos anteriores se procede a efectuar la suma de cada
punto calculado, a fin de obtener la carga térmica total y de esta forma conocer la
cantidad de calor que deberá retirársele a nuestro espacio y/o producto a refrigerar.
Entonces tenemos que:
•
•
•
•
•
•
Carga térmica generada por el producto.
Carga térmica generada por transmisión a través de paredes.
Carga térmica generada por alumbrado y equipo.
Carga térmica generada por infiltración.
Carga térmica generada por ocupantes.
Carga térmica generada por efecto solar.
Por lo tanto:
QT = Q prod . + Qtransm. paredes + Qalumb. y equipo + Qinf . + Qocup. + Qefect . solar ( BTU / hr )
Donde:
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
60
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
QT = Calor total que se le retirará al espacio
QPROD = Calor que desprendió el producto
QTRANSM.PAREDES = Calor transmitido a través de paredes
QALUMB. Y EQUIPO = Calor transmitido por alumbrado y equipo
QINF = Calor transmitido por infiltración
QOCUP = Calor transmitido por ocupantes en la cámara
QEFECT. SOLAR = Calor transmitido por el efecto solar
CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA DEL SISTEMA.
Para realizar el calculo de la nuestro balance térmico se procede a conocer los
datos necesarios los cuales serán proporcionados por nuestro equipo de enfriamiento
secundario y mediante la siguiente formula podremos obtener nuestra carga total.
q A = m C pA ∆T
Donde:
q A = Es la cantidad de calor sensible que hay que eliminar al producto arriba del punto de
congelación. (BTU)
m
= Cantidad de masa del producto. (lb)
C pA = Calor específico arriba de del punto de congelación. (BTU/lb. °F)
∆T = Diferencia de temperatura entre la temperatura inicial del producto hasta la
temperatura final. (°F)
Se tomara esta formula debido a que solo se disipara calor sensible, o sea que no
habrá ningún cambio de estado físico, de modo que nuestro calculo será de la siguiente
forma:
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
61
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Qsensible = m C p ∆T ( BTU / hr )
Donde:
QSENSIBLE = Es la cantidad de calor sensible que hay que eliminar al producto arriba del
punto de congelación. (BTU)
m
= Cantidad de masa del producto. (lb)
CP = Calor específico arriba de del punto de congelación. (BTU/lb. °F)
∆T = Diferencia de temperatura entre la temperatura inicial del producto hasta la
temperatura final. (°F)
A continuación se realizaran los respectivos cálculos, para poder obtener así la
carga térmica que tendrá que ser disipada por nuestro sistema de refrigeración.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
62
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
2.9 CÁLCULO ENERGÉTICO DEL PROYECTO.
Transmisión de calor a través paredes:
.
 BTU 
Q = AU ∆T 
 hr 
Datos:
NOTA: Los diferentes valores que se utilizaran para los cálculos son proporcionados por
las tablas q se encuentran en los anexos.
υext = 18.64mph
υinf = 3mph
Text = 87.8º F
Tinf = 32º F
e1 = 5.5 pu lg
BTU ⋅ pu lg
k1 = 5
º F ⋅ pie2 ⋅ hr
e2 = 4.39 pu lg
BTU ⋅ pu lg
k2 = 0.17
º F ⋅ pie2 ⋅ hr
e poliure tan o = 0.04 pu lg
BTU ⋅ pu lg
º F ⋅ pie2 ⋅ hr
= 5.5 pu lg
k3 = 350
eloza
BTU ⋅ pu lg
º F ⋅ pie2 ⋅ hr
= 4 pu lg
kloza = 12
e piso
k piso = 12
e poliestireno
BTU ⋅ pu lg
º F ⋅ pie 2 ⋅ hr
= 7.32 pu lg
k poliestireno = 0.24
BTU ⋅ pu lg
º F ⋅ pie2 ⋅ hr
Calculando los espesores para el poliestireno y el poliuretano:
Para el poliestireno:
e poliestireno = 1
3(
Text − Tint )
e poliestireno = 1
3(
87.8º F − 32º F ) = 18.6cm = 7.32 pu lg
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
63
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Para el poliuretano:
e poliure tan o = 1
5(
e poliure tan o = 1
Text − Tint )
5(
87.8º F − 32º F ) = 11.16cm = 4.39 pu lg
Para el cálculo de la transmisión de calor a través de las paredes calculamos f que es el
factor de conductividad de la película de aire:
f = 2 + 0.4υ (Para pared y techo medianamente rugosa)
f1 = 2 + 0.4 (18.64 ) = 9.456
f1 = 2 + 0.4 ( 3) = 3.2
BTU
º F ⋅ pie ⋅ hr
BTU
º F ⋅ pie ⋅ hr
f = 1.6 + 0.3υ (para pared lisa y puerta)
f 2 = 1.6 + 0.3 (18.64 ) = 7.192
f 2 = 1.6 + 0.3 ( 3) = 2.5
BTU
º F ⋅ pie ⋅ hr
BTU
º F ⋅ pie ⋅ hr
Ahora calculando el coeficiente global de transferencia de calor U para las paredes
tenemos que:
U=
U=
1
1 e1 e2 e3 1
+ + + +
f1 k1 k2 k3 f 2
1
BTU
= 0.0364
1
5.5 4.39 0.04 1
º F ⋅ pie2 ⋅ hr
+
+
+
+
9.456 5 0.17 350 2.5
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
64
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Calculando el calor (Q) que transfieren las paredes:
Q = AU ∆T


BTU
BTU
Q& = ( 49.212 pies ×16.40 pies )  0.0364
 ( 87.8º F − 32º F ) = 1639.669
2
º F ⋅ pie ⋅ hr 
hr

Este es el calor por cada una de las paredes largas.
Q = AU ∆T


BTU
BTU
Q& = ( 82.020 pies ×16.40 pies )  0.0364
 ( 87.8º F − 32º F ) = 2732.782
2
hr
º F ⋅ pie ⋅ hr 

Este calor es por cada una de las paredes anchas.
Calculando el coeficiente de transferencia de calor global U para la puerta tenemos que:
U=
U=
1
1 e1 e2 e3 1
+ + + +
f1 k1 k2 k3 f 2
1
BTU
= 0.0322
1
0.04 7.32 1
º F ⋅ pie2 ⋅ hr
+
+
+
7.192 350 0.24 2.5
Calculando el calor (Q) se transfiere a través de la puerta:
Q = AU ∆T


BTU
BTU
Q = (13.12 pies × 6.56 pies )  0.0322
 ( 87.8º F − 32º F ) = 154.36
2
º F ⋅ pie ⋅ hr 
hr

Calculando el coeficiente de transferencia global U para el techo tenemos que:
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
65
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
U=
U=
1
1 e1 e2 e3 1
+ + + +
f1 k1 k2 k3 f 2
1
BTU
= 0.5059
1
5.5 5.5 1
º F ⋅ pie2 ⋅ hr
+
+
+
9.456 5 12 3.2
Calculando el calor (Q) que transfiere el techo:
Q = AU ∆T


BTU
BTU
Q& = ( 82.020 pies × 49.212 pies )  0.5059
 ( 87.8º F − 32º F ) = 113943.52
2
º F ⋅ pie ⋅ hr 
hr

Calculando los parámetros para el suelo:
Para la temperatura del subsuelo:
Tsubsuelo =
Text + Tint
2
Tsubsuelo =
87.8 − 32
= 59.9º F
2
Calculando el coeficiente de transferencia global U tenemos que:
U=
U=
1
1 e1 e2 e3 1
+ + + +
f1 k1 k2 k3 f 2
1
5.5 1
+
12 3.2
= 1.297297
BTU
º F ⋅ pie2 ⋅ hr
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
66
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Calculando el calor (Q) que transfiere el piso:
Q = AU ∆T


BTU
BTU
Q = ( 82.020 pies × 49.212 pies ) 1.2972
 ( 59.9º F − 32º F ) = 146094.71
2
º F ⋅ pie ⋅ hr 
hr

Para obtener el calor total de transferencia de calor a través de paredes tenemos que:
BTU  
BTU  
BTU  
BTU 

QT = ∑ Q =  2 ×1639.669
 +  2 × 2732.782
 + 146094.71
 +  113943.52

hr  
hr  
hr  
hr 

QT = 268783.132
BTU
= 67733.34 kcal/hr
hr
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
67
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CALOR PRODUCIDO POR EL PRODUCTO.
DATOS:
Tent = 50º F
Talm = 32º F
BTU
lb º F
BTU
CeB = 0.40
lb º F
BTU
H L = 98
lb º F
TCong = 29º F
CeA = 0.75
Nosotros solo calcularemos el calor
sensible ya que nuestro producto solo
tendrá un proceso de enfriamiento
Calculando el calor sensible que se retirará al producto:
Q& P = mCe A ∆T
[ BTU ]
−Q& P = (1485 )( 0.75 )( 32 − 50 ) = −20047.5 BTU =5051.97kcal/hr
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
68
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CARGA TÉRMICA GENERADA POR INFILTRACIÓN
DATOS:
Condiciones Exteriores (Cd. de Puebla).
TBS = 84º F
TBH = 63º F
Condiciones Interiores.
TBS = 32º F
TBH = 30º F
% H R = 92
uso pesado (2)
Para determinar este calculo, debemos de tener el volumen de nuestro espacio del cual a
continuación se darán sus especificaciones:
Exteriores
Largo 49.212 pies
Ancho 82.020 pies
Altura 16.404 pies
Interiores
47.596 pies
80.404 pies
15.945 pies
Calcularemos el volumen del espacio, para así poder calcular el volumen infiltrado:
VESP = L × A × H
VESP = 47.586 pies × 80.404 pies × 15.945 pies = 61007.240 pies 3
De tablas obtendremos los cambios de aire por cada 24 hrs:
61007.240 -------- 1.6 CA
CA / 24 hrs = 1.6 / 24 = 0.0666
Cálculo del flujo volumétrico de aire infiltrado:
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
69
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
.
(
V INF = (VESP ) CA

USO ) =  ft
hr ) (

3

min 
.
V INF = ( 61007.240 )( 0.0666 )( 2 ) = 8126.164
pies 3
hr
Para el cálculo de los flujos de calor interno y externo la H T y υ se obtiene de la carta
psicrométrica:
Condiciones exteriores
H TEXT = 28.6
υ EXT = 13.9
BTU
lb
Condiciones interiores
H TINT = 10.9
pies 3
lb
υ INT = 12.4
BTU
lb
pies 3
lb
Calculando el flujo de calor externo:
.
V&INF
v H TEXT
Q EXT = uuuu
υ EXT
(
)
.
Q EXT =
8126.164
BTU
= 4213.44 kcal/hr
( 28.6 ) = 16720.02
13.9
hr
Calculando el flujo de calor interno:
.
V&INF
v H TINT
Q INT = uuuu
υ INT
(
)
8126.164
BTU
Q& INT =
= 1800 kcal/hr
(10.9 ) = 7143.160
12.4
hr
Calculando el calor total por el concepto de infiltración obtenemos:
Q& INF = Q& EXT − Q& INT
kca/hrl
BTU
BTU
BTU
Q& INF = 16720.02
− 7143.160
= 9576.86
= 2413.36
hr
hr
hr
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
70
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
TRANSFERENCIA DE CALOR POR ALUMBRADO Y EQUIPO.
DATOS:
Se consideraran 6 motores eléctricos
El rendimiento mecánico se obtiene de catalogo de fabricación
factor de conversión de 1Watt a BTU/hr
A = 3826.908 pies 2
HP = 1.5
η = 68%
# de lamparas=64 de 60 watts c
u
Q& A = A ×1× 3.415
Por norma se dice que por cada pie2 habrá 1 Watt:
Q& A = A ×1× 3.415
BTU
Q& A = 3826.908 pies 2 ×1× 3.415 = 13068.89
hr
Ahora lo calcularemos como nos dice la teoría:
Q& A = # lamparas × watts × 3.415
BTU
Q& A = 64 × 60 × 3.415 = 13113.6
=3304.62 kcal/hr
hr
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
71
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Haciendo el cálculo de calor por equipo:
Como sabemos hoy en día en los sistemas de refrigeración se utiliza los denominados
“Equipos-Paquete” que van dentro de la cámara por lo tanto calcularemos el calor
desprendido por el equipo denominado:
N
Q& E =   ( 746 )( 3.415 )
η 
BTU
 1.5 × 6 
Q& E = 
=8496.961kcal/hr
 ( 746 )( 3.415 ) = 33718.102
hr
 0.68 
Calculando el calor por alumbrado y equipo:
Q& Ay E = QA + QE
BTU
BTU
BTU
Q& Ay E = 13068.89
+ 33718.102
= 46786.992
=11790.321kcal/hr
hr
hr
hr
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
72
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
TRANSFERENCIA DE CALOR POR OCUPANTES.
DATOS:
No de Ocupantes = 4
Para calcular este concepto se necesita
la temperatura a la cual se va a
encontrar la cámara en ºF para saber la
cantidad de calor disipado por persona
en BTU/hr por medio de tablas:
Tint = 32º F----------- 950
QO = N º personas ⋅ hs
BTU
hr
Personas
QO = 4 × 950
BTU
BTU
= 3800
=957.6kcal/hr
hr
hr
TRANSFERENCIA DE CALOR POR EFECTO SOLAR.
Este cálculo no se efectuará ya que la cámara frigorífica estará dentro de un espacio
cerrado donde no sería afectada por la radiación solar.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
73
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CÁLCULO DEL CALOR TOTAL QUE ALBERGARÁ NUESTRA CÁMARA
FRIGORÍFICA.
CALOR
CARGA TERMICA
(BTU/hr)
Transmisión por paredes
268783,132
Transmisión por producto
-20047,5
Transmisión por infiltración
9576,86
Transmisión por alumbrado y equipo
46786,992
Transmisión por ocupantes
3800
Transmisión por efecto solar
0
Σ=308899,484
339789,432
Aplicando un F.S.O. del 10%
Calculándolo ahora en Kcal/hr ya que comercialmente son las unidades que se utilizan en
el mercado para la selección de los condensadores tenemos que:
1 BTU = 0.252 kcal
14157.893
BTU
kcal
kcal
× 0.2519958
= 3567.729
hr
BTU
hr
Y convirtiendo el calor transmitido al espacio en TR:
BTU
hr = 28.31 ≈ 28
BTU
12000
hr
339789.432
TR =
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
74
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CAPÍTULO 3
CÁLCULO Y SELECCIÓN
DEL EQUIPO
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
75
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
3.1 REFRIGERANTES.
Definición de refrigerante
En general, un refrigerante es cualquier cuerpo o sustancia que actúa como agente de
enfriamiento absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia. Con respecto al ciclo compresión vapor, el refrigerante es el fluido de trabajo del ciclo el cual alternativamente se vaporiza y se
condensa absorbiendo y cediendo calor, respectivamente. Para que un refrigerante sea
apropiado y se le pueda usar en el ciclo compresión -vapor, debe poseer ciertas propiedades
(químicas, físicas y termodinámicas) que lo hagan seguro y económico durante su uso.
Propiamente no existe un refrigerante " ideal " y por las grandes diferencias en las
condiciones y necesidades de las varias aplicaciones, no hay un solo refrigerante que sea
universalmente adaptable a todas las aplicaciones. Entonces, un refrigerante se
aproximará al " ideal ", sólo en tanto que sus propiedades satisfagan las condiciones y
necesidades de la aplicación para lo cual va a ser utilizado.
3.2 CLASIFICACIÓN SEGÚN ASHRAE.
En la tabla siguiente se proporciona una lista de fluidos cuyas propiedades pueden ser
adecuadas para usárseles como refrigerantes. Sin embargo, sólo unos pocos de los
más deseados son realmente empleados como tales. Algunos que se usaron
bastante en años anteriores, han sido eliminados a medida que se han desarrollado
fluidos más apropiados, otros continúan en estado de desarrollo y son una
promesa para el futuro.
ASHRAE Sistema de numeración de refrigerantes.
ASRE Nombre del químico Designación Fórmula
estándar del refrigerante
Química
10
11
12
13
13B 1
14
20
21
22
23
Compuestos halocarburos
Carbóntetracloruro
Tricloromonofluorometano
Diclorodifluorometano
Monoclorotrifluorometano
Monobromotrifluorometano
Carbóntetrafluoruro
Cloroformo
Dicloromonofluorometano
Monoclorodifluorometono
Trifluorometano
CCI4
CC3F
CCI2F2
CCIF3
CBrF3
CF4
CHCI3
CHCI2F
CHCIF2
CHF3
Peso
Punto de
molecular ebullición
°F
153.8
137.4
120.9
104.5
148.9
88.0
119.4
102.9
86.5
70
170.2
74.8
-21.6
-114.6
-72.0
-198.4
142
48.1
-41.4
-119.9
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
76
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
30
31
32
40
41
50
110
111
112
112ª
113
113ª
114
114ª
114B 2
115
116
120
123
124
124ª
125
133ª
140ª
142b
143ª
150ª
152ª
160
170
218
290
C316
C317
Cloruro de metileno
Monocloromonofluorometano
Fluoruro de metileno
Cloruro de metilo
Fluoruro de metilo
Metano
Hexacloroetano
Pentacloromonofluoroetano
Tetraclorodifluoroetano
Tetraclorodifluoroetano
Triclorotrifluoroetano
Triclorotrifluoroetano
Diclorotetraftuoroetano
Diclorotetrafluoroetano
Dibromotetrafluoroetano
Monocloropentafluoroetano
Hexafluoretano
Pentacloroetano
Diclorotrifluoroeíano
Monoclorotetrafluoretano
Monoclorotetrafluoroetano
Pentafluoretano
Monoclorotrifluoroetano
Tricloroetano
Monoclorodifluoroetano
Trifluoroetano
Dicloroetano
Difluoroetano
Cloruro de etil
Etano
Octafluoropropano
Propano
Diclorohexafluorociclobutano
Monocloroheptafluorociclobutano
CH2Cl2
CH3F2
CH3CI
CH3F
CH4
CCI3CCI3
CCI3CCI2F
CCI2FCCl2F
CCI2CCIF2
CCI2FCCIF2
CCI2CF3
CCIF2CClF2
CCI2FCF3
CBrF2CBrF2
CCIF2CF3
CF3CF3
CHCl2CCl3
CHCI2CF3
CHCIFCF3
CHF2CCIF2
CHF2CF3
CH2CICF3
CH3CCl3
CH3CClF2
CH3CF3
CH3CHCI2
CH3CHF2
CH3CH2CI
CH3CH3
CF3CF2CF3
CH3CH2CH3
C4CI2F6
C4ClF7
84.9
68.5
52
50.5
34
16
236.8
220.3
203.8
203.8
187.4
187.4
170.9
170.9
259.9
154.5
138
202.3
153
136.5
136.5
120
118.5
133.4
100.5
84
98.9
66
64.5
30
188
44
233
216.5
105.2
48.0
-61.4
-10.8
-109
-259
305
279
199.0
195.8
117.6
114.2
38.4
38.5
117.5
-37.7
-108.8
324
83.7
10.4
14
-55
43.0
165
12.2
-53.5
140
-12.4
54.0
-127.5
-36.4
-44.2
140
77
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
77
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
C318
500
501
Octafluorociclobutano
Refrigerantes- 12/152a
73.8/26.2
wt%*- 22/ 1 2 75/25 wt%
Refrigerantes
C4F8
CCbF2/CH3
CHF
CHCIF2/CCI
2F2
11/11548.8/51.2 CHCIF2/CCI
F2CF3
CH4
200
99.29
93.1
21.1
-28.0
-42
502
112
-50.1
50
Refrigeranteswt%
Metano
16.0
-259
170
290
600
601
1150
Etano
Propano
Butano
Isobutano
Etileno
CH3CH3
CH3CH2CH3
CH3CH3CH2
CH
CH(CH3)3
CH2=CH2
30
44
58.1
58.1
28.0
-127.5
-44.2
31.3
14
-155.0
1270
Propileno
CH3CH=CH2 42.)
-53.7
611
620
630
631
Formato de metil
C2H2OC2H5
HCOOCH3
74.1
60
94.3
89.2
Amina de metil
Amina de etil
CH3NH2
C2H5NH2
31.1
45.1
20.3
61.8
717
718
729
744
744 A
764
1112a
1113
1114
1120
1130
1132 a
11 40
1141
1150
1270
Amoniaco
Agua
Aire
Dióxido de carbón
Oxido nitroso
Dióxido de azufre
Diclorodifluoroetileno
Monocloroirifluoroetileno
Tetrafluoroetileno
Tricloroetileno
Dicloroetileno
Fluoruro de vinilideno
Cloruro de vinilo
Fluoruro de vinilo
Etileno
Propileno
NH8
H2O
17
18
29
CO2
44
N2O
44
S02
04
CCI2=CF2
133
CCIF=CF2
116.5
CF2=CF2
100
CHCI=CC12 131.4
CHCI=CHCI 96.9
CH=CF2
64
CH3=CHCI 62.5
CH2=CHF
46
CH2=CH2
28
CH3CH=CH2
-28
212
-318
-109
(subí.)
-127
14.0
67
-18.2
-105
187^
118
-119
7.0
-98
-155.0
-53.7
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
78
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
• Córner Corp. Document 2-D127, p.l
Los compuestos de metano, etano y propano aparecen en la sección de
halocarburos con sus propias posiciones numéricas, pero entre paréntesis ya que
estos productos no son halocarbyros.
Los
compuestos etileno y propileno aparecen en
la sección de
hidrocarburos
(
con
el
fin
de indicar que
estos
compuestos
son
hidrocarburos).
El
etileno
y
el
propileno
están
debidamente
identificados como compuestos orgánicos no saturados.
De la ASHRAE Dafa Book, Design Volume, 1957 - 58 Edition, con permiso de la
American Society of Heating, Refrigerating. and Air - Conditioning Engineers.
3.3 PROPIEDADES DE ALGUNOS REFRIGERANTES Y CARACTERÍSTICAS
DE UN CICLO CON EVAPORACIÓN A-15 °C (5 °F) Y CONDENSACIÓN A 30
°C (86 °F).
PROPIEDAD
Color de vaporización a -15°C KJ/Kg.
(Btu/lb).
Volumen específico de! vapor a -15°C
It/Kg. (ft/Ib).
Gasto por unidad de refrigeración
Kg./s por KW [Ib/min por tonelada).
Flujo Volumétrico de vapor en el
evaporador por unidad de
refrigeración H/s por KW (ft3/min por
ton.).
HCFC22.
215.93
(92.8)
HCFC123.
178.3
(76.7)
HCF1340.
207.28
(89.3)
77.34
(1-24)
0. 000
15
(2.87)
0.3908
(6.26)
119.9
(1.92)
6.56
(3.05)
0.00681
(3.17)
0.476
(3.54)
2.56
(19.1)
0.8165
(6.08)
R-717.
1313
(564)
508
(8.14)
0.0009
1
(0.422)
0.461
(3.43)
3.4 EFECTOS DE LOS DIFERENTES REFRIGERANTES EN LA DESTRUCCIÓN DE
LA CAPA DE OZONO Y EL CALENTAMIENTO GLOBAL.
Una razón por el resurgimiento en el interés por el amoníaco es su efecto a l a
atmósf era. Durante una f uga de am oníaco m ientras que la concentración del
amoníaco permanezca cerca o debajo de 50ppm (partes por millón), el amoníaco
no daña a apersonas, animales, plantas y medio ambiente. El amoniaco se
encuentra libre en la atmósfera y es parte fundamental del ciclo del nitrógeno como
fuente de nitrato, el cual convierte al nitrógeno de manera que puede ser utilizada por
las plantas.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
79
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Aproximadamente el 95 % del total del amoníaco en el mundo es debido a los
procesos naturales, por ejemplo, la descomposición de materia orgánica,
excremento de animales, productos de las alcantarillas y erupciones volcánicas. El
potencial de destrucción del Ozono (ODP) y potencial para el calentamiento global
(GWP) de cuatro refrigerantes están mostrados en la Tabla "A". Los ODPs y GWPs
están dados con respecto al refrigerante R-l 1 el cual tiene un valor de 1.0, es
preferible que la vida de sustancia en la atmósfera sea corta y la duración del
amoniaco en la atmósfera es usualmente de unos días y siempre menos de dos
semanas. El ODP del R-22 es solamente 5 % y el del R-123 del 2 % del R-l 1. El R-134a
es un HFC y no contribuye a la destrucción del ozono, lo mismo es cierto para el
amoniaco.
En ambos casos R-22 y R-l 34a causan calentamiento global.
3.5 Tabla "A"
Potencial de destrucción de Ozono (ODP) y Calentamiento
Global (GWP) de algunos refrigerantes con referencia a CFC-11.
Refrigerante.
HCFC-22
HCFC-123
HFC-134a
AMONIACO.
Duración en la
Atmósfera.
(Años).
ODP.
GWP.
18
2
18
Menos de 2
semanas.
0.05
0.02
0.31
0.40
0.02
0.31
0
0
En la refrigeración Industrial los dos refrigerantes más importantes son HCFC-22 y
amoníaco. Estos refrigerantes se dividen en mercado probablemente en
proporciones iguales, pero a principios de este siglo, el HCFC-22 deberá ser
reemplazado, por lo que el amoníaco tendrá la oportunidad de ganar mas
instalaciones debido a que muchos de los empresarios tendrán que observar el
comportamiento ecológico de los refrigerantes.
Lo anterior es una razón por lo que la utilización del amoniaco será mayor en el futuro.
3.6
PROPIEDADES SEGURAS.
Las propiedades seguras de un refrigerante son de especial importancia en la
selección del mismo. Es por esta razón que algunos fluidos que de otro modo son
altamente deseables como refrigerantes, tienen uso limitado como tales.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
80
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Para tener uso apropiado como refrigerante, un fluido deberá ser químicamente inerte
hasta el grado de no ser inflamable, no explosivo y no tóxico, tanto en su estado puro
como cuando están mezclados con el aire en cierta proporción; además el fluido
no deberá reaccionar desfavorablemente con el aceite lubricante o con cualquier otro
material normalmente usado en la construcción del equipo de refrigeración. No
deberá reaccionar desfavorablemente con la humedad, la cual, no obstante, a
pesar las precauciones rigurosas que se tienen, se presente en cierto grado este
problema en todos los sistemas de refrigeración. Además es deseable que el fluido
sea de tal naturaleza que no contamine de forma alguna a los productos
alimenticios o algunos productos almacenados en caso de que se tuviera alguna
fuga en el sistema.
3.7 APLICACIÓN DE LOS REFRIGERANTES.
Después de haber examinado las características y factores que influyen en la elección
de los refrigerantes, vamos hacer un resumen del uso de algunos de los refrigerantes
más comunes.
3.7.1 Aire. El uso principal del aire como refrigerante es en la
unidad de ciclo de aire para aviones. El coeficiente de funcionamiento de
ciclo de aire que trabaja entre las temperaturas de 30 y -15°C es 1.67; si se
compara con el coeficiente de funcionamiento de los otros refrigerantes
La refrigeración con aire se requiere más trabajo, si bien el menor peso compensa con
mucho esta desventaja en el servicio aéreo.
3.7.2 Amoníaco. El amoniaco se usa principalmente en las grandes
industrias y en las instalaciones de baja temperatura. La mayoría de las
plantas que usan amoniaco han adiestrado a sus operarios para el servicio.
La toxicidad impide su uso en los lugares ocupados por grandes grupos de
gente. Aunque su utilización en refrigeraciones a baja temperatura, tales
como congelación de alimentos y plantas lecheras tiene la competencia
de los Refrigerantes 22 y 12, cada año entran en funcionamiento muchos
nuevos sistemas de amoniaco.
3.7.3 Anhídrido
carbónico.
Antes
de
que
apareciesen
los
hidrocarburos halogenados, el anhídrido carbónico era un refrigerante no
tóxico muy popular. Al exigir altas potencias y altas presiones de
condensación, esta limitado ahora su uso a los ciclos de baja temperatura
en sistemas en cascada, en los que el anhídrido carbónico se condensa
cediendo su calor al evaporador de una unidad de temperatura más alta
que utiliza un refrigerante distinto.
3.7.4 Refrigerante 11. Debido al alto caudal en volumen por ton, el Refrigerante 11 es
apropiado para trabajar en compresores centrífugos.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
81
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Los Refrigerantes 11 y 113 son los más usados en sistemas de compresor centrífugo.
Por debajo de 23.9°C, El Refrigerante 11 esta a presión inferior a la atmosférica, por lo
que se necesitan dispositivos de purga para separar el aire que se introduzca en el
sistema.
3.7.5 Refrigerante 12. Es el Refrigerante más ampliamente usado. Se usa
principalmente con compresores alternativos en aparatos de refrigeración
domésticos, en acondicionamientos de aire en comercios e industrias, y en multitud
de otros tipos de sistemas de refrigeración. Las propiedades del refrigerante 12 que lo
hacen tan útil son las convenientes presiones de funcionamiento, la pequeña
potencia necesaria por ton, y el que no sea tóxico ni corrosivo.
3.7.6 Refrigerante 22. El refrigerante 22 al igual que el ! 2, no es tóxico, y necesita una
pequeña potencia por ton. Esfe refrigerante compite con el 12 en unidades pequeñas de
acondicionamiento de aire. Compite con e amoniaco en sistemas industriales de baja
temperatura en aquellos casos en que la toxicidad del amoniaco ha de tenerse en cuenta.
3.8 COMPARACIÓN DE LOS REFRIGERANTES.
Muchos factores deben tenerse en cuenta al elegir un refrigerante. Estos
factores pueden agruparse en propiedades termodinámicas, químicas y físicas:
Termodinámicas:
• Presiones a las temperaturas de evaporación y condensación.
• Punto de congelación.
• Volumen puesto en juego por tonelada de refrigeración.
por
tonelada
de
refrigeración
y
coeficiente
• Potencia
funcionamiento
Químicas:
• Inflamabilidad.
• Toxicidad.
• Reacción con los materiales de construcción.
• Daños a los productos refrigerados.
Físicas:
• Tendencia a las fugas y detección.
• Viscosidad y conductividad térmica.
• Acción sobre el aceite.
• Costo.
• Preferencia personal.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
82
de
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
3.9 INFLAMABILIDAD y TOXICIDAD.
INFLAMABILIDAD: El peligro de inflamación o explosión influirá ciertamente en la elección
del refrigerante. Los hidrocarburos tales como el propano, etano y butano son
altamente inflamables y explosivos, por lo que se usan únicamente en aquellas
aplicaciones industriales en las que se puede disponer de métodos de seguridad para el
empleo de gases explosivos. El amoniaco es explosivo cuando se mezcla con el aire
en concentraciones de 16 a 25 % de amoniaco en volumen. Los hidrocarburos
halogenados (refrigerantes 11, 12, 22 etc.), se consideran no inflamables.
TOXICIDAD: Un refrigerante tóxico es el que es perjudicial a los seres humanos cuando se
mezcla con et aire en pequeños porcentajes. Todos los refrigerantes comunes, excepto el
aire, pueden causar sofocación, pero esto, generalmente sólo ocurre a altas
concentraciones. Los Underwriters Laboratories han clasificado los refrigerantes de acuerdo
con su toxicidad relativa. Como muestra en la siguiente tabla, los números de clasificación
más altos de los Underwrifers Laboratories indican una toxicidad reducida.
Refrigerante.
Amoníaco.
Refrigerante 113.
Anhídrido carbónico.
Refrigerante 1 1.
Refrigerante 22.
Refrigerante 12.
Duración de
exposición H.
Muerte o serios danos.
la Concentración en el aire.
½
1
½-1
2
2
Ningún daño a los
conejillos de indias
después de dos
horas
de
exposición.
% en Volumen.
0.5 - 0.6
4.8 - 5.2
29.0 - 30.0
10.0
18.0 - 22.5
28.5 - 30.4
Kg/I.000m3o
C.
3.2 - 4.8
372 - 402
530 - 550
570
642 - 808
1.430 - 1.530
20
Los hidrocarburos halogenados no son tóxicos cuando se mezclan con el aire. Sin
embargo, su descomposición en presencia de una llama puede ser peligrosa. De la
descomposición de estos refrigerantes en presencia de una llama resulta fosgeno, que
es un gas venenoso. El olor acre de los productos sirve de aviso.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
83
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
3.10 SELECCIÓN DE REFRIGERANTE
Se hace una selección del refrigerante a usar, en base a una tabla comparativa, en la
cual se muestran las ventajas y desventajas de nuestras dos alternativas (freón y
amoníaco), en la misma se muestran propiedades, características y además precios
de los mismos para dar una idea más clara del porque de la selección de uno u otro.
PROPIEDADES O CARACTERÍSTICAS
Freón.
Punto de ebullición a 1 Atm (°F).
-41.4
Concentración de calor del vapor saturado a 5°F 105.56
en el evaporador (Btu/lb).
Contenido de calor del líquido a 86°F en 36.28
el condensador (Btu/lb).
Efecto refrigerante (Btu/lb).
69.28
Refrigerante recirculado (Ib/min).
2.887
Volumen de líquido a 86°F (pie3/lb).
0.0136
3
Líquido recirculado (plg /min).
67.97
Volumen de vapor a 5°F (pie3/lb).
1.246
Refrigerante
por
pie3
de
desplazamiento
del compresor (Btu/min).
Desplazamiento del compresor (pie3/min).
Flamable
Tóxico
Contaminante.
Precio ($/Kg.).
Miscible con aceite.
Abundancia en el mercado.
Probabilidad de fuga.
Estructura molecular.
Amoniaco NH3
-28
613.35
133.9
474.45
0.4215
0.0269
19.6
8.150
55.60
58.20
3.596
No.
No.
3.436
Si.
Si.
Alto.
Mucho.
Poca
Grande.
Pequeña.
Bajo.
Poco.
Mucha.
Pequeña.
Grande.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
84
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Refrigerante
R-12
R-22
NH 3
Agua
CCI2F2
120.9
CHCIF2
86.5
NH3
17.0
H2 O
18.0
-28.0
-40.8
-33.3
100
0.83
1.99
1.38
752 *
6.55
11.2
10.86
731.5*
1122
96.1
133.0
374.5
41.97
50.33
116.1
226.8
38.3
55.0
4.08
4.06
4.94
6.95
91.1
78.0
509
152,570
37.9
52.0
313.8
Efecto neto de refrigeración del
liquido, 30 °C/15 °C
(kcal/Kg.).
27.8
35.0
263.5
560
Calor especifico del líquido a 30 C.
0.24
0.34
1.10
1.0
Calor especifico del vapor a la
presión constante de 1
Atm. y 30 °C.
0.15
0.15
0.52
0.5
Coeficiente de comportamiento.
4.70
4.66
4.76
4.10
C.P. /ton. de refrigeración.
1.002
1.011
0.99
0.62
1.82
1.31
0.19
0.089
1.40
1.11
0.32
0.089
165
102
0.97
13,497
6
5A
Mod.
No.
Ninguna
Ninguna
Sí.
No.
Recip.
Centrif.
Fórmula química.
Peso molecular.
Temp. Ebullición (°C) a 1 atm. De
presión.
Presión del evaporador a -1 5°C (Kg./
cm2).
Presión de condensación a
30°C(Kg./cm2).
Temperatura crítica (°C).
2
Presión critica (Kg./cm ).
Temperatura de descarga del
compresor (°C) .
Relación de compresión (30°C/15°C).
Volumen específico del vapor
saturado a -15°C (l/Kg).
Calor latente de evaporación a -15
°C (Kcal/Kg.).
Refrigerante circulado/ton,
refrigeración (Kg./min).
Liquido circulado/ton, refrigeración
(It/min).
Desplazamiento de compresor/ton
refrigeración (lt/m¡n).
Toxicidad (grupo No. Undewriter's
Laboratories)
Flamabilidad y explosividad.
Tipo de compresor adecuado.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
85
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
3.11 DAÑO A LOS PRODUCTOS REFRIGERADOS.
Cuando por una fuga en el sistema refrigerante es posible que llegue el refrigerante a
estar en contacto con los productos refrigerados, hay que tener en cuenta los efectos
de este contacto.
El amoniaco se disuelve en agua, y la mayoría de los productos alimenticios contienen
agua, En pequeñas concentraciones el efecto del amoniaco sobre los alimentos es
insignificante, pero a altas concentraciones, o con largos periodos de exposición, los
alimentos toman mal sabor, e incluso pueden ser tóxicos. Los Hidrocarburos
halogenados no tienen efecto perjudicial sobre los alimentos, pieles o telas.
3.12 REACCIÓN CON LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN.
Corrientemente, la reacción de un refrigerante, con un material de construcción, no
tiene influencia en la elección del refrigerante, pero la clase el material que debe
emplearse para contener al refrigerante a usar, viene generalmente dictada por este.
Ciertos metales pueden ser atacados por lo refrigerantes. El amoniaco, por ejemplo,
reacciona con el cobre, el latón u otras aleaciones de cobre en presencia del agua.
Por tanto el hierro y el acero son los materiales comúnmente empleados en los sistemas
de amoniaco. Los hidrocarburos halogenados pueden reaccionar con el cinc, pero no
con el cobre, aluminio y, hierro. En presencia de una pequeña cantidad de agua, los
hidrocarburos halogenados forman ácidos que atacan a la mayoría de los metales.
Los Hidrocarburos halogenados atacan el caucho natural, por lo que debe usarse en
las empaquetaduras y juntas de estanqueidad caucho sintético del tipo neopreno.
3.13 VIDA ÚTIL DE LOS TUBOS PARA UNA CIERTA CAPACIDAD DE
REFRIGERACIÓN.
La siguiente tabla (propiedades de los refrigerantes) mostró que el calor [atente del
amoniaco es aproximadamente seis veces mayor que el de los refrigerantes
halogenados, por lo tanto el flujo másico es muy pequeño con amoniaco para una
cierta capacidad. Aunque el amoniaco tenga un alto volumen especifico y las
velocidades del vapor del amoniaco y R-22 son semejantes, la caída de presión de
amoniaco es menor. La base más apropiada para una comparación de los refrigerantes
es la caída de temperatura de saturación, por que la temperatura es el mejor indicador
de la eficiencia del sistema que la presión. Basados en esto un tubo de succión para
amoniaco puede transportar un flujo de refrigerante con aproximadamente tres veces
la capacidad de refrigeración en comparación de los refrigerantes halogenados.
Capacidades e refrigeración de diámetros varios con dos caídas de temperatura de
saturación. Las cantidades se aplican a la tubería de succión con un largo de 30.5 [100 ft] y
una temperatura de saturación de -17.8°C(0°F).
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
86
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Refrigerante.
HHCFC-22.
Amoniaco.
Capacidad de refrigeración KW/Tons.
Caída de temperatura de Caída de temperatura de
saturación de 0.56 °C (1°F).
saturación de 1.1 °C (2°F).
4-pulgadas.
6- pulgadas.
4-pulgadas,
6- pulgadas.
199 (50. 7).
587(167).
281 (80).
833(237).
545 (155).
1583 (450).
731 (208).
21 10(600).
La comparación muestra que tubos más pequeños y más baratos pueden ser usados en
un sistema con amoniaco para las mismas perdidas por caída de presión. Por otra parte
se podría seleccionar el mismo diámetro de tubo en un sistema de amoniaco
beneficiándose el primero con una menor caída en presión.
3.14 APLICACIONES ACTUALES Y VENTAJAS PARA EL AMONIACO.
La cantidad de sistemas que usan amoníaco como refrigerante es pequeña en
comparación con la que usa halocarbonos, pero a una escala absoluta el
amoníaco tiene un papel importante en la economía mundial. Las plantas de
refrigeración que utilizan amoníaco son por lo general grandes y operan en un medio
ambiente industrial, funcionan a bajas temperaturas, se distribuyen sobre una superficie
extensa, tienen que ser flexibles con respecto a modificaciones y ampliaciones
considerando sobre todo la eficiencia de estas plantas. Estas características hacen
que el amoníaco sea utilizado frecuentemente para el procesamiento y conservación de
los alimentos y hasta cierto punto en las industrias químicas y farmacéuticas. El
amoníaco es un pilar de la industria alimenticia y en el congelamiento y
conservación de comestibles congelados y refrigerados.
Basado en los datos suministrados por la International of Refrigerated Warehouses, los
pronósticos para compras futuras favorecen a los sistemas de amoníaco en la
proporción de 1 a 5 en los Estados Unidos de Norteamérica y Canadá. En Europa
Occidental los sistemas de amoníaco en almacenes frigoríficos son favorecidos por un
pequeño margen.
Las ventajas con el amoníaco incluyen su comportamiento con el aceite. El costo de
operación, la eficiencia de los ciclos, los altos coeficientes de intercambio, la baja potencia
requerida por la bomba en un sistema de recirculación de liquido, la habilidad para
proveer una cierta capacidad de refrigeración con tuberías más pequeñas, su tolerancia al
agua, la facilidad de detección de fugas, además e amoníaco es adaptable a
condensadores evaporativos que pueden reducir la temperatura de condensación.
Lógicamente el amoníaco tiene sus desventajas.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
87
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
3.15 USOS Y PORQUE DEL AMONIACO.
El amoniaco se usa principalmente en grandes sistemas industriales que
frecuentemente cubren áreas extensas y operan a temperaturas bajas no es un
accidente que el amoniaco domine en estas aplicaciones:
Costo Bajo: Debido a que estas plantas son grandes y requieren cargas
de miles de Kgs. El costo del refrigerante en un factor importante.
Eficiencia
Alta: Debido a
la alta
eficiencia
del ciclo y a
los altos
coeficientes de transferencia de calor, un sistema de amoniaco puede
operar económicamente, en las grandes instalaciones se presta mucha
atención al costo de la energía eléctrica.
Baja Potencia para el Bombeado del Líquido: Debido a que la mayoría
de los sistemas industriales usan recirculación del líquido, el amoniaco
tiene la ventaja de que requiere menos energía por bomba.
Facilidad para la Detección de Fugas: El amoniaco al poseer un olor
fuerte
facilita
la
detección
de fugas
de refrigerante
y
corregirlas
rápidamente.
Mayor Tolerancia a la contaminación con Agua: La entrada de agua a
un sistema grande es casi inevitable y una cantidad moderada de agua
en amoniaco no causa problemas.
Comportamiento Favorable con Aceite: Debido a que el
amoniaco se separan, el aceite que se acumula en los
del lado de baja presión puede ser drenado fácilmente.
aceite y el
componentes
Menores Diámetros de los Tubos: Tubos más chicos se pueden utilizar
con amoniaco por lo tanto, el costo de las tuberías en una planta
grande es menor o la caída de presión del refrigerante es menor para un
mismo tamaño de los tubos.
El Amoniaco no Causa
la
Destrucción de la Capa de Ozono o
Calentamiento Global: Una razón importante por la que el amoniaco
ahora se considera como un reemplazo por los CFCs es que el amoniaco
es benigno al medio ambiente.
3.16 COSTO DE REFRIGERANTE.
El amoníaco es el refrigerante más barato en la actualidad. Eso es debido a que la mayor
aplicación de este no es en la refrigeración, sino en usos agrícolas, por lo que el costo
para refrigeración es bastante modesto. El precio cuando es comprado en grandes
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
88
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
volúmenes oscila entre 0.55 y 1.75 U.S.D. por kilogramo. Este precio representa
aproximadamente un sexto del precio del R-22. Los refrigerantes nuevos son
excesivamente caros { están entre 11 y 18 U.S.D. por kilogramo) por esta razón el costo
de la carga inicial de refrigerante y el costo de reposición de refrigerante perdido es
mucho más caro que con amoniaco.
Las diferentes propiedades termodinámicas de los refrigerantes resultan en ciclos con
eficiencias diferentes. Es muy común escuchar decir que el amoníaco es e refrigerante
más eficiente. Esto lo es muy probablemente para la refrigeración industrial. Pero en e
caso del HCFC-123 en su ciclo ideal es mucho más eficiente que el amoníaco, la
inconveniencia de este refrigerante es de que tiene que ser manejado a altas
presiones y únicamente es utilizado en compresores centrífugos.
CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL EQUIPO.
3.17 CONDICIONES DE TRABAJO.
El refrigerante a utilizar en el sistema de refrigeración en la cámara frigorífica es R-22
HCFC (hidrocloroflurocarburo), es un refrigerante con potencial de agotamiento de la capa
de ozono menor a 0.1, ya que contiene mas de un átomo de hidrogeno lo que lo hace
menos estable y le permite descomponerse mas rápidamente en la atmósfera baja antes
de alcanzar la estratosfera. Por estas condiciones los fabricantes de refrigeración han
decidido utilizarlo para aplicación comercial y para satisfacer temperaturas arriba del
punto de congelación de los productos.
Refrigerante: R-22
•
•
•
•
Temperatura requerida: 32°F (0°C)
Capacidad del sistema: 28 TR
Condensador: Enfriado por aire
Condiciones atmosféricas: TBS = 84°F (29°C); TBH= 64°F (18 °C)
Con las condiciones ya mencionadas trazaremos el diagrama de Mollier
3.18 CARACTERÍSTICAS DEL R-22.
Este refrigerante es del grupo de los HCFC, inicialmente estaba diseñado para aire
acondicionado pero hasta hace poco se empieza a emplear para todo.
Evapora a -40.8°C a presión atmosférica, es miscible con el aceite mineral y sintético pero
en bajas temperaturas es recomendable utilizar separador de aceite.
Acepta poco recalentamiento ya que de lo contrario aumentaría demasiado la temperatura
de descarga. Absorbe 8 veces mas humedad que el R-12.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
89
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Actualmente se prohíbe sus empleo en instalaciones nuevas excepto en equipos de aire
acondicionado inferior a 100kW. Las fugas también se pueden detectar con lámpara.
Propiedades
Freon 22
Numero de refrigerante
R-22
Reemplaza
N/A
Fórmula química / Composición
CHCIF2
Peso molecular
86.47
Punto de ebullición a 1 atm, °F(°C)
(-40.8)
Densidad del líquido a 25°C (77°F), lb/ft3 (Kg/m3)
AEL Límite de exposición aceptable (8- y 12-HR TWA), ppm
74.53
-1195
151.4
-1043
0.296
-1.24
0.157
-0.657
0.0458
-0.0849
0.00621
0.01074
205.24
-96.24
722.39
-4981
1000
ODP Potencial de agotamiento del ozono, CFC-12=1
0.5
GWP Potencial de calentamiento global, CO2=1
1500
Clasificación ASHRAE de Seguridad
A1
Presión de Vapor a 25°C (77°F), PSIA (kPa)
Capacidad térmica del líquido a 25°C (77°F) Btu/lb °F (Kj/kg°K)
Capacidad térmica del vapor a 1atm y 25°C (77°F), Btu/lb°F(Kj/Kg°K)
Conductividad térmica del líquido a Btu/hr ft °F (W/°K)
Conductividad térmica del vapor a 1 atm (101.3 kPa), Btu/hr ft °F
(W/°K)
Temperatura crítica, °F (°C)
Presión crítica PSIA (kPa)
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
90
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CONDICIONES DE TRABAJO
Temperaturas
Tsucc = Treq − 8 a 10° F
Tsucc = 32 − 10 = 22° F
=-5.22ºC
Tdesc = TBSaire amb + 10 a 15° F
Tdesc = 84 + 15 = 99 °F
=37.22ºC
Con estas temperaturas se trazara el ciclo de refrigeración en el diagrama de Mollier.
Ya con el ciclo trazado ahora se calculará los diez parámetros enseñados en clase.
Parámetros a calcular:
NIVELES DE PRESIÓN
AP = 125
BP = 60
lbs
p lg 2
lbs
p lg 2
RELACIÓN DE COMPRESIÓN
RC =
AP
BP
RC =
125
= 2.08
60
Nota: para esta relación de compresión, los fabricantes de compresores
reciprocantes establecen un ηv (rendimiento volumétrico) de 77.5% R-22.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
91
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Para el cálculo de los siguientes parámetros se necesitaran los valores de las entalpías en
los todos los puntos del ciclo (evaporación: 1-2, compresión: 2-3, condensación: 3-4 y
expansión: 4-1).
ENTALPIA VALOR (BTU/lb)
h1=h4
27.5
h2
105.5
h3
115
EFECTO REFRIGERANTE
ER = ∆h = h2 − h1
ER = ∆h = 105.5 − 27.5 = 78
BTU
lb
ER=43.33kcal/kg
GASTO MÁSICO
•
ω=
•
ω=
200TR
ER
200(289)
lb
lb
= 71.79
= 4307.69
78
min
hr
ώ=32.56kg/min = 1953.93kg/hr
COEFICIENTE DE RENDIMIENTO
CR =
ER
hcomp
hcomp = h3 − h2 = 115 − 105.5 = 9.5
CR =
BTU
=5.27kcal/kg
lb
78
= 8.21
9.5
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
92
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CALOR DESPRENDIDO EN EL CONDENSADOR
•
•
− Q cond = ω× ∆hcond
∆hcond = h4 − h3 = 27.5 − 115 = −87.5
•
BTU
lb
− Q cond = 4307.69(−87.5) = −376922.875
BTU
hr
VOLUMEN DESPLAZADO
El volumen de succión es determinado por el diagrama de Mollier y el rendimiento
volumétrico es a partir de datos de fabricantes como ya se dijo.
•
ω× v
Vd =
ηv
Vd =
succ
 ft 3 
 min 


71.79(0.91)
ft 3
= 84.29
0.775
min
ft 3
Vd = 5057.72
hr
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
93
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
SELECCIÓN DE EQUIPO
En la selección de equipo primero se seleccionara una unidad condensadora con una
capacidad que satisfaga las necesidades de extracción de calor de nuestro espacio por
refrigerar.
Los equipos a seleccionar son de la marca FRIGUS BOHN, se selecciono esta marca
debido a que se adecua a nuestras necesidades, ya que sus equipos manejan
refrigerante R-22 que fue el que seleccionamos.
Para realizar una selección de equipo tomamos en cuenta el resultado arrojado por
nuestro balance térmico, que en este caso fue de 376922.875 BTU/hr que es la cantidad
de calor que va a disipar dicho condensador
Ahora entramos a los catálogos de Bohn y buscamos una maquina que de acuerdo a
nuestra temperatura requerida y a la carga térmica por eliminar que cumpla con nuestras
condiciones.
En nuestro caso como la capacidad de los equipos propuestos por el fabricante no hay
uno con dicha capacidad de nuestro equipo entonces seleccionaremos dos y asi cumplir
con el abatimiento de nuestra carga térmica.
Por lo tanto seleccionaremos dos maquinas BLV2600H2, la cual como se observa en la
tabla de selección del fabricante, tiene una capacidad de absorción de 193100 BTU/hr a
25°F de temperatura de succión saturación (Temp. De evaporación del refrigerante)
trabajando a una temperatura ambiente de 90°F, esta maquina o unidad paquete cuenta
con un compresor de 40 HP.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
94
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
UNIDAD CONDENSADORA
UNIDAD CONDENSADORA DIMENSIONADA
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
95
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
UNIDAD EVAPORADORA
UNIDAD EVAPORADORA DIMENSIONADA
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
96
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Una vez que seleccionamos la maquina debemos balancear esta con los evaporadores.
Para seleccionar el o los evaporadores adecuados, debemos tomar en cuenta la altura a
la que estarán colocados y el tiro de aire que se desea obtener de ellos, ya que un
evaporador con ventiladores pequeños no brindaría una circulación adecuada de aire,
además debemos tener en cuenta que si la temperatura del cuarto es menor a 32°F
deberá tener un sistema de deshielo eléctrico (por resistencias eléctricas).
Para nuestro proyecto los evaporadores adecuados son 3, tipo BHL-1050-CPA el cual
disipa 105, 000 BTU/hr, como son evaporadores tenemos en total 315, 000. Aplicando el
factor de corrección tenemos un total de 360,000 BTU/hr
De a cuerdo al fabricante los equipos se pueden balancear al 10%
Por lo tanto tenemos que el calor que disipa el condensador menos lo que disipa el
evaporador entre el valor del calor del condensador (calculo práctico para balancear los
equipos) tenemos que:
Nos da un valor negativo por que el evaporador es mayor que el condensador.
Normalmente este valor es positivo por que el condensador es mayor al evaporador y eso
nos reduce costos.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
97
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
TABLA DE DATOS DEL EVAPORADOR
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
98
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
TABLA DE DATOS DEL CONDENSADOR
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
99
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CAPÍTULO 4
PROGRAMA DE MANTENIMIENTO
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
100
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
4.1 PROGRAMA DE MANTENIMIENTO.
4.2 Evaporadores.
Todos los evaporadores deben revisarse una vez al mes o mas a menudo para obtener
un deshielo adecuado, debido a que la cantidad y tipo de escarcha puede variar
considerablemente.
Lo anterior depende de la temperatura de la cámara, del tipo de producto almacenado, del
a frecuencia de almacenaje del producto nuevo en la cámara, y del porcentaje en tiempo
que la puerta esta abierta. Puede ser necesario cambiar periódicamente el numero de
ciclos de deshielo o ajustar la duración de deshielo.
Unidades condensadoras/evaporadores:
Bajo condiciones normales, el mantenimiento debe cubrir los siguientes puntos por lo
menos cada seis mese:
1. Revise y apriete todas las conexiones eléctricas.
2. Revise todo el cableado y aislamientos.
3. Revise el correcto funcionamiento de los contadores y el desgaste de los puntos
de contacto.
4. Revise todos los motores de los ventiladores. Ajuste los pernos de montaje del
motor, tuercas y ajustar los tornillos posicionamiento del ventilador
5. Limpie la superficie del serpentín del condensador.
6. Revise el nivel de aceite y refrigerante en el sistema.
7. Revise el funcionamiento del sistema de control. Asegúrese que los controles de
seguridad estén funcionando adecuadamente
8. Revise que todos los controles de deshielo estén funcionando adecuadamente.
9. Limpie la superficie del serpentín del evaporador.
10. Limpie la charola de drenado y revise que se tenga el correcto drenado de la
charola y la línea.
11. Cheque la resistencia de la tubería dren para una operación adecuada, cortarla del
tamaño requerido y fijarla adecuadamente.
12. Revise y apriete todas las conexiones tipo flare.
A continuación se detallan un programa de mantenimiento preventivo por elemento.
4.3 EVAPORADORES.
Para que nuestros evaporadores se encuentren siempre en buen estado es
recomendable realizar el siguiente mantenimiento y de esta manera tenemos la
seguridad de que tendrán el tiempo estimado de vida util dado por el fabricante.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
101
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1. Checar los evaporadores mensualmente para mantener un deshielo apropiado.
2. La acumulación de hielo sobre el serpentín del evaporador puede causar
ineficiencias en la operación del sistema y puede perjudicar la superficie del
serpentín por si sola.
3. Cada seis meses:
Apretar todas las conexiones eléctricas del panel.
4. Checar el desgarre del aislamiento en los cables y alambres de la instalación
eléctrica y hacer un cierto chequeo de apriete a todas las conexiones.
5. Checar los motores de los ventiladores y las aspas.
6. ¿Ver sí giran libremente las aspas? Checar las aspas por cualquier trayectoria de
giro inusual o fracturas por fatiga.
7. Mantener los motores con la lubricación apropiada, aplicar el lubricante correcto.
Reemplazar cualquier motor que presente problemas de giro ó que tenga los
valeros dañados.
8. Checar todas las resistencias de deshielo.
9. Asegurarse que las resistencias estén en posición correcta para máxima
transferencia de calor en el serpentín del evaporador. Siguiendo las
recomendaciones del fabricante.
10. Checar cada resistencia para un correcto amperaje.
11. Checar el voltaje en cada terminal de la resistencia.
12. Asegurarse que las terminales de la resistencia estén en buenas condiciones.
13. Limpiar la charola de drenado y checar que tenga un drenado apropiado.
14. Todas las materias extrañas deben ser removidas de la charola dren. El drenado
de la charola debe estar libre de cualquier obstáculo.
15. La línea de drenado debe estar libre de obstáculos con una inclinación visible
alejándose del evaporador.
16. Checar la línea de la resistencia del tubo dren en aplicaciones de baja temperatura
o de congelación.
17. Limpieza de la superficie del serpentín del evaporador.
18. El serpentín debe lavarse periódicamente para remover el polvo y otros materiales
extraños, los cuales pueden llegar a quedar atrapados entre las aletas. Puede
usarse un limpiador de espuma de cierto grado. Siguiendo las instrucciones para
una limpieza apropiada y nunca usar un limpiador de base ácida para limpiar los
serpentines de refrigerante.
4.4 UNIDADES MOTOCOMPRESORAS (COMPRESORES).
Es recomendable seguir estos pasos cada seis meses:
• Apretar todas las conexiones eléctricas.
• Checar el desgarre del aislamiento en los cables y alambres de la instalación
eléctrica y las terminales corroídas. Reemplazar los alambres dañados.
• Hacer un cierto chequeo de apriete a todas las conexiones.
• Checar todos los componentes eléctricos
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
102
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Los contactores eléctricos deben ser inspeccionados de cerca para el desgaste y
picado en los puntos de contacto. Los puntos deben limpiarse y pulirse. Checar
contra cualquier decoloración en los conductores, lo cual puede indicar una
pérdida del material del alambre ó una condición de sobrecorriente peligrosa.
Cualquier material extraño que se encuentre en el contactor debe ser removido.
Inspeccionar el motor del reloj de deshielo. Limpiar los puntos de contacto y
lubricar los engranes del reloj. Asegurarse de que el mecanismo completo del reloj
gira libremente.
Checar todos los relevadores en sus contactos reemplazar el relevador si es
necesario.
Checar las conexiones eléctricas dentro de la caja de conexiones eléctricas del
compresor.
Checar la operación del sistema de control.
Checar en todos los controles de presión que su funcionamiento y ajuste sean los
adecuados. Siguiendo las recomendaciones del fabricante.
Checar los controles de seguridad. Asegurarse que los controles de seguridad del
aceite y de alta presión estén funcionando.
Asegurarse de la operación del termostato de temperatura del cuarto. Asegurarse
que la válvula solenoide de líquido cierre completamente, que el ciclo de bombeo
cuando se efectué, el compresor pare enseguida.
Checar el nivel de Aceite del compresor.
El nivel de aceite debe estar a ó entre 1/3 y 2/3 de la mirilla de cristal.
Checar la operación del calentador del cárter.
Checar la operación de los controles del deshielo.
Bajo la mayoría de las condiciones, el reloj debe iniciar el deshielo. Asegurarse de
que las resistencias de deshielo, limpian completamente la escarcha del serpentín
del evaporador. El control de temperatura de la terminación del deshielo debe
detener el ciclo de deshielo y mantener a los ventiladores del evaporador parados
aproximadamente dos minutos antes de volver a operar.
Checar las condiciones del aislamiento de la línea de refrigerante.
El aislante húmedo, abierto ó deteriorado proporciona pobres beneficios al
sistema. Si el aislamiento está en pobres condiciones deplorables, reemplazarlo
de inmediato.
Checar que el nivel de refrigerante en el sistema sea el apropiado.
La mirilla de cristal en la línea de líquido debe estar visible y llena de líquido
refrigerante durante una operación normal. Si no, encontrar y reparar la fuga para
cargar suficiente refrigerante al sistema para mantener visible la mirilla de cristal.
Checar el sobrecalentamiento del sistema en la unidad condensadora.
Sobrecalentamiento de succión debe checarse en el compresor como se indica a
continuación:
Medir la presión de succión en la válvula de servicio del compresor y determinar la
temperatura de saturación correspondiente a esta presión en la tabla “PresiónTemperatura”.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
103
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
•
•
•
•
•
•
•
•
Medir la temperatura de succión sobre la línea de succión aproximadamente a un
pie (ft) (30.5 cm.) antes del compresor usando un termómetro de precisión.
Restar la temperatura saturada de la temperatura actual de la línea de succión. La
diferencia es el sobrecalentamiento.
El sobrecalentamiento en la succión demasiado bajo puede dar como resultado el
retorno de líquido al compresor. Esto puede causar disolución del aceite, y
eventualmente fallas en los cojinetes, anillos o posiblemente, fallas en la válvula.
Un sobrecalentamiento muy elevado en la succión dará como resultado
temperaturas de descarga excesivas, las cuales pueden provocar que el aceite se
degrade y provoque un desgaste en los anillos del pistón, daños al pistón y a las
paredes del cilindro.
Para la máxima capacidad del sistema, el sobrecalentamiento de succión debe
mantenerse tan bajo como práctico sea. Frigus Bohn recomienda que el
sobrecalentamiento en el compresor no sea menor de 30° F (6.6° C). Si el
sobrecalentamiento en la línea de succión requiere de ajustes, la válvula de
expansión en el evaporador debe ser ajustada. Siguiendo las recomendaciones
del fabricante.
Checar todos los capilares y las líneas con mangueras especiales.
Asegurarse que todos los capilares y las líneas con mangueras especiales sean
seguras, y no tengan roce contra objetos los cuales pueden provocar fugas de
refrigerante.
Reemplazar todos los tapones perdidos de las válvulas y las cubiertas de la
unidad.
4.5 CONDENSADORES.
Cada seis meses - o antes si las condiciones locales provocan la obstrucción o
ensuciamiento de los pasos de aire a través de la superficie aletada.- Efectuar lo
siguiente:
1. El serpentín del condensador debe ser limpiado y lavado
2. Limpiar periódicamente con un cepillo, aspiradora agua presurizada, o una
solución jabonosa limpiadora de serpentines comercial. Si se usa una SOLUCION
jabonosa limpiadora, ésta no debe ser de base ácida. Seguir las instrucciones en
la etiqueta del limpiador adecuado.
3. Checar la operación de los ventiladores del condensador.
4. Checar que cada ventilador gire libremente.
5. Apretar todos los tornillos que sujetan el ventilador.
6. Checar las aspas del ventilador para cualquier señal de fatiga u otras
características de desgaste. Si cualquier desgaste anormal es observado, cambiar
las aspas.
7. Lubricar los motores si es pertinente. (La mayoría de los motores de los
condensadores están permanentemente sellados y no requieren de lubricación).
8. Reemplazar cualquier motor que este dañado.
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
104
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
ANEXOS
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
105
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
TEMPERATURAS EXTRIORES DE DISEÑO EN VERANO
LUGAR
AGUASCALIENTES
Aguas Calientes
BAJA CALIFORNIA
Ensenada
Mexicali
La Paz
Tijuana
CAMPECHE
Campeche
Ciudad del Carmen
COAHULIA
Matamoros
Monclova
Nueva Rosita
Piedras negas
Saltillo
COLIMA
Colima
Manzanillo
CHIAPAS
Tapachula
Tuxtla Gutiérrez
CHIHUAHUA
Camargo
Casas Grandes
Chihuahua
Ciudad Juárez
Parral
DISTRITO FEDERAL
México Tacubaya
DURANGO
Durango
Guadalupe Victoria
Ciudad Lerdo
Santiago Papasquiaro
B.S
°C °F
34
B.H
ALTITUD
°C °F EN METROS
93 19 66
1879
34 93 26 79
43 109 28 82
36 97 27 81
35 95 26 79
13
1
18
29
36
37
97 26 79
99 26 79
25
3
34 93 21 70
38 100 24 75
41 106 25 77
40 104 26 79
35 95 22 72
1120
586
430
220
1609
36
35
97 24 75
95 27 81
494
3
34
35
93 25 77
95 25 77
168
536
43 109 23 73
43 109 25 77
35 95 23 73
37 99 24 75
32 90 20 68
1653
1478
1423
1137
1652
32
90 17 63
2309
33 91 17 63
43 109 21 70
36 97 21 70
38 100 21 70
1898
1982
1140
1740
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
106
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
LUGAR
GUANAJUATO
Celaya
Guanajuato
Irapuato
León
Salvatierra
Silao
GUERRERO
Acapulco
Chilpancingo
Iguala
Taxco
HIDALGO
Pachuca
Tulancingo
JALISCO
Guadalajara
Lagos de Moreno
Puerto Vallarta
MÉXICO
Texcoco
Toluca
MICHOACÁN
Apatzingan
Morelia
La Piedad
Uruapan
Zamora
Zacapu
MORELOS
Cuautla
Cuernavaca
NAYARIT
Acaponeta
San Blas
Tepic
B.S
°C °F
B.H
°C °F
ALTITUD
EN METROS
38 100 20 68
32 90 18 64
35 95 19 66
34 93 20 68
35 95 19 66
36 97 20 68
1754
2030
1724
1809
1761
1777
33 91 27
33 91 23
39 102 22
34 93 20
81
73
72
68
3
1250
735
1755
84 18 64
90 19 66
2445
2181
33 91 20 68
39 102 20 68
36 97 26 79
1589
1880
2
32
26
90 19 66
79 17 63
2216
2675
39 102 25 77
30 86 19 66
34 93 20 68
34 93 20 68
35 95 20 68
32 90 19 66
682
1923
1775
1611
1633
2000
42 108 22 72
31 88 20 68
1291
1538
29
32
37
33
36
99 27 81
91 26 79
97 26 79
25
7
918
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
107
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
LUGAR
NUEVO LEÓN
Linares
Montemorelos
Monterrey
OAXACA
Oaxaca
Salina Cruz
PUEBLA
Huahuachinango
Puebla
Tehuacan
Teziutlan
QUERÉTARO
Querétaro
QUINTANA ROO
Cozumel
Payo Obispo
SAN LUIS POTOSI
Matehuala
San Luis Potosi
SINALOA
Culiacán
Escuinapa
Mazatlán
Topolobambo
SONORA
Ciudad Obregón
Empalme
Guaymas
Hermosillo
Navojoa
Nogales
S. Luis Rio Colorado
B.S
°C °F
B.H
ALTITUD
°C °F EN METROS
38 100 25 77
39 102 25 77
38 100 26 79
684
432
534
35
34
95 22 72
93 26 79
1563
56
37
29
34
36
99
84
93
97
70
63
68
72
1600
2150
1676
1990
33
91 21 70
1842
33
34
91 27 81
93 27 81
3
4
36
34
97 22 72
93 18 64
1597
1877
37
33
31
37
99
91
88
99
27
26
26
27
81
79
79
81
53
14
78
3
43
43
42
41
41
37
51
109
109
108
106
106
99
124
28
28
28
28
28
28
30
82
82
82
82
82
82
86
40
2
4
211
38
1177
40
21
17
20
22
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
108
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
LUGAR
TABASCO
Villahermosa
TAMAULIPAS
Matamoros
Nuevo Laredo
Tampico
Ciudad Victoria
TLAXCALA
Tlaxcala
VERACRUZ
Alvarado
Córdoba
Jalapa
Orizaba
Tuxpan
Veracruz
YUCATÁN
Mérida
Progreso
ZACATECAS
Fresnillo
Zacatecas
B.S
B.H
°C °F °C
37
ALTITUD
°C
36
41
36
38
99 26 79
32
97 26 79
106 25 77
97 28 82
100 26 79
12
140
18
321
28
82 17 63
2252
35
36
32
34
37
95
97
90
93
99
79
73
70
70
81
9
871
1399
1248
14
33
91 27 81
16
37
36
99 27 81
97 27 81
22
14
36
28
97 19 66
82 17 63
2250
2612
26
23
21
21
27
10
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
109
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
RESISTENCIA
MATERIAL
MATERIALES DE
CONSTRUCCIÓN
Concreto, Arena y
Grava
DENSIDAD TEMPERATURA CONDUCTIVIDAD CONDUCTANCIA
por plg
140
75
12.0
0.08
Ladrillo común
120
75
5.0
0.20
Ladrillo de Fachada
Ladrillo hueco de 2
celdas, 6''
Bloque de concreto,
Arena y Grava, 8''
Bloque de concreto,
cenizas, 8''
Yeso para estucar,
Arena
130
75
9.0
0.11
total
75
0.66
1.52
75
0.90
1.11
75
0.58
1.72
105
75
5.6
0.18
Capa de lana mineral
0.5
75
0.32
3.12
Capa de fibra de vidrio
0.5
75
0.32
3.12
Placa de corcho
6.5-8.0
0
0.25
4.0
Placa de fibra de vidrio
Uretano expandido, R11
9.5-11.0
-16
0.21
4.76
0
0.17
5.88
Poliestireno expandido
1
0
0.24
4.17
Placa de lana mineral
Cubierta de techo
aislante de 2''
Relleno suelto de lana
mineral
15
0
0.25
4.0
2.0-5.0
0
0.23
4.35
Perlita expandida
5.0-8.0
0
0.32
3.12
120
75
4.76
0.21
70
75
6.50
0.15
MATERIAL AISLANTE
TECHOS
Techos de asbestocemento
Asfalto en rollo para
techos
75
0.18
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
110
5.56
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Techo prefabricado 3.8''
70
75
3.0
0.33
Tejas de madera
75
1.06
0.94
MATERIALES PARA
PISOS
Alfombra-con bajo
alfombra de fibra
Alfombra-con bajo
alfombra de hule
espuma
75
0.48
2.08
75
0.81
1.23
Losa de corcho de 1/8''
75
3.60
0.28
Terrazgo, 1''
Loseta Asfáltica de
vinilo o Linoleum
Subsuelo de madera de
25/32''
Suelo de madera de
3/4''
75
12.50
0.08
75
20.0
0.05
1.02
0.98
1.47
0.68
Vidrio plano sencillo
0.73
1.37
Vidrio aisalnte doble
0.49
2.04
Vidrio aislante triple
0.38
2.63
Ventanas de tormenta
1.40
2.27
VIDRIO
MATERIALES PARA
ACABADOS
Placa de asbestocemento
120
75
yeso de 1/2''
50
75
Triplay
Revestimento de
madera
34
75
0.8
1.25
20
75
0.38
2.63
65
75
1.40
0.72
Fibracel
Fieltro permeable al
vapor
Película plástica
impermeable
75
4.0
0.25
0.25
16.70
75
MADERAS
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
111
0.45
0.06
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Madera biselada de 1x8
Arce, roble, madera
dura
Abeto, pino, medera
blanda
75
1.23
0.81
45
75
1.10
0.91
32
75
0.80
1.25
Agua
4.2
Nieve
1.2-3.6
Tierra
7.2-12.0
0-24
0.830.27
0.140.08
0.45
2.22
VARIOS
Aserrín
75
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
112
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CALOR DISIPADO POR LAS PERSONAS
DENTRO DEL ESPACIO REFRIGERADO
(Utilizar para proyectos de Refrigeración)
TEMPERATURA DEL
REFRIGERADOR EN
ºF
50
40
30
20
10
0
-10
CALOR
DISIPADO/PERSONA
BTU/hr
720
840
950
1050
1200
1300
1400
CANTIDAD DE CALOR DESPRENDIDO/PERSONAS
EN BTU/hr
(Utilizar para proyectos de Acondicionamiento de Aire)
TIPO DE ACTIVIDAD
Para personas sentadas en reposo
Personas sentadas con trabajo ligero
Personas paradas con trabajo ligero
Personas caminado en intervalos
Personas con trabajo ligero
Personas con trabajo medio
Personas con trabajo pesado
Personas con trabajo muy pesado
Hs
Hl
Ht
195 155
350
195 205
400
200 250
450
200 300
500
220 530
750
300 700
100
465 985
1450
500 150
2000
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
113
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CALOR DISIPADO POR LOS MOTORES ELÉCTRICOS
BTU POR (HP)(HORA)
Motor y
ventilador
Motor fuera y
Motor dentro y
HP DEL
ventilador
ventilador
MOTOR
dentro del cuarto dentro
fuera
De 1/8 a 1/2
4250
2545
1700
De 1/2 a 3
3700
2545
1150
De 3 a 20
2950
2545
400
CAMBIOS DE AIRE CADA 24 HORAS EN CUARTOS FRÍOS
DEBIDOS
A LA APERTURA DE PUERTAS E INFILTRACIÓN
Volumen metros
Volumen pies
ambios de aire cada
cubicos
cubicos
24hrs
6
200
8
300
11
400
14
500
17
600
23
800
28
1000
42
1500
57
2000
85
3000
113
4000
142
5000
170
6000
226
8000
283
10000
425
15000
566
20000
708
25000
850
30000
1133
40000
1416
50000
2124
75000
2832
100000
44
34.5
29.5
26
23
20
17.5
14
12
9.5
8.2
7.2
6.5
5.5
4.9
3.9
3.5
3
2.7
2.3
2
1.6
1.4
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
114
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
TIPO DE SUPERFICIE
SUPERFICIES DE COLOR
OSCURO
Techo de arcilla negra
Techo de chapopote
Pintura negra
SUPERFICIES DE COLOR
MEDIO OSCURO
Madera sin pintar
Ladrillo
Losa roja
Cemento oscuro
Pintura roja, gris, verde
SUPERFICIES DE COLOR
CLARO
Piedra blanca
Cemento de color claro
Pintura blanca
Pared Este
ºF que se añaden a la diferencia
de temperatura
normal en los cálculos de
transmisión de calor
para compensar el efecto solar
Pared
Sur
Pared
Oeste
Techo
Plano
8
5
8
20
6
4
6
15
4
2
4
9
AUMENTO DE TEMPERATURAS SOBRE
LAS CONDICIONES EXTERIOR RECOMEDABLES
PARA EL CÁLCULO DEL EFECTO SOLAR
TIPO DE SUPERFICIE
∆T (ºF)
Para muros claros al oriente
Para muros claros al poniente
Para muros claros al sur
Para ventanas al oriente
Para ventanas al poniente
Para ventanas al sur
Para techos horizontales claros
Para tragaluces horizontales
15
30
20
25
40
50
45
60
“Los ingenieros somos perfectos porque utilizamos la ciencia exacta”
115